基于全区视电阻率的线源FCSEM二维正演模拟

频率域可控源电磁是在大地电磁测深的基础上发展起来的一种人工源电磁测深法,其二维电磁响应的计算须采用数值模拟方法.本文以Matlab为程序编译工具,采用双二次插值的有限单元法,推导出相应的计算公式.为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分.在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间.针对频率域可控源电磁法中卡尼亚电阻率在过渡区和近区畸变的问题,给出了全区视电阻率的迭代公式,并对典型的一维层状模型以及简单二维模型进行了计算.过渡区和近区数据经过校正后,可以正确反映出模型的地电特征,证明了线源下近区勘探的可能性.     

电偶源频率电磁测深二维阻抗视电阻率计算的源效应校正法

研讨了频率域电磁法中不同源装置的大地电磁测深、线源频率电磁测深和偶极源频率电磁测深阻抗视电阻率的源效应影响特征。在唯象分析的基础上，提出了几种电磁测深法阻抗视电阻率的相互换算法──源效应校正法（大地电磁测深二维ＴＥ极化视电阻率和其它两种电磁法的赤道装置二维阻抗视电阻车）。模型试验表明，利用这一源效应校正法可以由大地电磁二维视电阻率近似地计算出线源频率电磁二维阻抗视电阻率。这一方法被尝试应用于由线源频率电磁二维阻抗视电阻率估算偶极源频率电磁二维阻抗视电阻率。     

频率域线源近区(过渡区)测深理论初步研究

对频率域无限长线源近区(过渡区)测深的理论基础进行了探索性研究。通过计算均匀半空间、层状介质等多个模型的线源响应,进而定义并计算全区视电阻率。结果发现,利用水平电场、垂直磁场分别计算的全区视电阻率均能较好地反映地下电性结构的变化。把水平磁场与水平电场联合通过二分搜索算法计算的全区视电阻率也能较好地反映地下电性结构的变化。在近区通过单分量定义的全区视电阻率与一维MT曲线吻合得很好,因此可以用成熟的MT反演技术来进行线源近区电磁资料的反演,从而把有源的问题转化到无源的问题。这初步表明频率域线源近区(过渡区)测深是可行的,但还有一些问题需要解决。     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特性进行了对比.     

长偏移距瞬变电磁测深甚晚期响应及视电阻率的数值计算

文中讨论了提高长偏移距瞬变电磁测深甚晚期响应计算精度及相应的全区视电阻率的计算方法。在频率域 ,利用直接数值积分结合连分式展开提高低频段响应的计算精度 ,从而提高时间域甚晚期响应的计算精度。同时 ,利用连分式渐进展开 ,将均匀半空间电阻率表示为该模型长偏移距瞬变电磁测深响应的反函数 ,利用迭代方法求出适合全时间段的全区视电阻率。数值结果表明 ,文中的方法可有效地提高长偏移距瞬变电磁测深 (甚 )晚期数据的模拟与解释精度     

起伏地形下线源频率域电磁场二维正演模拟

为了研究地形对线源频率域电磁测深测量结果的影响,本文介绍了起伏地形下的线源频率域电磁场的二维正演模拟方法.在正演模拟过程中采用有限单元法,首先为了模拟起伏地形,用三角形单元对研究区域进行网格剖分;然后再对每个单元进行线性插值、积分、总体合成;最后通过求解线性方程组得出地表的电磁响应.文章最后给出了山谷与山脊模型的数值模...     

短偏移距电磁探测技术概述

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method,TEM）视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁（Short-Offset TEM,SOTEM）理论上的可行性;列举了将LOTEM（Long-Offset TEM）从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT（Magneto-Telluric）的CSAMT（Controlled Source Audio-frequency Magneto-Telluric）与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.     

三维电阻率测深数据Zohdy近似反演方法

Zohdy方法近似反演三维电阻率测深数据。正演计算采用有限单元法。反演初始模型由测量视电阻率数据给出。通过比较实测视电阻率值和预测模型计算的视电阻率值对数差来修改模型网格电阻率．为了解决任意电极距测深数据的反演,采用大、小双网格剖分。大网格反映地下电性分布情况。小网格用于实际有限元正演计算．在电阻率调整公式中加入一个迭代系数,能够加快收敛速度．并对加5％随机噪声的模型理论视电阻率测深断面数据进行反演,得到的电阻率分布与模型电阻率基本一致．     

