大地电磁局部畸变异常特征三维数值模拟研究

局部畸变问题曾经困扰大地电磁资料反演解释几十年,大地电磁三维数值模拟技术的发展为剖析局部畸变特点和得到可靠的反演成像结果提供了技术基础。本文采用三维数值模拟成像方法对典型三维局部畸变模型进行模拟分析。三维数值模拟结果显示:电场分量垂直电性分界面的极化模式视电阻率曲线(对应二维情况下TM模式)在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移后下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移后上移,这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。三维模型中XY模式、YX模式视电阻率和相位在三维异常体附近的水平变化是呈现近似垂向对称的,该现象与电场垂直跨越电性界面时视电阻率的变化规律是吻合的,当测线分别沿X方向和Y方向展布时,三维情况下的XY和YX模式分别对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对区域构造响应的畸变影响比高阻小异常体要严重。低阻小异常体对二维区域响应的两种极化模式视电阻率和相位都有非常明显的畸变影响,相比较而言对TE模式的畸变要大于TM模式,因此我们在做二维反演解释时,可优先考虑拟合TM模式数据。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应虽然与对应真实二维区域响应的差异比较大,但可以等效于某种二维模型响应,这种由局部畸变造成的假二维响应在实际野外数据的解释中是需要注意的。      

源和勘探区间导电体对有源电磁勘探影响的2D数值模拟研究(英文)

在CSEM野外工作中,通常把接收机置于离源3~5倍趋肤深度以外的远区。本文从正演和反演两个角度研究了当源和接收机之间存在导电体时,该导电体对远区中目标体响应的影响。2D有限元正演结果表明导电体主要影响中低频的观测结果,导电体的电导率越低,尺寸越大,影响也越大,并且影响程度随着观测频率的降低而逐渐加大。反演结果表明若不考虑源和勘探区间导电体的存在,反演得到的目标体横向位置会向源的方向移动,带来解释上的误差。在CSEM实际工作中,应该是采用多方位的场源作三维采集和三维反演,以减少源和勘探区间低阻体的影响。     

数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响

本文基于考虑人工场源辐射的可控源地面电磁勘探三维数值模拟技术,以目前常用的标量可控源音频大地电磁勘探测量方式为依据,讨论地面可控源三维电磁勘探中,为达到最佳的探测效果,如何选择合适的反演数据类型.地面可控源数据的三维反演采用有限内存拟牛顿方法.反演过程中,三维可控源频率域响应数值计算采用交错网格有限差分法,求解基于二次电场的Helmholtz方程.发射装置采用长度为1000m的有限长直导线源,测量频率为10Hz;测点个数200个,分布在10条剖面上.在异常体分布区分别观测(1)电场Ex分量的振幅和相位,(2)Ex振幅,(3)Ex与Ey分量的振幅和相位,(4)Ex与Hy的振幅和相位.反演的数据类型分别为上述4种数据以及导出的阻抗Zxy振幅和相位.反演模型由30×30×20个网格组成,测区内水平方向大小为50m×50m,垂直方向厚度为50m,最后5层厚度倍增.反演都从均匀半空间开始,迭代120次结束.数值模拟结果发现,(1)单个电场分量Ex,其相位信息对异常体信息提取非常重要,若只反演该电场振幅,深部电阻率分辨率低;(2)观测正交电场的效果比单个电场分量效果好,其浅部异常的边缘效应明显减弱,深部异常形态完整;(3)同时观测正交的电场和磁场,反演效果与只观测电场振幅和相位的相当;(4)从阻抗数据反演得到的异常位置和电阻率分布均有较大的改善,反演模型分辨率最好.因此,在理论上,建议在野外数据采集时,最好测量正交电磁场;次之,同时测量正交的电场;最次的,可以只观测电场Ex的振幅和相位,亦可取得较足够的信息.但如果只能获得电场的振幅信息,反演结果的深部将出现较大的不确定性.     

