海洋瞬变电磁法研究进展

随着海洋电磁法的研究逐渐转向浅水域,海洋瞬变电磁法得到了更多的关注.瞬变电磁法相比频域电磁法,对浅水域海底高阻油气藏具有更高的分辨率,并且瞬变电磁法能够有效的分离空气波与海底地层响应.近几年来,海洋瞬变电磁法得到了快速的发展.本文回顾了海洋瞬变电磁法的历史发展与现状,总结了海洋瞬变电磁法的三维正反演理论的最新进展,并对海洋瞬变电磁法的各种装置类型进行了相关评述.目前海洋瞬变电磁法的问题主要在于数据采集成本高,没有很好的集成到整个勘探流程系统中.未来发展方向包括(1)探索新的装置系统,节约数据采集成本,提高海洋瞬变电磁法的市场竞争力.(2)海洋瞬变电磁法与其他方法的联合解释技术,提高海洋瞬变电磁法数据解释的有效性.(3)海洋瞬变电磁法的三维正反演理论的进一步发展.     

地空瞬变电磁法研究进展

随着瞬变电磁法的研究逐渐转向高海拔山区等地形地质条件复杂地区进行深部勘探,地空瞬变电磁法得到了更多的关注.地空瞬变电磁法结合了地面瞬变电磁法和航空瞬变电磁法各自的特点,相比地面瞬变电磁法,能有效提高野外工作效率;相比航空瞬变电磁法,勘探深度更大、采集信号信噪比更高.近几年来,地空瞬变电磁法得到了较快的发展.本文回顾了地空瞬变电磁法的历史发展与现状,总结了地空瞬变电磁法研究的最新进展,并对地空瞬变电磁法的各种装置类型进行了相关评述和总结,指出目前地空瞬变电磁法的问题主要在于解释水平跟不上,大都仍采用基于地面瞬变电磁的数据解释方法.为了进一步丰富地空瞬变电磁勘查体系,从仪器装备、数据预处理和处理技术、正反演及数据解释等方面对地空瞬变电磁法的发展方向进行了总结.     

三维起伏地形条件下航空瞬变电磁响应特征研究

航空瞬变电磁法以其速度快、成本低、通行性好等的优势能够有效的应用于地质地形条件复杂的地区.目前对于航空瞬变电磁法的研究主要基于平坦地形的理想情况,对于地形效应的研究相对较少,然而实际应用中地形不可避免,若忽略地形影响将对资料解释造成较大的误差,从而制约航空电磁方法的进一步发展.本文基于交错网格的时域有限差分方法对三维起伏地形条件下航空瞬变电磁进行正演模拟,在保证算法准确性的前提下给出大量模型算例.以经典地形模型为例,利用所给方法计算三维正演响应,结果显示起伏对于航空瞬变电磁数据有着显著的影响且影响主要集中在早期.而后,以实际地质资料为基础,构建起伏地形条件下包含多个异常体的三维复杂模型,计算了复杂模型的航空瞬变电磁响应,并给出三维全域视电阻率曲线,从而对地形效应的影响有了更加直观的认知.最后,通过大量模型讨论了地形的尺寸参数、电性参数、飞行轨迹与飞行高度等因素变化对于航空瞬变电磁数据的影响情况,并得出有价值的结论.     

瞬变电磁法正反演问题研究进展

对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

航空瞬变电磁法一维正反演研究

优化了航空瞬变电磁法一维正演算法,采用新的汉克尔变换系数,理论上提高了正演的精度.提出了航空瞬变电磁法一维反演算法——模型交替调整反演算法,阐述了该算法的原理和计算方法,编写出反演程序,以已知模型正演响应作为实测数据,对若干典型模型进行了反演计算,取得了较理想的反演效果,与Zohdy法相比,该方法有更高的精度.     

