欠阻尼中心回线瞬变电磁效应

瞬变电磁法经过近百年的发展,在各行各业都有广泛的应用,常规的瞬变电磁法对于天线的选择都尽可能选取临界阻尼天线,以减少过渡过程的影响.基于地震波检波器原理的启发,地震波检波器采集震动信号的过程,实质上是震动衰减转换为电磁振荡阻尼过程,欠阻尼瞬变电磁接收回线采集电磁波的过程,其实质也是电磁振荡衰减过程,两者接收都是感应电压信号,因此,欠阻尼中心回线的采集原理和地震检波器相同.本文利用欠阻尼中心回线研究探测砼结构的瞬变电磁效应,同时和过阻尼天线进行对比,说明欠阻尼天线在特点条件下探测结构体具有较强的探测能力及较高的异常分辨能力,其拟地震波图谱显示便于对异常体形状的判译.这种装置将揭开瞬变电磁法在混凝土结构探测中新的应用方向.     

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2.5维反演中灵敏度矩阵计算方法(Ⅰ)

一种具体的反演方法要分三个重要的组成部分：1)反演算法;2)正演模拟;3)灵敏度矩阵计算．本文给出了快速计算瞬变电磁2．5维反演问题中灵敏度的简单推导．只需求解两个基本相同的边值问题(原始场和辅助场),然后通过在所针对的模型单元上,对上述两场的相应场量点乘,再进行面积积分,就可得到观测量对模型电导率参数的偏导数．模型上的计算结果和计算精度的分析将在本文的续篇(Ⅱ)中介绍。     

瞬变电磁法多匝重叠小回线装置实验研究

文中采用实验方法对瞬变电磁法多匝重叠小回线装置发射磁矩、关断时间、感应信号强度随发射线圈匝数及接收线圈匝数的变化分别进行了研究。对固定发射线圈匝数改变接收线圈匝数与固定接收线圈匝数改变发射线圈匝数这2种实验方式进行了对比,从而找出了更适合地质响应的发射与接收线圈的匝数。同时还分别采用线圈边长为0.5m×0.5m与1m×1m的线框进行了对比实验,通过分析发射磁矩、关断时间、感应信号强度随线圈边长、线圈匝数的变化,找到合理的重叠小回线装置。实验结果表明发射磁矩随线圈的边长与发射线圈匝数的增加而增加;关断时间随发射线圈匝数近乎呈正比增加,与接收线圈无关;感应信号强度与线圈匝数呈正比关系,但是相比之下,接收线圈匝数更占主导地位。     

时间域瞬变电磁法全区视电阻率的平移算法

深入分析了均匀半空间中瞬变电磁场的解析表达式,发现瞬变响应曲线随地下电导率、发射回线边长与观测时间具有平移伸缩特性,并据此提出了一种新的直接计算全区视电阻率的方法.该法与现有计算全区视电阻率的方法的不同点在于：无需迭代和求解非线性方程,速度快,精度高,算法稳定,且只有惟一解.     

瞬变电磁法对隐伏岩溶探测的影响因素研究

发育于地下灰岩地区中的隐伏岩溶给隧道、桥梁以及高速公路等工程的建设与运行带来了极大的安全隐患.城市中常见的路面塌陷情况,多数也是由于岩溶发育导致.利用岩溶与其周围灰岩之间的物性差异,多种地球物理探测方法对隐伏岩溶结构进行有效探测.瞬变电磁法由于其探测效率较高、勘探成本低且对低阻异常体灵敏等特点,近年来在地下隐伏岩溶探测...     

