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.

     

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.

     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用

利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时,会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底,发射偶极源和海底间海水的电磁衰减,使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质;发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动;拖曳式发射时,时间窗口内叠加的数据有限;拖曳路线可能与海底构造走向平行,不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元,以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底,没有海水层衰减,有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端;通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体,利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向,可以精确校正电偶源水平偏角的影响;增加单点供电时间,提高接收信号信噪比;提供两对电偶极源,从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明,坐底式与拖曳式发射系统联合作业,可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发,为数据采集提供丰富的场源信息.

     

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.

     

多通道大功率电法勘探仪集成试验

采用自主研发的多通道大功率电法勘探仪进行了深部矿勘探测试.首先在河北省张家口市张北县进行了仪器整体的调试和波形测试等试验,试验结果表明,在大偏移距情况下,尽管存在50 Hz电磁干扰,也能获得与发射波形相关的波形曲线,验证了仪器系统的正确性和稳定性.然后在内蒙古曹四夭钼矿区采集了4.8 km的剖面数据,并进行了相应的数据处理工作.对所采集的数据进行了大地脉冲响应计算、峰值时刻提取和视电阻率计算,以及电阻率二维反演工作,反演的的电阻率断面结构与已知地质资料相吻合,验证了数据流程和处理方法的正确性.此次多通道大功率电法勘探仪的成功集成,为进一步大规模比对试验和装备整装勘探打下了基础.     

励磁控制的CSAMT发送机若干技术研究

文章介绍了利用励磁控制来实现可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method,缩写为CSAMT)发送机的系统结构与工作原理,对发送机的主要模块进行说明.该系统最大的优点就是功率可扩展性极强,其低频发送功率基本上只受限于发电机的功率与开关器件的参数.目前在实验室内已完成30KW样机,野外已实现了850V/25A的发送.该系统电路结构简单,易于维护,稳定性高.该研究为其它有源电磁法勘探大功率发送机研制提供了行之有效的方案.     

V6多功能系统及其在CSAMT勘查应用中的效果

地球物理多功能探测系统V6是中国科学院地质与地球物理所2000年底从加拿大凤凰公司引进的新仪器，它具有频点多（62频点系列），抗干扰能力强，发射功率大，A/D转换16位置及发射与接收信号GPS（Globe Position System)时钟同步等特点，能有效地提高纵向分辩率和测量信号的信噪比，为浅层精细勘探提供了保障。V6系统在牛栏山水源八厂标准剖面的试验，山东莱芜业庄矿突水勘查工作等充分证明，V6系统能较准确地确定目标的层深度，结合地质资料，可以提供含水性的判断。     

大功率激电在承德槽子沟金矿勘查中的应用

应用大功率激电法对深部隐伏矿体的探测是一种行之有效的方法。通过激电中梯对承德槽子沟金矿区进行激电面积性测量,圈定出与金矿伴生的金属硫化物及氧化物引起的激电异常分布区带,利用激电测深查明地下极化异常体的展布,而后结合已知地质、物性资料布置验证钻孔,并取得了较好的勘查效果。本文总结出利用大功率激电方法勘查隐伏金矿的行之有效工作模式,该找矿模式可广泛应用于同类隐伏金矿的勘探之中,必将有力提高物探方法寻找隐伏金矿的勘探水平。     

大功率激电测深法寻找焦家式深部金矿床的试验应用研究

利用大功率的激电测深法可以寻找焦家式深部金 矿。首先,由物理和数学推导建立多层极化体的数 理模型,其数理模型产生的极化场可由多层若干 个极化单元场相叠加而成。由多次去除极化单元 场的原理而导出大功率激电测深资料进行消除浅 部强激电干扰异常的数据处理公式,从而突出了 深部矿床的激电异常。并利用处理后的激电测深 曲线,定量求取了深部金矿蚀变矿化带的顶界面 埋深。     

ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究

在瞬变电磁法中,由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限,早期瞬变电磁信号发生畸变,只能舍弃,因此存在着探测盲区. 针对这一问题,研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程,论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系,分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响,提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法,从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场. 采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统(ATTEM)在长春市伊通河活断层进行勘探,进一步验证了算法的有效性,缩短了瞬变电磁法的勘探盲区,实现了近地表4 m以下的勘探,可以清晰地分辨近地表的低阻异常,提高了浅层探测精度和分辨率.     

