基于拟大地电磁二维反演技术的磁源瞬变电磁实测资料处理

介绍了磁源瞬变电磁法(TEM)拟大地电磁法(MT)二维反演技术,总结出一套基于拟MT二维反演技术的磁源TEM实测资料处理流程,并对其关键流程进行了较为详细的介绍.对陕西某矿区磁源TEM实测资料进行拟MT二维反演,结果表明:反演结果对异常刻画的更加细致,反映出了近地表的低阻异常,深部的低阻异常范围也更加集中,优于视电阻率拟断面图结果;根据15、17和19线TE和TM联合反演的结果,推断了两条断裂F和F_1~2,F_1~2断裂与已知地层岩性分界面处的断裂相吻合,据此划分了勘探区的地层分布;结合矿区岩矿石电性特征、成矿构造特征和化探异常范围,推断反演结果中的低阻异常可能与成矿相关,为下一步地质下钻提供了物探依据.文章利用拟MT二维反演方法实现了磁源TEM实测数据二维反演解释,并取得了较好的地质效果,得出磁源TEM拟MT二维反演技术可在实际资料处理中予以推广使用的结论.     

中心回线TEM法探测多层积水采空区的可行性（英文）

随着煤矿的深部开采,多层积水采空区探测成为煤田水文物探工作的新内容,中心回线瞬变电磁(简称TEM)法因场结构与地层的耦合关系,对低阻层探测有利。但低阻层的屏蔽作用不仅使得探测同样的深度需要更长的观测时间,而且还会减弱下伏地层的异常响应。本文通过直接时域数值模拟和水平分层大地的模型正演,估算了探测目的层所需要的时间长度,根据噪声对观测数据造成的影响,给出了多层积水采空区可分辨的标准。山西大同达子沟煤矿水文勘探中获得的TEM实测曲线,表现了对多层积水采空区的探测能力。在实测曲线的定量反演解释中,利用电测井资料作为初始参数进行定量反演,约束了煤系薄层的等值性。所推断的三层和两层积水采空区,为钻孔所证实。研究结果表明,当观测时间有足够的长度、下伏地层的异常显示大于观测误差,中心回线TEM法探测多层采空区积水是可行性的。     

采集参数对音频大地电磁法二维非线性共轭梯度反演结果的影响研究

非线性共轭梯度(NLCG)算法广泛应用于音频大地电磁法(AMT)二维反演中,并且取得了良好效果.本文以Rodi(2001)提出的大地电磁法二维NLCG反演理论和算法为基础,开展AMT野外数据采集参数(测线长度、点距、频点数)对二维反演效果的影响研究.通过低阻理论模型的试验结果表明:野外数据采集参数的选择应该以探测目标体的规模、深度以及背景电阻率为依据,测线长度应大于目标体宽度和探测深度的两倍以上,异常体上方测点数及探测深度范围内的频点数至少大于三个.     

基于自适应遗传算法的MRS-TEM联合反演方法研究

地面磁共振法(MRS)因具有定性、定量分析地下水能力,而备受关注.传统磁共振地层含水量反演多采用均匀半空间模型,忽略电阻率分布信息对结果的影响.针对这一问题,本文基于多层电介质中磁共振响应理论,提出MRS与瞬变电磁(TEM)联合反演方法,通过电阻率分布信息对含水量反演过程的实时修正,提高了解释结果的准确度.反演算法采用自适应遗传算法(AGA)进行,基于繁殖规则,动态调整交叉概率和变异概率,解决了标准遗传算法易未成熟收敛而难以得到全局最优解问题.模型数据表明,含噪10%情况下,联合反演仍能较准确地反映地下含水单元模型结构,对比MRS单独反演优势明显.同时,内蒙古白旗野外观测数据联合反演结果与钻井资料基本一致,充分验证了AGA反演算法的实用性及MRS-TEM联合反演的实际意义.     

