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.     

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.     

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.

     

横向各向同性介质中用于井-地传输的电磁波的准确快速计算

井-地电磁传输系统是解决随钻测量(MWD)中观测的各种参数(井斜、井周速度、电导率、孔隙度)和井场的指令在井-地间实时传输问题的新思路,应用潜力巨大,受到了相关研究人员的广泛关注.本文提出了一种在横向各向同性介质中精确、快速地模拟井-地电磁传输中电磁波传播、分布的方法,为井-地电磁传输系统的设计、开发提供必要的支持.该方法利用矩量法将沿钻杆分布的电流离散,并基于钻杆上电流分布与格林函数的乘积的积分对散射电磁场进行计算,经过与基于有限元法的COMSOL软件模拟结果对比,验证了该方法的有效性.同时还讨论了钻杆电导率、工作频率、横向各向同性异常层、目标层电导率等参数对电磁场的影响.研究发现高电导率的钻杆能提高电磁波的辐射能力,钻杆上电流分布、地面接收的电压信号对地层模型横向电导率的变化较电导率垂向分量变化更敏感.

     

控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术

为达到海洋可控源电磁探测和远参考测量的目的,研究控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术,包括发射前与GPS的对钟技术和发射中的同步技术,保证仪器工作的时间和公共的时间基准GPS信号保持精确一致,为后期的数据处理解释提供统一的时间坐标.对钟技术是指,在海洋调查船上完成仪器内部RTC芯片分频所得的秒脉冲信号RTC_PPS与GPS秒脉冲信号PPS时钟沿的同步;同步技术是指,海底工作过程中,仪器在预定的时钟沿将可控源信号精确发射出去.本论文采用CPLD芯片、RTC芯片、GPS模块和AVR单片机来完成对钟和同步模块的设计.     

金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展

地球物理勘探技术是深部矿产资源勘查的主要技术手段.长期以来,我国地球物理勘查技术和仪器严重依赖国外进口,国产勘查技术无论仪器设备,还是方法、软件尚不能满足日益增长的深部矿产勘查需求."十二五"国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境技术领域设立了"深部矿产资源勘探技术"重大项目,以提高深部矿产资源探测的深度、精度、分辨率和抗干扰能力为目标,研发高精度重磁探测技术、电法及电磁探测技术、地震探测、钻探和井中探测技术和装备.经过4年的攻关研究,突破了高精度微重力传感器、铯光泵磁场传感器、宽带感应式电磁传感器等10余项关键技术;研发、完善和升级了地面高精度数字重力仪、质子磁力仪、大功率伪随机广域电磁探测系统、分布式多参数电磁探测系统等18套勘探地球物理仪器设备;创新和完善了20余项勘探地球物理数据处理、正反演方法,研发和完善了2套适合金属矿数据处理及解释的大型软件系统,和8套其他专用软件系统,大幅度提升了我国地球物理勘探技术水平.本文旨在介绍项目取得的主要成果,首先回顾我国地球物理勘探技术的发展历程,然后再重点介绍"深部矿产资源勘探技术"重大项目取得的主要成果和进展,最后对发展我国地球物理勘探技术提出作者的看法和建议.     

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法（Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM）凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

     

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.     

交流高压输电线工频电磁场精确计算与特性分析

交流输电线产生的工频电磁场及其谐波成分一方面会对传统电磁法的观测信号造成极大干扰, 另一方面也可将其利用进行大地电性结构探测.电力行业以及传统地球物理领域在计算输电线工频电磁场时都存在诸多近似和假设, 计算精度较低.本文同时考虑输电线实际排列形式和大地电导率, 给出了输电线工频电磁场的准确计算方式, 并对其特性进行分析.结果表明, 实际输电线产生的电磁场与传统上基于单条无限长导线获得的结果并不一致, 各相线空间位置会导致叠加后的电磁场在多处存在变号现象, 使得电磁场随距离增大并不是光滑衰减, 且实际输电线产生的电磁场随距离增大整体上衰减的速度更快, 但在几千米范围内其强度仍不可忽略.本文提出的特定输电线系统产生的工频电磁场计算方法对规避或利用该电磁场都具有重要意义.

     

无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用

以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统,具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点.本文基于二维有限差分方法,分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响;在此基础上,采用32位Cortex-M3内核处理器,以全差分模拟前端压制电磁干扰,实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储,研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统,并基于Wi-Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控.通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点,采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除.研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载,在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验,地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比,证明了地空电磁探测方法的有效性.无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验,为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路.     

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.     