浅部不均匀体对目标体电阻率异常影响的研究

浅部不均匀体能使电阻率测深曲线产生严重的畸变. 为了从根本上消除浅部不均匀体的干扰,本文采用三维有限元数值模拟的方法,计算出浅部不均匀体异常和混合体（目标体+不均匀体）异常,通过一定的校正方法,把不均匀体影响从混合异常中校正掉,从而实现对浅部不均匀体影响的定量校正.     

电性可控源导线长度对深部三维异常体响应的影响

电性可控源导线长度是可控源勘探中的重要参数.本文借助有限差分法对三维异常体进行正演模拟,讨论了可控源导线长度对三维可控源异常的影响.计算了深部低阻异常体和高阻异常体的异常变化情况.从数值结果可以看出:(1)Ex分量和Hy分量场值大小与源长度的变化近似成正比;(2)当源长度增加到收发距的二分之一时,源中心点处的Ex分量和Hy分量场值增加倍数明显小于远离中心点处的场值增加倍数,进而对异常形态产生影响;(3)源长度的变化对于阻抗视电阻率没有影响.从而总结出电性可控源长度对于深部三维异常体响应的影响规律.     

多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法,利用环形布置的多同性源供电压制隧道掌子面后方的异常体的干扰,同时增强掌子面前方远处异常体的敏感度,阵列电极测量可为含水构造的三维反演成像提供三维数据.首先,开展了含水构造超前探测的数值正演模拟,发现多同性源方法的视电阻率纵向微分曲线极小值以及与横轴的交点位置可对异常体位置进行定性判断,探讨了多同性源方法对后方及侧向异常干扰的响应特征及识别方法.其次,将电阻率光滑约束与轨迹光滑策略引入蚁群反演算法,提出了一种最小二乘方法与改进蚁群算法相结合的混合反演算法,反演数值算例表明混合反演算法能够实现含水构造的三维成像,较好地反演出不同距离的含水构造位置,并使其边界较为清晰.为了验证多同性源探测方法的探测效果开展了物理模型试验,多同性源阵列电阻率法能较好的反映含水构造的存在,与实际含水构造的位置较为相符.     

长偶极大功率可控源激励下目标体电性参数的频率响应

利用三维（3D）全空间积分方程准线性解作为数值模拟手段,对包含电离层、大气层和地球介质层的“地-电离层”典型异常目标体多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度100 km、电流200 A、收发距离远达1600 km的合理的异常电性目标体的电阻率-频率响应结果.通过对不同埋深异常目标体的电阻率-频率特征的讨论,认为当考虑电离层和大气层的“地-电离层”大尺度深层横向不均匀复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应,但当异常体电阻率及同一电阻率的岩石埋深不同时,其电阻率-频率的响应特征有很大不同,这正反映了不同岩石物性参数的电阻率-频率响应特征.文中结果表明从长偶极大功率源（WEM）激励的电磁场观测资料区分岩石的电阻率参数是可能的,这为利用WEM观测资料建立电性参数和岩石/地层参数经验关系奠定了基础.     

陆地可控源电磁法探测效果的频率响应

陆地可控源电磁法的观测资料可依据频段范围近似地划分为近区场、中间区场及远区场,但采用测量相互正交电、磁分量,并计算视电阻率的资料处理方式只适用于远区场数据.为更有效地利用陆地可控源电磁法不同区间场的观测资料,本文结合三维数值模拟技术并采用电场分量直接进行反演的策略,对不同区间电场的响应特征与探测效果进行了分析.数值模拟结果表明:近区电场的异常响应最明显,异常响应不随频率发生显著变化,但纵向分辨能力差;远区电场异常响应随频率发生显著变化,其探测深度取决于频率的高低;中间区场较为复杂,地表电场异常响应的等值线中心并不是位于异常体中心正上方,而是在沿场传播方向上向异常体与围岩的分界面处偏移,并且发现中间区场资料的加入会影响反演结果的准确性.综合合成数据和野外实测资料的反演结果,发现结合近区场和远区场资料而舍弃中间区场资料的反演效果更佳,这为陆地可控源电磁法资料的反演解释提供了一种有效途径.     

