电性源瞬变电磁初探

随着中国经济的发展,油气资源成为制约我国发展主要瓶颈之一.电性源瞬变电磁在油气资源的勘探中取得了不错效果.为此本文开展了对电性源瞬变电磁的相关研究,本文首先对电性源瞬变电磁的两种主要模拟方法,G-S变换和余弦变换做了对比,认为GS变换结果精度较余弦变换精度要高.为了实际工作中解释的方便,又分别定义了电性源瞬变电磁各场视电阻率,为其解释带来了方便.最后,本文对其参数的选择进行了较详细的研究,通过时电性源赤道装置与偶极装置的对比研究,表明赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果,偶极装置可以取得较高噪比的数据.通过对激励源的研究表明,阶跃激励源激发的场视电阻率很好地反映了地质结构的变化,而脉冲波激发的场对异常体反映明显.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,并具有较高的信噪比,Ex场则对高阻体探测效果非常突出.     

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.     

电性源瞬变电磁B场全程视电阻率计算

在传统电性源瞬变电磁资料解释中,常常采用Bz/T求取视电阻率值,由此带来Bz/T计算全程视电阻率多解性.而Bz随电阻率变化是单值函数,由Bz计算全程视电阻率具有减少多解性的优势.为了研究接地源瞬变电磁B场全程视电阻率,文中首先研究了接地源瞬变电磁法Bz和Bz/T响应值随电阻率的变化特性,然后设计不同的地电模型,采用二分搜索算法对B场全程视电阻率进行计算,结果表明全程视电阻率对电性目标体分辨率高,分层能力强,能较好地反映地电断面的信息;另外,全程视电阻率仅与地层的电性结构有关,与收发距无关,便于野外进行接地源瞬变电磁近源测量.在实际应用中,通过把观测的二次感应电压转换成磁场微分数据,再对磁场微分数据进行积分,求取B场数据,并进而求取视电阻率,取得了较好的应用效果.     

电性可控源导线长度对深部三维异常体响应的影响

电性可控源导线长度是可控源勘探中的重要参数.本文借助有限差分法对三维异常体进行正演模拟,讨论了可控源导线长度对三维可控源异常的影响.计算了深部低阻异常体和高阻异常体的异常变化情况.从数值结果可以看出:(1)Ex分量和Hy分量场值大小与源长度的变化近似成正比;(2)当源长度增加到收发距的二分之一时,源中心点处的Ex分量和Hy分量场值增加倍数明显小于远离中心点处的场值增加倍数,进而对异常形态产生影响;(3)源长度的变化对于阻抗视电阻率没有影响.从而总结出电性可控源长度对于深部三维异常体响应的影响规律.     

江宁地电台的电性结构及关于地电阻率观测值的解释

为了探究地表和井下观测的地电阻率值存在的明显差异,本文首先对江宁地电台电性结构进行了探测,并建立了水平层状电性结构模型;然后基于该模型计算了地表和井下观测装置的理论视电阻率值;最后对比分析计算值与观测值。结果表明,地表大供电极距观测装置和井下观测装置的观测值均可以由地下电性结构进行合理解释,即地表与井下观测值的差异是合理的,是由地下电性结构所决定的。      

井下地电阻率观测的探测深度初步研究

对井下地电阻率观测的探测深度进行了研究,计算了均匀半空间和给定结构参数的水平层状介质模型在不同装置电极埋深下的探测深度,分析了探测深度与装置电极埋深和介质电阻率结构之间的关系,得到如下结果:①与地表观测相比,在供电极距为1 km左右时,探测深度随装置电极埋深的增大而增大,且增大的速度与装置电极埋深密切相关;当装置电极埋深h < 100 m时,探测深度的增大速度远小于装置电极埋深h≥100 m时. ②当装置电极埋深h < 50 m时,与地表观测相比探测深度增加很小,不超过10 m;当装置电极埋深相同时,供电极距越大,与地表观测相比探测深度增加得越小. ③对于水平层状电阻率均匀分层结构,在装置电极埋深相同的情况下,下伏低阻结构的探测深度显著大于下伏高阻结构.本文的研究结果表明,为了观测到深部电阻率的变化情况,首先需要查明测区电性结构,再进行综合分析,以确定井下地电阻率观测的装置电极埋深,其结果为深部电阻率变化研究提供了理论基础.      

