时间域航空电磁法一维正演研究

基于电磁勘探理论，导出了层状大地条件下时间域航空电磁法（偶极-偶极装置）的正演计算公式和算法，编制了相应的计算机程序，对若干典型地电断面作了正演计算. 计算结果说明时间域航空电磁法的探测能力和探测条件，进而为时间域直升机航空电磁系统的设计方案提供了依据.     

利用数值积分提高一维模型电偶源电磁测深响应计算精度

讨论了直接利用数值积分提高电偶源电磁测深响应计算精度的方法．具体为对Hankel积分进行直接积分，结合连分式展开方法以提高积分求和的收敛速度．利用该方法对均匀半空间和层状(两层)模型的电磁测深响应进行了模拟，结果表明与常规的快速Hankel滤波方法相比，采用直接数值积分能明显提高电偶源频率测深响应计算精度．从而为获得高精度瞬变测深晚期响应提供算法基础．     

水平场转换函数空间分布特征的数值模拟

应用三维有限差分法，对长方形导体的水平场转换函数分布特征进行数值模拟计算，给出了实部和虚部的分布规律，并研究了源场周期、导体导电率、导体埋深、导体长度对转换函数取值的影响．转换函数的极值分布在导体中央、4个犄角和边界附近，且随边界而移动．表明边界附近是转换函数的最佳观测位置．      

半航空频率域电磁测深2.5D正演模拟中几个关键问题

基于伪随机发射的半航空频率域电磁测深方法具有信号强、采集速度快、成本低廉的勘探优势,近年来得到迅速发展,实际应用取得了较好的勘探效果．本文针对该领域在2.5D数值模拟中存在的一些核心问题．采用有限单元数值方法,分析讨论了电偶源加载方式、网格剖分、边界处理、观测区域、以及感应磁场随收发距和频率的分布特征．模型计算表明,采用均匀网格剖分、增加吸收边界条件能够提高有限单元法模拟精度．发现电偶极场源和长导线场源产生的感应磁场三分量H_x、H_y、H_z的场值在距离地面20 m的空气中具有如下特征：(1)当场源为电偶极源时,H_y对异常不敏感,而H_x和H_z及其转换的视电阻率异常特征明显,H_x在低阻体上方表现为“高阻特征”,且低频段特征比高频段特征明显;H_z的异常比较复杂,在AB偶极源中垂线两侧的异常会出现“对称特征”：左侧的低阻体特征为“先低后高”,右侧的低阻体为“先高后低”,左侧的高阻体特征为“先低后高”,右侧的高阻体为“先高后...     

非均匀各向异性弹性波场正演

推导了用于非均匀各向异性弹性波场正演的伪谱法基本公式，对特征值法边界修正方程进行了全面的理论推导，给出了二维和三维问题固体，流体的特征变量及各类边界修正方程，选用2个模型，模拟了2．5维弹性波场，对S波分裂的偏振图像和时间延迟作了较详细的分析。     

井中垂直双极源体积分方程法三维模拟研究

类比水平方向电偶极源和垂直方向磁偶极源电磁场求解的原理,又利用偶极沿电流方向积分是双极原理,推导出地下均匀半空间中垂直双极源电场和磁场解析计算公式.采用体积分方程法对井中垂直双极源电磁响应进行了三维模拟.它对提高井中垂直双极源圈定储层范围的精度有着非常重要的意义,同时也为井中垂直双极源三维反演问题奠定了基础.     

局部平面波假定与优化傍轴透射边界

本文研究了透射边界及相关问题,指出在近源波动的一般情况下,沿人工边界法向传播的外行波动应为曲面波,但在人工边界点的足够小的时空邻域内,可以将曲平面波近似处理为平面波,亦即采用了局部平面波假定。认为对不同的人工边界点,局部平面波模型中的基本变量是时空变量,是影响透射边界近源精度和稳定性的决定性因素。建立了对物理视波速进行优化求解的数学模型,以及相应的1阶和2阶优化透射边界。     

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.     

