地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

地表固定干扰源影响下地电阻率观测随时间变化特征分析

在水平层状介质模型下,采用有限元数值计算方法建立三维模型,分析了地电阻率测区中位于地表的金属导线和局部电性异常体对观测产生的干扰形态和幅度随时间的变化特征。分析结果显示:1)低阻干扰源位于影响系数为正的区域时,将引起地电阻率观测值的下降变化,位于影响系数为负的区域时,将引起观测值的上升变化,高阻干扰源对观测的影响与之相反;2)地表干扰源影响的动态特征表现为,在浅层介质电阻率较低时对观测的干扰幅度要大于浅层介质电阻率较高时;3)对于正常年变的测道,低阻干扰源位于影响系数为正的区域时引起年变幅度增大,位于影响系数为负的区域时引起年变幅度减小,高阻干扰源对年变形态的影响与之相反;对于反常年变的测道,干扰源对年变形态的影响则与对正常年变测道的影响相反;4)金属导线对观测的干扰幅度受自身电阻率和横截面积影响:电阻率越低干扰幅度越大;有效横截面积越大干扰幅度越大。     

地-井方位激电观测异常特征研究

为系统了解地-井方位激电异常特征,利用有限单元法对地-井方位激电观测在立方体、板状体等典型地电异常体上的响应进行正演计算,分析了异常体位置、方位距离等变化对观测的影响规律,讨论了地形、钻孔本身对地-井方位观测的影响等.研究结果表明地-井方位观测是探测井旁和井底盲矿体行之有效的方法,利用不同方位上的异常曲线特征,遵循异常场定性分析和"先井口、后其它方位"的分析方法,可大致确定异常体的电性特征和空间展布;地形和钻孔本身对地-井方位观测的影响主要集中在浅部区域.     

永清井水温仪观测数据异常核实的实例与分析

以永清地震观测井水温仪观测数据出现的异常为例,通过同层水温仪对比观测,断电实验以及注水实验等现场核实的方法,详细分析了水温观测数据的可靠性,提出了流体观测井异常核实工作的一般流程与解决办法,为地震台站观测数据异常的现场核实提供了可靠、有效的方法,并找到产生异常的真正原因。      

中心回线TEM法探测多层积水采空区的可行性（英文）

随着煤矿的深部开采,多层积水采空区探测成为煤田水文物探工作的新内容,中心回线瞬变电磁(简称TEM)法因场结构与地层的耦合关系,对低阻层探测有利。但低阻层的屏蔽作用不仅使得探测同样的深度需要更长的观测时间,而且还会减弱下伏地层的异常响应。本文通过直接时域数值模拟和水平分层大地的模型正演,估算了探测目的层所需要的时间长度,根据噪声对观测数据造成的影响,给出了多层积水采空区可分辨的标准。山西大同达子沟煤矿水文勘探中获得的TEM实测曲线,表现了对多层积水采空区的探测能力。在实测曲线的定量反演解释中,利用电测井资料作为初始参数进行定量反演,约束了煤系薄层的等值性。所推断的三层和两层积水采空区,为钻孔所证实。研究结果表明,当观测时间有足够的长度、下伏地层的异常显示大于观测误差,中心回线TEM法探测多层采空区积水是可行性的。     

矿井瞬变电磁法三维时域有限差分数值模拟

给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据.     

地热开采对聊古1井地下流体动态的影响及其对策

简要介绍了聊古1井井区的水文地质条件,全面调查了聊城地震水化站外围地热资源开发的现状,在此基础上分析了地热开发对地震地下流体观测及其动态的影响。结果表明,井区周围地热开发导致聊古1井断流,引起了各项动态异常的出现;该井区碳酸盐岩岩溶性水的开采对地下流体观测及其动态产生影响,特别是冬季供暖期的开采对地下水物理动态产生严重干扰。为了消除或减弱这种影响,通过改造井口装置实现人工自流的方法,保证了各项观测,而且部分测项的观测条件得到改善,多数测项的动态资料可连续,只有少数测项动态受到较大影响,井口改造取得了一定实效。然而,根本的出路还应是保护观测系统,停止同层地热开发     

