时间域航空电磁法研究进展综述

本文介绍国内外时间域航空电磁法的发展历史和现状,包括仪器系统、数据处理、正反演算法和应用实例。认为我国的这项技术应朝以下几个目标发展：（1）完善的仪器系统,减小噪声干扰, 提取更多的有用信息。（2）高效的数据处理方法,有利于发现小规模的异常体。（3）适合航空电磁数据的正反演稳定算法。（4）精细的解释方法。结合多源信息综合解释, 加强与实际勘探相结合,参考其它已有的航空物探方法解释手段,提高解释精度。     

海洋可控源电磁法2.5维有限元正演模拟研究

为了消除源点的奇异性问题,在源点利用delta函数离散。设计一维的层状模型,验证海洋可控源2.5D有限元数值模拟算法的正确性和精度;考虑到在海中洋流、海底地形起伏变化大以及海底介质电性结构复的影响,海洋可控源电磁的发射源会发生倾斜、旋转、位置偏离测线,因此定义了任意取向的发射源。实际应用证明,发射源姿态变化以及不同发射频率和油气层参数,对海洋可控源电磁场响应都有很大地影响。     

频率域航空电磁三维矢量有限元正演模拟

目前有限元技术的开发及在电磁勘查技术中的应用已日趋成熟.然而,有限元正演模拟主要集中于地面和海洋电磁,航空电磁三维有限元模拟尚没有受到足够重视.以前人工作为基础,利用结构化网格实现了航空电磁系统的三维矢量有限元正演模拟.从二次场双旋度矢量非齐次亥姆霍兹方程出发,应用广义变分原理推导出变分方程,并采用六面体单元剖分,将场置于单元棱边上,对每个单元应用线性插值,最后合成含有稀疏矩阵的线性方程组.针对航空电磁多源性问题,利用MUMPS(multifrontal massively parallel sparse direct solver)直接求解器进行求解,在保证精度的前提下大幅度提高计算速度.利用单个异常体模型检验算法的精度和软件的稳定性,进而通过典型地电模型的模拟验证算法的有效性.对不同地下电性结构正演模拟结果进行对比分析,进一步研究了覆盖层和垂直接触带等典型构造对航空电磁响应的影响特征.      

时间域航空电磁响应数值模拟的精度分析

分析说明了G-S变换和汉克尔变换的计算精度,当n=12或16时,G-S变换适用范围广且能保证精度;而汉克尔变换计算的相对精度达到10-6数量级;并且基于时间域航空电磁法偶极—偶极装置一维正演算法,在选取不同参数时,对航空电磁响应数值模拟精度进行了分析。结果表明G-S变换n值的选取对计算精度影响相对较大,而汉克尔变换中滤波参数的选取对计算精度影响较小。     

2.5维电磁响应的有限元模拟与波数取值研究

利用有限元法实现了任意方向偶极子源在二维介质中频率域电磁响应的数值模拟,研究了波数取值对模拟结果的影响.通过对构造走向的Fourier变换,将全三维电磁问题,转化为一系列二维问题,并在波数域求解,极大地减小了计算工作量,导出了波数域耦合适用于二维电性介质中任何方向电或磁偶极子响应计算的电磁场方程.针对每个给定的波数,上述耦合电磁场方程用等参有限元方法在x-z平面内求解.采用Fourier逆变换,将波数域解积分,得到空间域电磁场.针对电磁模拟计算中,源点的奇异性,采用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,使数值解精度得以提高.另外,采用等参有限元,使地下复杂地质体得到准确表达.利用不同波数值对均匀介质与层状介质的模拟结果与解析解的对比,验证了算法的正确性与精度.利用层状介质模型的解析解与数值计算结果的对比,分析了波数的优化取值范围及取值点数对数值模拟结果的影响,考察了算法对非均匀介质的适应性.     

CSAMT 2.5维有限元数值模拟

对三维场源二维地电模型的正演计算称为2.5维数值模拟。这里从麦克斯韦方程组出发,1分别求解电磁场的一次场和二次场,将三维场源降为二维;2利用傅氏变换将空间域方程转化为波数域,应用有限元求解波数域电磁场方程,引入无限元解决无穷远边界的收敛问题;3根据电磁场值实虚部的曲线特征,按对数等间隔选取21个波数。编写代码计算均匀半空间与解析解结果对比,电阻率的均方相对误差均小于0.5%,证明其有效性。计算了三种地电模型的电磁场响应,对单一高、低阻体和高低阻组合体的模拟效果真实,异常中心位置基本吻合。结果证明,这里的CSAMT2.5-D正演算法可以模拟较为复杂的地电模型,并取得良好的效果。     

