矿井瞬变电磁法超前探测合成孔径成像研究

在矿井瞬变电磁超前探测数据处理和解释中,为了更好地识别巷道前方含水体电性分界面,利用扩散场与波动场间的函数关系,将矿井瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场,实现波场转换.同时,为了解决波场转换后信号幅值偏弱,以增加信噪比利于解释,利用雷达的合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理.将矿井瞬变电磁法巷道超前探测的同一测点不同探测方向的数据作为孔径数据进行合成孔径成像,以突出弱异常而提高信噪比,结合应用实例验证了方法的效果.研究表明,矿井瞬变电磁法合成孔径成像方法能够提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率,对矿井瞬变电磁法精细超前探测含水构造具有重要的理论意义和应用价值.     

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.     

多道瞬变电磁法(MTEM)虚拟波场提取技术

多道瞬变电磁法(MTEM)是近年来发展起来的一种新的地球物理勘查技术,其数据采集方式与地震法类似,因此,采用瞬变电磁拟地震解释方法对MTEM数据进行处理解释具有一定的优越性.研究MTEM虚拟波场有效提取方法具有重要意义.在以往奇异值分解法、预条件正则化共轭梯度法两种不同的常规提取方法研究基础上,本文提出采用相关叠加法提取MTEM虚拟波场信息.首先采用预条件正则化共轭梯度法对全时段MTEM数据进行虚拟波场提取,然后采用同种方法对划分的各时间段数据进行虚拟波场提取,最后对全时段提取结果与各个时间段提取结果进行相关性叠加,叠加结果作为最终的提取结果.实测MTEM数据虚拟波场提取结果表明,采用相关叠加法可以得到稳定、光滑的虚拟波场波形曲线,且抗干扰能力强.     

矿井瞬变电磁合成孔径成像处理系统研究

介绍了一套矿井瞬变电磁合成孔径成像数据处理计算方法及数据处理系统,该数据处理系统实现了对探测目标的处理解释和精细成像.介绍了瞬变电磁的视纵向电导微分成像法和人机对话计算机自动反演解释方法;阐述了瞬变电磁多用途处理解释系统的设计方法;通过对模型计算和实测数据的处理,做出视电阻率断面图、微分电导图、合成孔径成像图,通过对图形的比较分析以及根据验证成果的对比,证明该软件及数据处理方法达到了提高信噪比、提高分辨率的目的.     

瞬变电磁法三维拟地震成像信息提取技术

在瞬变电磁法中,为提高对地下电性界面的分辨率,可移植地震勘探中的诸多技术对界面直接成像,以克服反演中的不适定性.首先为使得波形在高低不同的电性基底所产生的虚拟反射波振幅有可比性,在将原有瞬变电磁场逆变换成虚拟波场数据的基础之上,需要求取均衡系数;接着通过对虚拟波场的离散数据求取反褶积,可基本抵消波场变换的展宽作用和大地滤波影响,以达到对电性界面精确定位的效果;然后,对波形做低通滤波处理后运用克希霍夫积分公式,将虚拟地震波场由地面向地下反向逆时偏移成像.把波场分析原理用于对瞬变电磁场的解释,就形成了瞬变电磁偏移方法.从波场角度看,它拓展和丰富了瞬变电磁场的内涵.使用本方法,可更加容易得到从前用常规解释方法处理无法提取的信息.在延拓成像中可更精确的确定界面深度,并为在瞬变电磁法中合理引入拟地震处理解释方法提供重要的理论依据和实验参照.     

电性源瞬变电磁有限差分偏移成像方法

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的(视)电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细积分法对第一类Fredholm积分方程求解,然后消除直达波,得到只含有地层反射波的虚拟波场.在此基础上,本文从时间域波动方程出发,对上行波的一级近似方程反向外推,得到时间-空间域二维与三维的波场递推公式.通过求解地下空间的波场,并使用反褶积方法削弱虚拟波场的波形展宽效应,从而提高对地质界面的纵向分辨率,获得较为准确的地质界面信息.本文分别采用均匀半空间模型、D型模型、HK型模型以及两层含水采空区模型对本文方法进行验证,并对实测数据进行处理,偏移成像的结果与地质资料相吻合,说明瞬变电磁有限差分偏移成像方法在识别电性界面以及地层特征方面具有可行性.     

基于微分电导的航空瞬变电磁合成孔径快速成像方法研究

直升机航空瞬变电磁法一次作业覆盖面积广,数据采集量巨大,信息丰富,对于剖面成像解释有很大的优势.本文利用航空电磁数据量大的优势,采用微分电导参数与相关叠加相结合的技术,实现航空瞬变电磁快速成像解释.首先,利用等效导电平面法求取视纵向电导与视深度.然后,将纵向电导对视深度求二次导数获得微分电导参数.最后,利用相关叠加算法对微分电导数据进行合成,形成合成后的微分电导剖面,实现航空瞬变电磁相关叠加快速成像.利用文中所述的成像算法对模型数据和航空瞬变电磁实测数据进行解释分析,结果表明基于微分电导的相关叠加成像算法不仅具有很好的抗噪性,而且计算速度快可以进行实时成像,对于地下介质的电性分层具有较好的分辨,有效提高了航空瞬变电磁法的解释精度.     

