时间域航空电磁扩散特征和成像深度研究

为了研究时间域航空电磁系统扩散特征,基于连续性边界条件将电磁场向下延拓得到地下介质中各点处的频率域响应,通过傅里叶变换将其变换到时间域.计算阶跃波形发射时垂直磁偶极子和水平磁偶极子在均匀半空间介质和两层介质中产生的电磁场,通过电流密度矢量图和随时间变化的电流密度等值线展示电磁场在地下介质中的扩散过程.电磁场在地下的扩散受电阻率结构的影响.在良导地区电磁场扩散慢、衰减快,而在高阻地区电磁场扩散快、衰减慢.垂直磁偶极子在地下产生的感应电流形成一个电流环随时间向下、向外扩散.水平磁偶极子在地下产生的感应电流形成两个互相叠加的电流环.时间域电磁场扩散代表着真正物理意义上的电磁扩散,因为它展示了地下电磁场空间分布随时间的变化和场强的衰减.基于对感应电流环的研究,我们探究了扩散深度和时间域航空电磁数据成像深度的关系.时间域电磁场扩散规律的研究不仅加深了对电磁扩散特征的理解,更有助于提高航空电磁数据解释水平.     

关于求解地层介质中瞬变电磁场的离散镜像方法研究（英文）

针对地面场源在地层介质中所产生瞬变电磁场的数值计算方法和响应分析问题,本文展开研究.解法方面,传统离散镜像法多采用复数运算、数字滤波等方法计算量大,针对这些问题,提出一种改进的离散镜像方法:基于Gaver-Stehfest概率变换算法将电磁场解式实数化,选用Prony方法对目标核函数进行指数级数逼近,根据离散镜像原理和近似系数闭合式求解瞬变电磁场.通过试算均质模型中瞬变电磁场并对比汉克尔变换的数字滤波法所得结果,证明该方法有效且具有较好的精度和适用性.继而基于该方法计算地表磁偶源在典型地电模型中产生的瞬变电磁场,对"地面激发-地层中测量"方式所得感应磁场水平分量响应进行分析并得出结论瞬变场水平分量响应与地电结构、观测时间、空间位置等因素有关,感应磁场水平分量响应反映出涡流场分布及其垂向梯度变化情况,在探测异常体的工作中应尽量选取零偏移距、较大偏移距位置钻孔或用较大观测延时以减小背景场对勘测结果的影响。文中所用离散镜像方法与正演计算结论可为相关研究工作提供参考依据。     

层状各向异性地层中含环状天线槽随钻方位电磁波测井几何因子算法

本文基于感应测井中的几何因子与一阶Born近似理论,通过柱坐标系下耦合势Helmholtz方程三维有限体积法研究建立了各向异性地层中含环状天线槽的随钻方位电磁波测井几何因子.首先,通过引入环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数,并结合Green第二积分公式,推导出随钻方位电磁波测井仪器中环形电场和横向磁场微小变化与各向异性地层中水平和垂直电导率相对摄动量之间的关系,得到轴向和横向感应电动势微小变化量计算方法与柱坐标系中轴向和横向分量空间灵敏度函数(三维几何因子)表达式.在此基础上,进一步给出径向和纵向微分几何因子计算公式.然后,应用耦合势三维有限体积法确定发射线圈产生的感应电磁场以及环状电流源与径向磁偶极子源电磁场Green函数的数值解.最后,给出不同频率、不同倾角、不同各向异性系数等多种情况下该仪器的空间灵敏度函数与微分几何因子的数值结果,用于分析考查仪器的响应特征与空间探测能力.     

