层状大地频率域长导线源激发的电磁场

采用Fourier变换法从Maxwell方程组出发,导出了层状大地模型上接地长导线源激发的电磁场表达式。结果表明：接地长导线源实际上是2个接地电极和线电流源构成的一个组合源;其电磁场表达式表明平行于长导线方向的电场分量为2个接地电极激发的平行于长导线方向的电场分量和线电流激发的电场的叠加,垂直于长导线方向的电场分量和电场的垂直分量均是2个接地电极激发的;平行于长导线方向的磁场分量由2个接地电极所激发,而垂直于长导线方向的磁场分量为2个接地电极激发的垂直于长导线方向的磁场分量和线电流激发的磁场的叠加,磁场的垂直分量为线电流源所激发。进一步的结果分析表明,在均匀半空间上、大收发距时,2个接地电极激发的平行于长导线方向的电场分量和线电流激发的电场分量是相等的,2个接地电极激发的垂直于长导线方向的磁场分量和线电流激发的磁场分量是相等的,且它们的振幅与2个电极之间的距离成正比。     

关于可控源音频大地电磁法探测深度的探讨

分析了水平电偶极子源均匀半空间电磁场表达式特征,进而推广到双极源电磁场。基于双极源一维模拟结果,研究了可控源音频大地电磁法探测深度与频率、电距、收发距、覆盖层电阻率的关系。结果表明:在保证一定信噪比的前提下,决定可控源音频大地电磁法最大探测深度的是收发距和电阻率综合作用下进入过渡区及近区场时对应的频率,并不是简单的频率越小,探测深度越大。进入近区场,可控源音频大地电磁法不再具有测深能力。最后统计得到电磁场由远区进入过渡区时的|kr|值约为4.789,由过渡区进入近区时的|kr|值约为0.106,进而得到卡尼亚视电阻率的最大探测深度约为0.3倍的收发距,全区视电阻率的最大探测深度为3.7倍的收发距。在某多金属矿上的勘探实例印证了上述认识。     

测量磁场水平分量H y的电性源广域电磁测深法

基于层状大地表面水平电偶极源电磁场公式系统,提出了比值法获取H y分量全区视电阻率计算公式。计算了层状地电模型多个收发距的电磁场各场分量E x、H y、H z,并用这三个场分量计算了全区视电阻率,以及E x/H y卡尼亚电阻率,并与模型的MT卡尼亚电阻率频谱曲线进行对比。发现H y全区视电阻率在赤道装置和轴向装置的广大区域对地电模型均有较好的响应,可进行单分量广域电磁测深。轴向装置H y全区视电阻率与赤道装置垂直磁场H z全区视电阻率相似,在低频段与层状模型大地电磁测深卡尼亚电阻率有相似的频率响应特征,在较小收发距条件下对大埋深基底就能有较好的响应。赤道装置和轴向装置测量的水平电场E x分量全区视电阻率在低频区均会进入“饱和”区。对于各电阻率定义方法,合适的收发距是较好地反映出地电特征深度变化的前提,多收发距测量有利于揭示深部电性特征。     

层状大地频率域接地单电极激发的电磁场

为探讨单电极在层状大地模型上激发的电磁场形成的异常形态,给出了频率域单电极电流源在层状大地上激发的电磁场表达式。采用数字滤波算法计算了频率域单电极电流源在层状大地上激发的电磁场。结果表明,单电极电流源激发的电场形态简单,能够很好地反应地电结构,磁场形态复杂;采用电磁场定义的视电阻率,在二层模型上,曲线在高频、大收发距时,趋于第一层的电阻率,在低频、大收发距时,趋于第二层的电阻率。     

CSAMT方法在铁矿勘探中的应用

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是以有限长接地导线为发射源,在距发射源中心一定距离处同时观测电场、磁场参数的一种电磁探测方法。这里以CSMAT法在某地区铁矿勘探中的应用为实例,说明该法在铁矿勘探中是有效可行的,并就CSMAT方法在勘探过程中遇到的若干问题进行了探讨,并提出了相关建议。     

电性源瞬变电磁法E_X分量和H_Z分量对比分析

为了更好地利用电性源瞬变电磁法独特的优势,对其水平电场分量和垂直磁场分量在信号强度、探测精度以及探测范围上的差别进行了对比分析。根据电性源瞬变电磁的水平电场和垂直磁场的计算公式,设计不同的地电模型,通过数值模拟得出水平电场分量响应极大值集中于发射源附近,离发射源越远(偏移距越大)信号强度就越低,其探测精度随着偏移距的增大而增大;垂直磁场分量响应值在早期段离发射源越远值越小,在晚期段离发射源越远响应值越大,其探测精度随着偏移距的增大而减小。通过分析水平电场分量和垂直磁场分量探测精度随偏移距的变化进而确定其探测范围:当偏移距大于目的层深度的4.134倍时,选取E_X分量更有利于对薄层的分辨,当偏移距小于目的层深度的4.134倍时,H_Z分量对薄层的分辨能力更好,当偏移距约等于目的层深度的4.134倍时,二者的分辨能力分量相当。在实际应用中通过测量水平电场分量和垂直磁场分量,进而综合分析,取得了良好的地质效果。     