钻孔瞬变电磁法扫描探测RCQPSO-LMO组合算法2.5D反演

利用钻孔进行超前探测地质构造及含水体是地下开挖工程中的常规手段,如何利用这些钻孔进行钻孔瞬变电磁法扫描探测,从而实现钻孔孔壁外围地质异常体的精细探测,对实现地下工程地质透明化具有重要的指导意义.本文提出钻孔瞬变电磁法扫描探测2.5D反演的数据解译方法,首先针对随机性反演算法时效性低,易陷入局部最优解,而确定性反演算法依赖初始模型的问题,提出了组合策略的量子粒子群优化算法用来随机搜索最优初始模型.在此基础上,利用Levenberg-Marquarat方法求解Occam反演的目标函数,形成了RCQPSO-LMO组合算法进行2.5D反演,通过对比组合算法和单一算法,验证了组合算法具有更精确的反演结果.其次结合屏蔽条件下扫描探测,对比分析了有无屏蔽的2.5D反演结果,通过设定屏蔽系数对非探测方向信号进行部分压制,可以较好地解决钻孔径向扫描探测中对非探测方向信号部分屏蔽下的反演及成像.最后建立三组理论模型进行组合算法2.5D反演,结果表明：组合算法反演结果与理论模型的一致性较好,对低阻异常体的反演精度较高,验证了组合算法对钻孔孔壁外围低阻异常体具有较高的反演精度和分辨能力.

     

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.     

偶极子假设引起的大回线源瞬变电磁响应偏差分析

偶极子假设下的场点近似解与场点的瞬变电磁精确解存在一定的误差, 文中对偶极子假设引起的误差进行了探索性研究.首先分析了由恒定电流偶极子公式"比拟"出的谐变偶极子位函数解.分别计算了静态场中磁偶极子和电偶极子的近似解与各自对应的未做偶极子假设的电流环和载流导线的精确解之间的误差值,然后分析了谐变偶极子微元与点电荷微元的误差.结果表明,在发射回线内,均不满足偶极子的条件,由此造成的解析表达式的误差不可忽略.为此探讨了以时变点电荷微元作为解析求解基本单元的可行性,以时变点电荷假设代替偶极子假设,将时变点电荷解直接"比拟"到时域场中,给出了时间域瞬变电磁场的推迟矢量位函数,为进一步研究时变点电荷微元假设下的精确解、直接时域求解瞬变场问题探索了新方法.     

中心回线瞬变电磁响应计算的频-时域转换方法研究

在中心回线瞬变电磁响应的正演模拟中,经频-时域转换后,垂直磁场随时间的变化率在晚期得到的结果通常精度不高.本文研究分析了三种频-时域转换方法(余弦变换的折线逼近法、正弦变换的数值滤波算法、余弦变换的数值滤波算法)的转换精度问题,得出了基于正弦变换的数值滤波的方法比其他两种方法在晚期计算中精度更高,之后对三种转换方法存在精度问题的原因进行了分析,有利于进一步提高频-时域转换的精度.     

时间域瞬变电磁法中心方式全程视电阻率的数值计算

给出了一种时间域瞬变电磁法视电阻率的数值计算方法，利用该方法可以容易地求出中心方式的全程视电阻率. 根据中心方式磁场垂直分量时间变化率Bz/T的核函数Y′(Z)的表现特征，以参数Z把整个瞬变过程分为早期阶段（Z>1.6）、早期到晚期的转折点（Z=1.6）和晚期阶段（Z<1.6）. 首先分别得到早期视电阻率和晚期视电阻率的精确值，然后通过转折点构成一条完整的全程视电阻率曲线. 虽然磁场垂直分量Bz的核函数Y(Z)是参数Z的单值函数，但同样存在一个从早期到晚期的转折点Z=1.6，转换点两边仍然可以得到一条早期曲线和一条晚期曲线. 在数值计算中，当迭代步长ΔZ<0.005Z时，视电阻率的相对误差小于0.5髎. 理论模型和实际数据计算表明，与早期和晚期近似值比较，全程视电阻率具有更高的精度和分辨率.     

