层状垂直各向异性介质海洋CSEM发射源及接收站姿态和位置对电磁响应影响研究

众所周知,电阻率各向异性对海洋可控源电磁(CSEM)响应有显著影响.在模拟和解释海洋可控源电磁资料时,通常假设接收站布放于平稳的海底,发射源以理想的水平电偶极源形式按预设路径拖曳前进.然而,在实际海洋作业中,自由下沉的接收站可能沉降在局部倾斜的海底面上,在海底的方位可能是任意取向的.同时,由于洋流等因素的影响,发射源偶极子会发生旋转、倾斜,其位置也会偏离预设的拖曳路径,所以发射源和接收站姿态的变化都将对电磁资料产生影响.本文计算了电阻率各向异性介质中,发射源任意姿态任意位置激发、接收站任意姿态任意位置接收的海洋CSEM响应,分析观测系统引起数据误差的机制,分别在电阻率各向同性、围岩电阻率各向异性和高阻储层电阻率各向异性三种模型中,讨论发射源和接收站的姿态及位置变化对响应的影响.计算结果表明,电磁场振幅误差主要来源于发射源和接收站的倾斜角,而相位的变化为发射源位置和接收站倾斜角、位置共同影响的结果.     

新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用

利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时,会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底,发射偶极源和海底间海水的电磁衰减,使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质;发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动;拖曳式发射时,时间窗口内叠加的数据有限;拖曳路线可能与海底构造走向平行,不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元,以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底,没有海水层衰减,有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端;通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体,利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向,可以精确校正电偶源水平偏角的影响;增加单点供电时间,提高接收信号信噪比;提供两对电偶极源,从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明,坐底式与拖曳式发射系统联合作业,可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发,为数据采集提供丰富的场源信息.     

非零长线源与偶极源的电磁响应比较分析

电磁测深方法中经常采用长线源进行激励,并用偶极源进行近似解释.要将长线源近似成偶极源必须满足一定的几何条件.本文通过对长线源与偶极源的电磁响应进行推导计算,并分类进行比较分析,得知在长线源几何尺寸相对于长线源到观测点的距离可以比拟时,长线源激励的电磁响应在早、中期与偶极源有较大的偏差,在晚期逐步趋于一致.因此,建议在采用非零长线源进行电磁测深的数据处理中,先进行电磁响应数据的相关修正处理.     

一维垂直各向异性介质频率域海洋可控源电磁资料反演方法

本文提出了一维垂直各向异性(VTI)介质倾斜偶极源频率域海洋可控源电磁(CSEM)资料高斯-牛顿反演方法.在电阻率各向异性介质水平偶极源和垂直偶极源海洋CSEM正演算法的基础上,利用欧拉旋转方法,实现了各向异性介质倾斜偶极源海洋CSEM正演算法.海洋可控源电磁场关于地下介质横向电阻率(ρ_h)和垂向电阻率(ρ_v)的偏导数(即灵敏度矩阵)是解析计算的,结合垂直各向异性介质横向电阻率与垂向电阻率的关系,将各向异性率融入到正则化因子选择中,实现了正则化因子的自适应选择.理论模型合成数据和实测资料反演算例表明,我们提出的反演方法能够较准确的重构海底围岩和基岩的各向异性电阻率以及高阻薄层的埋藏深度、厚度和垂向电阻率.     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

直升机航空TEM中心回线线圈姿态校正的理论研究

在直升机航空电磁测量时,固定在吊舱内的发射-接收线圈受飞行速度、飞机颠簸、风向等影响,会发生旋转,导致线圈与大地之间的耦合发生变化,给测量的电磁数据带来姿态误差,因此,研究航空线圈姿态校正非常重要.本文在建立吊舱和大地系统双坐标系的基础上,确定了吊舱旋转时,双坐标系之间变量变换的旋转矩阵,推导出层状大地垂直圆线圈姿态变化时航空电磁响应的计算表达式,以及线圈发生摇摆、俯仰旋转时的电磁响应系数,仿真研究了线圈姿态变化对电磁测量的影响,提出了姿态误差的几何校正方法,为航空电磁测量数据的精确处理和解释奠定了理论基础.     