考虑关断时间的瞬变电磁视电阻率计算及不同波形浅层分辨特征分析

发射电流波形与关断时间会影响瞬变电磁早期响应,导致瞬变电磁浅部信息缺失形成探测盲区．为了分析发射波形对瞬变电磁探测盲区的影响,文中实现了考虑发射波形影响的瞬变电磁全域视电阻率定义方法,并基于该算法对常用的发射波形瞬变响应对浅层电性介质的分辨特征进行分析．首先,采用电流波形与阶跃响应的褶积实现了任意发射电流的全波形瞬变电磁响应计算,将地下电阻率作为全波形响应的函数,利用反函数原理实现了全波形响应的视电阻率计算．然后,以航空瞬变电磁装置为例,利用文中视电阻率计算方法分析了层状介质不同发射波形瞬变电磁视电阻率曲线特征．根据不同盖层厚度视电阻率曲线可知,当覆盖层较厚时,不同发射波形的视电阻率成像结果与模型电性特征基本相近;当盖层厚度较小时,半正弦波、三角波和梯形波等off-time较长的发射波形瞬变电磁响应不能反映浅层的电阻率信息,早期道视电阻率受到深部电性影响,形成了一定范围的探测盲区．最后,利用文中视电阻率计算方法对不同发射波形的复杂三维模型正演的数据进行分析,半正弦波、三角波和梯形波的瞬变电磁响应都能反映异常的地表位置,但会丢失浅部地层信息,深部异常出现时间提前且纵向拉伸．这是由于关断时...     

井下视电阻率观测影响系数分析

采用水平层状均匀介质中点电流源位于任意深度时电位解析表达式,分析了井下对称四极视电阻率观测时影响系数随深度和极距的变化。结果表明对于固定的观测极距,影响系数与电极埋深之间关系复杂;对于某些电性结构和在一定深度范围内,井下观测对表层干扰具有放大作用。对于固定的电极埋深,小极距观测主要体现观测装置所在处的介质层信息,深部介质的影响系数随着极距的加大而增加,浅层影响系数一般先上升后下降;观测极距足够大时,井下观测影响系数逐渐接近于地表观测的影响系数,井下观测的优势得不到体现。本文以天水台为例讨论了实施井下观测时影响系数在选择供电极距和电极埋深过程中的应用。分析结果对在不同电性结构中实施井下地电观测时具有一定的参考意义。     

井下地电阻率观测中地表电流干扰影响计算

本文把地电阻率台站地下介质简化为水平三层均匀介质模型,以点电流模拟地表干扰电流,针对对称四极观测装置,计算了在不同电性结构中的不同深度观测时,地表电流干扰源对对称四极装置地电阻率观测的影响,计算得到:地表干扰源对电阻率观测的影响取决于电性结构的类型和层参数、供电电极和测量电极的埋深以及避开干扰源的距离.本文研究结果对实施井下电阻率观测中台址电性结构的选择、电极埋深、干扰源避让距离等有参考意义.     

接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术

对于接地源时间域瞬变电磁法,当选取适当的激励波形后,可将辐射场与自有场分离开来, 实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探;水平分层大地的解析分析表明,随着偏移距的缩短,接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏;时间域瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定.基于接地源近场测深的优越性,作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM, 采用了1000 m的偏移距对埋深为1400 m的某盐矿溶腔进行探测, 在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露, 验证了SOTEM方法的探测能力.该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段.     

海洋直流电阻率法电测深装置响应分析

海洋直流电阻率法是海洋电磁勘探的重要方法之一,已经在许多海底资源探测中得到实践.本文推导了供电电极位于海底时四层水平层状介质电位表达式和视电阻率计算公式.根据快速汉克尔滤波法,计算含有贝塞尔函数的积分,编写MATLAB程序计算水平层海洋地电模型电位和视电阻率,探究海水深度和沉积层厚度对于视电阻率曲线的影响.研究表明海水越深,海平面对视电阻率曲线影响越小;沉积层厚度越薄,视电阻率异常响应越明显.建立了各种地电模型,并用二极装置、三极装置、偶极装置进行探测,对不同装置获得的视电阻率曲线进行分析,得出偶极装置对于滨海低阻层和高阻层异常反应能力较强.分析了低阻环境下不同装置在不同供电电流下接收端的电位信号强度,研究发现供电电流强度仅在收发距较小时对接收端电位信号强度影响较大,且供电电流越大电位信号强度越高.本文的结果为深入研究海洋直流电阻率法装置类型应用于海底资源探测奠定了基础.     

