地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.     

电性源瞬变电磁B场全程视电阻率计算

在传统电性源瞬变电磁资料解释中,常常采用Bz/T求取视电阻率值,由此带来Bz/T计算全程视电阻率多解性.而Bz随电阻率变化是单值函数,由Bz计算全程视电阻率具有减少多解性的优势.为了研究接地源瞬变电磁B场全程视电阻率,文中首先研究了接地源瞬变电磁法Bz和Bz/T响应值随电阻率的变化特性,然后设计不同的地电模型,采用二分搜索算法对B场全程视电阻率进行计算,结果表明全程视电阻率对电性目标体分辨率高,分层能力强,能较好地反映地电断面的信息;另外,全程视电阻率仅与地层的电性结构有关,与收发距无关,便于野外进行接地源瞬变电磁近源测量.在实际应用中,通过把观测的二次感应电压转换成磁场微分数据,再对磁场微分数据进行积分,求取B场数据,并进而求取视电阻率,取得了较好的应用效果.     

回线源瞬变电磁成像的理论分析及数值计算

进一步提高瞬变电磁法对地探测的解释精度,提出了回线源瞬变电磁成像原理及数值计算方法. 讨论了频率域中水平层状介质中瞬变电磁响应,得到一个以波阻抗为积分核的双重积分式;然后对水平层介质下电磁场的解进行上、下行波分离,得到含有以反射系数序列为未知的线性方程组,并给出了求取波阻抗和反射系数的数值解法：对实测磁场值进行域的变换,以均匀半空间下的等效波阻抗代替积分核函数,经过线性数字滤波后,在频率域求出等效波阻抗;把频率域中的波阻抗转换到时间域,以此为参数,构建方程组,在时间域用线性规划法求出反射系数序列. 最终以反射系数为参数进行成像. 对理论模型的数值计算结果表明,用本文提出的成像方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

瞬变电磁横磁场响应特征与探测能力分析

瞬变电磁法是重建地下电阻率等电性结构的重要方法.传统磁性源和电性源瞬变电磁法主要观测横电极化场,横电极化场仅对良导目标敏感,对高阻目标的分辨能力有限.横磁极化场对高阻目标具有较强的分辨能力,但未得到有效利用.双线源瞬变电磁法可以增强观测电场中横磁极化场的占比,但对该方法的响应特征和分辨能力缺乏系统性的研究.为此,本文以双线源为例开展瞬变电磁横磁场响应特征与分辨能力分析.双线源瞬变电磁水平电场的响应强度要小于传统接地导线源,在发射源的中垂线上,层状大地模型的响应为零,观测的水平电场响应只能由地下的三维目标体产生.分别提取双线源和传统接地导线源激发电磁场中的横磁场和横电场,双线源瞬变电磁场中的横磁场占比要大于传统接地导线源,特别是在中晚期,横磁场远大于横电场,横磁场占比得到明显增强.通过均方根差和三维数值模拟的计算,双线源瞬变电磁水平电场显示出相较于传统接地导线源更强的高阻目标分辨能力,特别是在赤道向,水平电场对高阻目标分辨能力的增强效果更加明显.     

77K SQUID磁强计在TEM测量上的应用研究

阐述了液氮温区（77K）超导量子干涉器（SQUID）磁强计在瞬变电磁（TEM）测量中的应用,介绍了作者以此进行的TEM测量野外应用试验及所取得的结果,直接测量磁场与测量感应电动势相比,用SQUID磁强计直接测量磁场,具有低噪声,高信噪比、高灵敏度的特点。它将给物探方法提供一个优异的弱磁探测工具。     

超导岩样磁力仪的研制

超导岩样磁力仪是以超导量子干涉器（SQUID）为磁传感器用来测量岩样剩磁的仪器,是研究岩石磁学和古地磁学的重要手段。它比常规的古地磁仪器--无定向磁力仪、旋转磁力仪具有灵敏度高、响应时间短、动态范围大、又可三分量同时测量等优点,满足了弱磁岩样测量的要求。本文叙述了超导测磁的理论基础,仪器的组成,原理,研制情况及实测结果。     

一种用于TEM高灵敏度感应式磁场传感器设计

瞬变电磁法(TEM)作为地球物理非地震探勘主要电磁方法之一,广泛应用于油气、矿产等地下资源探测.本文分析TEM磁场传感器频率响应特点,采用欠阻尼匹配拓展传感器线性响应频率范围;分析磁传感器各类噪声源分布,提出不同频段上影响磁传感器性能的主要因素.最终研制一款高磁导率磁芯的TEM感应式磁场传感器,工作频段为10 mHz~1 kHz,等效输入噪声水平为4pT/√Hz@1Hz, 15fT/√Hz@200 Hz,传感器直径为50 mm,长度800 mm,重量3.2 kg,相比现有TEM接收磁场传感器,体积小、重量轻、工作频段低.实验测试与生产作业表明:最新研制的高灵敏度TEM磁场传感器更加适合大深度、3D阵列电磁勘探.     

