大功率井-地电磁同步发射技术分析与系统实现

为了提高勘探深度和分辨率,对于地球物理传统可控源电磁法的人工激励场源而言,主要通过提高其发射功率和更换激发方位的途径来实现,但是单套的发射系统会因为功率的增加而变得笨重、复杂和可靠性降低,且不适用于金属矿复杂的探测环境.本文采用分布于勘探目标区周边多个方位的中功率同步发射系统来组合成一套大功率发射系统,该系统可以显著提高探测区接收信号的信噪比,有望克服传统可控源类方法的探测盲区和获取可靠性更高的异常体反演结果.每个单套发射系统由发电机、开关供电电源、发射电缆、发射电极、发射机及其外控同步激发控制器构成.利用此发射系统可以在地面或井下的多个位置布设多个人工激励场源,同时对异常体进行扫频激发,频率范围覆盖10 kHz~0.01 Hz,单套发射系统的最大发射功率为48 kW,发射电流大于60 A,同时,在地面、井道、巷道或已有的探测井中采集电磁场信号.通过对均匀半空间理论场值的叠加计算以及实际数据的对比研究发现,多方位场源同时激发能够提高目标区信噪比,并初步验证了其可行性.该方法对可控源电磁法系统提出了一种全新的研发方向,为金属矿勘探提供了一种新的探测手段.

     

地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

电磁波法探测地下异常体的数值模型和实验模型

本文研究均匀有耗媒质全空间及半空间中三维异常体散射的数值模型和实验模型。用矩量法解体积分方程,导出自小块积分的简单准确的计算公式,说明非自小块积分以及索末菲积分的简化计算方法。给出两个利用金属镜象板的水池测试装置,说明与测试方法有关的若干主要问题。计算结果与测量结果基本吻合。     

井-地电阻率法在煤田安全中的应用研究

针对利用电法研究煤田生产中的陷落柱等问题,本文实现了点电流源三维地电场正演,并将模拟结果应用到了实际地质试验中.正演模拟结果以及实际测量结果的分析表明:该技术能很好的探测陷落柱位置及其富水性,可以为煤矿井下安全生产起到一定的指导作用.     

井-地充电法圈定矿体边界异常特征研究

采用有限单元法对井-地充电法进行了数值模拟,通过对水平、倾斜等不同形态板状矿体在不同地电条件下井-地充电法异常的计算和讨论,研究了矿体的空间分布与电位梯度分布之间规律,并提出深宽比和深峰比的概念以讨论异常形态与地下地质体间的对应关系.计算结果表明:电位梯度峰值位置和矿体边界位置有一定的对应关系,利用电位梯度等值线形态及其峰值位置可有效获得矿体走向、倾向和边界等信息.     

电磁波法探测地下异常体的数值模型和实验模型

本文研究均匀有耗媒质全空间及半空间中三维异常体散射的数值模型和实验模型。用矩量法解体积分方程,导出自小块积分的简单准确的计算公式,说明非自小块积分以及索末菲积分的简化计算方法。给出两个利用金属镜象板的水池测试装置,说明与测试方法有关的若干主要问题。计算结果与测量结果基本吻合。     

地-井方位激电观测异常特征研究

为系统了解地-井方位激电异常特征,利用有限单元法对地-井方位激电观测在立方体、板状体等典型地电异常体上的响应进行正演计算,分析了异常体位置、方位距离等变化对观测的影响规律,讨论了地形、钻孔本身对地-井方位观测的影响等.研究结果表明地-井方位观测是探测井旁和井底盲矿体行之有效的方法,利用不同方位上的异常曲线特征,遵循异常场定性分析和"先井口、后其它方位"的分析方法,可大致确定异常体的电性特征和空间展布;地形和钻孔本身对地-井方位观测的影响主要集中在浅部区域.     

二维均匀介质中积分方程的快速精确算法

采用稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法精确计算二维均匀介质中的积分方程.采用一种新的插值函数作为基函数和试探函数对积分方程进行弱化离散,离散后的积分方程采用稳定型双共轭梯度迭代方法进行求解,从而得到异常体内电场的分布.计算时采用快速Fourier变换技术将积分方程内Green函数与电场的乘积表示成褶积形式以加快计算速度.数值计算举例说明了算法的精确性和有效性.     

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑（井）-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑（井）-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑（井）-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10 nV/rt（Hz）,微型三分量音频磁传感器体积压缩至32 cm×32 cm×32 cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.

