海洋环境中水平电偶极子电磁场特征分析

海洋环境中人工源电磁信号可以用来进行海洋资源勘查、钻前储层评价以及海洋环境中的通信,具有重要的研究意义.为了研究可控源装置在海洋环境中产生的电磁响应特征,本文针对典型海洋层状导电模型,利用由虚界面法获得的电磁场表达式,结合离散复镜像法实现了长导线源产生的电场和磁场的计算.通过数值计算结果可以看出:1)不同的场分量的空间分布规律不同;2)不同方向的Ex分量相对Hy分量受空气波的影响较小,故海洋电磁法勘探应选用Ex分量测量,而海洋通讯系统应选择接收Hy信号;3)同线方向Ex分量相对于赤道方向对海底高阻层的反映明显.本文的研究内容对海洋可控源电磁法测量方式的选择以及通信技术的研究具有指导意义.     

数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响

本文基于考虑人工场源辐射的可控源地面电磁勘探三维数值模拟技术,以目前常用的标量可控源音频大地电磁勘探测量方式为依据,讨论地面可控源三维电磁勘探中,为达到最佳的探测效果,如何选择合适的反演数据类型.地面可控源数据的三维反演采用有限内存拟牛顿方法.反演过程中,三维可控源频率域响应数值计算采用交错网格有限差分法,求解基于二次电场的Helmholtz方程.发射装置采用长度为1000m的有限长直导线源,测量频率为10Hz;测点个数200个,分布在10条剖面上.在异常体分布区分别观测(1)电场Ex分量的振幅和相位,(2)Ex振幅,(3)Ex与Ey分量的振幅和相位,(4)Ex与Hy的振幅和相位.反演的数据类型分别为上述4种数据以及导出的阻抗Zxy振幅和相位.反演模型由30×30×20个网格组成,测区内水平方向大小为50m×50m,垂直方向厚度为50m,最后5层厚度倍增.反演都从均匀半空间开始,迭代120次结束.数值模拟结果发现,(1)单个电场分量Ex,其相位信息对异常体信息提取非常重要,若只反演该电场振幅,深部电阻率分辨率低;(2)观测正交电场的效果比单个电场分量效果好,其浅部异常的边缘效应明显减弱,深部异常形态完整;(3)同时观测正交的电场和磁场,反演效果与只观测电场振幅和相位的相当;(4)从阻抗数据反演得到的异常位置和电阻率分布均有较大的改善,反演模型分辨率最好.因此,在理论上,建议在野外数据采集时,最好测量正交电磁场;次之,同时测量正交的电场;最次的,可以只观测电场Ex的振幅和相位,亦可取得较足够的信息.但如果只能获得电场的振幅信息,反演结果的深部将出现较大的不确定性.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

SOTEM响应特性分析与最佳观测区域研究

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置,对深部资源地球物理精细探测具有一定的实际意义.为了深入理解方法内涵并更好地进行推广应用,本文基于电性源瞬变电磁一维正演理论,研究了SOTEM地下感应电流扩散、多分量电磁响应平面分布、多偏移距衰减等特性,然后根据上述特性研究了SOTEM的最佳观测区域.研究结果表明:电性源在地下可以产生水平和垂直两个方向的感应电流.其中,水平感应电流又分为上部水平感应电流和下部水平感应电流(又称作返回电流),水平感应电流的极大值主要集中于发射源附近并垂直向下扩散;垂直感应电流极大值沿与地面呈45°角的方向向下、向外扩散,并且具有较低的振幅和较快的扩散速度.电性源激发的六个方向的电磁场分量都具有一定的探测能力,但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点,大多数情况仅利用垂直磁场分量Hz(B/t)和水平电场分量Ex.其中,Hz仅对低阻目标体敏感,且敏感区域位于赤道向区域,并集中在发射源附近;Ex既对低阻体敏感也对高阻体敏感,对低阻体的敏感区域位于赤道向区域,而对高阻体的敏感区域位于轴向区域,并且敏感区域距发射源的距离与目标体埋深和围岩电性有关.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.     

电偶源瞬变电磁工作装置及观测参数选择对比研究

电性源瞬变电磁具有快捷、探测深度大、对异常体探测效果好的特点,然而对其观测分量、装置、电流波形的选择还没有进行过详细的阐述,为此本文做了详细的研究.通过对电性源赤道装置与轴向装置的对比研究,表明赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果,在探测相同深度时,轴向装置收发距较小,信噪比较高.通过对电流波形的研究表明,阶跃激励源激发的场视电阻率从早期到晚期很好的反映了地质结构从浅到深的变化,可以很好的勾勒地电结构的变化,而脉冲波激发的场对目标体反映明显,然而其视电阻率在过渡场阶段存在畸变现象.通过对Hz场和Ex场的研究表明,Hz场在小收发距时即可进行大深度探测,在小收发距下信号强度较高,其应具有较高的信噪比,Ex场需要在大收发距观测,对高阻体探测效果比Hz好.     