瞬变电磁虚拟波场成像方法及其对未爆弹探测的试验研究

未爆弹严重威胁人类的安全,瞬变电磁是一种对其有效的探测方法.探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法,计算了三维数值模型和水槽物理模拟数据的反演结果,取得了良好的成像效果.结合未爆弹探测的工程实例,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法的实用性和有效性进行了验证.研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够解决微小低阻异常体精确定位的难题.     

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.     

瞬变电磁扩散场到虚拟波场的精细积分变换算法

现有的瞬变电磁解释与反演方法主要对电阻率参数进行解释,较难给出准确的地质构造信息.为了能够较多获得地质构造信息,可将瞬变电磁扩散场信号转换为虚拟波场信号,提高瞬变电磁法的分辨率.本文采用精细积分法,实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的转换.将一个高度病态的线性方程组转换成求积分的过程,大大降低了解决病态问题的难度.积分步长以2的指数增加,在保证精度的前提下,具有极高的计算效率;设置合理的终止迭代条件,进一步提高本文方法的适用性.对典型地电模型的计算,表明本文方法具有较高的精度;减小两个波峰之间的距离,证明了本文方法具有较好的分辨能力;对含有噪声信号的扩散场进行波场反变换,证明了本文方法具有较好的抗噪性.最后计算三维模型和实测数据的虚拟波场,可以很好地反映出三维地质体的界面信息,证明本文方法稳定、可靠,可以对地下地质目标体的界面进行有效识别.本文方法相比预条件正则化共轭梯度法(PRCG),在计算效率方面提升了 4倍左右;本文方法的相对误差在5％以内,而PRCG的最大相对误差可达40％～50％,精度最高可提升10倍;在分辨率与稳定性方面,也表现出较好的效果.     

基于高性能瞬变电磁辐射源的城市地下空间多分辨成像方法研究

城市地下空间的高精度、多分辨探测是城市地下合理开发的前提.由于城市探测环境的特殊性,需要探测方法具备抗干扰能力强、分辨能力好、分异多尺度地下目标等特性,现有的物探方法难以兼顾城市地下空间的探测需要.本文利用三维矢量有限元方法为正演手段,在瞬变电磁高性能辐射源进行微分脉冲扫描的基础上,对探测数据进行多时窗的扫时波场变换,将微分脉冲扫描后的多分辨响应信息,进行多分辨信息提取.同时通过地震探测中的多次覆盖处理,提高探测场对地下目标的分辨能力,最后对多次叠加后的虚拟波场进行拟地震偏移成像,最终实现城市地下空间的高精度探测.     

多孔径瞬变电磁场物理模拟

为了提高瞬变电磁法对地探测精度,提出了一种新颖的瞬变电磁装置一多孔径发射装置,并进行了多孔径瞬变电磁场物理模拟观测.分别使用四孔径发射装置和常规回线发射装置,进行不同收一发距情况下的一次场观测,并对铜板在不同埋藏深度情况下的二次响应进行观测,通过比较两种不同装置下的响应曲线和计算观测数据误差,最终发现使用四孔径发射装置可使一次场强度提高34%,可使二次场强度提高31%.结论表明,多孔径发射源可以改变电磁场的空间分布,认为瞬变电磁场存在类相干现象.研究成果对提高瞬变电磁的探测精度具有很重要的意义.     

瞬变电磁拟地震子波宽度压缩研究

导电媒质中电磁场所满足的扩散方程与无耗媒质中电磁场所满足的无阻尼波动方程之间存在着数学转换关系式,可以实现瞬变电磁法拟地震资料解释.但是转换出的虚拟波往往波形较宽,使分辨能力下降,影响了瞬变电磁拟地震方法的发展和推广.本文针对虚拟波形展宽这一现象进行了研究,认为虚拟波形展宽的原因,不是由于波在介质中传播时能量损耗所致,...     

