ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究

在瞬变电磁法中,由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限,早期瞬变电磁信号发生畸变,只能舍弃,因此存在着探测盲区. 针对这一问题,研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程,论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系,分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响,提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法,从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场. 采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统(ATTEM)在长春市伊通河活断层进行勘探,进一步验证了算法的有效性,缩短了瞬变电磁法的勘探盲区,实现了近地表4 m以下的勘探,可以清晰地分辨近地表的低阻异常,提高了浅层探测精度和分辨率.     

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.     

纳米瞬变电磁法在探测浅层铁矿采空区的实验研究

对采空区目前深部探测研究得较多,对浅部则较少,国内外对利用瞬变电磁法探测铁矿采空区应用甚少,纳米瞬变电磁法则没有涉及,在利用探地雷达和常规瞬变电磁对地表存在低阻盖层屏蔽的沉积变质铁矿浅层采空区无法取得成效时,作者利用纳米瞬变电磁(NanoTEM)在实验区进行实验,取得了良好探测效果并分析了采样周期和观测时窗对探测效果的影响,实验研究表明,在岚县浅层铁矿采空区探测中,运用中心回线模式的NanoTEM,采用小线框+小电流+合理的采样间隔+浅层采样时窗的方法,最终达到对沉积变质铁矿浅层采空区的精确探测.     

基于分段二分搜索算法的半航空瞬变电磁电导率深度快速成像方法研究

中心回线式直升机航空瞬变电磁法中因其发射源与接收线圈相对位置不变,故在电导率深度成像(Conductivity Depth Imaging,CDI)中无需考虑偏移距带来的影响,但半航空瞬变电磁法的工作方式是利用长导线源在地面发射,无人机搭载接收线圈在空中采集电磁响应数据,发射源与接收线圈相对位置一直变化,存在偏移距的问题,无法像航空瞬变电磁一样实现CDI快速成像.本文提出建立"库"的思想,根据不同实际情况建立不同的电导率-电磁响应数据网,利用分段二分搜索算法来消除"二值性"带来的问题,使得半航空瞬变电磁电导率深度快速成像(Semi-Airborne Transient Electromagnetic-Conductivity Depth Imaging,SATEM-CDI)方法得以实现.通过正演模拟及实测数据成像分析,表明SATEM-CDI理论简单、处理过程中无需迭代,计算速度快,可对大量半航空瞬变电磁数据进行实时成像,且成像结果可靠,可为反演模型和初步地质结构判断提供重要资料.     

瞬变电磁法中心回线装置资料解释方法的改进

中心回线装置是瞬变电磁勘探中最常用的装置之一.中心回线装置的视电阻率一般从回线中心点场的公式出发导出.在现场实际施工中,为提高工作效率,把发射回线中部三分之一的区域作为观测范围.通过对场分布特征的分析研究表明,与中心点相比,观测区边缘处的感应电动势数值偏离达15%~25%,这与广泛存在于华北型煤系中赋存深度为400~1000 m的陷落柱、导水小断层等引起的异常相比,已经不可忽略.大定源回线公式可以准确地表示任意场点的感应电动势,由此导出视电阻率无边缘效应影响;观测按照中心回线方式并保持在近区进行,可使感应电动势和视电阻率之间的转换简单而直接.理论和实际应用结果表明,这些措施进一步提高了瞬变电磁探测中心回线方法的探测精度.在有上覆低阻屏蔽层的情况下,对埋深500~700 m的陷落柱给出了明显的异常反映,并被井下掘进所验证.     

瞬变电磁快速成像解释系统研究

为了提高瞬变电磁测深法对地探测的垂向分辨能力,文中研究了磁偶源瞬变电磁法快速成像的方法.详细讨论了电磁波与地震波在介质中的传播规律,分析了磁偶源瞬变电磁场在远区的响应特性.根据磁偶源瞬变电磁场与反射地震波的传播规律的相似性,提出了TEM资料拟地震快速成像解释的思路.理论模型正、反演计算结果表明方法理论是可行的,野外实测资料处理结果进一步说明了该方法是有效的.     

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.     

瞬变电磁法探测浅海掩埋未爆物的三维仿真研究

浅海掩埋的未爆物对近岸海洋环境保护、资源开发、工程建设及人民生活等将造成极大隐患,准确探测、识别并清除这些未爆物对于人类社会发展具有重要的现实意义.本文基于中心回线装置瞬变电磁方法,采用时间域矢量有限单元方法对浅海三维瞬变电磁响应进行了正演模拟,设计多个典型三维模型算例考察浅海瞬变电磁响应特征.不同浅海三维地电模型的仿真结果显示目标电磁响应幅值明显、异常清晰,与模型设计一致.本文研究成果初步验证了瞬变电磁方法探测浅海掩埋未爆物的可行性,对于海洋工程勘察与军事防备提供了有价值的理论依据.     

BZ参数瞬变电磁法的优势及在沿海滩涂区的验证试验

随着我国一系列发展战略的实施,在沿海滩涂区等低阻环境下开展电磁法深部探测工作的需求越发迫切.传统瞬变电磁法(TEM)一般观测感应电动势(dBz/dt)参数,其响应函数复杂,数据解译难度大,且衰减极快,勘探深度较小,不能满足深部探测的需求.而瞬变电磁法的感应磁场(Bz)参数具有响应函数单调、衰减速度慢等优点,深部探测应用前景广阔.本文首先从理论上讨论了TEM的Bz参数相比dBz/dt参数在响应曲线形态、探测深度等方面的优越性,然后在某沿海滩涂区开展了野外验证工作.理论分析计算和野外试验结果表明,TEM的Bz参数相较于dBz/dt参数有诸多优势,基于Bz参数的瞬变电磁法在滩涂区的极低阻条件下仍具有较强的分层能力、较大的探测深度和较强的适用性.     