水平n层导电介质中时谐垂直电偶极子的电磁场

对于包含n层线性、均匀、各向同性的水平成层导电介质,本文应用汉克尔变换及其逆变换推导求得了位于顶层导电媒质中的时谐垂直电偶极子在该层产生的电磁场的表达通式．通过这些表达式能够很方便地求得包含任意多层导体半空间中的电磁场．文中最后计算了导电半体空间和二层导电介质中时谐垂直电偶极子产生的电磁场,验正了本文所得结果的正确性。     

用传播矩阵法研究层状交错地层中的多分量感应测井

为了实现交错沉积等复杂环境中的电磁场数值模拟,本文在常规横向同性模型的基础上引入了电导率主轴坐标系相对地层坐标系的层理方位角和倾角,建立了交错地层模型.并利用传播矩阵法建立了一维层状交错地层模型中的多分量感应测井仪器响应的正演模拟算法.首先将频率-波数域中的电磁场分解为上行和下行模式波,给出了任意朝向的磁偶极子在无限大地层中模式波的解析解.进一步通过引入地层界面上的透射、局部反射以及广义反射系数矩阵,推导了一维层状地层中的模式波表达式.在此基础上,利用二维Gauss-Legendre积分实现了Fourier逆变换,得到了可用于多分量感应测井模拟的频率-空间域磁场并矢格林函数.最后,通过多个数值模拟结果考察了井眼倾角、层理方位角和倾角变化对多分量感应测井响应的影响.     

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分（FDTD）算法

利用三维时域有限差分技术（FDTD）研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域Maxwell方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条件（UPML）被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上,利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法（2E2U）从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后,通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.     

金属套管对多分量电磁感应测井信号的影响

研究金属套管对低频电磁场各分量透射信号和反射信号的影响规律对采用过套管电磁感应测井技术监测生产过程中的流体移动具有重要价值.采用柱状成层各向异性介质中的并矢Green函数模拟当发射源在套管内、接收器分别在套管内和套管外时多分量电磁感应的响应,并系统分析了金属套管对透射磁场和反射磁场各主分量的影响规律.计算结果表明,无论是透射场还是反射场,由于所采用的频率较低,金属套管对每个分量信号的影响可以与地层对该分量信号的影响分开.在低频段,磁性金属套管对磁场各分量仍存在稳定的反射,但不同分量被反射的程度不同,受套管磁屏蔽作用大的分量(如ρρ分量)被反射的程度高于受套管磁屏蔽作用小的分量(如zz分量).随着频率的升高,反射磁场的强度逐渐增大并最终达到饱和,信号被全反射.磁性金属套管的存在导致透射磁场各分量出现不同程度的幅度衰减和相位延迟,受套管磁屏蔽作用大的分量的幅度衰减程度大.在固定套管参数和频率的情况下,磁性套管对透射磁场不同分量的影响程度虽然不同但是恒定,其所导致的各分量的幅度衰减和相位延迟与线圈系位置和地层电参数无关.在低频段,套管外透射场的各分量处于准静态,其幅度和相位均不随频率而改变,受套管磁屏蔽作用大的分量的幅度随套管磁导率和厚度的不同而存在明显变化.当频率超过某一临界值后,套管的影响逐渐从以静态屏蔽为主转到以趋肤效应为主,导致透射场幅度的衰减和相位的延迟,套管的厚度越大、套管的电导率和相对磁导率值越大,所对应的频率临界值越小.     

2021年5月22日玛多MS7.4地震震前岩石圈磁场变化特征分析

本文利用2019年和2020年两期的全国流动地磁矢量数据,针对玛多M_S7.4地震震中附近的岩石圈磁场空间分布,分析研究了岩石圈磁场各个分量的震前变化特征。结果表明,玛多M_S7.4地震发生前,震中附近的岩石圈磁场分量均发生了不同程度的变化:震中位于各分量的弱变化区域和零变线附近;震中位于各分量的高梯度带和低梯度带之间。本文证实了地震发生前会引起岩石圈磁场变化这一现象,并总结了震前地磁分量的变化特征,为今后强地震（尤其是M≥7.0地震）的震磁关系研究提供了一个震例参考。      

