空中电场大地电磁法

空中电场大地电磁法(Air Electric Field Magneto-Telluric method,简称AEMT),其基本的原理是,通过电容传感器测量近地表空中三个分量的交变电场,用磁棒观测交变磁场,再将所测电场和磁场转化为阻抗,通过对阻抗的解释,达到查明地下地质体的分布特征的目的.本文对AEMT基本原理进行较详细的论述,证明了电容传感器代替接电极原理的基本公式.分析了空气中垂直电场的来源,在介绍地面低频电磁波近似边界条件的基础上,导出了AEMT测量垂直电场分量时视电阻率的计算公式,并计算了一维情况下二层、三层地电模型AEMT视电阻率曲线.介绍了应用实例,最后讨论AEMT方法的技术特点.     

尖锐边界反演在临江市六道沟可控源音频大地电磁测深数据反演中的应用

在实际大地电磁测深数据反演过程中,为了得到更加清晰的电性单元分界面,传统的Occam平滑反演方法遇到了挑战,本文讨论了sharp boundary inversion(SBI)反演的理论及其应用.通过模型试算,对比Occam和SBI的反演效果,证明了SBI反演划分层状介质的可靠性.本文对临江市六道沟地区实测可控源音频大地电磁测深(CSAMT)数据进行了全区视电阻率转换,然后对全区视电阻率进行Occam反演和SBI反演.最后对比已有地质资料,表明SBI反演能够用于CSAMT数据的处理中.     

CSAMT的各分量在山地精细勘探中的作用

为了在山地CSAMT精细勘探中取得好的效果,充分利用标量观测中的全部信息,在传统的比值视电阻率之外,本文分别研究了构成比值的单分量电场和磁场.野外实测结果和理论分析表明:电场对静态偏移、地形起伏等地表横向电性变化敏感,磁场不受静态偏移的影响,对地形影响不敏感;噪声和其他干扰对电场和磁场的影响也不相同;拟合反演计算表明C...     

无限长源二维各向异性地层中CSAMT有限元模拟

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)基本上是基于电性各向同性理论的假设,而实际地层普遍表现为电性各向异性现象,因此研究各向异性地层条件下CSAMT方法的电磁响应具有重要的理论意义和应用价值.本文从有源Maxwell方程出发,推导出了二维各向异性地层条件下无限长线源频率域的电磁场响应,得到了一组平行于线源方向的电场分量E_x和磁场分量H_x的偏微分方程,并采用有限元法进行求解.模型的计算结果表明:不论是对均匀半空间还是一维层状介质中的各向异性二维体模型的计算,均能从结果中明显地看出各向同性背景场和各向异性异常体的存在;在计算中通过改变各向异性系数或各向异性旋转角,其结果在视电阻率和相位曲线上均存在显著区别.计算结果表明了在各向异性地层中,仍然采用各向同性的假设进行CSAMT资料的处理与解释,可能会带来比较严重的误差,这种情况下必须采用基于各向异性的地质模型对CSAMT资料进行处理和解释.研究结果对于提高CSAMT方法的勘探效果和应用水平具有重要的指导意义.     

水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率

本文根据视电阻率定义的原则,以及用不同的场量定义的视电阻率效果不同这一事实,提出一种新的全波视电阻率定义.在全区同时用均匀大地上电磁场的三个分量来分区定义祝电阻率.在远区视电阻率由磁场的水平分量求出,在近区由磁场的垂直分量或其实分量定义,而在过渡区则由电场的水平分量确定.用这种方法定义的视电阻率为电磁响应的单值函数,它随频率变化的曲线显著改善,能直观地反映地层电阻率随深度的变化,数值比较接近地层的真电阻率值,假极值效应明显压低.在计算中用切比雪夫多项式分段拟合均匀大地电磁响应的反函数,并给出一套系数,由此算出的视电阻率误差小于1％.     

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).     

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。     

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.     

基于AMT数据构建地电模型的CSAMT最小收发距估算

在CSAMT的野外工作中,需考虑收发距影响,确保在远区采集数据.然而通过估计大地平均电阻率计算收发距准确度较差,需提出其他方法改进估计合适收发距的准确度.本文提出利用工区的音频大地电磁资料构建1D模型用于计算最小收发距,具体过程为:首先利用AMT数据进行一维反演,反演计算出一个层状地电模型;根据Bostick转换求取达到目的层勘探深度对应的最小频率;在此1D模型基础上进行赤道装置方式的CSAMT正演计算和MT正演计算,通过对比两者视电阻率误差,找出满足远区条件的最小收发距.通过理论数据模拟,展示了此方法的可行性,为CSAMT最小收发距估算提供了一种新思路.     