利用Cluster Ⅱ数据分析等离子体片区磁结构运动特性

利用Cluster Ⅱ 卫星上搭载的磁通门磁强计的观测数据,可以计算磁结构的运动速度.本文在GSM（Geocentric Solar Magnetospheric System,地心太阳磁层系）坐标系下处理了磁暴期间（2002年8月1日到2日）和磁场宁静期（2002年8月6日到7日）的等离子体片区的观测数据.通过分析磁结构速度的统计特性和频谱特性,得到以下结论：（1）磁结构运动速度呈现出不规则的摆动结构.（2）Vz的方差与Vy的方差近似相等,而远大于Vx的方差.这可能是由于“风袋效应”.（3）在黎明侧的等离子体片区, Vx和Vz的平均值约为0,但Vy的平均值的量级为-10 km/s.这可能是在等离子体片区Pc5压缩波造成的.（4）Vx, Vy, Vz的频谱在0033 min-1和0035 min-1之间都有一个峰值.     

海南井水位中期和中短期异常信息的提取方法及其特征分析

对海南地下流体观测井(泉)和测项进行严格筛选的基础上,运用月均值和从属函数异常判定方法,提取了所选井(泉)在海南及其邻近地区中等以上地震前出现的地下水位前兆异常信息,对前兆异常的特征做了分析研究。水位异常分为上升型中期异常和下降型中短期异常(即"破年变"异常)两类。从属函数中短期异常的平均超前时间在1 a左右,并可通过R值信息量检验,该时间可作为发震时间的中短期预测的参考性指标。     

2016年衡水冀16井水位变化分析

衡水冀16井水位2016年经常出现有规律的大幅度异常波动变化,具有小幅下降—持续上升—小幅上升—持续下降变化形态,日变最大幅度0.73 m。通过现场核实,发现观测仪器工作正常,附近鱼场地下水开采量增加。增加辅助观测仪器同井对比水位观测,并对鱼场2口冷水井进行抽水试验,分析衡水冀16井水位异常变化原因。结果显示,衡水冀16井水位大幅波动异常变化可能因冷水井1抽水所致,冷水井2无影响。     

非轴对称条件下用三维模式匹配法计算电阻率测井响应

采用模式匹配法研究了非轴对称条件下普通电阻率测井响应.根据非轴对称的地层模型，建立了新型的坐标系，确定在井轴与地层法线所形成的XOY平面上用数值方法，与此面垂直的方向上用解析方法.在XOY平面上的数值分析中，构建了广义特征值问题；在Z轴方向的解析部分中，人为地划分了一些介质层，并根据电磁场在层界面的连续性条件，推导出了各层之间场量的传递关系，从而摒弃了传统上二维模式匹配法中的复杂的反射阵和透射阵理论，完成了三维模式匹配理论.多种地层模型的数值结果对比表明，该方法在轴对称条件下的计算结果和二维模式匹配法的计算结果具有很好的一致性.此外，应用此算法还研究了倾斜地层等各种非轴对称的地层模型电阻率测井响应，系统地考察了井斜角对普通电阻率测井响应的影响.     

特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究

研究了管线的一系列电磁场特征,介绍了特深管线探测应用状况,通过实例分析了从1 m到21 m了不同埋深直线电流及强电流3~21 m情况下的电磁场Hx、Hz、ΔHx 〖WTBZ〗的归一化异常的分布特征 , 提出了对特深管线探测的对策,即频率、电流、远端接地等提高信噪比的技术对策,提出了确定地下金属管线平面位置、埋深的方法,利用水平磁场分量70%法确定管线深度的适用条件,分析了特深管线探测的干扰因素,广州市3个特深管线的探测成功实例,说明了方法的良好效果.     