复杂介质有限元法2.5维可控源音频大地电磁法数值模拟

利用有限元2.5维可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）数值模拟方法,对100Ωm均匀半空间介质中有限长度的电偶极源产生的电场、磁场及视电阻率、相位特征进行了数值模拟,研究了场的空间变化规律. 在一个象限中,场的特征存在双叶现象,当收发距大于4个趋肤深度时,电阻率较接近介质真实的电阻率,这些结果为观测系统和收发距的选择提供了依据. 波数域场的特征表明,低波数对源的贡献占较大的比例. 有限元法2.5维CSAMT数值模拟的优势在于能较准确地获得复杂介质结构的波场特征. 本文结合直立异常体、倾斜异常体及断陷模型对CSAMT电阻率、相位剖面特征及频率曲线特征的可靠性进行了研究. 数值模拟结果直观地给出了异常体的剖面异常形态. 通过对比研究异常体的剖面异常形态和半空间场的特征进一步说明本文方法和软件在模拟复杂介质结构场特征时是可靠的. 这为认识观测数据,指导反演解释提供了较好的依据.     

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.     

深埋电极的地电阻率观测研究

首先研究了四极观测系统装置系数与电极埋深的关系;然后给出了点电流源在3层地壳模型的地表和第二层时,电源所在层的电位的解析表达式;最后将天津宝坻地区的电性结构简化成一个3层模型,计算给出了当地表层和基岩中的电阻率出现变化时,在地表和基岩上层开展四极地电阻率观测结果与供电极距和深度的关系.     

强地震附近电阻率对称四极观测的探测深度

针对我国地震监测预报中固定地点和固定观测装置及参数的视电阻率观测,给出了半空间倾斜各向异性介质中电阻率对称四极观测的理论探测深度,研究了地震前兆信息的检测深度问题,得到：(1)在强地震、孕震晚期阶段,在震中区及附近可检测到地壳近地表较深部介质的电阻率变化,其深度大于或远大于均匀介质之;(2)震级、震中距、观测方向不同或在不同的孕震阶段,探测深度存在差异,甚至存在大的差异,且是动态变化的.并依据理论探测深度讨论了地震视电阻率前兆变化的复杂性、地电台址电性条件等问题.     

线源时间域电测深全期全区视电阻率求解

由于线源一维的正演国内外研究尚少,文中主要利用水平电场分量求取全区视电阻率。通过计算发现水平电场与电阻率之间是一一对应的关系,这使得定义全区视电阻率具有惟一性和可靠性。文中以水平电场定义视电阻率,然后利用二分搜索算法进行全区视电阻率求解。模型计算表明,该方法定义的全区视电阻率能较准确地反映地下电阻率信息。进一步研究发现:对时间域线源而言,在近区算不好晚期的数据,因为电磁波的传播、衰减很快,同样在极远区算不好早期的数据,而且探测深度是随收发距的增加而增大。最后,加入5%的随机噪声后与理论结果进行对比,得到了收发距与最大探测深度的关系。     

通州台井下地电阻率测深初步分析

2020年7月12日唐山古冶 M_S5．1地震发生前,井下小极距地电阻率出现快速下降-折返的变化,变化形态、异常时长符合地电阻率孕震机理变化,但下降幅度远远小于地表大极距地电阻率孕震过程的变化幅度.因此,文章基于通州台地下电性结构和装置系统,采用数值分析方法,分析地表和井下小极距地电阻率的探测深度.结果表明,当底层电性变化区域介质电阻率发生某种减小时,通州台地表和井下小极距地电阻率装置系统地电阻率观测值会下降,下降的幅度随着深部介质电阻率变化区域上界面向上的扩展而增大.相比地表观测,井下小极距电阻率观测能更显著地接收到深部电阻率变化信号,对孕震有更强的反映能力.     