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.     

用于地震调查的航空红外遥感实时传输系统研究

该系统提供了航空红外遥感资料的袢时采集和传输，为及时开展地震野外调查工作提供了一个有力的手段。该系统由红外传感器系统、机载站图像和数据实时处理系统、机载站通信系统、转发站通信系统、地面站接收系统、地面站图像和数据实时处理系统组成。     

时空阵列混场源电磁法理论及模拟研究

针对电磁勘探中的混场源输入条件,提出了一种时空阵列混场源电磁勘探方法.假设输入端同时包含天然电磁场源和可控人工场源,输出端进行多站同步观测;基于多输入-多输出系统的分析方法,推导了混场源条件下的时空阵列方程组.提出了系统响应的求解策略,一次性获得所有同步测道对各个场源独立激励时的响应,并分别求取了大地电磁法及可控源电磁法的各种解释参数.在此理论基础上,设计了针对性的施工方案;可控人工场源的选择形式多样,其类型、数量、激励方式及布设位置等不受限制,所有场源的激励可同时进行,无需分步;测区内各测站的布设方式灵活,可根据需要布设单分量测道或多分量测道;同时在测区外布设张量远参考站.利用数值模拟方法,论证了方法的有效性,并与常规方法进行了对比.结果表明,本方法不仅可提高人工场响应的处理精度,还具有一次野外数据采集,可同时获得天然场及人工场电磁响应结果的突出特点,进而提高采集效率,压制噪声影响;本方法集合了天然场源电磁法和人工场源电磁法的优点,为实现不同类型频率域电磁测深方法数据的统一处理提供了思路.

     

闪电与罗兰C信号接收处理系统

基于C/S模式架构,设计闪电与罗兰C信号接收处理系统,并阐述系统中数据采集模块、分析与计算模块、存储与回放模块、多台站数据匹配模块的作用和功能。该系统在安徽省地震局运行以来,工作状态良好,达到设计要求。     

闪电与罗兰C信号接收处理系统

基于C/S模式架构,设计闪电与罗兰C信号接收处理系统,并阐述系统中数据采集模块、分析与计算模块、存储与回放模块、多台站数据匹配模块的作用和功能。该系统在安徽省地震局运行以来,工作状态良好,达到设计要求。     

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.

     

An experiment to study and control the Langmuir sheath around INTERBALL-2

The satellite INTERBALL-2 has an orbit with high inclination (62.8°), covering the altitude range between a few hundred and about 20000 km. The ambient plasma conditions along this orbit are highly variable, and the interactions of this plasma with the spacecraft body as well as the photo-electron sheath around it are considered to be interesting topics for detailed studies. The electric potential of the spacecraft with respect to the ambient plasma that develops as a result of the current equilibrium reacts sensitively to variations of the boundary conditions. The measurement and eventual control of this potential is a prerequisite for accurate measurements of the thermal plasma. We describe the purpose and technical implementation of an ion emitter instrument on-board INTERBALL-2 utilising ion beams at energies of several thousand electron volts in order to reduce and stabilise the positive spacecraft potential. First results of the active ion beam experiments, and other measures taken on INTERBALL-2 to reduce charging are presented. Furthermore, the approach and initial steps of modelling efforts of the sheath in the vicinity of the INTERBALL-2 spacecraft are described together with some estimates on the resulting spacecraft potential, and effects on thermal ion measurements. It is concluded that even moderate spacecraft potentials as are commonly observed on-board INTERBALL-2 can significantly distort the measurements of ion distribution functions, especially in the presence of strongly aniso-tropic distributions.     

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.

     

地磁低点位移与地磁场等效电流体系关系的初步研究

利用地磁内外源场分离的方法,反演得到了1997年11月8日玛尼地震和1998年１月10日张北地震前地下和空间等效电流体系的演化图象,并分析研究了地磁低点位移出现前后等效电流体系变化特征．结果表明,内、外场等效电流体系的变化与地震ldquo;低点位移rdquo;异常现象有着内在的联系,等效电流体系变化可能是地磁低点位移异常现象产生的原因之一。随着我国地磁台站的加密建设,势必可以得到更为精确的地磁场等效电流体系的演化特征,更有利于地震预测的研究。