沁水盆地南部煤层气藏三维音频大地电磁探测

音频大地电磁法以其快速、经济、地形适应性强等优势,在复杂环境下煤层气藏勘探方面具有巨大应用潜力.本文分析了沁水盆地南部煤层气成藏模式,设计了适合音频大地电磁法勘探尺度的三维薄低阻、高阻目标层模型.模型典型测线的二维反演以及三维阻抗张量反演结果表明:在浅表不均匀体存在时,二维TE、TM、TETM模式反演解释会受到三维畸变不同程度的影响,很难判断哪种模式解释最佳.相比而言,三维反演不仅可以提取浅表异常,而且能以更高的分辨率圈出深部薄低阻层分布.但是上述反演手段对薄高阻目标层提取效果不佳,只有对初始模型(甚至目标层)施加电性约束时,薄高阻层反演结果才会改善.综合考虑,音频大地电磁法对薄低阻目标层进行三维探测是最具可行性的.选取沁水盆地南部胡底区块作为研究区,通过音频大地电磁三维反演提取富水低阻目标层分布.推断煤层气成藏模式,识别煤储层并推测储层排采状态,与已有的地质、勘探和生产资料基本吻合.以上分析为音频大地电磁三维探测法在油气藏勘探与动态监测方面的应用提供了有力支撑.     

积水采空区瞬变电磁响应微分解释方法

瞬变电磁(TEM)视电阻率早、晚期计算公式在求取时进行了简化近似,造成部分地电信息的失真.瞬变电磁响应信号衰减过程与介质的电性特征有关,由此引入瞬变电磁响应微分衰减速度和二阶微分衰减速度两个解释参数,力图避开视电阻率计算,以衰减速度表示瞬变电磁探测结果的电性特征.首先研究了不同导电均匀半空间与低阻目标体地电模型瞬变电磁响应微分衰减速度在时间上的变化特征,在此基础上对瞬变电磁响应二阶微分衰减速度进行了分析,通过绘制TEM二阶微分衰减拟断面图实现了低阻目标体地电模型的电性层划分.研究结果表明:电性分界面与二阶微分衰减的"0"等值线相对应,可以用"0"值等值线作为电性分界面的划分依据,即瞬变电磁微分解释方法能够区分不同地电断面,可以用于瞬变电磁探测成果解释.     

层状介质中地下瞬变电磁场全空间效应

全空间效应是矿井瞬变电磁方法固有的特殊理论问题之一.建立了3种典型的层状地质模型,采用时域有限差分法求解Maxwell方程,并引入电磁波衰减因子EA(dB),来分析全空间效应的影响特征及影响因素.研究结果表明,地下瞬变电磁法工作装置中,分离回线装置对低阻目标层的探测效果优于重叠回线装置;相对于半空间低阻层瞬变响应,全空间低阻层瞬变响应的时间范围更宽,因而需要更长的观测时间;全空间效应影响因素为顶、底板内低阻层相对电阻率差异大小和目标层深度与厚度,当目标层电阻率大于顶板内低阻层电阻率时,所观测响应主要为低阻层响应,此时将会增大资料解释的难度.此外,研究还显示,瞬变电磁法对低阻层的纵向分辨率与低阻层厚度相关,厚度越小分辨率越高,当厚度较大时,其纵向分辨能力较差.研究成果为实际工作参数选择及资料处理与解释提供了参考.     

多种频率域电磁法在冷水坑矿集区的应用效果对比

江西省冷水坑矿集区具有浅部斑岩型矿体与深部层控叠生型矿体的复杂组合.利用现代地球物理方法对矿集区地下深部结构进行了探测,对圈定地下容矿、示矿地质信息和认识地下深部成矿过程具有重要意义.本文以位于江西省贵溪市境内的冷水坑银铅锌矿田为试验研究区,开展了混场源音频大地电磁测深法(EH4)、音频大地电磁测深法(AMT)以及可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)三种不同频率域的探测试验,研究和总结了频率域方法以及不同仪器电磁法数据采集特点和应用效果,为频率域电磁法勘探提供借鉴和参考.通过对冷水坑矿集区典型勘探线上三种电磁方法的数据处理,绘制了视电阻率和相位单点测深曲线、原始拟断面及二维反演断面图.发现单点曲线形态基本一样.由于AMT在低频段受矿区工业干扰,视电阻率曲线呈45°上升;视电阻率、相位拟断面对地下电性分层结构基本一样,总体可分为三层,且分层结构较清晰;二维反演断面能够较好反映地下高低阻异常响应,但响应效果有所差异且CSAMT法效果较好.因此在干扰严重地区,建议选用人工源发射的可控源音频大地电磁测深法(CSAMT).     