轴对称有耗介质电磁问题的时域有限元方法

从Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发推导出非均匀介质中含时间的Ｇａｌｅｒｋｉｎ能量泛函的弱化公式,然后应用线性插值原理得到普通的二阶常微分方程。采用中心差分离散,并引入一个比例因子　,分离时间与空间变量,得到了随时间步长变化的递推迭代公式,从而将差分与有限元方法相结合,并对非均匀介质中时域有限元的稳定性进行了讨论,给出了其稳定性条件。在均匀无耗介质和有耗介质中,用单匝磁偶极天线的瞬态响应的时域有限元数值计算分别与现有文献作了比较,给出轴对称非均匀介质中有井眼的瞬态测井响应。     

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.     

二维水平电偶极变频测深阻抗视电阻率的有限元正演计算

在二维地电断面情况下,电偶源变频测深阻抗视电阻率的有限元计算,存在着两个困难:一个是对源的处理;另一个是边界条件的确定。本文提出了解决这两个问题的方法,构成了含源波动方程的边值问题,用有限元法求出了相应的电磁场分量,从而计算出二维地电断面的阻抗视电阻率。对各种地电断面计算的结果表明,计算方法是正确的,可对实际地电断面进行有限元模拟,求得其电磁响应。     

二维水平电偶极变频测深阻抗视电阻率的有限元正演计算

在二维地电断面情况下,电偶源变频测深阻抗视电阻率的有限元计算,存在着两个困难:一个是对源的处理;另一个是边界条件的确定。本文提出了解决这两个问题的方法,构成了含源波动方程的边值问题,用有限元法求出了相应的电磁场分量,从而计算出二维地电断面的阻抗视电阻率。对各种地电断面计算的结果表明,计算方法是正确的,可对实际地电断面进行有限元模拟,求得其电磁响应。     

衰减雷达波有限元偏移

高频雷达波在地球介质中有较强的衰减,反演中不可忽略．为此文中首先给出了含衰减项的雷达波的有限元方程及其偏移理论．用有限差分法或有限元法可正演合成雷达波资料,加入一定的扰动后用含衰减项的雷达波有限元方程做偏移,实例结果表明,考虑衰减项的偏移结果能使界面更好地归位,这为提高探地雷达地质解释的分辨率提供了可能性,为逐渐地实现符合雷达波自身动力学特点的处理系统奠定了基础．     

二维频率测深边界单元法正演计算

在二维层状介质中含有横向非均匀体的地电断面情况下，对电偶源的偶极长度作了延长，并选取了适当的基本解及无穷远边界条件，因而将相应的含源谐变电磁场的边值问题转化为较简单的边界积分方程．用边界单元法求出了相应的电磁场分量，进而计算阻抗视电阻率，并对这一算法作了相应的检验．     

电导率连续变化的三维电阻率测深有限元模拟

针对地下岩矿石的物性参数常常是连续变化的情况,给出了电导率分块连续变化的三维地电断面电阻率测深的有限元数值模拟方法. 首先列出了三维地电断面点源电场的变分问题;然后利用有限单元法解变分问题,采用六面体单元对研究区域进行剖分,对电导率及电位均用三线性函数进行插值;并对2例模型进行了计算,将其结果与二维有限单元法的情况进行了对比,提高了精度.     

TWO DIMENSIONAL FINITE ELEMENT-BOUNDARY ELEMENT COUPLING MODEL OF MAGNETOTELLURIC SOUNDING

This paper describes how to apply the boundary element method to solve 2-D magneto-telluric sounding problem and then couple the BEM with finite element method to deal with inhomogeneous geological structure and its relation to regional stress regime. The BEM is able to calculate precisely the derivative of field variables. Such a new approach can more flexibly than others set up the upper boundary condition of the air region. Two practical examples are given. One is the study of topographical effect on the MT fields using boundary element method. There is an inverse relationship between the change of apparent resistivity and the topographical variation. The other is a coupled model of a basin in Nei Monngol Autonomous Region. A lower resistivity zone must exist in the crust and should be thicker below the central portion of the basin. This seems to agree with the regional stress regime changed from extension in Mesozoic to compression in Cenozoic