陆地可控源电磁法三维勘探的激电效应影响研究

可控源电磁法(CSEM)的正演模拟与反演解释中常忽略激电介质的影响.本文基于电磁三维正反演开源平台ModEM,分别开展了陆地CSEM三维正反演以及考虑激电介质的陆地CSEM三维正演研究,并与一维模型解析解对比验证了三维计算的准确性.数值模拟结果显示,模型含激电效应与不含激电效应的电场E_x频率响应差异明显,激电效应会导致电场E_x幅值减小、相位增加,且对E_x的影响程度与激电异常体的频谱特性及观测的收发距均相关.合成数据的陆地CSEM反演结果显示,数据中含激电效应会使得反演出的异常体在深度、规模和电阻率值上都与真实异常体存在较大偏差,忽略观测数据中的激电效应会明显影响观测的准确性.本文研究表明当陆地CSEM三维观测资料中包含激电效应时,有必要考虑其影响.     

电阻率随位置线性变化时的三维大地电磁模拟

采用积分方程法实现了对三维体电磁散射的数值模拟研究.在分析电张量格林函数的基础上,针对大地电磁情形，进行了数值模拟研究.分析了异常体的横向走向长度对电磁响应的影响,特别对电阻率作线性变化的异常体进行了数值分析,并得到了相应测深曲线.对三维电磁测深进行了分析,考察了地层参数的影响,得到了一些重要结果.     

A first application of a marine inductive source electromagnetic configuration with remote electric dipole receivers: Palinuro Seamount,Tyrrhenian Sea

We study a new marine electromagnetic configuration that consists of a ship‐towed inductive source transmitter and a series of remote electric dipole receivers placed on the seafloor. The approach was tested at the Palinuro Seamount in the southern Tyrrhenian Sea, at a site where massive sulphide mineralization has been previously identified by shallow drilling. A 3D model of the Palinuro study area was created using bathymetry data, and forward modelling of the electric field diffusion was carried out using a finite volume method. These numerical results suggest that the remote receivers can theoretically detect a block of shallowly buried conductive material at up to ～100 m away when the transmitter is located directly above the target. We also compared the sensitivity of the method using either a horizontal loop transmitter or a vertical loop transmitter and found that when either transmitter is located directly above the mineralized zone, the vertical loop transmitter has sensitivity to the target at a farther distance than the horizontal loop transmitter in the broadside direction by a few tens of metres. Furthermore, the vertical loop transmitter is more effective at distinguishing the seafloor conductivity structure when the vertical separation between transmitter and receiver is large due to the bathymetry. As a horizontal transmitter is logistically easier to deploy, we conducted a first test of the method with a horizontal transmitter. Apparent conductivities are calculated from the electric field transients recorded at the remote receivers. The analysis indicates higher apparent seafloor conductivities when the transmitter is located near the mineralized zone. Forward modelling suggests that the best match to the apparent conductivity data is obtained when the mineralized zone is extended southward by 40 m beyond the zone of previous drilling. Our results demonstrate that the method adds value to the exploration and characterization of seafloor massive sulphide deposits.     

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。     

瞬变电磁法对存在山谷地形时的多个异常体的探测能力研究

以层状地层中的2个三维导电薄板为例,考虑了山谷地形存在时,瞬变电磁法(TEM)分辨地下多个三维异常体的能力。模型计算的结果表明,当有山谷地形存在时,总的异常场由薄板的异常和地形的异常叠加在一起,表明异常场在空间上具有可加性质。在地形平坦时,TEM方法对相同尺寸的近源异常体的分辨能力要优于远源,而且离源越远的异常体异常越小,最后直到无法分辨。但是当存在山谷地形并且把源放在其中时,它们的总异常场叠加后会“放大”远源异常体的异常场,在一定意义上说,这对于分辨远处的异常体更加有利。当异常体在接收器下方埋深不是太大时,不论山谷地形在源处还是接收器处,TEM法对这些异常体的探测能力都是比较好的。2个异常体相距太近时,其异常会叠加在一起,给TEM的分辨增加一些困难。总体表明,在有山谷地形存在时,TEM方法对多个异常体仍具有较好的探测能力     