多种频率域电磁法在冷水坑矿集区的应用效果对比

江西省冷水坑矿集区具有浅部斑岩型矿体与深部层控叠生型矿体的复杂组合.利用现代地球物理方法对矿集区地下深部结构进行了探测,对圈定地下容矿、示矿地质信息和认识地下深部成矿过程具有重要意义.本文以位于江西省贵溪市境内的冷水坑银铅锌矿田为试验研究区,开展了混场源音频大地电磁测深法(EH4)、音频大地电磁测深法(AMT)以及可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)三种不同频率域的探测试验,研究和总结了频率域方法以及不同仪器电磁法数据采集特点和应用效果,为频率域电磁法勘探提供借鉴和参考.通过对冷水坑矿集区典型勘探线上三种电磁方法的数据处理,绘制了视电阻率和相位单点测深曲线、原始拟断面及二维反演断面图.发现单点曲线形态基本一样.由于AMT在低频段受矿区工业干扰,视电阻率曲线呈45°上升;视电阻率、相位拟断面对地下电性分层结构基本一样,总体可分为三层,且分层结构较清晰;二维反演断面能够较好反映地下高低阻异常响应,但响应效果有所差异且CSAMT法效果较好.因此在干扰严重地区,建议选用人工源发射的可控源音频大地电磁测深法(CSAMT).     

瞬变电磁法2.5维有限元数值模拟研究

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高精度采用了基于二次插值的高阶有限元的算法,即单元网格插值为二次函数,同时推导出了经有限元离散后的泛函问题;在求解时间域电磁响应采用了正余弦变换的数字滤波算法.通过基本模型的正演,验证了算法的可行性.同时,也对比了基于G-S变换的线性有限元算法的数值结果,结果表明,本文采用的算法精度更高,层状模型最大延迟采样时间提高到了100 ms以上.     

二维频率测深边界单元法正演计算

在二维层状介质中含有横向非均匀体的地电断面情况下，对电偶源的偶极长度作了延长，并选取了适当的基本解及无穷远边界条件，因而将相应的含源谐变电磁场的边值问题转化为较简单的边界积分方程．用边界单元法求出了相应的电磁场分量，进而计算阻抗视电阻率，并对这一算法作了相应的检验．     

各向异性层状介质中视电阻率与磁场响应研究

针对任意各向异性地层,利用极向型和环向型标量位函数,导出相应的直流电视电阻率和磁电阻率的磁场响应关系.计算了各向异性地层的直流电视电阻率和磁电阻率响应特征,重点分析了电阻率测深方法与磁电阻率探测方法对地下各向异性介质的探测能力.文中采用状态矩阵的分析方法,首先采用极向型和环向型标量位构造了各向异性层状介质电场与磁场的通解,利用各层界面电场、磁场的连续性及地面激励源的耦合条件,推导了不同层之间电磁场的状态矩阵,建立了空间电场与磁场的递归计算关系.其次,针对递归计算中指数项数值计算的不稳定性,借用状态矩阵的性质,导出了将不稳定指数计算项转化为稳定的指数项的转换关系.针对横向各向同性(TI)介质中极向位与环向位解耦的特点,导出了电磁场的直接积分解.最后,采用解析解验证了算法的正确性,给出了多层各向异性地层模型的视电阻率和磁场响应曲线,分析了直流电法探测裂缝性地层、估计裂缝分布性状的可能性.     

关于人工源极低频电磁波发射源的讨论——均匀空间交流点电流源的解

大功率人工源极低频电磁波（Control Source of Extremely Low Frequency method, CSELF）技术中,辐射天线由布设在高大地电阻率区的接地长导线源构成,通过接地点向大地注入数百安培的强电流.目前有关强电流在大地中的流动特性和分布规律,尚未完全弄清楚.本文提出一个新思路,将CSELF发射天线分解为两部分:交变的接地长导线源和接地处的交流点电流源,二者响应的叠加构成总场.本文重点讨论了均匀空间下交流点电流源的求解,对比研究了交流点电流源响应、直流点电流源响应之间的差异.结果表明,在小范围内（场源距几十、几百米以内）,均匀空间下交流点电流源场和直流源场差别较小,可相互近似,但在大范围内,交流点电流场比直流场的衰减要快得多.由于CSELF辐射天线跨度上百公里,场源距很大,其电流分布规律遵循交变场规则,不能近似为直流场.     

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.     

