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.     

频率域航空电磁法-维正演与探测深度

计算了偶极-偶极方式均匀半空间的频率域航空电磁响应及层状模型的相对异常响应,阐明了大地电导率、磁化系数,以及飞机飞行高度、探测装置、收发距对电磁响应的影响,计算结果说明了频率域航空电磁法的探测能力和探测条件.分析了三层模型的相对异常响应,给出了基于层状模型确定探测深度的方法.在水平共面方式下,收发距8 m,飞行高度30 m时,在3～4 ppm噪声水平条件下,100 Ωm大地探测深度为120 m.     

高频大功率CSAMT发射技术研究

近年来,随着我国对矿产资源需求量的逐年增加,人工源大地电磁法作为地球电性探测的感应类电法得到了迅猛发展,自主研制的地球物理仪器陆续推出.电磁法仪器的出现逐步摆脱了对国外相关仪器的依赖,可控源音频大地电磁法(CSAMT)发射机作为该方法的电偶极子源具有举足轻重的作用,然而,当前野外施工所用的CSAMT发射机普遍存在高频电流发射受阻,发射功率较小,收发距的大小受到很大的限制;到低频区,较小的收发距,使得接收机进入近场区,待后续数据处理时需要做近场校正,不仅增加了一个校正工序,也带来了校正数据误差,同时,较小的收发距,限制了野外施工的效率.另外,随着CSAMT的研究逐步深入,CSAMT三维阵列式探测也逐渐引起学者的重视,实现高频大电流的发射,为CSAMT三维阵列式探测提供了有利支持.本文详细分析了实现高频大功率发射技术的方法,通过模型建立和方程求解,获得了影响发射电流的主要因素,进而,有望达到高频发射电流大于低频发射电流的目的.     

资源与环境地球物理的前沿问题综述

2016年6月在北京召开了第七届环境与工程地球物理国际会议.会议的主题是地球物理与资源环境,会议论文涉及工程、环境、生态、水资源和灾害等领域的地球物理方法、技术和仪器等方面的最新成果与新进展,以及地球物理方法技术在重大工程中的新近应用成果,反映出国内外环境与工程探测领域的发展动态.结合本次会议,提出该学科主要前沿问题是:地球物理高端装备研发、地球物理大深度探测问题、矿区环境下的强噪声去除问题以及地下目标体的精细探测问题等.     

一种自动同步的可控源频率域电磁探测系统

在分析当前可控源电磁法仪器发展趋势的基础上,针对现有仪器存在噪声大、设计难度大、数据处理复杂的问题,提出了一种便于实现的高效抗干扰收发系统,接收机和发射机按照相同的时间—频率表自动变频,实现灵活的多频同步收发;接收机利用乘法变频技术,将不同的信号频率变换到固定的频率,简化了滤波放大电路的设计,降低了对ADC采样速率的要求,采用低速高分辨率ADC实现高质量的信号采集,并采用数字互相关算法实现对强干扰情况下信号的提取;使得这种探测系统具有易于实现、自动高效、抗干扰能力强等特点,可广泛应用于音频大地电磁法(CSAMT)、人工源极低频电磁技术(CSELF)、频谱激电法(SIP)等频率域电磁法中.     

频率域航空电磁法一维正演与探测深度

计算了偶极一偶极方式均匀半空间的频率域航空电磁响应及层状模型的相对异常响应,阐明了大地电导率、磁化系数,以及飞机飞行高度、探测装置、收发距对电磁响应的影响,计算结果说明了频率域航空电磁法的探测能力和探测条件．分析了三层模型的相对异常响应,给出了基于层状模型确定探测深度的方法．在水平共面方式下,收发距8m,飞行高度30m时,在3～4ppm噪声水平条件下,100Ωm大地探测深度为120m．     

多周期全波形激电抗干扰数据处理方法及在大规模探测中的应用分析

激电法是金属矿产勘查中一种十分重要的电法勘探分支方法,但是各种电磁干扰的存在限制了激电法在大规模探测中的应用.近年来,国内外先后实现了三维分布式全波形激电探测仪器系统的研发和推广,全波形数据记录为激电信号的抗干扰处理提供了新的空间.本文针对多周期全波形采样的激电数据提出了一套基于统计分析的时间序列抗干扰数据处理方法,主要包括：经验模态分解用于分离低频趋势项干扰;相关分析用于消除突发性强噪声干扰;稳健统计用于多周期时间序列叠加;分段稳健平均和低频相对相位谱用于时/频域激电参数提取.将上述数据处理方法应用于由国产分布式电法系统实测的三维全波形激电数据,并与线性拟合、均值叠加等常处理方法进行对比,发现新方法可以有效识别和压制激电数据中的强噪声干扰,提高大供电极距和低频点探测时的激电数据质量,从而进一步推动激电法在深部矿产资源勘查中的应用.     