广域电磁法中垂直磁场分量的分析与应用

接地导线源产生的频率域垂直磁场具有对地层敏感、垂向分辨率高、高阻穿透能力强、随收发距增大信号衰减迅速的特点。在接地条件较差、地形起伏很大的区域,测量水平电场和水平磁场的传统CSAMT工作方式不易实现,而测量垂直磁场是一种有效的测深方式。笔者从广域电磁法的原理出发,首先对频域垂直磁场的特性进行了分析,然后利用迭代法求取适用于全场区的视电阻率;将这种测量垂直磁场的广域电磁法工作方式应用于某冻土层地区的金属矿探测,取得了很好的效果。     

可控源音频大地电磁法中收发距与场源选择

介绍了可控源音频大地电磁法（CSAMT）中两个重要参数收发距与场源的理论分析,以及不同收发距与场源的试验结果,总结出两个参数的选择原则。     

接地电阻稳定性对音频大地电磁法测量的影响

音频大地电磁测深已经成为一种研究地球中浅部电性结构的重要方法,其需要采集微弱且易受环境噪声影响的天然电磁场信号,接地电阻稳定性是影响其测量精度的重要因素。这里基于大地电磁测量的等效电路,计算了均匀半空间条件下测量电场以及AMT视电阻率和相位的响应,并进行了野外对比实验。研究结果表明:接地电阻的变化对测量电场、视电阻率和相位影响不可忽视,尤其是高频;接地电阻变化范围很大时,高的接地电阻可以给电场和相位带来最大50%的误差,给视电阻率带来最大75%的误差。     

层状介质下张量CSAMT最小收发距研究

可控源音频大地电磁法按照观测方式可分为标量CSAMT与张量CSAMT。由于施工方式与电阻率计算方法的差别,标量CSAMT中划分远区的最小收发距已不能精确地适用于张量CSAMT。因此,根据张量视电阻率与大地电磁视电阻率相对误差,分别计算了均匀大地模型、两层模型下的相对误差,并精确给出不同误差限下的最小收发距。结果表明对于两层模型来说,当首层厚度小于3倍趋肤深度时,不能直接应用均匀半空间的结果,对于G型模型引起误差较大。对于多层结果可由二层模型使用等效电阻率近似估计。研究结果对张量CSAMT野外施工有一定的意义。     

基于边界约束有限内存的拟牛顿CSAMT一维反演及应用

可控源音频大地电磁法（CSAMT）正演具有计算耗时、精度低的特点;常规的反演方法边界处理简单,占用内存大,搜索方向也难以精准,严重影响反演效果。为了实现CSAMT快速高精度正演,改善边界处理方法以减少内存占用,优化搜索方向以减少迭代反演次数,提出基于边界约束有限内存的拟牛顿CSAMT一维反演方法。首先,在CSAMT正演中基于高斯积分与并行算法实现了一维介质模型条件下有限长导线源激发的水平电场快速高精度计算。其次,在反演方法中,分别构建了基于相对误差和绝对误差的两种目标函数,并引入光滑模型约束,采取自适应正则化策略更新正则化因子,并采用基于边界约束的有限内存拟牛顿算法（LBFGS_B算法）,实现了CSAMT一维准确快速反演。以含低、高阻薄层的多层地电模型的水平电场E_x振幅为反演数据进行直接反演和模型检验。结果表明,该方法能够反映出地层电阻率随深度变化的趋势,并对高、低阻薄层有较好的分辨能力,低阻薄层分辨效果更佳。实际CSAMT资料的反演剖面的分辨率优于常规的连续介质反演方法,地质效果明显,表明该方法具有良好的应用前景。      

Factors affecting the complex permittivity spectrum of soil at a low frequency range of 1 kHz–10 MHz

To establish the factors affecting the permittivity spectrum of soil in the low frequency range, the complex permittivities of soils were measured at the frequency range of 1 kHz–10 MHz. The effects of frequency, water content, soil types and heavy metal contamination on the dielectric response were evaluated and their theoretical mechanisms were discussed. Measurement distortions such as electrode polarization in the low frequency measurements were identified. The permittivity of the soil was analyzed at frequencies above 100 kHz, which was experimentally determined to be the limiting lower frequency. The real permittivities of the soils were strongly related to the volumetric water content, since it is determined by the polarizability of the free water. The effective imaginary permittivities of soils increased with volumetric water content due to the increase in conduction losses. The spatial polarization and conduction loss were found to be the main mechanism in the real and effective imaginary permittivity, respectively. Since such mechanisms are influenced by the specific surface area of the soil particles, the presence of particles with high specific surface area in the soil matrix was found to affect the permittivity of soil. Contamination of saturated soil by cationic species resulted in decreases in the real permittivity due to the decreased orientation polarization of water molecules caused by hydration of ions, but increases in the effective imaginary permittivity due to ionic conduction.     