瞬变电磁法正演计算进展

详细介绍了瞬变电磁法正演计算的方法、现状和发展趋势.瞬变电磁法一维正演计算需要将电磁场从频率域转换至时间域,转换方法有三种,分别是Gaver-Stehfest算法、余弦变换和Guptasarma算法.在这三种方法中,使用较多的是Gaver-Stehfest算法和余弦变换,Gaver-Stehfest算法速度较快,但精度不及余弦变换.瞬变电磁法的数值模拟主要集中于2.5维和三维,使用的数值计算方法有积分方程法、有限差分法、有限单元法和SLDM法.积分方程法主要在三维数值模拟中使用,现已很少使用;有限差分法和有限单元法是目前瞬变电磁法2.5维和三维数值模拟的主要方法;SLDM法主要应用于三维数值模拟.我国瞬变电磁法正演计算成果主要集中在回线源激发的瞬变电磁场一维数值计算和利用有限单元法进行2.5维和三维数值模拟.瞬变电磁法正演计算的发展趋势有:数值算法的改进、提高计算效率和研究地形对瞬变电磁场的影响规律.     

基于分段二分搜索算法的半航空瞬变电磁电导率深度快速成像方法研究

中心回线式直升机航空瞬变电磁法中因其发射源与接收线圈相对位置不变,故在电导率深度成像(Conductivity Depth Imaging,CDI)中无需考虑偏移距带来的影响,但半航空瞬变电磁法的工作方式是利用长导线源在地面发射,无人机搭载接收线圈在空中采集电磁响应数据,发射源与接收线圈相对位置一直变化,存在偏移距的问题,无法像航空瞬变电磁一样实现CDI快速成像.本文提出建立"库"的思想,根据不同实际情况建立不同的电导率-电磁响应数据网,利用分段二分搜索算法来消除"二值性"带来的问题,使得半航空瞬变电磁电导率深度快速成像(Semi-Airborne Transient Electromagnetic-Conductivity Depth Imaging,SATEM-CDI)方法得以实现.通过正演模拟及实测数据成像分析,表明SATEM-CDI理论简单、处理过程中无需迭代,计算速度快,可对大量半航空瞬变电磁数据进行实时成像,且成像结果可靠,可为反演模型和初步地质结构判断提供重要资料.     

半航空瞬变电磁法在古河道结构探测中的应用

嘉陵江河曲发育,古河道分布广泛,复杂的地形、地貌环境限制了其研究精度.半航空瞬变电磁法具有效率高、成本低、适应性强的特点,具有广阔的应用前景.为查明古河道地层结构特征,本文以南充市石梁乡境内的嘉陵江古河道为例,首次将无人机半航空瞬变电磁法应用于古河道结构的探测.首先,通过对该区域的无人机半航空瞬变电磁探测数据进行预处理和反演解释,获得了研究区古河道"低-高"模式的二元电性结构以及三雏空间结构模型,从而可推断出古河道地层结构主要有W型、U型两种形态,河道中间松散堆积层厚度平均为20 m,两端变薄,平均为5m.其次,基于现场地质地貌调查和钻探资料,结合等值反磁通瞬变电磁法、综合测井等地球物理方法所获得的探测结果对无人机半航空瞬变电磁数据推断的古河道地层结构特征进行综合标定与验证,结果表明半航空瞬变电磁法应用于古河道结构的探测是可行的,并且半航空瞬变电磁法获得的物性参数与地质特征结合,可快速、准确获得古河道地层结构,对研究其沉积环境和演化具有重要的支撑作用.     

航空瞬变电磁法关断电流斜坡响应的计算

深入分析了现行地面瞬变电磁法中存在关断电流斜坡响应的计算方法,指出其中存在的不合理之处,提出用冲激响应积分算法计算存在关断电流斜坡时的瞬变电磁响应,并应用于航空瞬变电磁法一维正演计算中.计算结果表明,当存在关断电流斜坡时,早期的感应电动势明显大于没有断电后沿的值,且受影响的时间范围约为十倍的电流后沿宽度;当后沿宽度较大时,甚至晚期的感应电动势也出现了明显的误差.由此得出,在航空瞬变电磁法仪器设计和实测资料处理过程中,关断电流斜坡的响应不容忽视.     

瞬变电磁隧道超前预报成像技术

为解决隧道掌子面前含水带病害快速有效探测问题,尝试把对含水带结构反映敏感的瞬变电磁法引入到隧道掌子面前进行工作.文中介绍了瞬变电磁超前预报的工作装置形式;通过对掌子面特定环境的分析,提出引用“浮动薄板”理论,以二次电导微分参数为特征量建立隧道超前预报成像系统.推导出以等效导电薄板为虚拟像源的磁场响应与电导之间的非线性关系式. 通过引入辅助函数,采用遗传算法求得电导参数.最终以二次电导微分参数绘制成像剖面.对地电模型进行数值模拟和对应用实例进行了成像,结果表明成像方法对隧道掌子面前方水体病害预报效果明显.     

