大功率长偶极与环状电流源电磁波响应特征对比

为了在深部第二成矿带找矿,需要进一步提高电磁法可控源的强度,因此,一种新的大功率固定发射源的电磁法正在孕育之中.该方法采用长偶极源或者环状电流源,为了提高发射源的强度,偶极长度L或者环状源半径R需要非常大.然而,电磁场信号的强度不仅仅依赖于发射源,当L或者R为数十公里时,接收点的位置远离发射源,电离层对电磁场的影响不可以忽略.电离层的影响既可能是增强信号,也可能是削弱信号,这依赖于不同类型源产生的电磁波.本文利用三维积分方程法对包含电离层、空气层、固体地球层(简称地-电离层模型)的线状和环状大功率电流源电磁波响应进行了三维数值模拟,对两种源的电磁波的响应特征进行了对比研究.研究表明虽然磁性源的发射效率高于电性源,但是由于发射源在波导区产生的直达波经电离层的反射波要产生相长相消干涉,波导区的场特征既和发射源的特征有关,也和电离层有关.对比研究发现对于x方向的水平长偶极源电离层对电磁场 E_x 和 H_y 的影响是使场的幅值增强,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是减缓的.而对于水平环状电流源,电离层对水平方向的电磁场的影响是使场的幅值减弱,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是增大的.为此,认为采用大功率固定源在波导场工作时应该采用线状电流源.     

基于电场总场矢量有限元法的接地长导线源三维正演

电磁场数值模拟的背景场/异常场算法是三维正演的有效策略之一,优点为采用解析法计算电磁场背景场代替场源项、克服了场源奇异性,缺点为不适用于发射源布置于起伏地表或背景模型复杂的情形.总场算法是直接对电磁场总场开展数值模拟,其难点是有效加载场源、保证近区与过渡区数值解精度.本文以水平电偶源形式分段加载接地长导线源,并以电场总场Helmholtz方程为矢量有限元法控制方程,实现了基于非结构化四面体网格剖分的接地长导线源频率域电磁法三维正演.通过与均匀全空间中水平电偶源产生的电场解析解对比,验证了本文算法的正确性,并分析了四面体外接圆半径与其最短棱边的最大比值和四面体二面角最小值对数值解精度的影响规律.通过与块状高导体地电模型的积分方程法、有限体积法和基于磁矢量势Helmholtz方程的有限元法数值解对比,进一步验证了本文算法正确性,同时说明了非结构化四面体网格能够更加精细地剖分电性异常体,利于获得精确数值解.     

剩磁影响下磁性体磁化方向估计的一种简单算法

磁测资料处理解释通常需要已知场源的磁化方向信息.在剩磁影响下,总磁化方向与感应磁化方向并不一致,这使得处理解释变得复杂.本文研究提出从近等轴状磁总场异常估计磁化方向的偶极源互相关法,即用磁偶极源的理论磁异常与实测磁异常作互相关,用一系列递变的偶极源位置和磁化方向做试错,取互相关最大化对应的磁化方向作为估计结果.理论数据试验和中国西北某金属矿勘探区航磁资料试验表明本文方法能从近等轴状磁异常有效估计出总磁化方向.     

CSAMT的多偶极子源特征与张量测量

传统的可控源音频大地电磁法电偶源多为单偶极子源,这种源明显缺点是各分量存在明显的弱区,E_x、H_y强的区域,E_y、H_x弱,很难进行360°张角范围内测量和矢量测量.为了克服传统场源布极方式的缺点,本文介绍了由两个偶极子组成的“L”型源,推导了“L”型源各个分量的表达式,并通过一个简单均匀半空间的模型验证了表达式的正确性.通过对“L”型源与偶极子源的辐射花样图和电流矢量图详细对比可知,在CSAMT测量区内多偶极子源遵从矢量合成原则.在此基础上,设计了一种新的信号发射模式,在这种模式下可实现 360°张角范围内各分量不再存在明显弱区.在新的信号发射模式下,可解决矢量测量时信噪比不对等问题,并可减少张量测量时偶极源的布设次数.在“L”型源的基础上,还进行了张量测量的研究,在一个事例中,计算了倾子、二维判别指数、坐标系的旋转等,结果表明张量测量明显优于标量测量,标量测量一般只适用于一维情况,当地质结构呈现二维或三维性时,标量测量结果很有可能给反演结果带来误差.     

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.     

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.     

三维CSAMT法非结构化网格有限元数值模拟

考虑到可控源音频大地电磁法(CSAMT)电偶极发射源与地下介质的三维结构特点,本文采用非结构化网格剖分技术,开展了三维CSAMT方法有限元数值模拟研究,将三维电磁场的背景场和异常场分别求解,避免了电偶极发射源的奇异性问题,并减小了计算区域.推导了三维异常电场遵循的有限元方程,加入散度条件进行约束以消除电场伪解;对非结构化网格单元采用高斯加权平均算法,得到了精度较高的异常磁场.针对层状介质模型,与积分方程法对比,验证了有限元算法的正确性;计算分析了典型三维地质模型的电磁响应,异常体反映明显.结果表明本文算法正确、可靠,适用于三维地质模型的CSAMT方法正反演研究.     