电性源地-井瞬变电磁全域视电阻率定义

地-井瞬变电磁(TEM)方法是在地表发射,探头沿钻孔(井)测量瞬变响应的一种井中物探方法.由于接收探头沿钻孔深人地下,因此能够获得更加可靠的地下目标体信息,尤其当存在低阻覆盖层、浅部矿化等地质干扰,或者勘查深部规模不大之良导矿体时,地-井TEM方法的优势更加明显.相对于磁性源系统,电性源系统发射功率大,辐射面积广,更适合地形复杂地区之深部找矿.本文的目的是研究电性源地-井TEM的近似解释方法,首先给出了层状介质电偶极子在地下的TEM响应,进而通过电偶极子叠加的方式获得了电性源条件下的TEM响应.利用感应磁场与均匀半空间电阻率的单调关系通过反函数定理进行了全域视电阻率定义.理论模型的视电阻率计算结果显示,不同深度测点的视电阻率曲线首支不同,而尾支基本一致.这说明了全域视电阻率是测点周围有限范围内介质的综合反映,所以不同深度测点的视电阻率曲线首支所反映的范围是不同的.绘制了不同时间道视电阻率剖面曲线,以期显示地下电性分布规律.计算结果表明全域视电阻率定义能够基本可靠地反映地下信息,从而为该技术在矿区深部找矿的应用提供有力支持.     

New Methods for Modeling Laterolog Resistivity Corrections

The paper presents methods for laterolog response modeling. In Coulomb’s charges method, Laplace’s equation is solved for the electric field distribution in rock medium with internal boundaries between different resistivity layers. There, the boundary problem is reduced to Fred-holm integral equation of the second kind. The second method uses a finite element array to model apparent resistivity from laterolog. The task is treated as DC problem and the Laplace equation is solved numerically. The presented methods were applied to borehole data covering a typical stratigraphie section of the Fore-Sudetic Monocline in southwestern Poland. Apparent resistivity was calculated using the Coulomb’s charges method and alternatively modeled using a finite element method which gave similar results. Then, a series of linear corrections for borehole, shoulder bed, and filtration effects for apparent resistivity obtained by the Coulomb’s charges method demonstrated the feasibility of calculating true resistivity of virgin and invaded zones. The proposed methods provide a flexible solution in modeling which can be adapted to other logs.     

Two-Dimensional Magnetotelluric Modelling of Ore Deposits: Improvements in Model Constraints by Inclusion of Borehole Measurements

A combination of magnetotelluric (MT) measurements on the surface and in boreholes (without metal casing) can be expected to enhance resolution and reduce the ambiguity in models of electrical resistivity derived from MT surface measurements alone. In order to quantify potential improvement in inversion models and to aid design of electromagnetic (EM) borehole sensors, we considered two synthetic 2D models containing ore bodies down to 3000 m depth (the first with two dipping conductors in resistive crystalline host rock and the second with three mineralisation zones in a sedimentary succession exhibiting only moderate resistivity contrasts). We computed 2D inversion models from the forward responses based on combinations of surface impedance measurements and borehole measurements such as (1) skin-effect transfer functions relating horizontal magnetic fields at depth to those on the surface, (2) vertical magnetic transfer functions relating vertical magnetic fields at depth to horizontal magnetic fields on the surface and (3) vertical electric transfer functions relating vertical electric fields at depth to horizontal magnetic fields on the surface. Whereas skin-effect transfer functions are sensitive to the resistivity of the background medium and 2D anomalies, the vertical magnetic and electric field transfer functions have the disadvantage that they are comparatively insensitive to the resistivity of the layered background medium. This insensitivity introduces convergence problems in the inversion of data from structures with strong 2D resistivity contrasts. Hence, we adjusted the inversion approach to a three-step procedure, where (1) an initial inversion model is computed from surface impedance measurements, (2) this inversion model from surface impedances is used as the initial model for a joint inversion of surface impedances and skin-effect transfer functions and (3) the joint inversion model derived from the surface impedances and skin-effect transfer functions is used as the initial model for the inversion of the surface impedances, skin-effect transfer functions and vertical magnetic and electric transfer functions. For both synthetic examples, the inversion models resulting from surface and borehole measurements have higher similarity to the true models than models computed exclusively from surface measurements. However, the most prominent improvements were obtained for the first example, in which a deep small-sized ore body is more easily distinguished from a shallow main ore body penetrated by a borehole and the extent of the shadow zone (a conductive artefact) underneath the main conductor is strongly reduced. Formal model error and resolution analysis demonstrated that predominantly the skin-effect transfer functions improve model resolution at depth below the sensors and at distance of \(\sim \) 300–1000 m laterally off a borehole, whereas the vertical electric and magnetic transfer functions improve resolution along the borehole and in its immediate vicinity. Furthermore, we studied the signal levels at depth and provided specifications of borehole magnetic and electric field sensors to be developed in a future project. Our results suggest that three-component SQUID and fluxgate magnetometers should be developed to facilitate borehole MT measurements at signal frequencies above and below 1 Hz, respectively.     