基于双通道参考技术的磁共振地下水探测电磁噪声分布规律研究

磁共振地下水探测(MRS)技术能直接测量水中氢质子的拉莫尔进动,可表征地下水含水量和介质孔隙度等信息,因而获得了广泛应用.然而,MRS信号微弱,实际探测中电磁噪声强度大,若噪声未被有效去除,会导致后续水文参数解释不准确,采用"8"字形线圈或运用带参考线圈的噪声抵消等方法可抑制噪声干扰,但这些方法消噪效果的好坏取决于电磁噪声的空间分布.另外,在强噪声或多噪声源环境下应用MRS方法,选择恰当的探测位置对提高探测效率以及增加探测结果的有效性具有重要意义.因此,本文使用双通道噪声采集装置在实验前记录环境中的电磁噪声,通过双通道参考技术推导同一时刻不同测点的噪声强度,再得到测区电磁噪声分布结果,该噪声分布情况对MRS方法探测方式的选取具有指导性的作用.同时,可根据噪声分布情况为探测线圈选择最佳测点以避开噪声强度大的区域,进而提高采集信号的信噪比.最后,通过采集室外环境下的电磁噪声,验证本文提出的基于双通道参考技术的电磁噪声分布规律研究方法的有效性,为可靠高效地开展磁共振地下水探测提供了新的技术手段.     

关于人工源极低频电磁波发射源的讨论——均匀空间交流点电流源的解

大功率人工源极低频电磁波（Control Source of Extremely Low Frequency method, CSELF）技术中,辐射天线由布设在高大地电阻率区的接地长导线源构成,通过接地点向大地注入数百安培的强电流.目前有关强电流在大地中的流动特性和分布规律,尚未完全弄清楚.本文提出一个新思路,将CSELF发射天线分解为两部分:交变的接地长导线源和接地处的交流点电流源,二者响应的叠加构成总场.本文重点讨论了均匀空间下交流点电流源的求解,对比研究了交流点电流源响应、直流点电流源响应之间的差异.结果表明,在小范围内（场源距几十、几百米以内）,均匀空间下交流点电流源场和直流源场差别较小,可相互近似,但在大范围内,交流点电流场比直流场的衰减要快得多.由于CSELF辐射天线跨度上百公里,场源距很大,其电流分布规律遵循交变场规则,不能近似为直流场.     

深水拖曳式大功率时频发射与多链缆多分量电磁探测系统

海洋可控源电磁探测方法是目前海洋油气资源勘探和海底地质构造调查中不可或缺的物探手段之一.本文研究的深水拖曳式大功率时频电磁发射与多链缆多分量电磁探测系统,是深水双船拖曳式可控源海洋电磁勘探系统的关键组成部分.发射系统利用深拖缆实现了电能在复杂海洋环境下长距离、大功率和低损耗传输,基于大功率变流拓扑结构攻克了2000 A量级、0.01～16 Hz可控的时频域大电流冲击脉冲发射;接收系统建立了主节点与最多5个从节点的数据链接,单个从节点记录到了三轴正交的电磁场分量以及运动姿态信息.海洋试验表明,深水双船拖曳式海洋可控源电磁勘探系统借助发射系统与接收系统之间的时间同步、时频观测、可变收发距和观测装置等技术优势,显著提升了数据质量和有效的数据数量,为后续处理和反演提供了硬件支撑.经过海上试验,整套系统的技术性能得到多次验证,未来有望在深水油气、天然气水合物和海底硫化物等资源勘查以及海底地质构造调查领域获得广泛应用.     