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.     

三维频率域可控源电磁反演研究

对于三维可控源电磁,反演计算效率、张量测量、旁侧效应以及阴影效应是目前研究的热点.本文正演采用基于库仑规范条件的耦合势有限体积算法,反演采用有限内存BFGS(L-BFGS)算法.合成数据反演结果表明:(1)有限内存BFGS法比非线性共轭梯度法,在反演计算效率上具有一定的优势,更适合求解大规模三维可控源电磁反演问题.(2)张量可控源电磁法相对于标量可控源电磁法,前者在模型分辨率上优于后者.(3)在某个区域无法布置测网的情况下,我们可利用旁侧效应在异常体周围布置测网进行三维反演,从而获得真实异常体的信息.同时,为避免阴影效应,我们应在测网外增加可控源电磁控制点,使得三维反演的数据更加完备.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.     

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.     

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.     

用积分方程法研究源与勘探区之间的三维体对CSAMT观测曲线的影响

在可控源音频大地电磁法野外作业中,源和勘探区间的距离可达几公里,为了了解源和勘探区间的异常体对勘探区内异常响应的影响,我们用三维压缩积分方程法做了数值模拟研究.首先对勘探区目标体进行了数值模拟,发现在高频时,观测到的异常中心位于目标体的正上方,随着频率降低,出现异常中心向远离源的方向略有移动的现象,所以对三维异常体最好用3D软件来解释.然后,对源和勘探区间存在三维异常体的情况进行了数值模拟与分析讨论.模拟结果表明只有当三维异常体达到较大的规模时,才会对目标体上方的观测曲线造成影响,否则其电阻率的变化及埋深的变化对观测曲线的影响较小,可以忽略.当异常体在源方向有延伸时,观测曲线受到的干扰最大,沿垂直源布设的方向延伸时引起的干扰中等,垂直地面向下延伸引起的干扰最小.     

脉冲源时间域电磁响应三维正演计算

为了应用时间域电磁法进行深部勘探,需要计算大尺度模型的晚时时域响应.本文将待求解的电磁响应分解为一次场和二次场之和,实现了波形为拟高斯脉冲的大功率脉冲源激励的一次场的计算.对于三维异常体产生的二次场,采用基于非均匀步长交错网格的时域有限差分(FDTD)和非等时步长的迭代算法求解,在层状介质模型的上阶跃响应计算结果对比以及与积分方程计算的瞬断响应结果对比验证基础上,实现了大功率脉冲源激励下晚时时域电磁响应的计算.通过设计一个简单异常体的三维模型,采用电偶极源脉冲电流激发,计算的时间域响应很好的揭示了大功率脉冲源激励的场在地中随时间扩散,以及三维异常体产生的异常场并二次扩散的过程.     

瞬变电磁法对存在山谷地形时的多个异常体的探测能力研究

以层状地层中的2个三维导电薄板为例,考虑了山谷地形存在时,瞬变电磁法(TEM)分辨地下多个三维异常体的能力。模型计算的结果表明,当有山谷地形存在时,总的异常场由薄板的异常和地形的异常叠加在一起,表明异常场在空间上具有可加性质。在地形平坦时,TEM方法对相同尺寸的近源异常体的分辨能力要优于远源,而且离源越远的异常体异常越小,最后直到无法分辨。但是当存在山谷地形并且把源放在其中时,它们的总异常场叠加后会“放大”远源异常体的异常场,在一定意义上说,这对于分辨远处的异常体更加有利。当异常体在接收器下方埋深不是太大时,不论山谷地形在源处还是接收器处,TEM法对这些异常体的探测能力都是比较好的。2个异常体相距太近时,其异常会叠加在一起,给TEM的分辨增加一些困难。总体表明,在有山谷地形存在时,TEM方法对多个异常体仍具有较好的探测能力     

陆地可控源电磁法探测效果的频率响应

陆地可控源电磁法的观测资料可依据频段范围近似地划分为近区场、中间区场及远区场,但采用测量相互正交电、磁分量,并计算视电阻率的资料处理方式只适用于远区场数据.为更有效地利用陆地可控源电磁法不同区间场的观测资料,本文结合三维数值模拟技术并采用电场分量直接进行反演的策略,对不同区间电场的响应特征与探测效果进行了分析.数值模拟结果表明:近区电场的异常响应最明显,异常响应不随频率发生显著变化,但纵向分辨能力差;远区电场异常响应随频率发生显著变化,其探测深度取决于频率的高低;中间区场较为复杂,地表电场异常响应的等值线中心并不是位于异常体中心正上方,而是在沿场传播方向上向异常体与围岩的分界面处偏移,并且发现中间区场资料的加入会影响反演结果的准确性.综合合成数据和野外实测资料的反演结果,发现结合近区场和远区场资料而舍弃中间区场资料的反演效果更佳,这为陆地可控源电磁法资料的反演解释提供了一种有效途径.     