点电荷微元与偶极子源的时域电磁场响应对比(英文)

电偶极子依靠两个等量异号电荷的加速运动实现电磁场辐射,同样地,时变点电荷微元可以依靠单个电荷的加速运动产生电磁场。基于这种电磁场理论实质,本文开展了点电荷微元与偶极子源的时域电磁场响应对比研究。首先,给出三维导电空间点源的时间域位函数;然后,利用辅助位函数与电场、磁场响应之间的关系,给出均匀无耗全空间的点电荷载流微元时间域电场、磁场的表达式。并从阶跃关断时刻、近源区场、远源区场等方面对比分析全空间中两种源的异同。研究结果表明:在近源区,两种源产生的场差别较大;在远源区,两种源产生的场几乎相同。通过实际观测的数据和使用电偶极子源公式对简化模型计算结果的对比,认为点电荷微元场的空间分布更符合实际场源产生的电场、磁场分布特征。     

广义付里叶变换及其在磁共振成像中的应用

许多共振成像（ＭＲＩ）的应用,要求人体组织磁化强度的空间分布Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的幅度和相位的精确分离,及利用正交双通道采集时间和空间高分辨图象序列。在传统的基于Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的成象方法中,图象序列从一帧空间编码独立地重建得到,因此给定空间分辨率的情况下,每帧空间编码的数量限制了图象序列的时间分辨力;又常通过牺牲空间分辨率来提高图象序列的空间分辨录。由于传统Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的核函数是线性相位,若变换ＭＲＩ技术必须很好地满足主磁场均匀性和梯度场线性的条件,因此传统Ｆｏｕｒｉｅｒ变换成象方法对临床应用中常出现ＭＲ信号相位失真极为敏感。本文提出：利用主磁场中组织的磁化强度不变,能很好消除图象的相位失真。     

磁性条件下频率域航空电磁正演计算和成像研究

频率域航空电磁响应计算中,如何计算积分方程是频率域航空电磁法正演计算的难点,本文把电磁响应计算公式分解成汉克尔变换式和普通积分或者超几何函数的两项之和,然后分析核函数中反射系数的衰减规律,通过对比线性滤波算法和直接数值积分法的积分效果,选择了120点线性滤波算法计算汉克尔变换,采用高密度方法在确保计算精度的条件下显著提高了频率域航空电磁响应计算效率.针对强磁性区域频率域航空电磁法反演问题,在传统相位矢量图只包含电阻率和飞行高度两个参数的基础上,添加了磁导率的计算,绘制了包含磁导率、电阻率、飞机飞行高度三个参数的三维相位矢量图,计算结果表明,三维相位矢量图插值可以用于简单的一维模型,反演速度快、效率高,有助于提高磁性区域地下目标体的探测准确率,对于强磁性区域航空电磁法视电阻率填图是一种行之有效的勘探方法.     

行星际磁场By分量对地球磁层顶场向电流调制

采用三维可压缩MHD数值模拟研究了行星际磁场By分量的变化对磁层顶重联区场向电流大小和分布的影响. 行星际磁场通过模拟区x=-Lx处左边界条件By来影响重联过程，从而改变重联区的场向电流. 研究结果表明边界条件By的突然改变，能使重联区场向电流迅速增加，甚至达到增大一个量级的水平.By本身的存在(即不为零)也会使场向电流维持在一个较高的水平. 由于行星际磁场By分量不为零，而形成模拟区磁场By不对称分布，这种不对称分布是场向电流不对称分布产生的主要原因. 这些结果是与Orsted卫星最新观测结果和地 面观测结果相符合的，它表明行星际磁场By分量对地球空间场向电流有较大的调制作用.     

