多辐射场源地空瞬变电磁法快速成像方法研究

多辐射场源地空瞬变电磁法目前仍处于研究阶段,迫切需要完善该法的理论和解释体系,以便在生产中推广使用.本文利用地空瞬变电磁法数据量大的特点,结合微分电导与相关叠加合成算法,实现了多辐射场源地空瞬变电磁法快速成像解释.首先基于等效导电平面原理,从电偶极子源出发推导了较高精度的瞬变场快速近似正演计算公式,采用剖分叠加的思想,将其推广到多辐射场源地空瞬变电磁法空间任意一点瞬变场的快速近似正演计算,并用四种典型的层状模型验证了该法的计算精度.以此为基础,进一步推导了多辐射场源地空瞬变电磁法的视纵向电导和视深度计算公式.利用微分电导对电性界面敏感和相关叠加合成算法突出异常、压制干扰的特点,实现了多辐射场源地空瞬变电磁相关叠加快速成像.三维模型试验表明,本文提出的快速成像算法计算速度快,能有效压制噪声,且对地下界面有较好的分辨能力,有助于提高多辐射场源地空瞬变电磁法的解释精度.     

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.     

大回线源瞬变电磁全域视电阻率定义

为了进一步满足精细探测的需要,给出了一种大回线源瞬变电磁全域视电阻率数值计算方法,利用该方法可以快速求取大回线源非中心点处多分量的全域视电阻率.利用贝塞尔函数展开法计算大回线源非中心点垂直分量与水平分量的电磁响应,通过分析非中心点处的多分量电磁响应特征,得到基于磁感应强度的大回线源全域(时间上不分早晚,距离上不分远近)视电阻率计算方法.与现有全区视电阻率方法不同在于:对非中心点处多分量视电阻率进行定义,利用磁感应强度定义不存在假极值现象,无需迭代,计算速度快,精度高.     

多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究

地空瞬变电磁法结合地面和航空电磁法的优点,可实现探测深度和工作效率的平衡.当前地空瞬变电磁法采用单一线源激发电磁辐射场,仅能从一个侧面与地质体耦合,难以获得地质体的全息影像.采用多辐射源是解决这一问题的途径.本文采用三维矢量有限元法对两个不同地质体多个辐射源情况下的地空瞬变电磁响应开展了模拟研究,分析了多辐射源在不同辐射方向、不同飞行高度电磁响应的分布特征.研究表明,由多辐射场源作为地空电磁法的发射源,通过分散布设的线源,可以在地下激发与地质体多方位耦合的电磁场,能够获得地下地质体多方位不同高度情况下的耦合信息.同时,多辐射场源能够增强源电磁场的辐射强度,减少单一线源体积效应影响,飞行高度较低时可获得较强的响应幅值,研究结果为多辐射地空瞬变电磁法深部精细探测提供理论依据.     

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.     

黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌多金属矿航空电磁异常特征及找矿意义

在黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌多金属矿区应用VTEM系统开展航空瞬变电磁、航磁测量,对比分析航空瞬变电磁dB/dt、时间常数、视电阻率及航磁ΔT、反演视磁化率特征与已知矿体地质特征的关系,探索航空瞬变电磁、航磁测量在该类型矿床的探测效果.结果表明航空瞬变电磁、航磁异常与已知矿体吻合度高,在已知铅锌矿体位置,航空瞬变电磁dB/dt呈明显单峰异常,时间常数为高值区,视电阻率为低值区;在已知铁矿体位置,航磁异常明显,反演视磁化率为高值区.总结该矿床航空瞬变电磁、航磁异常特征,建立找矿标志,进行找矿预测,有效地指导了下一步外围找矿工作.本次研究为在大兴安岭高覆盖地区寻找同类多金属矿产提供了一种高效的勘查方法.     

无人机地空瞬变电磁系统在冶山地下巷道探测中的应用

采用三维矢量有限元法对地下巷道进行了三维数值模拟,并使用全域视电阻率定义方法对正演模型进行了计算,绘制了地下巷道的视电阻率分布断面图,为实测数据的解释提供了比对依据.构建了无人机电性源地空瞬变电磁探测系统,使用该系统在南京六合区冶山开展了地下巷道探测实验,并对实验数据进行处理分析,实验结果与数值模拟结果吻合度较高,验证了该系统探测的有效性和准确性,为无人化地空探测系统的改进提供了新方法,也为该系统在资源普查、矿产探查等民用领域以及军事领域上的应用提供了新思路.     

煤矿老空水全空间瞬变电磁响应三维数值模拟及应用（英文）

煤矿老空水是煤矿安全的最大隐患。本文对煤矿老空水的全空间瞬变电磁响应特征进行了数值模拟研究。传统的数值模拟方法不能直接模拟井下全空间瞬变电磁场。我们采用了以多组发射线圈代替传统的单发射回线的方式,使在有限差分法直角网格中加载任意方向发射回线,同时根据全空间特点对磁场的z分量算法进行了改进;根据煤矿实际地质资料建立全空间三维地电模型,采用时域有限差分法模拟了含煤地层中不同位置和不同形态老空水模型的全空间瞬变电磁响应,并分析其视电阻率特征。数值模拟结果表明:煤层与其顶底板电性差异对视电阻率分布产生较大影响,致使视电阻率分布呈以巷道迎头为圆心的近似圆形分布;不同位置和不同形态的老空水模型,其视电阻率等值线低阻异常区与其基本吻合,当老空水位于巷道迎头位置一侧时,由于全空间效应的影响,在另一侧产生一范围相对较小的低阻假异常区,但其等值线数值相对较高。将井下瞬变电磁法应用于实际老空水的探测中,探测资料圈定的老空水位置为后期钻探结果所证实,证明了所提出的方法是合理与有效的。     

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.     