     

电性源地-井瞬变电磁全域视电阻率定义

地-井瞬变电磁(TEM)方法是在地表发射,探头沿钻孔(井)测量瞬变响应的一种井中物探方法.由于接收探头沿钻孔深人地下,因此能够获得更加可靠的地下目标体信息,尤其当存在低阻覆盖层、浅部矿化等地质干扰,或者勘查深部规模不大之良导矿体时,地-井TEM方法的优势更加明显.相对于磁性源系统,电性源系统发射功率大,辐射面积广,更适合地形复杂地区之深部找矿.本文的目的是研究电性源地-井TEM的近似解释方法,首先给出了层状介质电偶极子在地下的TEM响应,进而通过电偶极子叠加的方式获得了电性源条件下的TEM响应.利用感应磁场与均匀半空间电阻率的单调关系通过反函数定理进行了全域视电阻率定义.理论模型的视电阻率计算结果显示,不同深度测点的视电阻率曲线首支不同,而尾支基本一致.这说明了全域视电阻率是测点周围有限范围内介质的综合反映,所以不同深度测点的视电阻率曲线首支所反映的范围是不同的.绘制了不同时间道视电阻率剖面曲线,以期显示地下电性分布规律.计算结果表明全域视电阻率定义能够基本可靠地反映地下信息,从而为该技术在矿区深部找矿的应用提供有力支持.     

起伏地形下井-地电阻率观测装置的异常特征研究

在实际的地球物理勘探过程中,如何根据实际的勘探环境选择合适的观测方式和观测装置一直是地球物理勘探的重要问题之一.本文采用井.地三极和地.井三极联合电阻率观测装置对起伏地形下典型地质体模型进行正演模拟,正演响应的结果表明井-地联合装置比单一地表装置大大提高了对目标地质体位置的分辨能力.当采用井-地三极装置进行观测时,地形会导致异常响应的位置发生偏移,形态无明显改变;而采用地-井三极装置进行观测时,地形会很大程度上改变异常响应的形态和位置,很难有效推断目标地质体位置.     

水平层状介质中基于DTA的三维电磁波逆散射快速模拟算法

为提高水平层状介质中三维电磁波散射和逆散射数值模拟的效率,在对角张量近似(DTA)的基础上根据不同回代方式得到了求解积分方程的DTA1和DTA2两种近似. 这两种近似可以作为计算积分方程稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法的初始猜测值和预条件因子,从而形成效率更高的混合DTA-BCGS算法. 散射实例说明了DTA2的高精度和混合DTA-BCGS算法尤其是混合DTA2-BCGS算法的高效率. 由于DTA2近似程度更高,将DTA2与变型Born迭代反演方法(DBIM)相结合形成了一种对三维异常体进行重构的快速电磁波逆散射技术. 文中的逆散射实例说明所开发的逆散射技术对重构水平层状介质中的任意三维异常体是非常有效的.     

井-地观测系统（3D+VSP）和基于模型的处理技术有关问题的讨论

对了解地下构造和描绘地下油气分布来说,用地面地震勘探技术可以分辩15～30 m的地层.低分辨率和缺乏详细的速度信息会降低地面地震勘探的效果,在研究更薄细的油气储层和研究已研究过的老区时,我们要采用一些更先进的勘探技术,对储层进行更精确的预测和描绘.本文分析了 VSP、测井和地面地震勘探各自的优势、不足和局限,采用VSP方法,我们只能得到井周围一定空问内的丰富速度信息,而详细的速度模型可以极大地提高地面地震勘探的效果.据此分析,组合VSP和地面地震方法优势的井-地观测系统(3D VSP),可有效地增加信息量,并可通过引入VSP数据处理时所用的基于模型的处理技术,来使井-地观测系统的优势进一步扩大,在此基础上,如果与精细测井相结合,可以更好的寻找和开发剩余油气,这将是我们今后重要的发展方向.     

基于矩阵算法的海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型

基于矩阵算法开发了适用于精确计算海洋-大气耦合矢量辐射传输方程的数值计算模型- PCOART. PCOART首先将矢量辐射传输方程进行傅里叶展开, 得到与方位角独立的矢量辐射传输方程. 进一步离散天顶角, 得到矢量辐射传输矩阵方程, 并利用加倍法进行数值求解. 根据辐射在海洋-大气界面的反射和折射性质, 将海洋和大气矢量辐射传输过程进行耦合, 得到海洋-大气耦合介质系统的矢量辐射传输数值计算模型. 通过与MODIS精确瑞利散射查找表的比较, 说明PCOART计算瑞利散射辐射的Stokes矢量是精确的, 其对多次散射和偏振的处理是正确的. 同时, 通过Mobley水体辐射传输标准问题的验证, 说明PCOART适合于计算水体辐射传输问题. PCOART是精确计算海洋-大气耦合介质系统矢量辐射传输的得力工具, 它为进一步深入研究海洋-大气耦合介质系统辐射传输的偏振特性及遥感信息反演打下基础.