弹性随机介质模型的特征频率

为研究弹性随机介质模型中的波场特征,本文使用弹性波动方程正演模拟了平面波在二维弹性随机介质模型中的传播.通过大量正演模拟,我们首先发现若使用不同频率的瑞克子波作为震源函数,计算散射波场的能量相对值ΔE,则对每一个固定的随机介质模型,ΔE都会在某一个与模型对应的震源频率f*处达到最大值.本文由此提出了随机介质模型的特征频率这一新的概念.本文充分说明了特征频率的客观存在性;给出了相应的计算方法;进一步全面研究了随机介质中的各种模型特征（如自相关长度、背景速度、扰动标准差以及模型尺寸等）与模型的特征频率之间的关系;并得到了若干结论和相应的经验关系表达式.     

电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像

电性源地空瞬变电磁法具有工作效率高、勘探深度大、采集信号信噪比高、适用于地形地质条件复杂地区等优点.但是,到目前为止,由于尚未建立起该方法的解释系统,大大制约了该方法的发展.本文旨在建立起完整的地空电磁探测系统,丰富整个探测系统的理论.本文围绕地空瞬变电磁法全域视电阻率定义、瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像、逆合成孔径成像方法三个科学问题进行了系统研究.提出了用磁场强度定义全域视电阻率的迭代算法,理论模型试验结果表明计算出的视电阻率曲线首支趋于第一层电阻率,尾支趋于最后一层电阻率,实现了全空域、全时域视电阻率的计算;在先前研究的基础上,实现了适合电性源地空装置的瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像;采用相关迭加技术,实现孔径内多测点数据合成,将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的逆合成孔径处理方法.层状模型试验表明:(1)全域视电阻率能够光滑、完整、渐变地反映出模型的电性信息变化;(2)当改变三层模型中间层电阻率时,全域视电阻率曲线随着参数的改变分异明显,对电性层的识别容易且直观;(3)由于在电阻率计算中同时考虑了接收机高度、偏移距、时间等各参数的影响,全域视电阻率可实现全空域、全时域的视电阻率计算.含水采空区的复杂模型算例表明:(1)根据不同测线的全域视电阻率结果可以看出,在靠近采空区的位置,全域视电阻率断面可以清晰地反映出采空区的空间位置,随着测线离采空区越来越远,采空区异常越来越弱直至消失;(2)波场变换和偏移成像的结果显示存在两个电性差异较大的界面,上界面指示地表,由于空气和大地之间的电性差异较大,故该界面波场信号反映强烈,遍布整个区域,下界面异常信号则主要集中在中部,向外逐渐减弱,指示采空区;(3)逆合成孔径成像结果表明地表界面在合成前后没有变化,而采空区异常合成后范围明显变小,且异常边界清晰,指示的采空区位置与模型吻合很好.本文借助于逆合成孔径雷达成像的基本思想,建立了一套电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法.基于反函数思想结合迭代算法提出的电性源地空瞬变电磁法的全域视电阻率定义方法,实现了全空域、全时域的视电阻率计算;借鉴瞬变电磁拟地震偏移成像算法,实现了瞬变场的三维成像;借鉴逆合成孔径雷达的思想,提出电性源瞬变电磁地空逆合成孔径算法,进一步提高了成像的分辨率.采空区模型算例表明相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点,证实了瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法的有效性.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

宝昌地震台地电阻率电性结构特征

使用高密度电法和电测深法,对内蒙古宝昌地震台地电阻率场地进行实地测量,获得该场地电性结构特征参数,判定该台地电测区结构属于KH型,并结合钻孔柱状图,获得该台地下介质水平层状电性结构模型,发现地层厚度呈不均匀分布,总体较为连续、完整,可为今后该台地电阻率异常提取、异常识别及观测精度提高等提供基础数据。