地震电磁卫星交变电磁场的数据处理

地震电磁卫星的迅速发展也带来了一些相关的研究课题，本文根据地面地震电磁观测中成熟的监测手段和参数，来分析如何根据地震电磁卫星记录的电、磁场分量提取可能与地震电磁异常现象有关的信息.介绍了电磁场时间序列的幅值统计；电磁波谱尤其是自功率谱对噪音干扰敏感，介绍了自功率谱的计算方法；正交电磁场相关度的变化分析方法；空间电磁波平面特征指标求取；以及在简单平面波特征下，提出空间阻抗张量的计算方法.     

主磁场梯度的空间分布和长期变化特征

根据GUFM1和IGRF11模型,计算1590—2010年主磁场总强度F、水平分量H和磁倾角I三个要素的水平梯度和垂直梯度,分析了它们的空间分布和长期变化特点.结果表明:F和H的垂直梯度与其磁场的空间分布类似,水平方向的梯度以及磁倾角I在3个方向的梯度都与其磁场分布有明显差异.H的3个方向的梯度分布清楚地指示出南磁极的位置.梯度的长期变化表明,北半球磁场梯度漂移缓慢,南半球磁场梯度变化较快.磁倾角的垂直梯度显示,中太平洋负异常周围的正异常在围绕该负异常旋转.近赤道的梯度异常带在60°W附近的转折是由印度洋异常向非洲方向移动所致.     

一维时域磁场与频域电场联合反演方法研究

多方法、多参数的联合是地球物理反演的一个重要的发展方向.本文中,在水平电偶极发射下,频率域利用快速汉克尔变换法计算一维水平层状大地的水平电场响应,时间域利用G-S变换计算垂直磁场对时间的导数值.设计了四个简单模型进行对比,正演计算表明时域磁场对低阻体反映极为灵敏,对高阻体反映不灵敏;而频域电场对低阻体及高阻体反映都比较...     

基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析

本文利用第四代地磁场综合模型（Comprehensive Model 4,CM4）,计算了1982-2001年中国大陆地区同一经度链和同一纬度链上地磁台站的磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场的地磁北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z的模型值,分析了各场源磁场随时间和空间的变化特征。结果表明:在时间上,经度链和纬度链台站的磁层源磁场及其感应场均呈现出11年和27天周期性变化。电离层源磁场及其感应场具有明显的季节变化,不同年份相同季节变化形态一致但幅度不同。在空间分布上,经度链和纬度链台站磁层源磁场及其感应场的年变化幅度呈现出不同变化特征,电离层源磁场及其感应场在经度链上变化特征不同,而纬度链台站的数值基本一致。日变化分析显示,磁静日和磁扰日期间,模型数据与台站实测数据变化一致性较好,相关性较高。     

重磁场二维希尔伯特变换——直接解析信号解释方法

通过分析解析信号概念,指出目前重磁场解析信号事实上是重磁场梯度解析信号.在借助解析信号分量满足二维希尔伯特变换关系的基础上,提出重磁场直接解析信号的概念,并阐述重力异常及化极磁异常希尔伯特变换——直接解析信号的含义,并给出基于直接解析信号对位场增强的四种处理方法:直接解析信号模、水平分量模、改进Tilt angle和改...     

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

SOTEM多分量激电响应特性分析

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)具有探测深度大、分辨率高、施工方便等特点,在第二深度空间(500～2000 m)金属矿勘探中发挥了重要作用.实际测量中,当遇到具有激发极化效应的岩矿石时,SOTEM观测曲线会出现畸变和负值响应(符号反转)的现象.SOTEM激电效应的研究对金属矿勘探具有重要意义,为此,本文对SOTEM多分量激电响应特性进行分析.通过基于Cole-Cole模型的SOTEM一维正演计算,分析了不同装置参数(收发距,极化体埋深)和极化参数(极化体电阻率、极化率,频率相关系数以及时间常数)对常用的E_x、H_z和dH_z/dt电磁场的影响规律,研究结果表明水平电场分量受激电效应的影响最大,垂直磁场分量和垂直磁场分量的时间导数受到的影响要小得多,研究结果将有助于指导野外实际生产.