庐枞矿集区矾山-将军庙地区AMT三维反演及地质结构解释

庐江-枞阳矿集区是长江中下游成矿带内的一个重要的多矿种成矿区.为揭示矾山-将军庙地区的地质结构以指导找矿,首先,在庐枞矿集区北部的矾山-将军庙地区开展了三维音频大地电磁数据采集工作,采用Rhoplus方法进行AMT数据死频带校正保证数据质量,利用相位张量分析地下介质的维性特征;其次,利用模块化三维反演并行代码ModEM开展了实测数据的三维反演,获得了一个典型的具有双层结构特征的火山岩盆地三维地下电性模型;最后通过电性模型及其他地质资料的综合解释,依据反演模型中近地表的低阻层和深部的高阻隆起区,分别勾画出了火山岩地层的厚度和深部侵入岩的分布范围,并在小岭地区发现地表浅部下方存在一个含矿次级火山机构的高导体.     

利用接收函数和大地电磁数据联合反演南迦巴瓦构造结中部地区壳幔结构

利用2010年布设在西藏南迦巴瓦构造结的郎嘎、崩嘎、直白和拉格四个宽频地震台所观测到的近5个月的地震记录,采用时间域迭代反褶积技术处理得到接收函数,通过筛选多条相近震中距和反方位角的高质量接收函数求取其叠加平均.对大地电磁数据做Rhoplus分析处理得到视电阻率和相位曲线.利用单台接收函数和相同位置的大地电磁视电阻率和相位联合反演地下一维壳幔结构.联合反演采用遗传算法,并通过权衡图分析大地电磁和地震数据的兼容性.理论值和实测值的对比显示两种数据能同时得到较好拟合.联合反演结果表明:(1)中上地壳为9 km至14 km厚的高阻高速层覆盖于低阻低速层之上的结构,中地壳低阻低速层可能与深部流体和局部熔融共同作用有关.(2)下地壳存在最厚达20 km的高导的壳幔过渡层,波速在4 km/s左右;上地幔约130 km至150 km以下存在软流圈.(3)上地壳的高阻高速层解释为多雄拉组混合岩化角闪岩相变质岩,而直白台所显示的低阻低速层与高压麻粒岩的少量部分熔融有关,可能源于壳幔过渡带镁铁质岩石的相变或更深处幔源岩浆底侵作用的产物.     

Grounded-source transientE-field modeling of a shallow resistive layer with 3-D inhomogeneity

There is growing interest in the use of transient electromagnetic (TEM) sounding for shallow geotechnical, environmental and groundwater investigations. Two commonly used transmitterreceiver configurations for TEM sounding are 1) loop-loop or its variation, in-loop configuration and 2) wire-loop configuration. The less common configuration of a horizontal electric dipole (HED) transmitter and receiver is treated in this study and called wire-wire configuration.Two important problems of shallow investigation in hard and soft rocks respectively are, defining 1) a fractured/fissured zone of medium resistivity, sandwiched between an overlying surface weathered rock of low resistivity and an underlying fresh compact rock of high resistivity and 2) a body of resistive sand buried in conductive clay. Lateral change in the middle layer resistivity is modeled by including a 3-D body of anomalous resistivity. The effect of perturbing the resistivity of the 3-D inclusion and the host middle layer for the wire-wire configuration is compared with that of the commonly used loop-loop configuration. The wire-wire configuration is found more sensitive to the model perturbations than the loop-loop configuration.1-D inversion of synthetic 1-D data sets for the wire-wire configuration finds resolution and estimation errors to be less than 10 percent for all the model parameters. For 3-D models, 1-D inversion results give a resolution error of 10 percent or less for the depth to, resistivity and thickness of, the 3-D inclusion. The estimate is within 10 percent of the true value for the first parameter but 40 percent for the other two. Resolution as well as estimation of the basement resistivity is always very poor.Using the wire-wire configuration, it is theoretically possible to define a buried resistive layer and any lateral change in its resistivity, subject to the above limitations of 1-D inversion. However, the basement resistivity cannot be estimated with reasonable accuracy in the presence of a lateral inhomogeneity in the overlying layer.     

基于三维正演的音频大地电磁阻抗相位不变量校正技术

复杂地形、地质条件的大地电磁数据解释容易出现假象,采用三维正演技术模拟地形和地表不均匀体的背景响应,对实测数据阻抗相位不变量进行校正,实现更准确的定性分析;对三维异常体模型的合成数据进行一维、二维多参数反演试算,以确定地形剧变区选择反演技术的最佳方案.合成数据的试反演结果显示一维反演水平切片假异常较多,二维反演能压制测向假异常,但不能压制走向的假异常,水平切片多出现测向条带.使用本文提出的阻抗相位不变量校正法扣除地形、地表背景响应,结合一维、二维反演,能使实际资料解释成果更加可靠.     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.