High spatial and temporal resolution observations of an impulse-driven field line resonance in radar backscatter artificially generated with the Tromsø heater

The CUTLASS Finland HF radar has been operated in conjunction with the EISCAT Tromsø RF ionospheric heater facility to examine a ULF wave characteristic of the development of a field line resonance (FLR) driven by a cavity mode caused by a magnetospheric impulse. When the heater is on, striating the ionosphere with field-aligned ionospheric electron density irregularities, a large enough radar target is generated to allow post-integration over only 1 second. When combined with 15 km range gates, this gives radar measurements of a naturally occurring ULF wave at a far better temporal and spatial resolution than has been achieved previously. The time-dependent signature of the ULF wave has been examined as it evolves from a large-scale cavity resonance, through a transient where the wave period was latitude-dependent and the oscillation had the characteristics of freely ringing field lines, and finally to a very narrow, small-scale local field line resonance. The resonance width of the FLR is only 60 km and this is compared with previous observations and theory. The FLR wave signature is strongly attenuated in the ground magnetometer data. The characterisation of the impulse driven FLR was only achieved very crudely with the ground magnetometer data and, in fact, an accurate determination of the properties of the cavity and field line resonant systems challenges the currently available limitations of ionospheric radar techniques. The combination of the latest ionospheric radars and facilities such as the Tromsø ionospheric heater can result in a powerful new tool for geophysical research.     

低轨磁测卫星干扰磁场标定方法研究

为了提高空间磁场探测精度,磁测卫星一般将磁强计安装在长伸杆的顶端,同时通过整星磁洁净控制,来减小磁强计安装位置的磁场干扰量.针对低轨磁测卫星的特点,提出零磁场环境下卫星极弱干扰磁场的高精度测量方法,模拟在轨地磁场环境下卫星感应磁场的标定方法,以及磁力矩器剩磁不确定量的处理方法.通过以上方法对卫星本体产生的干扰磁场实施严格的标定和数据修正,可有效减小其影响,极大提升空间磁场探测精度.该方法已应用于电磁监测卫星,将整星的磁场干扰不确定量降低一个量级,达到优于0.3 nT的水平.     

对银川地磁台磁通门磁力仪观测数据的初步分析

选取2001年1月－6月中美合作项目（SMALL）中磁通门磁力仪的数据和同期磁变仪的数据进行对比分析。结果表明，两种仪器记录的日变形态、日变幅、极值及极值时间具有较好的一致性，说明该项目中磁通门磁力仪的资料真实可靠。给出的典型地磁脉动事件表明，该仪器可提供精确定时的高质量地磁资料。     

SMALL项目数字化地磁资料可靠性分析

在对中美合作 SMALL (中国低纬地磁台阵 )项目安装在北京地磁台 (白家疃 )和云南通海地磁台的磁通门磁力仪记录资料与磁变仪模拟记录资料进行了详细的对比分析后 ,得出的结果表明 ,两者的日变形态、日变幅有较好的一致性 ,所选特定事件的变化幅度非常一致 ,说明磁通门磁力仪记录到的变化磁场的资料是真实可靠的。尽管目前磁通门磁力仪的基线值存在温度影响和离散度较大的问题 ,但随温度变化有明显的规律性 ,若能采取改进观测条件和观测方法以及缩短观测时间等措施 ,并对基线值进温度校正 ,磁通门磁力仪完全可以提供长期连续可靠的资料。而其为地震预报 ,空间环境预报 ,为日地物理 ,空间物理和地磁学的研究提供的高精度、高分辨率、连续可靠的数字化变化磁场资料是磁变仪模拟记录无法比拟的。     

The reduction and analysis of satellite magnetometer data

Analyses of the POGO satellite magnetometer data have demonstrated the basic utility of such measurements to solid earth studies and provided the basis for Magsat, a new satellite specifically designed for such studies. Such data can play a useful role in the compilation, reduction, and analysis of magnetic survey data, especially at regional scales, and are complementary to those obtained in such surveys. However, the reduction and interpretation techniques for satellite magnetometer measurements differ significantly from the techniques routinely applied to conventional data. Although the unequal spacing, in three dimensions, of the satellite data and the variation in the direction and intensity of the main geomagnetic field pose some interpretation problems, these problems can be suitably handled by using modifications of several standard techniques. The variation in altitude of the satellite measurements can also be used to advantage in some analyses.     

A flux transfer event observed at the magnetopause by the Equator-S spacecraft and in the ionosphere by the CUTLASS HF radar

Observations of a flux transfer event (FTE) have been made simultaneously by the Equator-S spacecraft near the dayside magnetopause whilst corresponding transient plasma flows were seen in the near-conjugate polar ionosphere by the CUTLASS Finland HF radar. Prior to the occurrence of the FTE, the magnetometer on the WIND spacecraft ≈226 R_E upstream of the Earth in the solar wind detected a southward turning of the interplanetary magnetic field (IMF) which is estimated to have reached the subsolar magnetopause ≈77 min later. Shortly afterwards the Equator-S magnetometer observed a typical bipolar FTE signature in the magnetic field component normal to the magnetopause, just inside the magnetosphere. Almost simultaneously the CUTLASS Finland radar observed a strong transient flow in the F region plasma between 78° and 83° magnetic latitude, near the ionospheric region predicted to map along geomagnetic field lines to the spacecraft. The flow signature (and the data set as a whole) is found to be fully consistent with the view that the FTE was formed by a burst of magnetopause reconnection.     

Intensity determination by continuous thermal cycling

The advent of cryogenic magnetometers with which remanence can be measured at high sensitivity statically permits continuous thermal demagnetization and, in principle, a continuous version of the classic stepwise method of intensity determination. In the technique we have initially tried a field is trapped in the superconducting shield of the magnetometer throughout the experiment. The sample is then thermally cycled over progressively higher temperature ranges so that the incremental acquisition of partial thermoremanence (PTRM) and loss of the natural remanence (NRM) of the sample can be compared. In control experiments we have found that bad intensity estimates arise because the presence of the field causes difficulty in reliable separation of remanent and induced moments. A better approach is to heat and cool the sample in the required fields outside of the magnetometer and to insert it into the magnetometer only for the measurement of remanence. In this way it will be possible to cycle the sample to progressively higher temperatures and measure at elevated temperatures without cooling to room temperature, but one will measure remanence directly in zero field.