磁偶源2.5维瞬变电磁场全空间FDTD数值模拟

为解决模拟瞬变电磁场在3维介质中传播出现的计算量大、对计算机要求高等问题,使用了3维磁偶极源来模拟2维均匀介质和层状介质中方形和薄板低阻体的全空间响应特征。模拟中使用了时域有限差分法,采用非均匀网格和时间步长,分析了瞬变电磁场在均匀介质和层状介质中的传播规律,以及巷道和交界面对场的影响特征,为解释全空间均匀介质和层状介质TEM异常提供参考。     

一种地下瞬变电磁法场值曲线的解释方法

均匀大地表面上大回线源在地下形成的瞬变电磁场解析计算式很复杂,无法用常规方法定义其视电阻率,而场值曲线本身分辨率低,进行分层解释困难。对大回线源在地下形成的瞬变电磁场场值,用由第一层介质充满半无限大地时的场值进行归一化的方法进行解释,经理论计算表明,与地面装置条件下的电阻率曲线进行解释有异曲同工之妙     

巷道影响下三维全空间瞬变电磁法响应特征

使用磁偶极源模拟三维均匀介质内部低阻体的全空间响应特征,采用非均匀网格和时间步长推导了瞬变电磁场的三维时域有限差分格式,并根据多个测点计算的数据,绘制了磁场和磁场对时间导数的等值线图,分析了瞬变电磁场的传播规律,以及巷道和交界面对场的影响特征。结果表明:在磁场穿过低阻体与大地的交界面时,磁场的扩散速度降低,衰减变慢;随着迭代次数的增加,磁场以低阻体为中心形成等值线环。巷道在早期对场影响较大,晚期则不明显,为解释全空间TEM异常提供参考。     

考虑发射电流波形的地–空瞬变电磁三分量响应研究

地–空瞬变电磁法在煤炭采空区勘探等领域受到了越来越多的关注, 有必要研究发射电流波形参数对地–空瞬变电磁三分量响应特征影响, 为地–空瞬变电磁数据处理与解释提供理论依据。以梯形波为例, 首先, 研究不同发射电流波形的频谱分布情况; 然后, 基于三维时域有限差分正演研究发射波形的上升沿时间、脉宽和关断时间对地–空瞬变电磁三分量磁场响应的影响。结果表明:上升沿时间对三分量二次场响应基本不产生影响; 关断时间对三分量二次场响应的影响主要集中在0.2 ms之前, 且关断时间越长对纯异常响应影响越大; 脉宽对三分量二次场响应的影响主要集中在0.1 ms之后, 且脉宽越短对纯异常响应影响越大。三维采空区模型结果表明:关断时间、脉宽对三分量异常场和背景场响应的影响特征基本一致; 通过三分量纯异常场响应多测道图和时间道图可以判断异常体的分布范围和深度。研究成果可为地–空瞬变电磁激励源波形的参数选取提供有价值的理论借鉴。      

巷道围岩中瞬变电磁场三维数值模拟

为了进一步研究井中瞬变电磁法的问题, 建立了巷道和异常体模型, 用推导出的扩散方程的七点差分格式对磁偶极源激发的瞬变场进行了数值模拟。观察到 "烟圈"场在低阻体处早期等值线发生明显畸变, 随着时间的增加影响逐渐减弱;而巷道处的畸变较弱, 持续时间长。根据多个测点计算得到的数据, 绘制了磁场和和磁场对时间导数的等值线断面图, 显示等值线向低阻体处聚集畸变;而磁场对时间导数等值线的畸变可持续较长时间。     

轴向各向异性巷?孔瞬变电磁三分量响应特征研究

巷?孔瞬变电磁法在存在明显电导率各向异性的勘探区会产生较大的解释误差。基于时域有限差分算法,通过引入电导率各向异性张量构建控制方程、将矩形回线源电流密度加入Maxwell方程安培环路定理实现任意电流源的加载,以差分代替微分对控制方程进行离散,实现巷?孔瞬变电磁三维模型正演计算。在与解析解对比验证算法计算精度的基础上,构建全空间模型、层状模型和三维块状模型进行正演并分析电导率各向异性对巷?孔瞬变电磁三分量响应的影响程度与方式。结果表明:垂直轴电导率对巷?孔瞬变电磁三分量响应基本没有影响,水平轴电导率对巷?孔瞬变电磁三分量响应影响较大,其中,?B_x/?t响应主要受y轴电导率影响,?B_y/?t响应主要受x轴电导率影响;通过三分量响应的形态和幅值的相互关系可以辨别各向异性介质所在方位及主轴电导率方向;当异常体所处全空间介质为电导率各向异性时,异常体产生的异常响应会被全空间介质电导率各向异性产生的异常响应所淹没。电导率轴向各向异性特征在巷?孔瞬变电磁法解释过程中不可忽略,研究成果为巷?孔瞬变电磁法各向异性解释提供指导,也为各向异性反演提供参考。      