基于二次耦合势的广域电磁法有限体积三维正演计算

与可控源音频大地电磁（CSAMT）相比,广域电磁法通过采用全区视电阻率定义,突破了卡尼亚视电阻率所需的远区条件限制,极大拓展了可控源电磁观测区域和探测深度.考虑到电偶源激发场的三维特征以及地下复杂三维结构,为提高广域电磁数据解释精度,本文实现了基于二次耦合势的广域电磁法三维正演计算.该算法利用Helmholtz定理将麦克斯韦方程转化为库伦规范下的磁矢势和电标势耦合方程,有效改善了离散所得大型线性方程组的谱性质,并通过强加散度条件来消除电场伪解的影响.此外,采用散射场方法,其中一次场使用准解析法求解,二次场使用有限体积法求解,克服了局部激发场源奇异性问题.通过与一维层状模型下电偶源产生的电磁场准解析解对比,验证了本文算法的正确性.在此基础上,利用本文的正演算法对比分析了广域电磁法与CSAMT对典型三维目标体的探测能力,结果表明在相同的观测条件下,广域电磁法能够更准确地反映地下目标体信息,拥有更优的分辨能力.     

复杂介质有限元法2.5维可控源音频大地电磁法数值模拟

利用有限元2.5维可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）数值模拟方法,对100Ωm均匀半空间介质中有限长度的电偶极源产生的电场、磁场及视电阻率、相位特征进行了数值模拟,研究了场的空间变化规律. 在一个象限中,场的特征存在双叶现象,当收发距大于4个趋肤深度时,电阻率较接近介质真实的电阻率,这些结果为观测系统和收发距的选择提供了依据. 波数域场的特征表明,低波数对源的贡献占较大的比例. 有限元法2.5维CSAMT数值模拟的优势在于能较准确地获得复杂介质结构的波场特征. 本文结合直立异常体、倾斜异常体及断陷模型对CSAMT电阻率、相位剖面特征及频率曲线特征的可靠性进行了研究. 数值模拟结果直观地给出了异常体的剖面异常形态. 通过对比研究异常体的剖面异常形态和半空间场的特征进一步说明本文方法和软件在模拟复杂介质结构场特征时是可靠的. 这为认识观测数据,指导反演解释提供了较好的依据.     

含激电效应的CSAMT一维正演研究

地电体对频率域电磁波激发源的响应为电磁感应和激电效应的综合响应.传统CSAMT法进行数据正反演时认为大地介质电阻率是与频率无关的实数,而实际上因为激电效应,地下可极化体的电阻率是一个与频率相关的复数.为推进二者总体响应研究,并扩展激电法的应用范围,同时提高电磁法勘探的精度,本文基于Dias模型,以复电阻率代替不考虑地电体极化效应的直流电阻率,对CSAMT场源一维层状模型进行了正演模拟,为提取CSAMT信号中所含激电信息提供理论基础.结果表明,考虑激电参数后,视电阻率及相位响应曲线出现明显异常（包括远场、过渡场、近场）;极化前后振幅比值异常峰值、相位差值异常峰值可直观体现激电异常;异常峰值与极化层层厚、埋深以及电阻率变化有连续的对应关系.认为从频率域电磁法信号中提取激电信息有乐观的前景.     

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.     

基于牛顿迭代法和遗传算法的CSAMT近场校正

由于可控源音频大地电磁法（CSAMT）采用人工场源在大大增加信号强度的同时也带来了在近区产生非平面波效应的问题,其表现特征为在双对数坐标中卡尼亚电阻率曲线呈45°上升,即所谓的近场效应.本文首先提出了基于牛顿迭代法求解视电阻率方程的近场效应校正方法,通过对二层、三层理论模型试算验证了该方法的有效性;为进一步增强对噪声的压制能力,本文进一步引入了遗传反演的思想,将全频段误差最小作为目标函数,采用自适应正则化方法引入模型参数梯度最小作为稳定因子,由遗传算法求解得到校正后视电阻率,通过对理论模拟数据加随机噪声的校正结果,表明该方法在实现近场校正的同时能剔除噪声干扰,得到的结果与理论模拟曲线吻合度较高.通过对内蒙古曹四夭钼矿区实测CSAMT数据处理结果表明,牛顿法和遗传算法均能明显校正CSAMT因近场效应引起的假高阻异常,能更好地反映地电结构特征.     

