利用多通道瞬变电磁法识别深部矿体——以内蒙兴安盟铅锌银矿为例

多通道瞬变电磁法由于采用伪随机编码发射、最佳匹配相干解码技术,所以相比于传统时间域电磁方法勘探深度大且抗干扰能力强,是目前地面资源勘查领域的研究热点.针对内蒙兴安盟某铅锌银矿埋藏深度大等特点,首先根据矿区资料建立一维以及二维模型,数值计算脉冲响应并分析其特征,说明多通道瞬变电磁对于大埋深低阻异常体有良好的反映,随后通过多通道瞬变电磁技术对矿区进行实例勘查,数据处理过程中利用了反卷积的方法提取大地脉冲响应,根据轴向大地脉冲响应的峰值时刻计算视电阻率,通过对视电阻率进行全波形反演得到解释剖面,与测区钻孔资料对比分析证明,多通道瞬变电磁法是反映深部低阻异常体的有效手段.     

电偶源频率电磁测深二维阻抗视电阻率计算的源效应校正法

研讨了频率域电磁法中不同源装置的大地电磁测深、线源频率电磁测深和偶极源频率电磁测深阻抗视电阻率的源效应影响特征。在唯象分析的基础上，提出了几种电磁测深法阻抗视电阻率的相互换算法──源效应校正法（大地电磁测深二维ＴＥ极化视电阻率和其它两种电磁法的赤道装置二维阻抗视电阻车）。模型试验表明，利用这一源效应校正法可以由大地电磁二维视电阻率近似地计算出线源频率电磁二维阻抗视电阻率。这一方法被尝试应用于由线源频率电磁二维阻抗视电阻率估算偶极源频率电磁二维阻抗视电阻率。     

多通道瞬变电磁法2D有限元模拟

多通道瞬变电磁法的反演工作是在大地脉冲响应的基础上进行的,因此本文用2D有限元正演来求取大地脉冲响应,实现多道瞬变电磁法的正演模拟研究.研究工作首先在有源大地电磁法2D有限元模拟的基础上进行,原有2D有限元法的频带相对于多通道瞬变电磁法的频带是窄频的,为此采用校正法将其扩展到所需的宽度,实现了频率域宽频带有源电磁勘探方法的正演模拟;然后通过频时变换变换到时间域,得到瞬变电磁法的阶跃响应;最后通过求取阶跃响应的时间导数,得到大地脉冲响应.针对多通道瞬变电磁方法的装置特点,用有一定埋深的顺层成矿模型分析了大地脉冲响应特征,发现对有一定埋深的顺层产出的矿脉模型来说,频率域电磁场结果以及时间域大地脉冲响应结果均需移除背景场才能突出异常体的存在,然而,在实际工作中,未知的背景场限制了其实用性.为此,本文利用多通道瞬变电磁方法数据量大的特点,提出用不同偏移距的等时曲线与等时断面来展示脉冲响应模拟结果,事实表明这两种展示方式可以清晰地分辨出矿体引起的异常,且能准确定位矿体的中心在地面的投影位置,从而说明多通道瞬变电磁方法相对于频率域有源电磁方法,对有一定埋深的顺层矿床有更高的分辨能力.     

瞬变电磁测深早期数据的修正

通过时间-频率转换关系,TEM数据可以转换成平面波场测深数据,从而可以对TEM资料进行拟平面波场处理解释.在对瞬变电磁视电阻率数据向平面波场测深视电阻率数据转换时,发现由于瞬变电磁使用晚期计算公式及装置问题,使测深曲线早期数据发生畸变.文中建立了视电阻率曲线进入晚期所满足的关系式,从理论上给出不同情况下瞬变电磁测深视电阻率曲线进入晚期的临界点.以瞬变电磁、大地电磁、CSAMT为例,对大量的模型进行正演计算,对计算结果进行对比分析,建立不同地表电性结构、不同时间延迟情况下,瞬变电磁早期数据误差的校正量板.     

基于全区视电阻率的线源FCSEM二维正演模拟

频率域可控源电磁是在大地电磁测深的基础上发展起来的一种人工源电磁测深法,其二维电磁响应的计算须采用数值模拟方法.本文以Matlab为程序编译工具,采用双二次插值的有限单元法,推导出相应的计算公式.为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分.在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间.针对频率域可控源电磁法中卡尼亚电阻率在过渡区和近区畸变的问题,给出了全区视电阻率的迭代公式,并对典型的一维层状模型以及简单二维模型进行了计算.过渡区和近区数据经过校正后,可以正确反映出模型的地电特征,证明了线源下近区勘探的可能性.     