宽频带地震计数字反馈技术

反馈式地震计的出现在地震计发展历史上具有划时代意义,大动态、宽频带已经成为当代地震观测的主流技术,数字技术应用是地震计的发展方向。采用模拟反馈技术的宽频带地震计存在低频段自噪声高及系统受环境影响大等问题。实验结果显示,通过引入数字反馈技术,可以优化地震计的长周期噪声,提高系统稳定性,首次实现程控配置地震计的周期。     

单船拖曳可控源电磁数据自适应分频匹配滤波消噪方法

海洋可控源电磁法(MCSEM, Marine Controlled-Source Electromagnetic Method)是一种工业化的主动源海洋电磁勘探方法,近年来在海底油气资源探测中收效显著,通过测量海底地下介质的电阻率变化,能够有效降低地震勘探方法的多解性.MCSEM的工作方式主要有单船拖曳与双船拖曳两类.单船拖曳信号具有强时变特征,近、中、远收发距信号强度变化极大.由于海水环境较为复杂,数据受到洋流、背景场、仪器等多种因素干扰,使得小收发距数据信噪比较高,中、远收发距数据信噪比较低,因此MCSEM数据随机干扰压制方法的研究难点在于适应数据的强时变特征.本文利用发射机数据与接收机数据的时间(空间)和频率对应关系,提出基于正则化条件和衰减函数约束的自适应分频匹配滤波方法.该方法首先通过计算原始接收机数据基频的振幅随偏移距变化(MVO, Magnitude Versus Offset)曲线获取衰减函数,然后利用该衰减函数将发射机所有频点数据进行振幅衰减,减低MCSEM发射机与接收机数据对应振幅的强时变差异,最后利用基于整形正则化条件的自适应匹配滤波方法压制接收机数据中的强振幅随...     

线源瞬变电磁法在熊耳山区多金属找矿中的应用研究

通过理论研究和野外试验,总结了线源瞬变电磁法在熊耳山区深部勘查时使用的装置参数,并把该装置应用到龙门店矿K9矿脉的深部勘查中.线源瞬变电磁法装置最主要的参数是偏离距和线源的长度.理论上偏离距的大小只影响到瞬变衰减曲线首支幅值的高低和衰减的快慢.但在野外试验时发现当偏离距为500 m时,该方法产生了强激发极化效应,当偏离距为1000 m时,激发极化效应减弱.说明强激发极化效应仅在收发距较小时产生,实测表明偏离距大于840 m可以有效压制激发极化干扰.线源AB长度一般取1000~2000 m,当信噪比大时取小值.该装置在龙门店矿区的应用表明,线源瞬变电磁法装置轻便灵活,探测深度大,分辨率高,可多台接收机同时工作,经济快速,适合山区深部有色金属地质勘查工作.     

相关辨识谱激电法及野外实验

与常规互相关法辨识系统脉冲响应的方法不同,本文提出了一种直接由循环互相关法辨识系统频率特性的方法,用于地球物理谱激电法勘探.具体方法是:采用编码源信号为激励波形,运用循环互相关法可恢复出系统的频率响应.仿真计算结果表明:本方法在强干扰条件下可高精度辨识出待辨识系统的频率响应,较高的采样率和叠加次数可有效提高测量精度.野外谱激电法实验中,采用编码源激发,中间梯度装置,最大供电极距5200 m,接收电极距20 m,阵列式同步采集,供电电流8 A条件下,在强干扰工作区获得了可靠的视电阻率、相对相位和金属因素剖面异常.通过实测数据分析:该方法有助于提高系统频率响应的辨识精度,且有很高的频率分辨率;增加采样周期数是在强干扰区获得高质量数据的有效途径.     

CSAMT法三维分辨能力及其物理机制

随着CSAMT法探测应用需求的日益增多,其分辨能力及其物理机制的研究成为人们不得不面对的问题.在CSAMT勘探中,几何效应、电流效应和感应效应是引起电磁场变化的三种物理机制,本文详细介绍了与地下电性结构密切相关的电流效应和感应效应.首先,利用CSAMT法对100 m×100 m×100 m的异常体进行了探测,研究表明存在两个畸变区域.利用电流效应对存在的两个畸变区域进行了解释,进一步研究表明当收发距为10 km时电流效应占据主要地位,感应效应位居次要地位,当收发距增大时电流效应比重下降,感应效应比重增大.选取坐标原点位于电偶极子中心,x方向为电偶极矩方向,z轴垂直向下,随后,研究了CSAMT法对异常体沿x、y及z方向长度变化时的探测灵敏度,研究表明CSAMT法对异常体沿x方向的变化最为灵敏、y方向变化次之、z方向最为迟钝,最后对以上现象给出了解析.     