瞬变电磁快速成像解释系统研究

为了提高瞬变电磁测深法对地探测的垂向分辨能力,文中研究了磁偶源瞬变电磁法快速成像的方法.详细讨论了电磁波与地震波在介质中的传播规律,分析了磁偶源瞬变电磁场在远区的响应特性.根据磁偶源瞬变电磁场与反射地震波的传播规律的相似性,提出了TEM资料拟地震快速成像解释的思路.理论模型正、反演计算结果表明方法理论是可行的,野外实测资料处理结果进一步说明了该方法是有效的.     

用于速度图象重建的层析成象法

本文提出了一种用于速度图象重建的层析成象法。特别注意到地震学上的ST与医学上的CT的不尽相同之处,并处理了由此引起的困难。与速度图象重建有关的正问题的分析表明,不同频率范围的资料其分辨能力是不同的,因此,区域地震与远震资料的解释应予注意。本文有关速度图象重建的讨论不仅涉及到与成象方法有关的反演理论和方法,还给出了进行数值计算的内存量和运算量的分析。关于重建图象的质量评价,还给出了反演解的可靠性分析,为分辨特性的描述提供了一种既简便又形象直观的方案。 本文的方法与现行主要方法的比较表明:1.本文的方法允许存在速度间断面,有利于揭示不同构造区域的地壳厚度的差异;2.在常用的方法中,作为正问题假定的常速度块同反演结果解释时非常速度块之间不协调。由于我们把给定网格点的速度值的插值函数作为速度的空间函数,这一困难已被解决;3.相对于Aki等的一般方法,本文的内存量节省约一个量级、运算量减少约一半;4.相对于ART类方法本身不能给出成象结果的可靠性分析,本文的方法则具有显著的优点。 作者在分析了天然地震资料的状况之后相信,对充分利用我国地震台网的现有观测资料,本文的方法是有效的。     

高温超导磁强计在瞬变电磁法中的应用研究

通过对高温超导磁强计的不断完善,研制出了适合在瞬变电磁法中使用的高温超导磁强计,实现了在瞬变电磁法中直接测量磁场的目的.同时开展了瞬变电磁法感应磁场的数据处理与解释技术研究,开发了瞬变电磁法感应磁场的电性成像软件,可以对使用高温超导磁强计作传感器测得的瞬变电磁感应磁场数据进行处理与电性成像.野外实验表明:高温超导磁强计工作稳定,在瞬变电磁法中使用高温超导磁强计比使用感应线圈做传感器提高了勘探深度.     

应变固体潮不变量理论值计算及其应用

由球坐标系下的应变固体潮理论值所构成应变张量矩阵推导并给出了应变固体潮不变量理论表达式,并采用摩尔圆定理证明了公式的正确性。在此基础上,利用应变不变量与坐标系选择无关的性质,又利用与目前所使用的钻孔应变观测系统的4条测线呈均匀分布的特点,推导并给出了5组计算不变量的观测组合公式,并以应变固体潮理论值取代观测值,按观测组合公式计算出了5组应变固体潮不变量理论值。结果发现,不变量的5组数值几乎相同,仅在小数点后2位有差异,证明了公式的正确性与不变量的唯一性。然后根据由莫尔圆定理给出的5组观测组合公式对漳州钻孔4分量应变观测资料进行了不变量计算,并对计算结果进行了相关与回归分析。最后,对不变量理论值在钻孔应变观测数据处理中的应用作了较详细的介绍,考虑到摩尔圆定理不适用于钻孔应变,又给出了采用加衬模型计算不变量的方法与观测组合公式,并对有关问题进行了讨论。     

从瞬变电磁扩散场到拟地震波场的全时域反变换算法

将瞬变电磁满足的扩散方程转变为波动方程,然后利用地震类成像方法实现瞬变电磁虚拟波场成像,是实现瞬变电磁三维反演的有效手段之一.为了实现由扩散场到虚拟波场的转换,文中采用预条件正则化共轭梯度法求解波场反变换问题.首先,对几种离散方式进行比较,采用条件数最小的离散方式进行离散;然后选择最优的正则化参数,并利用超松弛预条件技术对系数矩阵进行预条件处理;最后,利用共轭梯度法进行迭代求解.超松弛预条件有效降低了系数矩阵的条件数,正则化方法使得反变换得到的波场稳定、可靠,共轭梯度法能够保证计算快速收敛.将反变换结果与已知虚拟波场函数对比,证明算法稳定、可信.将文中算法结果与前人研究结果进行对比,说明方法效果.通过实测数据的波场变换处理给出了文中方法的实际应用效果.结合反变换算法,对不同参数模型进行分析,总结了虚拟波场在色散介质中的传播规律.     