     

Two-dimensional joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data

An algorithm for the two-dimensional (2D) joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data was developed. This algorithm can be used for the 2D inversion of apparent resistivity data sets collected by multi-electrode direct current resistivity systems for various classical electrode arrays (Wenner, Schlumberger, dipole-diplole, pole-dipole) and radiomagnetotelluric measurements jointly. We use a finite difference technique to solve the Helmoltz and Poisson equations for radiomagnetotelluric and direct current resistivity methods respectively. A regularized inversion with a smoothness constrained stabilizer was employed to invert both data sets. The radiomagnetotelluric method is not particularly sensitive when attempting to resolve near-surface resistivity blocks because it uses a limited range of frequencies. On the other hand, the direct current resistivity method can resolve these near-surface blocks with relatively greater accuracy. Initially, individual and joint inversions of synthetic radiomagnetotelluric and direct current resistivity data were compared and we demonstrated that the joint inversion result based on this synthetic data simulates the real model more accurately than the inversion results of each individual method. The developed 2D joint inversion algorithm was also applied on a field data set observed across an active fault located close to the city of Kerpen in Germany. The location and depth of this fault were successfully determined by the 2D joint inversion of the radiomagnetotelluric and direct current resistivity data. This inversion result from the field data further validated the synthetic data inversion results.     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.

     

核磁共振与瞬变电磁三维联合解释方法

传统核磁共振地下含水量解释多采用基于均匀半空间或层状导电模型的一维反演, 分层给出地下含水信息.然而, 这些方法忽略了地下复杂电阻率分布信息对结果的影响, 也不能很好地反映局部三维含水构造.本文从三维电介质中核磁共振响应的正演理论出发, 提出首先利用瞬变电磁数据进行基于等效导电平面法的快速电阻率成像, 然后将成像结果作为核磁共振三维反演的电性模型, 进行联合解释.激发磁场的分布采用有限元法直接求解, 通过引入伪δ源实现电流源的加载, 并强加散度条件排除了三维磁场模拟中"弱解"的影响.针对核磁共振灵敏度矩阵的病态性和数据中存在的干扰信号, 提出考虑罚项的非线性拟合目标函数, 利用线性化方法进行核磁共振反演.模型数据表明该方法能较准确反映地下三维含水构造, 实测算例进一步证明了方法的有效性.本研究将促使核磁共振方法在岩溶、裂隙水、孤立水体等复杂水文地质条件及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

重力及其垂直梯度交叉约束联合密度结构反演方法

重力垂直梯度能突出浅部地质目标, 具有较高的水平分辨率, 而重力异常则可以更好地保留较深场源的信息, 重力与重力梯度联合勘探常用来获取不同深度场源的异常特征.本文提出重力及其垂直梯度交叉约束联合密度结构反演方法, 其采用交叉梯度实现重力与重力梯度数据联合反演, 并将二者单独反演结果作为归一化权函数约束联合反演过程.该方法可有效改善不同参量反演结果集中于异常变化较大区域的缺点, 提升不同深度场源的分辨率, 更加准确地揭示深部场源的分布.模型试验结果表明该方法能清晰恢复不同深度场源的密度结构分布特征, 且具有良好抗噪能力.针对辽源采空区勘查开展重力与其垂直梯度联合测量, 利用本文数据联合反演圈定出了6个采空区, 与以往已知矿点位置完全一致, 且与高密度电阻率法解释结果吻合良好, 为区域规划建设提供了准确的依据.此外, 我们还对长白山火山地区卫星重力及其梯度数据进行反演, 估计了岩浆囊的位置和范围, 且与前人地球物理勘探结果较为吻合, 进一步证明了本文方法的实用性.

     

多孔径瞬变电磁场物理模拟

为了提高瞬变电磁法对地探测精度,提出了一种新颖的瞬变电磁装置一多孔径发射装置,并进行了多孔径瞬变电磁场物理模拟观测.分别使用四孔径发射装置和常规回线发射装置,进行不同收一发距情况下的一次场观测,并对铜板在不同埋藏深度情况下的二次响应进行观测,通过比较两种不同装置下的响应曲线和计算观测数据误差,最终发现使用四孔径发射装置可使一次场强度提高34%,可使二次场强度提高31%.结论表明,多孔径发射源可以改变电磁场的空间分布,认为瞬变电磁场存在类相干现象.研究成果对提高瞬变电磁的探测精度具有很重要的意义.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.