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.     

时间域瞬变电磁法全区视电阻率的平移算法

深入分析了均匀半空间中瞬变电磁场的解析表达式,发现瞬变响应曲线随地下电导率、发射回线边长与观测时间具有平移伸缩特性,并据此提出了一种新的直接计算全区视电阻率的方法.该法与现有计算全区视电阻率的方法的不同点在于：无需迭代和求解非线性方程,速度快,精度高,算法稳定,且只有惟一解.     

基于神经网络的视电阻率快速算法

本文从瞬变电磁均匀半空间二次磁场响应公式出发,提出了一种基于神经网络的视电阻率快速计算方法.以中心回线为例,根据瞬变响应公式的特点,简化网络结构,选用三层BP神经网络和误差训练算法,用均匀半空间样本数据进行训练,确定了收敛快、误差小的一步正割法和隐含单元数,得到基于不同采样时窗的一组网络参数.用本文方法与二分法、牛顿迭代法做模型计算比较,及最后的实验计算,说明算法的快速,准确.本文方法不依赖初始模型,避开了复杂的电磁场数值计算,实现了视电阻率的快速计算,对瞬变电磁法资料的快速解释有一定的参考价值.     

CSAMT全区电阻率法数值模拟及应用探讨

常规的可控源电磁法理论在计算视电阻率公式上,多半采用其电磁场的渐近特征,难以直接反映全区视电阻率的值,及直观地显现地下介质的地质构造.文中采用水平偶极子激发的电磁场,提出了电场的全区精确表达式,直接计算出大地电阻率.利用汉克尔数值滤波算法和逆样条插值算法对水平层状电磁场进行正演计算,并与计算的卡尼亚视电阻率的对比和野外试验结果表明：该方法的结果在远区等价卡尼亚电阻率,在近区和过渡带则明显地改善了卡尼亚电阻率的非波场区场畸变,从而能更好地接近基底的真电阻率,更形象地反映了地下介质的垂向电性变化.     

多通道瞬变电磁法频率域比值算法及视电阻率计算研究

视电阻率在电磁法勘探中起重要作用,可以作为初步解释结果,多通道瞬变电磁法通过大地脉冲响应的峰值时刻定义视电阻率.鉴于传统方法计算峰值时刻视电阻率需要恢复完整大地脉冲响应,本文通过研究大地脉冲响应及其频谱特征,提出一种新的频率域比值法.利用参考谱及其与一般谱的伸缩因子计算一般谱的峰值时刻,进而得到视电阻率.该方法只需大地脉冲响应单个频点幅度谱,从而不用估计整个大地脉冲响应.实际计算时,可以用大地脉冲响应多个频点幅度谱得到平均视电阻率.模拟数据与实测数据结果表明,在一维介质中,频率域比值法可以得到合理的视电阻率.     

全空间条件下矿井瞬变电磁法粒子群优化反演研究

煤矿井下矿井瞬变电磁法(MTEM)探测中,电磁场呈全空间分布,全空间瞬变电磁反演是复杂的非线性问题,目前反演计算中全空间响应主要由半空间响应乘以全空间响应系数来得到,导致反演结果中顶板和底板异常(或前方和后方异常)叠加在一起难以分离,造成分辨率下降.论文提出采用粒子群优化算法(PSO)进行全空间MTEM反演,通过理论分析,在常规的粒子群算法基础上提出了一种新的进化公式改进策略,提高了粒子群算法的寻优能力.基于全空间瞬变电磁场理论,编写了粒子群算法反演程序,进行全空间条件下五层含巷道的复杂模型的反演计算.结合某矿井巷道顶板、底板岩层及断层含水性的探测实例,对实测数据进行反演计算和解释,探测结果得到钻探证实.研究表明,改进的粒子群优化算法对理论模型和实际资料的反演拟合程度较高,实现了矿井顶板、底板视电阻率异常的分离,提高了全空间瞬变电磁勘探资料的解释精度和分辨率.     

Three-dimensional numerical modeling of full-space transient electromagnetic responses of water in goaf

The full-space transient electromagnetic response of water-filled goaves in coal mines were numerically modeled. Traditional numerical modeling methods cannot be used to simulate the underground full-space transient electromagnetic field. We used multiple transmitting loops instead of the traditional single transmitting loop to load the transmitting loop into Cartesian grids. We improved the method for calculating the z-component of the magnetic field based on the characteristics of full space. Then, we established the fullspace 3D geoelectrical model using geological data for coalmines. In addition, the transient electromagnetic responses of water-filled goaves of variable shape at different locations were simulated by using the finite-difference time-domain (FDTD) method. Moreover, we evaluated the apparent resistivity results. The numerical modeling results suggested that the resistivity differences between the coal seam and its roof and floor greatly affect the distribution of apparent resistivity, resulting in nearly circular contours with the roadway head at the center. The actual distribution of apparent resistivity for different geoelectrical models of water in goaves was consistent with the models. However, when the goaf water was located in one side, a false low-resistivity anomaly would appear on the other side owing to the full-space effect but the response was much weaker. Finally, the modeling results were subsequently confirmed by drilling, suggesting that the proposed method was effective.     

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。