Pixel‐scale evaluation of SSM/I sea‐ice algorithms in the marginal ice zone during early fall freeze‐up

Observed reduction in recent sea ice areal extent and thickness has focused attention on the fact that the Arctic marine system appears to be responding to global‐scale climate variability and change. Passive microwave remote‐sensing data are the primary source underpinning these reports, yet problems remain in geophysical inversion of information on ice type and concentration. Uncertainty in sea‐ice concentration (SIC) retrievals is highest in the summer and fall, when water occurs in liquid phase within the snow–sea‐ice system. Of particular scientific interest is the timing and rate of new ice formation due to the control that this form of sea ice has on mass, energy and gas fluxes across the ocean–sea‐ice–atmosphere interface. In this paper we examine the critical fall freeze‐up period using in situ data from a ship‐based and aerial survey programme known as the Canadian Arctic Shelf Exchange study combined with microwave and optical Earth observations data. Results show that: (1) the overall physical conditions observed from aerial survey photography were well matched with coincident moderate‐resolution imaging spectroradiometer data and Radarsat ScanSAR imagery; (2) the shortwave albedo was linearly related to old ice concentration derived from survey photography; (3) the three SSM/I SIC algorithms (NASA Team (NT), NASA Team 2 (NT2), and Bootstrap (BT)) showed considerable discrepancies in pixel‐scale comparison with the Radarsat ScanSAR SICs well calibrated by the aerial survey data. The major causes of the discrepancies are attributed to (1) the inherent inability to detect the new thin ice in the NT and BT algorithms, (2) mismatches of the thin‐ice tie point of the NT2 algorithm, and (3) sub‐pixel ambiguity between the thin ice and the mixture of open water and sea ice. These results suggest the need for finer resolution of passive microwave sensors, such as AMSR‐E, to improve the precision of the SSM/I SIC algorithms in the marginal ice zone during early fall freeze‐up. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

反演模型分辨率的估算方法

反演问题的时空间分辨率或称时空分辨长度是评估模型精细程度的重要参数,决定了该模型应用的范围和价值,但是分辨长度估算却是比反演更复杂和麻烦的数学问题。除了层析成像中广泛利用理论模型恢复试验定性提取空间分辨长度外,通过求解分辨率矩阵可定量获得分辨长度。通过矩阵操作给出的分辨率矩阵包括三类：直接分辨率矩阵、正则化分辨率矩阵和混合分辨率矩阵。这三类矩阵包含了反演本身不同侧面的信息,因此在一个反演应用中,同时提供这三类分辨率矩阵可更全面地评估反演模型分辨率分布。最近An（2012）提出了从大量随机理论模型及其解中统计出分辨率矩阵的方法。这种分辨率矩阵是从模拟真实反演实验的输入和输出模型中通过反演得到的,因此这种分辨率矩阵更能反映整个反演所涉及到的更多因素和过程;同时由于这种分辨率矩阵计算过程无需进行矩阵操作且不依赖于具体正演和反演方法,因此可以被应用于更普遍的反演问题。实际应用证明统计分辨率分析方法适用于对二维和三维层析成像反演模型进行分辨率分析。     

航空电磁勘查技术发展现状及展望

航空电磁作为一种高效的地球物理勘查技术手段,其发展在国外(加拿大、澳大利亚等国家)已十分成熟.然而,在我国该项技术仍处于发展当中,在国内目前尚未形成具有实际探测能力的航空电磁系统和解释手段.这一现状严重影响了我国对地形地质条件复杂区域(比如广大西部地区)矿产资源勘查的需求.本文旨在通过系统介绍航空电磁勘查技术中的基础理论、关键技术、仪器系统、数据处理、解释及应用,并对未来我国航空电磁勘查技术的发展提出建议,使读者了解该技术未来发展方向和研究热点,以期该项技术在我国得到快速发展并获得广泛应用.