水平层状大地中任意方向偶极源激发的电磁场

目前已存在多种物理模型用于解释地震前兆电磁异常,不同机制下产生电磁波场的源可等效为不同类型偶极源(磁型/电型)的组合.针对不同偶极源激发的电磁响应特征的研究对地震孕育过程中观测的电磁信号的提取与解释具有重要意义.基于此,本文推导了一套正演算法,可用于研究任意方向(方位角和倾角)、大小和位置的一个或多个偶极源在地壳或岩石圈-大气圈-电离层(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere, LAI)模型中产生的电磁波场的传播特征.基于多源组合,该算法可进一步拓展到线电流源和面电流源的电磁响应的计算.本文给出了水平、垂直和倾斜电偶极源响应计算的实例,并针对不同类型的偶极源激发下的地中、地面以及空间电磁场响应特征进行了初步分析.模拟结果显示,相比于单纯水平或垂直的电偶极源,地中倾斜电偶极源激发的电磁响应在地表的各场量辐射花样虽然仍可反映偶极子的方位角和空间位置,但不再具有对称性,其模式更复杂.本文提出的正演算法可用于地中低频电磁辐射源的正演模拟和反演定位.     

海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用

海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测,本文从方法原理出发,采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术,设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机,实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机,在琼东南海域进行水合物勘查,采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演,获得了研究区海底的电阻率模型,结合地震资料,对高阻异常体进行推断解释,其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.     

频率域双极源全区视电阻率的计算及分析

频率域可控源电磁法由于其发射源的非偶极性,收发距受到发射场源功率的限制,在近区和过渡区,场源不能看做偶极子源,而是双极源.对于双极源数据在近区和过渡区的校正,若采用偶极予源校正,存在很大的误差,收发距一定时,偶极距越大,误差越大.双极源全区视电阻率利用半空间模型视电阻率等效地下复杂模型视电阻率计算全区视电阻率,对比偶极...     

Impact of three-dimensional attitude variations of an unmanned aerial vehicle magnetometry system on magnetic data quality

Optically pumped vapour magnetometers have an orientation dependency in measuring the scalar component of the ambient magnetic field which leads to challenges for integration with mobile platforms. Quantifying the three-dimensional attitude variations (yaw, pitch and roll) of an optically pumped vapour magnetometer, while in-flight and suspended underneath a rotary unmanned aerial vehicle, aids in the successful development of reliable, high-resolution unmanned aerial vehicle magnetometry surveys. This study investigates the in-flight three-dimensional attitude characteristics of a GEM Systems Inc. GSMP-35U potassium vapour magnetometer suspended 3 m underneath a Dà-Jiāng Innovations S900 multi-rotor unmanned aerial vehicle. A series of unmanned aerial vehicle-borne attitude surveys quantified the three-dimensional attitude variations that a simulated magnetometer payload experienced while freely (or semi-rigidly) suspended underneath the unmanned aerial vehicle in fair weather. Analysis of the compiled yaw, pitch and roll data resulted in the design of a specialized semi-rigid magnetometer mount, implemented to limit magnetometer rotation about the yaw axis. A subsequent unmanned aerial vehicle-borne magnetic survey applying this specialized mount resulted in more than 99% of gathered GSMP-35U magnetic data being within industry standards. Overall, this study validates that maintaining magnetometer attitude variations within quantified limits (±5° yaw, ±10° pitch and roll) during flight can yield reliable, continuous and high-resolution unmanned aerial vehicle-borne magnetic measurements.     

固定翼航空电磁系统的线圈姿态及吊舱摆动影响研究与校正

固定翼时间域航空电磁探测系统在实际飞行测量过程中,发射线圈、接收线圈姿态和吊舱摆动状态不断变化,在测量数据中引入如发射磁矩方向、接收分量方向以及系统收发距等参数的误差,影响数据反演成像效果.本文基于固定翼时间域航空电磁正演理论,利用姿态变换,引入发射线圈、接收线圈双旋转矩阵;根据发射、接收线圈相对位置的几何关系,求得摆动格林张量;推导了任意姿态角度以及任意摆动角度情况下的固定翼航空电磁响应三分量计算表达式.通过层状大地模型的仿真计算,分别研究了发射、接收线圈各姿态以及吊舱摆动状态对航空电磁响应的影响,得出发射线圈、接收线圈俯仰旋转和吊舱同向摆动对系统电磁响应影响最强;仿真分析了实际测量中,三种角度同时存在情况下,航空电磁响应的定量变化规律.在此基础上,讨论了响应系数与大地电导率的关系,同时给出基于响应系数的固定翼航空电磁系统线圈姿态和摆动状态校正方法,准二维层状大地模型反演结果表明,校正后数据的反演精度提高了33.1%.     

时间域航空电磁系统姿态变化影响研究

航空电磁系统的收发线圈受外界因素影响会发生姿态变化,使测量结果产生一定偏差.传统的数据处理方法考虑姿态变化情况单一,且主要以频率域系统为主,而目前复杂姿态变化对时间域航空电磁系统全时响应的影响尚未有系统研究.本文在前人研究基础上拓宽思路,不仅研究姿态的角度变化,同时改进前人计算方法,研究线圈发生位置变化的影响,并将线圈与大地的耦合感应效应考虑在内.本文通过定义姿态变化前后两种坐标系,确定姿态变化的角度和旋转矩阵,并将一维层状半解析解与姿态角度变化和位置变化进行整合,推导出收发线圈任意姿态变化的表达式.以直升机吊舱分离装置为例,对时间域航空电磁系统收发线圈任意姿态变化进行细致分析.基于重叠偶极子的假设,给出可应用于实际工作中的姿态校正因子,以提高实测数据的处理效率与精度.     