CSAMT单分量数据解释方法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)一直沿用大地电磁法(MT)的办法,通过计算电场分量与磁场分量的比值,求取卡尼亚视电阻率.而CSAMT场源已知,电场分量和磁场分量都与地下电阻率存在一定的关系,可以单独采用CSAMT电场分量或者磁场分量提取地下介质的视电阻率.本文通过分析电场分量与磁场分量的数据特性,提出利用CSAMT电场单分量数据进行视电阻率的计算,用改进的广义逆矩阵反演方法,使初始模型中的地电层数等于频道个数,克服了以往反演计算中层数较少的问题;实现全场区电场分量视电阻率曲线的拟合反演.同时对单分量视相位计算方法进行分析,结合山西大同地区积水采空区探测及数据解释结果,论证本文提出的单分量解释方法的有效性.     

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.     

复电阻率法在冷水坑矿集区的应用效果

复电阻率法(Complex Resistivity method,简称CR法)目前在深部找矿探测中应用颇广,主要研究地下地质目标体在近区电磁耦合效应及电极化效应中引起的谱参数异常.本文主要介绍了复电阻率法的基本理论以及野外数据采集参数设置方法,以江西省贵溪市银铅锌矿田勘探为例,通过Cole-Cole数学模型对四条测线实测数据在频率域进行谱参数分解,然后选取视电阻率、视频散率两个谱参数进行数据处理,视频散率选取1 Hz和0.0625 Hz两个频点实测振幅进行计算.进而绘制了视电阻率与视频散率二维拟断面以及二维反演断面,并结合矿集区地质、物性等资料,说明此方法在划分矿集区地下地质构造特别是F2断裂的识别情况上有较好的应用效果,并为后续研究工作提供有效依据.     

航空瞬变电磁法的全时域视电阻率计算方法

鉴于ATEM数据量大质低的特点,视电阻率仍是最有效而直观的参数.本文给出了适用于ATEM多种观测条件下(包括各种装置类型,发送波形,关断电流等情况)的全时域视电阻率的计算方法,并对典型层状大地模型的理论瞬变电磁响应作了全时域视电阻率及其对应等效深度的计算.结果表明,全时域视电阻率随等效深度变化的曲线可定性反映地下介质电性特征,并可近似估计低阻或高阻层上界面深度.对于非单调下降的瞬变电磁曲线,该方法也能取得较好的计算结果.     

不规则回线瞬变电磁法一维烟圈反演研究

瞬变电磁法中最常用矩形或圆形回线,但有时由于地形限制,只能使用不规则回线发射和接收.如果仍用现有的常规回线理论进行处理解释,得到的结果会存在很大的偏差.本文首先进行了不规则回线瞬变电磁法一维正演理论研究,基于电偶极子源的频率域响应公式,通过沿回线积分和时频转换,推导出不规则回线源在水平层状介质中的时间域响应公式.采用欧拉算法、高斯积分和快速汉克尔变换,计算不规则回线内任意一点处的磁场响应.利用改进的二分搜索法计算全区视电阻率,并在此基础上利用烟圈法反演电阻率和深度.通过四个典型地电模型的正反演计算,表明烟圈法反演能够有效反映地电模型的大致形态,可以用于不规则回线瞬变电磁数据的快速反演解释.     

编码电磁测深

利用逆重复M序列伪随机信号良好的自相关特性,提出相关检测地电传输特性的编码电磁勘探法.分析了编码电磁测深原理及参数提取方法.同时记录发送电流信号和多收发距电磁场响应,对源信号和场信号进行相关运算,解卷积分离接收系统响应后可得到大地的频率特性或时间特性,以此实现地电断面的精细探测.在时间域,大地冲激响应和阶跃响应含有丰富的地电信息.通过冲激响应的峰值时间或阶跃响应的晚期渐近值可估计地电阻率分布.基于层状模型的大地冲激响应和阶跃响应正演计算结果表明,编码电磁测深法对大埋深薄层目标体有精细的分辨能力.可应用于能源、矿产资源、水资源、环境地质及工程地质勘察,有良好的应用前景.     