时间域电磁场偏移成像方法研究

采用 Gaver-Stehfest( G-S)方法模拟水平电偶极源在不同介质模型中地表面的负阶跃波电磁场响应 ,然后引入逆时序偏移的观点 ,把这些电磁场响应作为实际观测值 ,利用 Stratton-Chu积分公式将其向下偏移 ,对偏移后的电磁场值进行归一化处理并对场值求偏导数 ,重建地下拟地震深度剖面图 ,实现时间域电磁场的偏移成像。选用了均匀介质、含良导和高阻薄层水平均匀层状介质模型以及高阻柱体、断层等模型分别进行计算 ,成像的结果表明能够得到较高质量的地下地电构造图 ,从重建的深度剖面图中可以识别出地下反射界面的位置 ,该图比时间剖面直观。     

井中板状矿体瞬态异常二次场数值模拟

通过研究井轴附近矿体瞬态场的响应特征, 为井中瞬变电磁场的勘探提供可靠的依据.应用时域有限差分法和Mur吸收边界, 对磁偶源产生的瞬变电磁场进行三维数值模拟, 建立了全空间内不同埋深、不同大小、不同倾角的低阻矿体和高阻矿体的地电模型.在数据处理过程中, 排除导电全空间对二次场的影响, 得到反映目标体异常情况的异常二次场.通过分析不同导电模型瞬变场的特征规律, 结果表明: 不同埋深、大小、倾角和电导率的矿体具有不同的响应特征, 且差异较大.该方法对识别井中板状矿体有较为明显的作用.      

Simulink在瞬变电磁场暂态过程分析中的应用

为了研究瞬变电磁场分布变化规律，在理论上推导了不同阻尼状态下的瞬变电磁暂态响应方程，并采用Simulink对瞬变电磁场暂态过程进行模拟仿真，设计开发了激励电流、发射回线、地质异常体、接收回线等效电路模块和互感关系模块；系统研究了电感、分布电容和电阻对发射和接收回线等效电路的影响。结果表明:发射回线的阻尼状态决定了瞬变电磁场激励波形特点，接收回线的阻尼状态则直接影响瞬变电磁场的衰减特征和观测质量。电路仿真结果对于抑制非地质因素的影响和指导瞬变电磁观测系统设计具有重要意义。      

可控力源激发EDA介质中横波分裂现象正演模拟研究

在研究了各向异性介质中波动方程的正演模拟现状的基础上,对波动理论进行了总结,并采用FCT有限差分法对EDA介质中的波动方程进行了数值模拟,得到了EDA介质中横波分裂的波场快照,并对波场特性进行了分析。     

瞬变电磁场信号在地下的扩散及地面上的时域响应特性

瞬变电磁测深是近年来发展较快的电磁勘探方法,是实现精确勘探的一个突破点。本文应用时域有限差分算法分析了瞬变场在二维地电模型情况下低阻体对"烟圈"的吸收现象、瞬变场的滞后现象,对进一步的时频分析和高维反演提供了正演基础。      

地一井瞬变电磁三维交错网格有限差分正演及响应特性

为了研究地-井瞬变电磁响应特征,获得不同井位低阻薄板异常体的响应规律:首先采用交错网格有限差分技术离散二次场满足的频率域赫姆霍兹方程;然后结合虚框叠加等效和虚拟界面法将发射源和接收位置扩展到任意层位,解决了全空间背景格林函数的计算问题;之后利用MUMPS求解器求解频率域二次场,再经过余弦变换,获得井中任意位置的瞬变电磁响应;最后采用三维模型对本文算法的正确性进行验证,设计了均匀半空间和嵌入低阻薄板的三维模型,获得垂直磁场的三维分布,分析均匀导电半空间中低阻薄板对地-井瞬变电磁三维响应的影响特点.结果表明:本文三维地-井瞬变电磁计算方案的计算精度与前人基本相同;水平导电薄板的存在主要影响板体附近及穿过薄板的井中瞬变响应,最大的特点是在异常体位置附近的中期时间道响应出现变号现象.本文的研究为定性解释地-井瞬变电磁法异常提供一个技术手段,也为地-井瞬变电磁三维反演奠定基础.     