Two types of marine controlled source electromagnetic transmitters

Marine controlled source electromagnetic methods are used to derive the electrical properties of a wide range of sub‐seafloor targets, including gas hydrate reservoirs. In most marine controlled source electromagnetic surveys, the deep‐tow transmitter is used with a long horizontal electric dipole being towed above the seafloor, which is capable of transmitting dipole moments in the order of up to several thousand ampere‐metres. The newly developed deployed transmitter uses two horizontal orthogonal electrical dipoles and can land on the seafloor. It can transmit higher frequency electromagnetic signals, can provide accurate transmission orientation, and can obtain higher signal stacking, which compensates for the shorter source dipole length. In this paper, we present the study, key technologies, and implementation details of two new marine controlled source electromagnetic transmitters (the deep‐tow transmitter and the deployed transmitter). We also present the results of a marine controlled source electromagnetic experiment conducted from April to May 2014 in the South China Sea using both the deep‐tow transmitter and the deployed transmitter, which show that the two types of marine transmitters can be used as effective source for gas hydrate exploration.     

The electromagnetic response of a horizontal electric dipole buried in a multi‐layered earth

The electromagnetic response of a horizontal electric dipole transmitter in the presence of a conductive, layered earth is important in a number of geophysical applications, ranging from controlled‐source audio‐frequency magnetotellurics to borehole geophysics to marine electromagnetics. The problem has been thoroughly studied for more than a century, starting from a dipole resting on the surface of a half‐space and subsequently advancing all the way to a transmitter buried within a stack of anisotropic layers. The solution is still relevant today. For example, it is useful for one‐dimensional modelling and interpretation, as well as to provide background fields for two‐ and three‐dimensional modelling methods such as integral equation or primary–secondary field formulations. This tutorial borrows elements from the many texts and papers on the topic and combines them into what we believe is a helpful guide to performing layered earth electromagnetic field calculations. It is not intended to replace any of the existing work on the subject. However, we have found that this combination of elements is particularly effective in teaching electromagnetic theory and providing a basis for algorithmic development. Readers will be able to calculate electric and magnetic fields at any point in or above the earth, produced by a transmitter at any location. As an illustrative example, we calculate the fields of a dipole buried in a multi‐layered anisotropic earth to demonstrate how the theory that developed in this tutorial can be implemented in practice; we then use the example to examine the diffusion of volume charge density within anisotropic media—a rarely visualised process. The algorithm is internally validated by comparing the response of many thin layers with alternating high and low conductivity values to the theoretically equivalent (yet algorithmically simpler) anisotropic solution, as well as externally validated against an independent algorithm.     

地形对长偏移距瞬变电磁测深的影响研究(英文)

用基于张量格林函数的体积分方程法对三维异常体进行瞬变电磁响应的正演模拟,首先在频率域内计算电磁场分量的频率域响应,然后利用快速数字滤波技术将计算结果转换到时间域。设计和计算了水平电偶极子源激发下层状水平地层模型背景下的常见地形如山谷、山峰地形的模型,并考察分别把源和接收器放于这些地形中的瞬变电磁场响应,详细分析了这些地形对长偏移距瞬变电磁测深(LOTEM)的影响。结果表明,山谷和山峰地形对LOTEM的结果均有不同程度的影响。当电偶极子源放在山谷谷底时,地形对观测异常场的畸变非常严重;当接收器放在山谷中时,接收器处地形的影响强烈但该影响在空间和时间上只是局部的。总体来讲,不论山峰地形位于何处,其对LOTEM的影响相对较小。当地形处于发射源与接收器之间时,地形对LOTEM的影响非常小,表明在进行LOTEM勘探时,选择发射源的放置比接收器的位置更加重要,野外勘探是尽量把发射源选择在开阔的平坦位置。     

地球基本磁场的形成与变化的探讨

本文在铁磁体假说的基础上，探讨地球基本磁场的形成与变化的原因.地球的偶极磁场是由于地球的回转和内核中特殊的磁化环境，使内核中心形成的饱和磁化的永磁球体（即磁核）产生的，磁核的大小和温度负相关.地球的非偶极磁场，由外核内几个可确定的磁偶极子产生，这些磁偶极子，是外核中液态金属的流动，切割磁核的磁场而产生的涡流形成的.