编码源地电阻率观测试验

地电阻率的高精度观测是实现地震预测预报的前提之一.面对日益严重的电磁干扰,提出了基于编码源循环互相关辨识技术的地电阻率观测方法,其实质是将待测地质体视为待辨识系统,利用编码源信号激励供电电极A和B产生的电流信号作为系统输入信号,测量电极M与N之间的电压信号作为系统响应输出,将输入和输出信号严格同步采样为时间序列,分别与参考信号进行循环互相关运算并转换至频率域计算获得待探测地电阻率谱(幅度和相位).由于系统环境的干扰和随机噪声与编码源信号不相关,通过循环互相关运算可以达到抑制环境随机噪声和干扰的目的.这种地电阻率观测体系在环境干扰较大的甘肃省兰州观象台和陇南汉王地震台站利用现有的观测场地和线路进行了观测试验,测量结果显示,数据的一致性好、均方差小,说明该方法在强干扰环境下具有较好的抗电磁干扰能力,观测频带较以往直流电法测量有较大的扩展.该方法为现有地面地电阻率台站持续发展提供了技术保障,可为地震预报与科学研究提供高质量的地电阻率观测数据.      

瞬变电磁法的探测深度问题

用解析分析、时域有限差分、时-频分析的方法,以地面中心回线装置和阶跃脉冲激励源为例,分析讨论了瞬变电磁测深法的勘探深度问题,以便为野外勘探工作设计提供依据,达到预期的探测目的.解析计算证实了瞬变场在地下以有限速度传播,数值模拟表示出了准静态条件下瞬变场的反射.研究结果表明,由于时间域电磁场遵循因果律,瞬变电磁法的探测深度主要由观测时间决定. 瞬变电磁场的初始传播速度与大地电阻率无关,继后在大地色散作用下,阶跃脉冲前沿逐渐变得平缓,各频率分量的传播速度与电阻率有关,在低阻地层中探测同样的深度需要较长的观测时间. 最大探测深度是在给定时间内电磁波往返地下某一深度的单程距离,最小探测深度受仪器性能的限制,但是埋藏较浅的异常体也有可能在晚时段被观测到.从时-频密度谱中可得到瞬变电磁场信号时间与频率的关系.     

均匀大地上空的时间域电磁响应

为了脉冲式航空电磁法的应用,本文介绍了均匀大地上空的时间域电磁响应。用傅里叶变换由频率域公式导出了时间域的响应公式。然后以国产脉冲式航电系统的参数计算了二次场的水平分量和垂直分量。根据时间域的计算结果,本文给出了一些解释的图件,可以用来解决两个主要问题。其一是解释在不同飞行高度测得的时间域航空电磁法资料,从而提供大地电阻率;其二是如果给出了大地电阻率,则可计算时间域的航空电磁响应,因此可以校正由飞行高度改变引起的假异常。     

短偏移距电磁探测技术概述

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method,TEM）视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁（Short-Offset TEM,SOTEM）理论上的可行性;列举了将LOTEM（Long-Offset TEM）从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT（Magneto-Telluric）的CSAMT（Controlled Source Audio-frequency Magneto-Telluric）与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.     

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.     

DEEP TECTONIC STRESS CHANGE BASED ON LONG-TERM APPARENT RESISTIVITY TIME SERIES: A CASE STUDY FROM NORTH SECTION OF YISHU FAULT ZONE

Almost all the destructive earthquakes, so called tectonic earthquake, are produced by tectonic movement. The tectonic movement will cause resistivity changes in the earth. It's valuable for strong earthquake forecast to study the relationship between the resistivity change and tectonic movement. According to magnetotelluric sounding method, we establish a robust estimate method to calculate the long-term apparent resistivity from seismic station monitoring data. We first use 1D layered earth models to test the sensitivity of this method. Then we process the continually observed long term electromagnetic data in 4 years (from 2011 to 2014) from Anqiu seismic station which is very close to the north section of Yishu fault zone. The apparent resistivity curves and the apparent resistivity time series for different frequencies are obtained. The time series show the resistivity increase in the selected 4 years, which is in good agreement with the GPS baseline data. This also satisfies the results from rock mechanics experiments on deep rocks (upper mantle) that the resistivity will increase with improved stress in a high temperature and pressure environment. The method is valuable for studying electromagnetic precursor of strong earthquakes and strong earthquake prediction.     

IN-LOOP PULSE EM RESPONSE OF A STRATIFIED EARTH*

The in-loop pulse electromagnetic response of a stratified earth has been expressed in terms of an apparent resistivity- time plot using the PEM response over a homogeneous half-space which is typically unipolar with monotonic decay. This half-space response characteristic provides a unique relationship between Crone PEM channel amplitude and the apparent half-space resistivity. The possibility to resolve a thin intermediate conductive and resistive layer with the in-loop PEM system has been investigated. The system is well in shallow geoelectric mapping.