冀东沉积变质型铁矿床瞬变电磁响应研究

本文介绍瞬变电磁方法在冀东沉积变质型铁矿勘查中的应用。根据冀东地区成矿地质背景,以及BIF型铁矿的矿体形态、产状、赋存部位、规模大小及含矿岩层特征,建立了层状模型、透镜体模型与向形模型三种地质模型。将地质模型转化为可处理的地球物理模型,按实际地质情况改变模型参数,完成了瞬变电磁的时域二维正演计算。分析了三种模型在多种情况下（低阻覆盖层、不同倾角、不同深度、发射源特征和不同电阻率）的瞬变电磁响应特征。结果表明,低阻覆盖层对于瞬变电磁场的扩散有一定的屏蔽作用,因而减小探测深度;随着矿体倾角的逐渐增大,瞬变电磁响应强度逐渐减弱,水平板状矿体比垂直板状矿体的响应要更为明显;勘探效果随着地质体埋深的增加而逐渐减弱;发射磁矩的大小对于瞬变电磁场的强弱产生直接影响,在实际应用中需要结合多方面因素,选择最佳的发射边长来达到最佳的勘查效果。利用冀东司家营地区进行的瞬变电磁勘察数据,研究了该地区铁矿床瞬变电磁响应特征,验证了上述模型的结论。     

用线性数字滤波法计算大回线源在地下形成的瞬变电磁场

本文讨论了地面大回线源在地下形成瞬变电磁场的正演计算方法。其正演计算是将频率域中相同模型、相同装置条件下的谐变场结果转换到时间域来。计算方法上采用了安德森等人提出的线性数字滤波法。计算过程中采用了三次样条函数插值法，提高了计算速度。通过均匀半无限空间解析解与数值解的计算结果比较表明，两者吻合很好，说明计算方法是可信的。     

井下瞬变电磁仪硬件对致灾水体分辨能力的评估

井下瞬变电磁随掘探测技术是探测掘进面前方致灾水体的有效方法,从硬件方面评估仪器对致灾水体的分辨能力,是仪器能够在井下正确使用的重要手段。通过比较二次场绝对差和仪器分辨率、叠加后背景噪声之间的大小关系,分析含水致灾体识别的硬件条件和评估依据;提出从硬件方面评估井下瞬变电磁对致灾水体分辨能力的计算方法:根据致灾水体结构建立三维地质模型,推导梯形波关断与负阶跃波关断二次场感应电压的关系,在GPU上采用全空间三维有限差分并行算法计算了致灾水体二次场响应;测量某瞬变电磁仪的关断时间和综合噪声,根据致灾水体的硬件分辨依据,从硬件方面评估井下瞬变电磁仪对导水陷落柱、充水采空区的分辨能力。为井下瞬变电磁探测仪器的研制和现场准确探测提供技术参考,具有重大的研究意义。      

三分量地-孔瞬变电磁法积水采空区探测试验

孔中物探方法是近几年行业研究的热点,考虑到金属矿上应用较成熟的地-孔瞬变电磁法具有径向探测距离远,数据信号不易受地面电磁干扰影响等特点,将其应用到煤矿积水采空区探查领域。采用三维时域有限差分算法对钻孔不同方位的积水采空区模型的总场响应、异常响应进行了数值模拟,总场三分量对积水采空区反映明显,异常场三分量形态组合能判别异常体的方位。采用等效涡流原理,研究了利用异常场三分量来反演异常体的位置、倾角和规模等参数的空间定位算法。通过不同方位的理论模型测试,不同时刻的反演等效电流环大小、位置的组合能反应含水采空区的空间位置及规模。最后在陕北某矿针对已知含水采空区开展地-孔瞬变电磁法探测试验,采集的三分量信号光滑可靠,且异常反应明显,并对不同时刻的异常场三分量数据进行反演处理,反演结果与实际采空区位置和规模基本一致,证明该方法可作为煤矿钻孔中探查积水采空区的有效手段。      

线源二维瞬变电磁场的正演计算新方法

首先应用有限元直接迭代法,在频域中实现了线源二维电磁场正演计算,然后利用频时转换中较为简便且有效的数字滤波法,实现了频域到时域的转换,从而实现了线源二维瞬变电磁场的正演模拟。该方法具有编程简单,占用内存小,运算速度快和模型输入方便等特点。模拟结果与理论计算结果对比表明,该方法具有较高的计算精度。另外,该方法对复杂条件下的瞬变电磁勘探方法的研究和二维瞬变电磁反演有重要意义。      

基于多元线性回归的HTEM三维异常体电导率-深度识别

针对时域航空电磁飞行测量数据量大、电导率-深度成像计算时间长,以及三维反演困难等问题,笔者采用三维时域有限差分数值计算方法,计算了多组不同电导率、不同深度的三维异常体电磁响应;通过分析三维异常体剖面曲线的属性特征,提取了7个特征属性参数;基于多元逐步回归法建立了三维异常体的电导率、深度回归方程;通过对方程进行离群值剔除和共线性诊断、显著性检验,最终得到了电导率、深度最优回归方程。对回归方程模型分析和精度分析的结果表明,取样时间为0.2~1.5 ms时：电导率模型的相对误差小于11.95%,残差平方和为4 653.724;深度模型的相对误差小于13.19%,残差平方和为10 873.645。因此,采用多元逐步回归法建立三维异常体电导率和深度方程是完全可行的,是一种有效、准确、快速的识别方法,为野外航空电磁飞行测量时的海量数据异常快速检测和识别奠定了基础。