Forward modeling and inversion of tensor CSAMT in 3D anisotropic media

Tensor controlled-source audio-frequency magnetotellurics (CSAMT) can yield information about electric and magnetic fields owing to its multi-transmitter configuration compared with the common scalar CSAMT. The most current theories, numerical simulations, and inversion of tensor CSAMT are based on far-field measurements and the assumption that underground media have isotropic resistivity. We adopt a three-dimensional (3D) staggered-grid finite difference numerical simulation method to analyze the resistivity in axial anisotropic and isotropic media. We further adopt the limited-memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno (LBFGS) method to perform 3D tensor CSAMT axial anisotropic inversion. The inversion results suggest that when the underground structure is anisotropic, the isotropic inversion will introduce errors to the interpretation.     

2.5维复电阻率反演及其应用试验

自复电阻率法被提出以来,其区分矿与非矿方面的潜力就引起了人们的广泛关注,但反演问题一直没有得到较好的解决,已经严重影响和制约了该方法的应用和发展.对此,本文提出并实现了利用多个排列视电阻率和视相位数据的2.5维SIP联合反演方法.算法利用最小二乘原理构建了反演目标函数,为提高反演的稳定性,在反演方程中加入了Occam法的光滑模型约束.通过借助电场的偏导数形式,推导出了灵敏度矩阵的解析表达式,并应用互换定理对其进行精确求取.反演算法充分利用了电磁感应和激电效应中的异常信息,能够同时反演出二维地质断面上所有单元的四种复电阻率参数.最后,利用该反演程序对安徽某地区的SIP实测数据进行了反演成像,通过与已知钻井资料及CSAMT反演结果的对比分析表明,该反演算法具有良好的应用效果.     

基于遗传算法的CSAMT最小构造反演

利用遗传算法进行不考虑近场校正的全场资料CSAMT反演研究.遗传算法属于全局最优化方法,具有对初始模型依赖小,不易陷入局部极值的优点,然而,当未知数较多时,多解性仍是该方法的瓶颈.为了减小多层反演的多解性,在反演中引入最小构造约束,针对CSAMT的遗传算法反演问题定义了最小构造目标函数,经过模型试验找到了其具体表达式,并找到了适合CSAMT资料反演的拉格朗日乘子的最佳取值μ=0.5,实现了基于遗传算法的CSAMT最小构造反演.利用H、A、K、Q和HKH、KHA模型对方法进行了数值试验,在无噪和加入10％噪声情况下,反演结果与模型一致;加入20％噪声后,反演仍取得良好结果,与理论模型基本吻合.将该方法用于水平层状地层和横向变化地层的实测资料反演,结果与地质资料吻合.不同的计算实例表明了该方法的有效性.     

起伏地形下CSAMT二维正反演研究与应用

CSAMT在山区金属矿勘查中,采用各种滤波和相位积分之类的处理方法,校正因地形起伏和局部电性不均匀引起的静态效应,往往难保奏效,开发消除静态效应的新方法是提高CSAMT资料处理与解释水平和方法应用效果的重要研究课题. 本文以如何消除地形影响为重点,对起伏地形下CSAMT二维大地三维源地电模型,采用加权余弦数值积分法,进行波数域电磁场二维有限单元法正演. 为模拟复杂地形地电模型,选取交叉对称网格三角形剖分法,实现了在国内常用赤道电偶极装置的CSAMT二维正演计算;在二维正演的基础上,开发了基于奥克姆反演法的CSAMT二维反演技术,研制出一套起伏地形下CSAMT二维正反演处理与解释方法技术系统. 通过理论模型试算和实测数据处理证实,本系统能有效地削减起伏地形影响. 在找矿应用中,该系统反演的电阻率断面,极大地消除了起伏地形影响和静态效应,突显出清晰的控矿构造和矿体的异常,取得了重要成效.