导电薄层下三维岩脉的CSAMT响应分析

为了研究探测3D导电岩脉状目标体的可控源音频电磁法（CSAMT）的最佳观测装置,我们用压缩积分方程法数值模拟了赋存于导电薄层下的3D导电岩脉的电磁场响应.计算结果表明,最有效的源的位置是把发射源沿岩脉的走向放置.相对于其他几种装置,这种观测装置得到的异常场与主场的比值最大.利用这种最佳的观测装置,通过将异常场E_ya 和 H_xa与噪音作对比,研究了当岩脉的埋深和高度发生变化时岩脉的可探测性问题.当岩脉的顶部埋深增加时,导电岩脉的可探测性降低.岩脉高度的变化对异常场幅值的影响要小于岩脉顶部埋深所产生的影响.所以通常情况下,即便应用了最有效的CSAMT装置,也很难探测到岩脉的高度,应用钻孔中的探测可能会解决这个问题.     

地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

起伏地表频域/时域航空电磁系统三维正演模拟研究

由于航空电磁系统具有工作频率低、时间延迟短等特点,地形对航空电磁响应有很大影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.本文将基于非结构化网格的矢量有限元法应用于模拟起伏地表条件下频域/时域(FD/TD)三维航空电磁系统响应.该方法由于采用非结构网格,与传统的结构化网格电磁正演算法相比,能更好地拟合地形和地下不规则异常体,提高对不规则地形和地下介质航空电磁响应的计算精度.通过将计算结果与半空间模型的半解析解及已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.通过对典型山峰和山谷地形航空电磁响应分析对比,总结了地形对航空电磁响应的影响特征.研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.     

基于电阻率敏感性函数的随钻电磁波测井探测特性研究

为研究地层电性变化时不同区域对电磁波测井响应的贡献分布,从响应信号对地层参数求偏导的角度,给出一种新的电阻率敏感性函数定义,引入模式匹配法对纵向成层、径向非均匀介质敏感性分布进行快速模拟;通过对敏感性函数纵、横向积分给出了单发双收线圈系纵、横向探测范围,研究了井眼、频率、背景地层电阻率等对探测特性的影响.结果表明:敏感性函数能够定量表征响应对地层纵向与径向微观与宏观敏感性,幅度比与相位差敏感性分布形态类似,幅度比较广较深,而相位差分辨率高,敏感范围小;敏感性函数进行径向积分后可表征仪器的探测深度,与伪几何因子对比达到了同样的效果;背景地层电阻率在1~100Ωm变化时,工作频率2 MHz下幅度比探测深度约为0.6~2.3m,相位差为0.3~0.8m,幅度比50%纵向积分敏感性层厚约为0.3~1.6m,相位差约为0.2~0.6m;异常体与背景地层电阻率对比度在1~50变化时,引起的探测深度与敏感性层厚差异约为0.1~0.2m,远小于地层电阻率的影响.     

大功率井-地电磁同步发射技术分析与系统实现

为了提高勘探深度和分辨率,对于地球物理传统可控源电磁法的人工激励场源而言,主要通过提高其发射功率和更换激发方位的途径来实现,但是单套的发射系统会因为功率的增加而变得笨重、复杂和可靠性降低,且不适用于金属矿复杂的探测环境.本文采用分布于勘探目标区周边多个方位的中功率同步发射系统来组合成一套大功率发射系统,该系统可以显著提高探测区接收信号的信噪比,有望克服传统可控源类方法的探测盲区和获取可靠性更高的异常体反演结果.每个单套发射系统由发电机、开关供电电源、发射电缆、发射电极、发射机及其外控同步激发控制器构成.利用此发射系统可以在地面或井下的多个位置布设多个人工激励场源,同时对异常体进行扫频激发,频率范围覆盖10 kHz~0.01 Hz,单套发射系统的最大发射功率为48 kW,发射电流大于60 A,同时,在地面、井道、巷道或已有的探测井中采集电磁场信号.通过对均匀半空间理论场值的叠加计算以及实际数据的对比研究发现,多方位场源同时激发能够提高目标区信噪比,并初步验证了其可行性.该方法对可控源电磁法系统提出了一种全新的研发方向,为金属矿勘探提供了一种新的探测手段.