多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义

本文针对多辐射场源地空瞬变电磁法理论,建立了相应的多分量全域视电阻率定义方法.分析了利用磁场强度进行多辐射场源地空系统全域视电阻率定义的优点,针对磁场强度的各个分量,提出了各自的全域视电阻率算法,实现了多分量、全时域、全空域视电阻率计算,并分析了偏移距对全域视电阻率的影响.通过调整源的相对位置及电流方向等参数,多辐射源瞬变电磁地空系统不仅可以加强不同分量信号强度,削弱随机干扰,还可更好地分辨地下异常体的位置.通过对所设计模型的处理,证实了多辐射场源地空系统多分量全域视电阻率算法的有效性,也验证了多辐射场源地空系统的优势.     

Apparent resistivity over a three layer earth with an inhomogeneous interstratum

Summary The theory of resistivity sounding on a three layer earth comprising an inhomogeneous interstratum has been presented. The electrical conductivity in the intermediate layer, embedded between two layers of uniform conductivity, is assumed to follow either generalised power law or exponential variation. A point source of current is placed on the surface. The electric potential functions on the ground surface have been obtained. The expressions for apparent resistivity over the above models for the Wenner and Schlumberger electrode configurations have been derived.     

Electrical Imaging of Impact Structures

Electrical imaging provides important subsurface information for the construction of hypervelocity impact models. We here provide an overview and evaluation of the current electrical imaging methods used in impact cratering studies. Although apparent resistivity models are commonly used in the geoelectrical imaging of impact structures, the reliability of these models has not hitherto been determined. In order to assess these imaging approaches in impact cratering, we investigate for the first time the discrepancies between the apparent resistivity and true resistivity models of an impact structure. To this end, we present (1) a new true resistivity model of the Araguainha impact structure in central Brazil by applying L2-norm inversion to previously published data, (2) apparent resistivity model of the impact structure, and (3) models obtained from different stages of the iterative tomographic inversions. Our results show that changes in vertical resistivity gradient are significantly better defined in the true resistivity models than in the apparent resistivity model. On the basis of these results, we outline a new approach that true resistivity models can be effectively assessed by applying both L1- and L2-norm inversion schemes together with the monitoring of intermediate models from iterative inversion. The results of our study highlight the importance of tomographic inversion of resistivity data in impact cratering studies, and they provide a data modeling framework and foundation for cost-effective subsurface imaging of impact structures in the future.     

Current and voltage source induced polarization transients: a comparative consideration

The article discusses the excitation of transient induced polarization responses using current and voltage sources. The first method has found a wide application in induced polarization surveys and—directly or indirectly—in the theory of the induced polarization method. Typically, rectangular current pulses are injected into the earth via grounding electrodes, and decaying induced polarization voltage is measured during the pauses between pulses. In this case, only the secondary field is recorded in the absence of the primary field, which is an important advantage of this method. On the other hand, since the current injected into the ground is fully controlled by the source, this method does not allow studying induced polarization by measuring the current in the transmitter line or associated magnetic field. When energising the earth with voltage pulses, the measured quantity is the transient induced polarization current. In principle, this method allows induced polarization studies to be done by recording the transmitter line current, the associated magnetic field, or its rate of change. The decay of current in a grounded transmitter line depends not only on the induced polarization of the earth but also on the polarization of the grounding electrodes. This problem does not occur when induced polarization transients in the earth are excited inductively. A grounded transmitter line is a mixed‐type source; hence, for a purely inductive excitation of induced polarization transients, one should use an ungrounded loop, which is coupled to the earth solely by electromagnetic induction.     

点源两层大地三维地电模型视电阻率边界元解

本文用两层均匀大地人工点源作用下的空间电位分布作为基本解，导出了下伏基岩中陷含三维地质体情况下，关于电位的边界积分方程组，用边界单元法解积分方程求得地表电位，从而求得了一定装置下的视电阻率。本文方法的独特优点是积分只须在异常体边界面上进行了测线可以沿任意方向。用联剖法计算了均匀半空间下含球形异常体的ρｓ曲线，所得结果与其他学者用解析方法所求得的结果一致。用中间梯度法计算下层基岩中含有一长方体，测线     

二维水平电偶极变频测深阻抗视电阻率的有限元正演计算

在二维地电断面情况下,电偶源变频测深阻抗视电阻率的有限元计算,存在着两个困难:一个是对源的处理;另一个是边界条件的确定。本文提出了解决这两个问题的方法,构成了含源波动方程的边值问题,用有限元法求出了相应的电磁场分量,从而计算出二维地电断面的阻抗视电阻率。对各种地电断面计算的结果表明,计算方法是正确的,可对实际地电断面进行有限元模拟,求得其电磁响应。