吊舱式直升机频率域电磁系统性能及应用效果

IMPULSE系统是2003年2月从加拿大Scintrex公司引进的吊舱式直升机频率域电磁、磁综合系统.该系统采用新型的宽带技术,数字化程度较高,系统较为灵活,尤其适合于地形较为复杂地区的矿产和水工环勘查工作.目前该系统已经完成了飞行试验和4个测区的试生产测量工作,并在地下煤火勘查、矿产勘查等方面取得了明显的效果,实践证明该系统在地质和水工环勘查中具有良好的应用前景.     

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.     

被动式超低频电磁法在深部地热资源勘察中的应用——以JR-119井及JR-168井为例

分析了深部地热资源勘察中的地球物理电磁法应用现状,阐明了被动式超低频电磁法在深部地热资源勘察中的可用性和优势;重点论述了被动式超低频电磁法在深部地热资源勘察中的探测机理.利用北京大学研制的BD-6型被动式超低频电磁探测仪在京热119井和168井附近布点探测,在探测过程中利用硬件滤波和水平旋转探头方向的方法消除了工频50Hz的部分谐波干扰,同时探测曲线的重复性也非常好,得到了相应井位的超低频电磁探测数据.在对深部热水储层和盖层岩性界面进行地质解释后,得到热储层赋存深度的绝对误差为23-50 m,盖层岩性界面的相对误差小于6.3%.探测结果表明借助被动式超低频电磁探测仪,可以较准确地获得深部岩溶裂隙地热水的分布信息.     

基于频谱分析识别电磁波信号干扰与地震异常

处理北京地区2009-2012年5个高采样率数字CNEM08-Ⅰ型电扰动台站数据,通过频谱分析,研究数字电磁波正常本底信号,地铁、地电供电、电磁感应等于扰信号,以及地震异常信号的频谱特征.结果表明：在时间域,数字电磁波的持续型干扰信号与震前电磁波信号表现相似,为连续高值脉冲信号;而在频域,数字电磁波干扰信号往往影响频带较窄,优势频率能量突出,优势频率频带窄到近乎以谱线的形式出现,谱线具有离散性、谐波性、衰减性特征;而震前信号具有连续的较宽频带,衰减较慢.     

瞬变电磁探测系统(CASTEM)试验对比——安徽颖上大王庄铁矿

为推进国产电磁勘探设备的高端化进程,自主研发了CASTEM瞬变电磁系统.在前期系统开发、测试及集成基础上,开展野外试验研究,以检验CASTEM系统的稳定性及探测能力.选择已取得显著勘探成果的安徽颖上县大王庄铁矿进行试验,试验内容包括大功率发射机性能、接收系统噪声性能、实测响应曲线和反演效果,并与国际高端瞬变电磁仪在上述几方面进行了对比.试验结果表明CASTEM系统的各项指标性能稳定、可靠,已达到国际先进水平;探测成果与高端瞬变电磁仪器探测成果以及钻孔资料相吻合,表明CASTEM系统可以用于深部勘探.     

地震应急指挥系统关键技术和总体设计

地震应急救灾指挥系统是一项复杂的系统工程,工程内容包括计算机软硬件平台、应急响应系统应用软件（灾害评估、应急对策）开发、数据库（专家知识系统）、3S（GIS、GPS、RS）技术应用、网络、通讯、投影、声像、监控、系统总体集成和有关理论研究,以及基建、场地布局、消防、供电、环境（新风、温、湿度）控制、装饰装修等。本文只从宏观的角度,阐述应急系统的关键技术和总体设计。     

瞬变电磁法中关断电流的响应计算与校正方法研究

关断电流的存在直接影响仪器的探测能力和数据资料的解释.为了分析和校正这种影响,文中给出了关断时间的计算方法,根据多匝回线源产生的瞬变场理论解析式,计算了线性和半正弦关断电流影响下瞬变场表达式,计算半正弦关断电流产生的瞬变场时将正弦函数进行泰勒展开;分析了关断时间在2μs～100 μs之间两种关断模式产生的瞬变响应.结果显示;同一关断时间下线性关断电流和半正弦关断电流对瞬变场的影响主要表现在"早期",并且随观测时间的增加影响逐渐减弱.同时,关断时间越长,关断效应对瞬变场的影响越向瞬变"晚期"延伸;半正弦关断电流对瞬变场的影响大于线性关断电流.当关断时间为100 μs时,关断电流产生的瞬变场曲线约在0.5 ms之后与理论曲线重合.研究结果为数据处理和仪器开发提供参考.