将航磁异常从飞行高度向下延拓至地形线

采用等效源法和边界单元法相结合的方法,将航磁异常从飞行高度向下延拓至地形线,以增加磁异常的强度,减少漏掉磁异常的机率．模型检验表明,本方法的结果与解析解符合得很好并给出了一个实际向下延拓的例子．     

电偶源频率电磁测深二维阻抗视电阻率计算的源效应校正法

研讨了频率域电磁法中不同源装置的大地电磁测深、线源频率电磁测深和偶极源频率电磁测深阻抗视电阻率的源效应影响特征。在唯象分析的基础上，提出了几种电磁测深法阻抗视电阻率的相互换算法──源效应校正法（大地电磁测深二维ＴＥ极化视电阻率和其它两种电磁法的赤道装置二维阻抗视电阻车）。模型试验表明，利用这一源效应校正法可以由大地电磁二维视电阻率近似地计算出线源频率电磁二维阻抗视电阻率。这一方法被尝试应用于由线源频率电磁二维阻抗视电阻率估算偶极源频率电磁二维阻抗视电阻率。     

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。     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.     

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.     

基于二次场电导率分块连续变化的三维可控源电磁有限元数值模拟

从电偶源三维地电断面可控源电磁法的二次电场边值问题及其变分问题出发,采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,并且在单元分析中同时对电导率及二次电场进行三线性插值,实现电导率分块连续变化情况下,基于二次场的可控源电磁三维有限元数值模拟.这个新的可控源电磁三维正演方法可以模拟实际勘探中地下任意形状及电性参数连续变化的复杂模型.理论模型的计算结果表明,均匀大地计算的视电阻率误差和相位误差分别为0.002%和0.0005°.分层连续变化模型的有限元计算结果表明,其与对应的分层均匀模型解析结果有明显差异.三维异常体组合模型以及倾斜异常体等复杂模型的有限元计算结果也有效地反映了异常形态.     

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.     

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.     

An apparent-resistivity concept for low-frequency electromagnetic sounding techniques

Apparent resistivity is a useful concept for initial quickscan interpretation and quality checks in the field, because it represents the resistivity properties of the subsurface better than the raw data. For frequency‐domain soundings several apparent‐resistivity definitions exist. One definition uses an asymptote for the field of a magnetic dipole in a homogeneous half‐space and is useful only for low induction numbers. Another definition uses only the amplitude information of the total magnetic field, although this results in a non‐unique apparent resistivity. To overcome this non‐uniqueness, a complex derivation using two different source–receiver configurations and several magnetic field values for different frequencies or different offsets is derived in another definition. Using the latter theory, in practice, this means that a wide range of measurements have to be carried out, while commercial systems are not able to measure this wide range. In this paper, an apparent‐resistivity concept is applied beyond the low‐induction zone, for which the use of different source–receiver configurations is not needed. This apparent‐resistivity concept was formerly used to interpret the electromagnetic transients that are associated with the turn‐off of the transmitter current. The concept uses both amplitude and phase information and can be applied for a wide range of frequencies and offsets, resulting in a unique apparent resistivity for each individual (offset, frequency) combination. It is based on the projection of the electromagnetic field data on to the curve of the field of a magnetic dipole on a homogeneous half‐space and implemented using a non‐linear optimization scheme. This results in a fast and efficient estimation of apparent resistivity versus frequency or offset for electromagnetic sounding, and also gives a new perspective on electromagnetic profiling. Numerical results and two case studies are presented. In each case study the results are found to be comparable with those from other existing exploration systems, such as EM31 and EM34. They are obtained with a slight increase of effort in the field but contain more information, especially about the vertical resistivity distribution of the subsurface.     

Scholte waves on fluid-solid interfaces by means of an integral formulation

The present work shows the propagation of Scholte interface waves at the boundary of a fluid in contact with an elastic solid, for a broad range of solid materials. It has been demonstrated that by an analysis of diffracted waves in a fluid it is possible to infer the mechanical properties of the elastic solid medium, specifically, its propagation velocities. For this purpose, the diffracted wave field of pressures and displacements, due to an initial wave of pressure in the fluid, are expressed using boundary integral representations, which satisfy the equation of motion. The source in the fluid is represented by a Hankel’s function of second kind and zero order. The solution to this wave propagation problem is obtained by means of the Indirect Boundary Element Method, which is equivalent to the well-known Somigliana representation theorem. The validation of the results is carried out by using the Discrete Wave Number Method and the Spectral Element Method. Firstly, we show spectra of pressures that illustrate the behavior of the fluid for each solid material considered, then, we apply the Fast Fourier Transform to show results in time domain. Snapshots to exemplify the emergence of Scholte’s waves are also included.     

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.