Review on the Three-Dimensional Magnetotelluric Modeling

This article reviews the development of three-dimensional (3-D) magnetotelluric (MT) modeling. The 3-D modeling of electromagnetic fields is essential in understanding the physics of MT soundings, and in implementing an inversion method to reconstruct a 3-D resistivity image. Although various numerical schemes have been developed over the last two decades, practical methods have been quite limited. However, the recent rapid improvement in computer speed and memory, as well as the advance in iterative solution algorithms for a large system of equations, makes it possible to model the MT responses of complex 3-D structures, which have been very difficult to simulate before. The use of staggered grids in finite difference method has become popular, conserving a magnetic flux and an electric current and allowing for realistic discontinuous fields. The convergence of numerical solutions has been greatly accelerated by adopting Krylov subspace methods, proper preconditioning techniques, and static divergence corrections. The vector finite-element method using edge elements is also free from the discontinuity problem, and seems a natural choice for modeling complex structures including irregular topography because its flexibility allows one to capture full geometric complexity.

MT 법의 3차원 모델링 개관

자기지전류(MT)법의 3차원 모델링에 대해 소개한다. 3차원 MT 모델링은 MT 반응의 물리적 특성의 이해뿐만 아니라 지하의 3차원적 전기비저항 구조를 재구성하기 위한 역산법의 개발에도 필수적이다. 지난 20년 동안 3차원 모델링에 관한 여러 수치기법들이 개발되었으나 그 실용성에는 많은 한계가 있었다. 그러나 최근에는 컴퓨터의 급속한 발전과 대형 연립방정식에 대한 반복해법의 발전에 힘입어 이전에는 어려웠던 복잡한 3차원 구조에 대한 MT 반응을 효율적으로 모델링할 수 있게 되었다. 유한차분법에서는 자기 flux와 전류의 보존법칙을 만족하면서 전기장의 불연속을 표현할 수 있는 staggered 격자의 사용이 보편화되었다. 대형 연립방정식에 대한 수치해의 수렴성은 Krylov 부분공간법, 적당한 전처리 기술 및 정적 발산보정법을 채택함으로써 크게 향상된다. 변요소를 사용하는 벡터 유한요소법으로도 전기장의 불연속 문제를 해결할 수 있으며 이 방법이 가진 기하학적 유연성은 불규칙한 지표기복을 포함한 복잡한 구조를 모델화할 때 특히 유용하다.