基于AMT数据构建地电模型的CSAMT最小收发距估算

在CSAMT的野外工作中,需考虑收发距影响,确保在远区采集数据.然而通过估计大地平均电阻率计算收发距准确度较差,需提出其他方法改进估计合适收发距的准确度.本文提出利用工区的音频大地电磁资料构建1D模型用于计算最小收发距,具体过程为:首先利用AMT数据进行一维反演,反演计算出一个层状地电模型;根据Bostick转换求取达到目的层勘探深度对应的最小频率;在此1D模型基础上进行赤道装置方式的CSAMT正演计算和MT正演计算,通过对比两者视电阻率误差,找出满足远区条件的最小收发距.通过理论数据模拟,展示了此方法的可行性,为CSAMT最小收发距估算提供了一种新思路.     

海底可控源电磁接收机的电场低噪声观测技术

海洋可控源电磁方法是近些年兴起的一种海底以下介质电性结构地球物理探测方法,已成为海底油气及水合物探测的有效手段之一.根据趋肤效应及可控源电磁方法的特点,海底电场信号具有幅值微弱且动态范围大的特征.低噪声记录海底电场信号是海洋可控源电磁方法必须解决的关键技术之一.本文首先通过建立特定地电模型并进行数值模拟,讨论了收发距、发射频率等场源参数与电场分布的关系;然后通过电解法制备了低噪声海底电场传感器,研制了低噪声斩波放大器,开发了大动态范围ADC电路.通过室内及海洋试验验证了接收机电场通道的低噪声特性,海试结果表明系统本底噪声小于0.1nV/m/sqrt(Hz)@1 Hz,电场信号观测动态范围优于110dB@(fs=150Hz).     

南黄海中部隆起带折射波层析成像

南黄海中部隆起带中、古生界地层具有良好的油气勘探潜力.但是,由于该区处于水深10～100 m的浅水环境,地震记录上多次波十分发育;且上覆新生界低速地层与下伏中、古生界高速地层速度反差可达2～3倍,形成了地震波能量屏蔽界面,下伏地层反射波能量弱,严重影响了地震反射波速度建模质量.而新生界地层与下伏中、古生界地层之间的速度大反差界面在地震记录上产生了稳定的、易于拾取的折射波,因此,我们将改进的散射积分走时层析成像方法结合多偏移距反演策略应用到南黄海中部隆起带折射波速度建模中.结果表明,折射波层析成像可重建2.5～3.0 km深度的高质量速度模型.对比该速度模型与叠加速度转换得到的速度模型逆时偏移成像的结果,发现用折射波速度模型偏移的地震剖面揭示中生界盆地轮廓、内部构造和断层更清晰,地震同相轴连续性强,且古生界陡倾角地层成像质量也显著提高.证明折射波走时层析成像在南黄海中部隆起带速度建模中是有效的,为南黄海浅、中层地震速度建模提供了一种可靠的解决方案.     

基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,但也是阻碍我国地球物理电磁勘探仪器装备研发和推广应用的瓶颈技术.在我国SinoProbe计划中"地面电磁探测(SEP)系统"项目支持下,我们研制出用于大地电磁测深(the Magnetotellurics MT)方法的高灵敏度磁场传感器.研制过程中,采用磁通负反馈技术,增强传感器系统工作稳定性;采用斩波稳零放大电路技术,有效降低低频1/f噪声对传感器灵敏度的影响;采用高磁导率合金材料,增加磁场传感器的灵敏度.最终,MT磁场传感器工作频率范围为1 m√HZ ~1 k√HZ ,噪声水平0.1 √HZ 时为1.5 pT/√HZ ;1 √HZ 时为0.15 pT/√HZ ;10 √HZ 时为0.03 pT/√HZ ;长度96 cm,重量≤6 kg.理论和测试结果表明:与同类产品比较,本文研制的感应式磁场传感器在≥10 √HZ 时,平均噪声水平从150 fT/√HZ ,下降至30 fT/√HZ ,噪声水平更优,测量精度更高,能够更好地满足MT方法的需求.     

深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统及其应用

针对我国西南印度洋合同区热液硫化物矿快速、有效以及便捷地质勘探装备的要求,研发了由甲板控制系统、万米光电复合缆、仪器舱拖体和天线拖体组成的深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统.为了便于拖体布放和快速发现异常,选择重叠回线收发装置类型;采用理论数值计算确定了在拖曳高度不大于50 m的前提下,观测1～100ms窗范围内的二次场响应,可以发现近海底深海热液硫化物矿堆;另外,通过不同拖延深度海上试验,研究了拖曳深度对瞬变电磁的影响规律及仪器性能.大洋第30航次第二航段在西南印度洋脊热液区,应用该系统发现了明显的瞬变电磁异常.印证了系统的有效性.