CSAMT与AMT数据“拼接”处理——以湖南仁里铌钽矿床7号剖面为例

音频大地电磁测深(AMT)与可控源音频大地电磁测深(CSAMT)均为深部勘查常用方法。AMT方法采集频带较宽,但存在“死频带”,在“死频带”范围无法完全得到地质体响应。CSAMT信噪比高,但通常受发射功率的限制,收发距离一般放置不够远,容易过早进入“近区”。本文展示了将两种方法数据拼接组合的一种处理方式:首先在前人理论研究的基础上,利用CSAMT和AMT均匀半空间模型进行了正演计算,结果表明,CSAMT远区与AMT数据拼接具有可行性;选择湖南仁里铌钽矿床7号剖面的野外实测数据进行实验,将同测点位置的CSAMT远区数据和AMT同测点同模式数据相“拼接”,合成新AMT数据;最后进行反演,反演结果与钻探结果对应较好,表明该方法具有一定的效果。     

传递函数在场地振动台模型试验中的应用研究

利用场地大型振动台试验,基于传递函数理论,计算得到场地的相对传递函数和绝对传递函数,并对两类传递函数特征以及利用两类传递函数计算场地动力特性参数的差异性进行了对比,并对采用传递函数进行场地频域动力响应估算的可行性和准确性进行了分析。研究结果表明：相对传递函数和绝对传递函数的虚部重合,采用两种传递函数虚部计算场地动力参数具有等同性,且采用两种传递函数虚部曲线计算得到的动力特性参数较为准确;固有频率的计算适合采用两种传递函数的虚部或是相对传递函数的模;场地阻尼比的计算宜采用两种传递函数的虚部或绝对传递函数的模;利用两种传递函数实部、虚部或模计算得到的场地加速度振型是一致的;利用传递函数估算场地频域动力响应是可行的,且相对传递函数的估算结果更加准确。该研究对传递函数在场地动力特性参数计算及场地频域响应估算方面进行了有益的尝试。     

煤田水文地质勘探电磁法仪器专业化的思考

随着煤田水文地质勘探任务的复杂化,以往普遍适用的电磁法勘探仪器也迫切需要面向专业化方向发展。这种专业化的趋势是与勘探目的相适应的,更是实际中的切实需要。本文针对煤田地质勘探,特别是华北型煤田水文地质勘探的任务性质、地层电性特点,提出了TEM仪器大功率、高采样率和CSAMT仪器加密频点、多测站施工的设想,以适应专业化要求。      

起伏地形下可控源音频大地电磁三维数值模拟

起伏地形对可控源音频大地电磁(CSAMT)响应具有强烈的影响,因此在CSAMT数据处理解释时需要考虑地形。同时,实际的地下地质情况和地表的地形情况通常比较复杂,地质结构和地形大部分情况下都是三维的。在水平地表三维有限差分CSAMT数值模拟算法的基础上,推导了利用地下交错网格采样点处的总磁场计算起伏地形下空气-地下介质分界面处的总电场和总磁场的表达式,从而实现了起伏地形下三维CSAMT数值模拟算法。在算法实现过程中,采用伪δ函数代替麦克斯韦方程中的场源项和直接计算总场的策略,避免了原有的将总场分离成背景场和二次场的策略在复杂地质条件下难以选择合适背景电阻率的问题。为了直接模拟总场,起伏地形下三维CSAMT数值模拟算法给出了新的三维正演方程的边界条件。将模拟水平地表三维异常体和三维山峰地形两个理论模型得到的响应结果与前人算法的计算结果进行对比,验证了所实现算法的正确性和有效性。     

CSAMT电场y方向视电阻率的定义及研究

在准静态近似条件下,利用水平电偶源在均匀半空间表面激发电磁场的计算公式,讨论了可控源音频大地电磁法（CSAMT）水平电场y分量E_y的观测范围、特点和由其定义视电阻率的应用优势;E_y与常规标量CSAMT测量的E_x、H_y幅值范围不同,采集并利用E_y数据可以扩大CSAMT野外观测扇区,减少采集成本。依据电法及电磁法勘探中视电阻率定义的基本原则,提出了E_y视电阻率的定义,说明了其具备频率测深的意义;通过几种典型层状模型（均匀半空间,两层D、G,三层H、K以及四层KH、HK型）的数值计算,对比了E_y视电阻率和E_x、H_y、Z_xy、Re(Z_xy)等对应的波区视电阻率及E_x、Z_xy等对应的全区视电阻率对地电断面电性特征的反映效果。结果表明：E_y视电阻率的求取仅需测点的坐标和一个方向的电场值,计算方便、不必迭代,并且在曲线低频端收敛于一稳定值,可以明显改善非波区的畸变效应。     

海洋CSEM和MT一维联合反演研究

传统频率域海洋可控源电磁(MCSEM)法利用极化方向电场实部与虚部信息进行反演,由于海底沉积层电阻率一般较低,在海底浅部能取得较为理想的反演效果,但难以探测到海底几千米下的深部基底。这里利用海洋可控源电磁和海洋大地电磁(MT)一维联合反演程序,采用奥克姆反演算法,尝试对海洋电阻率模型进行联合反演。通过反演试算发现,利用频率更低的海洋MT加入反演,不会影响浅部反演效果,同时能探测到深部基底,为海底油气勘探提供了更多技术手段。