回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m².利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的...     

瞬变电磁测量框外测深装置及其应用

文中提出了一种新的瞬变电磁测量装置——框外测量测深法,该方法通过在框外20～25m处测量测深点代替框中心回线测深.其特点是在精确测量时,该方法可以很好地抑制发射线圈自感噪音影响,提高精测分辨率,并加深探测深度.通过与中心回线装置对比测量实验及实际生产应用,认为该装置应用效果好,值得在今后工作中推广应用.     

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.     

中心回线瞬变电磁法2.5维有限单元算法

瞬变电磁法的野外资料解释基本上停留在一维水平，本文从生产实践中常用的中心回线法入手，基于电磁场本身的叠加原理，从麦克斯韦方程组出发，导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场（纯异常）的有限单元计算公式. 该算法采用三角形有限元网格，在尽可能拟合地下电性断面的情况下减少有限元网格的节点数和单元数；用选主元的LU分解法求解线性方程组，做到了在移动场源时只需改变右端项；在反傅氏变换中，使用新的波数选取方案，让波数m随时间t滑动. 最后给出的算例表明，该算法直接计算异常场，计算速度快、精度高.     

大回线源瞬变电磁响应理论研究回顾及展望

解析公式的求解是电磁探测方法基础理论研究的重要内容.以往用于大回线瞬变电磁法的理论公式,有圆形重叠回线表达式、中心回线表达式.为了更接近勘探工程中使用的矩形回线源,和为提高效率在回线中心1/3区域观测的实际情况,采用了大定源回线的解析公式.由此定义的视电阻率,克服了偏离中心点观测引起的边缘效应,提高了解释精度,也将大定...     

瞬变电磁法拟地震成像研究进展

瞬变电磁法是工程地球物理勘察中应用较多的一种勘探方法之一,瞬变电磁法拟地震成像方法研究是当前电磁探测理论与应用研究的热门.文中详细叙述了瞬变电磁法拟地震成像的两种不同思路,一种是建立时间—频率转换经验公式,把TEM数据转换成平面波数据,借鉴大地电磁法拟地震解释思路进行成像,另一种是通过积分变换,把扩散场变成虚拟波场,把电磁衰减信号变成拟地震子波,然后按照地震解释法进行解释,并分析了各自存在的的问题.指出下一步研究的方向.     

矿井瞬变电磁探测技术系统与应用

矿井瞬变电磁法作为一种非接触式探测技术,在矿井地质灾害源探测过程中发挥着重要的作用.受各种条件所限,目前所开展的井下瞬变电磁探测均使用非本安型仪器进行数据采集,因此存在着一定的隐患和不便.课题组在大量实验研究基础上,对采集设备、现场工作方法及数据处理关键技术进行研究,开发完成了国内第一款本安型矿井瞬变电磁仪器系统.通过...     

基于FI-W算法对瞬变电磁法探测煤矿采空区数据的降噪

利用瞬变电磁法在煤矿采空区实际探测中,接收到衰减的二次感应电动势,其中中晚期的信号受噪声的干扰较大,信噪比低,不能有效真实地反映采空区的情况.本文通过对快速独立分量分析(FastICA)和小波阈值算法的改进,提出了FIW算法步骤,进而对TEM中晚期信号降噪计算,整个FI-W运算过程利用MATLAB程序.FI-W计算后的数据与其它降噪算法处理后的数据对比,分析得出FI-W算法提高了信噪比,处理后的曲线更接近于理想的衰减曲线;将测线上每个测点中晚期信号选取一部分数据用FI-W算法处理后,用GRAPHER软件形成多测道曲线,根据异常点确定采空区的位置,并钻孔验证,证实:通过多测道曲线确定的异常点位置与实际钻孔确定的采空区位置一致.经过FI-W算法降噪计算后的TEM中晚期数据能真实地反映采空区的位置.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

井中磁源瞬变电磁响应特征研究

井中瞬变电磁波勘探是一个全空间地球物理场问题.采用Gaver-Stehfest逆拉氏变换方法,正演计算了瞬变信号激励下接收线圈上的电磁场响应.分析了包含井眼泥浆、套管、水泥环和地层的轴对称多层介质模型的电磁场响应特征,考察了各层介质参数对井中瞬变电磁响应的影响.不同电导率井眼泥浆的电磁场响应衰减曲线表明,井眼泥浆电导率...     

瞬变电磁传感器阻尼特性的标定研究

传统瞬变电磁法（TEM）认为临界阻尼匹配时传感器响应快、无振荡,为最佳匹配方式.本文通过建立基于标定环的TEM系统标定模型,理论证明当略欠阻尼匹配时传感器响应最快、时域畸变最小,为最佳匹配方式.本文采用基于实测数据的背景场剔除方法将一次场和大地响应剔除,通过对不同阻尼状态下标定环早期响应畸变的定量评价,实验证明传感器在略欠阻尼匹配状态下二次场响应畸变最小.本文理论和标定实验均证明,在纯二次场观测方式下,采用略欠阻尼匹配方式能够显著降低早期响应畸变、提高系统浅层探测能力,是浅层探测时传感器最佳匹配方式.