Analysing two‐dimensional effects in central loop transient electromagnetic sounding data using a semi‐synthetic tipper approach

We present a simple and feasible approach to analyse and identify two‐dimensional effects in central loop transient electromagnetic sounding data and the correspondingly derived quasi two‐dimensional conductivity models. The proposed strategy is particularly useful in minimising interpretation errors. It is based on the calculation of a semi‐synthetic transient electromagnetic tipper at each sounding and for each observational transient time point. The semi‐synthetic transient electromagnetic tipper is derived from the measured vertical component of the induced voltage and the synthetically calculated horizontal component. The approach is computationally inexpensive and involves one two‐dimensional forward calculation of an obtained quasi two‐dimensional conductivity section. Based on a synthetic example, we demonstrate that the transient electromagnetic tipper approach is applicable in identifying which transient data points and which corresponding zones in a derived quasi two‐dimensional subsurface model are affected by two‐dimensional inhomogeneities. The one‐dimensional inversion of such data leads to false models. An application of the semi‐synthetic transient electromagnetic tipper to field data from the Azraq basin in Jordan reveals that, in total, eight of 80 investigated soundings are affected by two‐dimensional structures although the field data can be fitted optimally using one‐dimensional inversion techniques. The largest semi‐synthetic tipper response occurs in a 300 m‐wide region around a strong lateral resistivity contrast. The approach is useful for analysing structural features in derived quasi two‐dimensional sections and for qualitatively investigating how these features affect the transient response. To avoid misinterpretation, these identified zones corresponding to large tipper values are excluded from the interpretation of a quasi two‐dimensional conductivity model. Based on the semi‐synthetic study, we also demonstrate that a quantitative interpretation of the horizontal voltage response (e.g. by inversion) is usually not feasible as it requires the exact sensor position to be known. Although a tipper derived purely from field data is useful as a qualitative tool for identifying two‐dimensional distortion effects, it is only feasible if the sensor setup is sufficiently accurate. Our proposed semi‐synthetic transient electromagnetic tipper approach is particularly feasible as an a posteriori approach if no horizontal components are recorded or if the sensor setup in the field is not sufficiently accurate.     

瞬变电磁虚拟波场二阶Born近似成像算法

依据瞬变电磁扩散场与虚拟波动场之间的数学表达式,通过波场反变换得到虚拟波场,进而借用地震勘探上成熟的成像方法定位地质界面的位置以及形态.本文首先将时间域波动方程转换为频率域波动方程,将总波动场分为背景场和散射场、总波速分为背景速度和扰动速度,然后运用Green定理得到了散射场关于地质界面速度扰动量的表达式,并使用Bor...     

地面瞬变电磁法（TEM）研究进展

较详细地介绍了近年来国内外地面瞬变电磁法（TEM）的基本原理、特点、影响因素、测量仪器、数据处理、数据解译（数据的正演和反演）方面的研究状况和所取得的进展,简要介绍了其应用前景,由于具有探测深度大、空间分辨率高等优势,TEM在地质灾害、建筑工程、水文地质工程特别是在深部找矿等方面得以广泛应用。     

地球物理方法对城市活断层的探测与研究

采用综合地球物理方法对长春市活断层进行探测,实践证明,利用联合剖面法、高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法、高分辨率地震和重磁方法等,在研究活断层的位置、产状与形态上均具有很好的作用,针对城区干扰因素多环境复杂等不利因素,通过采用新的数据处理方法技术,取得了理想的探测效果,为今后开展活断层的探测与研究提供了借鉴.     

Appraisal of a new 1D weighted joint inversion of ground based and helicopter‐borne electromagnetic data

In order to couple spatial data from frequency‐domain helicopter‐borne electromagnetics with electromagnetic measurements from ground geophysics (transient electromagnetics and radiomagnetotellurics), a common 1D weighted joint inversion algorithm for helicopter‐borne electromagnetics, transient electromagnetics and radiomagnetotellurics data has been developed. The depth of investigation of helicopter‐borne electromagnetics data is rather limited compared to time‐domain electromagnetics sounding methods on the ground. In order to improve the accuracy of model parameters of shallow depth as well as of greater depth, the helicopter‐borne electromagnetics, transient electromagnetics, and radiomagnetotellurics measurements can be combined by using a joint inversion methodology. The 1D joint inversion algorithm is tested for synthetic data of helicopter‐borne electromagnetics, transient electromagnetics and radiomagnetotellurics. The proposed concept of the joint inversion takes advantage of each method, thus providing the capability to resolve near surface (radiomagnetotellurics) and deeper electrical conductivity structures (transient electromagnetics) in combination with valuable spatial information (helicopter‐borne electromagnetics). Furthermore, the joint inversion has been applied on the field data (helicopter‐borne electromagnetics and transient electromagnetics) measured in the Cuxhaven area, Germany. In order to avoid the lessening of the resolution capacities of one data type, and thus balancing the use of inherent and ideally complementary information content, a parameter reweighting scheme that is based on the exploration depth ranges of the specific methods is proposed. A comparison of the conventional joint inversion algorithm, proposed by Jupp and Vozoff ( 1975 ), and of the newly developed algorithm is presented. The new algorithm employs the weighting on different model parameters differently. It is inferred from the synthetic and field data examples that the weighted joint inversion is more successful in explaining the subsurface than the classical joint inversion approach. In addition to this, the data fittings in weighted joint inversion are also improved.