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.     

基于改进的接收点插值算法的频率域海洋可控源电磁法2.5维正演

在海洋可控源电磁法勘探中,接收站常置于海底.在进行海洋电磁场模拟时,由于海水和海底介质存在显著电性差异,这给海底接收点处场值的求取带来困难.本文提出一种新的接收点插值算法,该算法考虑到海底电场法向分量不连续性问题,用法向电流分量进行插值以准确求取海底任意接收点处电磁场值.本文利用交错网格有限差分法实现了二维介质中频率域海洋可控源法(CSEM)正演.对构造走向做傅里叶变换,将三维电磁模拟问题转换为波数域2.5维问题,即三维场源激励下针对二维地电模型的电磁模拟问题.使用交错网格有限差分法,基于一次场/二次场分离方法导出波数域二次电场离散形式,并进一步求得波数域电磁场.采用本文提出的改进的插值算法可求得海底任意接收点处波数域电磁场,采用傅里叶逆变换对波数域电磁场进行积分可得到接收点处空间域电磁场.模型算例表明,与常规的线性插值和严格插值算法相比,本文提出的改进的插值算法具有更高的精度.     

大功率长偶极与环状电流源电磁波响应特征对比

为了在深部第二成矿带找矿,需要进一步提高电磁法可控源的强度,因此,一种新的大功率固定发射源的电磁法正在孕育之中.该方法采用长偶极源或者环状电流源,为了提高发射源的强度,偶极长度L或者环状源半径R需要非常大.然而,电磁场信号的强度不仅仅依赖于发射源,当L或者R为数十公里时,接收点的位置远离发射源,电离层对电磁场的影响不可以忽略.电离层的影响既可能是增强信号,也可能是削弱信号,这依赖于不同类型源产生的电磁波.本文利用三维积分方程法对包含电离层、空气层、固体地球层(简称地-电离层模型)的线状和环状大功率电流源电磁波响应进行了三维数值模拟,对两种源的电磁波的响应特征进行了对比研究.研究表明虽然磁性源的发射效率高于电性源,但是由于发射源在波导区产生的直达波经电离层的反射波要产生相长相消干涉,波导区的场特征既和发射源的特征有关,也和电离层有关.对比研究发现对于x方向的水平长偶极源电离层对电磁场 E_x 和 H_y 的影响是使场的幅值增强,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是减缓的.而对于水平环状电流源,电离层对水平方向的电磁场的影响是使场的幅值减弱,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是增大的.为此,认为采用大功率固定源在波导场工作时应该采用线状电流源.     

海底电性源频率域CSEM勘探建模及水深影响分析

为了探索我国海域油气和水合物等高阻目标体CSEM勘探的可行性和方法技术,本文研究了在海水中水平电性源激励下有限水深海洋地电模型的频率域电磁响应,为进一步的1D和3D仿真计算奠定了理论基础.在推导电磁响应公式时,首先给出了各层介质的Lorentz势,然后根据Coulomb势与Lorentz势的关系,得到了各层介质的Coulomb势.各层介质中的电磁场均可以由Lorentz势或者Coulomb势计算得到,但在有限元计算时Coulomb势具有优势.长导线源的电磁场和势函数可以由电偶源的电磁场和势函数沿导线长度积分得到.文中具体给出了海水中水平电偶源和长导线源在海水层的电磁场公式,并根据该公式计算了不同水深环境下海底表面的电磁场分布,分析了海水深度对海底油气储层电磁异常的影响.结果表明,随着水深减小,异常幅度和形态特征发生明显变化.当水深很浅时(如50 m),只有同线方向的E_x和E_z两个电场分量存在明显异常.最后,以两个已知海底油田为例,计算了不同水深环境下可观测到的电场异常,展示了电性源频率域CSEM在海底勘探中(包括浅海环境)的良好应用前景.对于该方法实用化过程中还需进一步解决的问题,文中结尾部分也进行了初步探讨.     

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...