海底电性源频率域CSEM勘探建模及水深影响分析

为了探索我国海域油气和水合物等高阻目标体CSEM勘探的可行性和方法技术,本文研究了在海水中水平电性源激励下有限水深海洋地电模型的频率域电磁响应,为进一步的1D和3D仿真计算奠定了理论基础.在推导电磁响应公式时,首先给出了各层介质的Lorentz势,然后根据Coulomb势与Lorentz势的关系,得到了各层介质的Coulomb势.各层介质中的电磁场均可以由Lorentz势或者Coulomb势计算得到,但在有限元计算时Coulomb势具有优势.长导线源的电磁场和势函数可以由电偶源的电磁场和势函数沿导线长度积分得到.文中具体给出了海水中水平电偶源和长导线源在海水层的电磁场公式,并根据该公式计算了不同水深环境下海底表面的电磁场分布,分析了海水深度对海底油气储层电磁异常的影响.结果表明,随着水深减小,异常幅度和形态特征发生明显变化.当水深很浅时(如50 m),只有同线方向的E_x和E_z两个电场分量存在明显异常.最后,以两个已知海底油田为例,计算了不同水深环境下可观测到的电场异常,展示了电性源频率域CSEM在海底勘探中(包括浅海环境)的良好应用前景.对于该方法实用化过程中还需进一步解决的问题,文中结尾部分也进行了初步探讨.     

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.     

正交水平磁偶源的电磁场分布规律

正交水平磁偶源是模拟天然场源的较好人工源,可以方便地实现可控源高频大地电磁张量测量.正交水平磁偶源的电磁场分布规律是野外工作布置的理论基础,为此计算了均匀大地模型正交水平磁偶源的电磁场.计算结果表明:电磁场水平分量在各个象限都有一相对低值带,对应的标量视电阻率形成了畸变带,但张量视电阻率畸变带消失;张量视电阻率曲线形态显示出近区的低阻、过渡区的高阻隆起和远区趋于真值的规律.通过野外试验验证理论计算结果,在无法准确确定地下介质电阻率参数的情况下,以天然电磁场计算的电阻率为参照对比研究了正交水平磁偶源电磁场的分布规律.试验结果表明:正交水平磁偶源与电偶源的电磁场同样的存在近区、过渡区和远区;在远区,正交水平磁偶源与测点的相对位置对张量测量结果几乎没有影响,即在远区可以在任何方位测量;正交水平磁偶源的布置要考虑收发距的影响,保证测量在远区进行.     

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...     

张量CSAMT有效观测区域模拟对比分析

根据标量CSAMT、垂直双偶极源CSAMT、三偶极源CSAMT等多分量响应式设计程序,通过数值模拟给出其十字型场源的X方向和Y方向电偶极子电磁场各分量的场值分布图,发现十字型观测区域中存在着分布零散且较广的弱区,有效观测区域较小,且对地形条件要求苛刻,不利于在山区等地形起伏复杂地区施工.在旋转三偶极装置的原理基础上提出了多偶极子源矢量合成测量方式,相比较十字型场源的施工方式而言,通过矢量合成多组的电偶极子,有利于实现全区无弱区观测,同时场源铺设简便对各种地形有着较强的适用性.研究结果为张量可控源进一步的测量工作提供技术依据.     

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.     

冀西北地区土城子航磁异常特征及找矿研究

本文基于最新实测的冀西北地区高精度航空磁测数据,利用化极、解析延拓、垂向导数、水平梯度模及欧拉反褶积场源深度计算等方法,重点分析了土城子航磁异常特征及其地质成因,并结合地面查证资料研究了航磁异常与成矿之间的关系.结果表明:土城子航磁异常强度较高、规模较大,应为隐伏磁铁矿引起的矿致异常.地面磁测异常、激电异常及主成矿元素异常与航磁异常均具有内在的联系和可比性,岩(矿)体具有"强磁、低阻、高极化"的特征,赋矿地层中Pb、Zn等成矿元素相对富集,研究区具有良好的铁多金属找矿潜力.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.     

海底油气藏地质模型的冲激响应

海洋可控源电磁法(mCSEM)的时间域冲激响应特征可以反映海底油气高阻薄层.本文计算了水平电偶极子源均匀大地半空间,海洋均匀双半空间和海洋四层模型的阶跃响应和冲激响应,提出了瞬变冲激时刻的概念.分析了水平电偶源瞬变冲激时刻与介质电导率的指示关系.对于海底油气高阻薄层宜采用多偏移距同时测量方式,由于在低电导率介质中电磁能量传播得要快,在适当的收发距瞬变冲激时刻会提前到达,提出的瞬变冲激时刻道间变化量可以明确指示高阻薄层的存在及埋深.文中还分析了海水深度对瞬变冲激时刻的影响.由于“天波”干扰,瞬变冲激响应受到一定收发距观测的限制.消除 “天波”影响是时间域和频率域mCSEM数据处理的研究热点.     

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...     

复杂介质有限元法2.5维可控源音频大地电磁法数值模拟

利用有限元2.5维可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）数值模拟方法,对100Ωm均匀半空间介质中有限长度的电偶极源产生的电场、磁场及视电阻率、相位特征进行了数值模拟,研究了场的空间变化规律. 在一个象限中,场的特征存在双叶现象,当收发距大于4个趋肤深度时,电阻率较接近介质真实的电阻率,这些结果为观测系统和收发距的选择提供了依据. 波数域场的特征表明,低波数对源的贡献占较大的比例. 有限元法2.5维CSAMT数值模拟的优势在于能较准确地获得复杂介质结构的波场特征. 本文结合直立异常体、倾斜异常体及断陷模型对CSAMT电阻率、相位剖面特征及频率曲线特征的可靠性进行了研究. 数值模拟结果直观地给出了异常体的剖面异常形态. 通过对比研究异常体的剖面异常形态和半空间场的特征进一步说明本文方法和软件在模拟复杂介质结构场特征时是可靠的. 这为认识观测数据,指导反演解释提供了较好的依据.     

矿井瞬变电磁法三维时域有限差分数值模拟

给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据.     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量E_x.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.