电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像

电性源地空瞬变电磁法具有工作效率高、勘探深度大、采集信号信噪比高、适用于地形地质条件复杂地区等优点.但是,到目前为止,由于尚未建立起该方法的解释系统,大大制约了该方法的发展.本文旨在建立起完整的地空电磁探测系统,丰富整个探测系统的理论.本文围绕地空瞬变电磁法全域视电阻率定义、瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像、逆合成孔径成像方法三个科学问题进行了系统研究.提出了用磁场强度定义全域视电阻率的迭代算法,理论模型试验结果表明计算出的视电阻率曲线首支趋于第一层电阻率,尾支趋于最后一层电阻率,实现了全空域、全时域视电阻率的计算;在先前研究的基础上,实现了适合电性源地空装置的瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像;采用相关迭加技术,实现孔径内多测点数据合成,将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的逆合成孔径处理方法.层状模型试验表明:(1)全域视电阻率能够光滑、完整、渐变地反映出模型的电性信息变化;(2)当改变三层模型中间层电阻率时,全域视电阻率曲线随着参数的改变分异明显,对电性层的识别容易且直观;(3)由于在电阻率计算中同时考虑了接收机高度、偏移距、时间等各参数的影响,全域视电阻率可实现全空域、全时域的视电阻率计算.含水采空区的复杂模型算例表明:(1)根据不同测线的全域视电阻率结果可以看出,在靠近采空区的位置,全域视电阻率断面可以清晰地反映出采空区的空间位置,随着测线离采空区越来越远,采空区异常越来越弱直至消失;(2)波场变换和偏移成像的结果显示存在两个电性差异较大的界面,上界面指示地表,由于空气和大地之间的电性差异较大,故该界面波场信号反映强烈,遍布整个区域,下界面异常信号则主要集中在中部,向外逐渐减弱,指示采空区;(3)逆合成孔径成像结果表明地表界面在合成前后没有变化,而采空区异常合成后范围明显变小,且异常边界清晰,指示的采空区位置与模型吻合很好.本文借助于逆合成孔径雷达成像的基本思想,建立了一套电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法.基于反函数思想结合迭代算法提出的电性源地空瞬变电磁法的全域视电阻率定义方法,实现了全空域、全时域的视电阻率计算;借鉴瞬变电磁拟地震偏移成像算法,实现了瞬变场的三维成像;借鉴逆合成孔径雷达的思想,提出电性源瞬变电磁地空逆合成孔径算法,进一步提高了成像的分辨率.采空区模型算例表明相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点,证实了瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法的有效性.     

层状介质二维电阻率扰动反演方法

为解决考古、工程地质和地下水污染勘查中某些探测靶体与周围介质间电性差异不大的地质问题,本文提出了层状介质背景下二维电阻率扰动反演方法．根据观测得到的背景剖面视电阻率断面,确定出背景场的电性层结构,利用电阻率扰动方法计算出敏感矩阵,通过广义逆矩阵法求解出电阻率的增量．在商丘地下夯土城墙的应用表明,该方法有效地抑制了夯土城墙的旁侧效应和地下水噪声的影响,揭示出地下夯土城墙的埋深与几何形态．     

地电阻率法中勘探深度和探测范围的理论讨论和计算

本文对地电阻率法中两个常用的基本概念——勘探深度和探测范围进行了理论探讨和计算,分析了电法勘探中关于这两个概念的若干问题和不足。为了适应地电阻率法比较台址条件和研究其探测能力的需要,在分析这些问题的基础上,运用层状介质视电阻率的理论公式提出了勘探深度的新定义。用统一的标准给出了若干不同电性结构、不同装置下的勘探深度的定量结果,并具体讨论了探测范围上、下界面理论位置与介质表层及深部电性变化量大小、装置极距、仪器精度等参数之间的关系。指出在均匀介质、四极对称装置下,利用精度为1级的仪器探测下界面的最大深度可达极距AB的1.5倍左右的新结论,以及给出了加大探测范围的理论途径。最后本文还讨论了两个概念的差异和联系以及在一般非均匀介质条件下求得勘探深度的原则方法。