频率域电磁剖面有限差分法2.5维正演数值模拟

对于实际生产中遇到的2.5维问题,从麦克斯韦方程组出发,把地电参数变化小的走向方向转化到波数域,用一系列波数模拟三维源的特征,并在波数域中,得到2组关于Hx (k_x,y,z)和Ex (k_x,y,z)的偏微分方程。选取适当的kx值,用有限差分法在y-z平面的网格中求解,再通过反傅里叶变换得到空间域中的电磁场。在验证了算法的正确性之后,对不同埋深的直立异常体、倾斜异常体及断陷模型进行了数值模拟,其结果直观地显示了异常体磁异常的形态,同时研究了程序对低阻异常体的横向分辨率。对层状大地模型,用井间收发方式进行了模拟研究,并取得了较好的结果,这对今后实际勘探应用奠定了基础。     

时间域航空电磁法在多年冻土调查研究中的应用

多年冻土空间分布调查在冰冻圈研究中具有重要意义。目前国内冻土空间分布调查通常采用地面物探结合测井的探测方法,获得局部点上或线上数据,或者采用不同的遥感模型,模拟估算区域性多年冻土厚度。笔者利用获取的时间域航空电磁数据,根据电阻率计算结果推断多年冻土空间分布特征。推断结果与已知测井资料对比分析表明,根据时间域航空电磁数据反演结果推断的多年冻土层厚度与已知测井测温确定的结果平均误差为18.5%,表明采用时间域航空电磁法开展多年冻土厚度调查是有效的,具有较高的准确性。由于时间域航空电磁测量具有高效、受地形影响小等技术优势,可应用于青藏高原、东北大兴安岭等地区的大面积、快速、定量化的多年冻土调查,为全面调查研究多年冻土空间分布及其对生态环境变化的影响提供新的、有效的技术解决方案。     

全波形时间域航空电磁探测分辨率

时间域航空电磁系统的传统记录方式存在不能探测高导异常等不足。以导电薄板为模型,研究了梯形波激励、全波形记录方式下的探测分辨率。采用等效涡流环近似方法,在计算了任意位置两线圈互感的基础上,实现了薄板电流关断期间和断开期间感应电动势的数值计算。数值计算表明:当存在覆盖层时,如果测量系统最小分辨率为5 nV/m2,在电流断开期间可检测目标体电导为1~400 S,在电流关断期间可检测目标体电导为0.1~1 000 S。时间域航空电磁系统采用全波形测量,可以拓宽电磁系统检测异常电导的分辨率孔径。     

时间域航空电磁系统探测深度研究

时间域航空电磁系统探测深度与采样时间、发射磁矩、大地电导率、仪器背景噪声和灵敏度等诸多因素相关。本文基于时间域航空电磁一维正演对时间域航空电磁系统探测深度进行研究。正演算法从麦克斯韦方程出发,结合准静态近似条件,得到一维层状介质上空中心回线频率域电磁场响应的垂直分量,并采用汉克尔积分进行计算,进而通过时-频变换获得时间域电磁场响应。探测深度研究参考仪器背景噪声水平,通过设定最小可识别信号阈值（本文设定为系统背景噪声三倍）获取最大可探测分离时间,进而利用该分离时间结合平均电导率求取最大探测深度。最后本文以VTEM系统为例,对不同层状介质模型以及不同发射磁矩、背景噪声、发射脉宽和飞行高度下的时间域航空电磁系统最大探测深度进行分析和讨论。     

频率域航空电磁法人机交互式二维正演研究

研究了频率域航空电磁法的电磁场理论、边界条件、有限元单元法求解等内容,重点介绍了网格剖分原理,实现了人机交互网格剖分软件以及二维有限单元数值模拟算法.通过二维数值模拟计算,了解了圆柱体模型的响应曲线特征,提高了频率域航空电磁数据的解释水平.     

二维有限差分时间域电磁偏移

我们已推出一种二维有限差分时间域（ＦＤＴＤ）偏移算法,有限差分方法的优点在于它能很地应用于各种电导率背景模型,比较ＦＤＴＤ算法和积分方程（ＩＥ）算法的电磁偏移计算结果表明,有限差分法结果比ＩＥ结果能更好地反映电导异常,对于含有榀 的数据也可提供稳定的图像。Ｍｉｎｄｃｏ的地球物理学家们,跨跃日本的Ａｗａｊｉ岛的Ｎｏｊｉｍａ断裂带,开展了ＴＤＥＭ法工作,并利用有限差分偏移方法测定了与断裂有关的导电破碎     

固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展

基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机平台, 开展了专用飞机改装、大磁矩发射、三分量接收、海量数据实时收录等关键技术攻关, 研制了具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁勘查系统样机; 成功开展了半航空试验试飞, 系统样机功能、性能等达到了世界先进水平。固定翼时间域航空电磁勘查系统研发取得关键进展。     

时间域航空电磁数据加权横向约束反演

传统的单点一维反演技术处理时间域航空电磁数据得到的电阻率和层厚度容易呈现横向不连续性,导致层界面不光滑。即使相邻测点的反演结果也会出现突变现象,与实际地质情况不符,给解释工作带来困难。笔者针对时间域航空电磁数据空间采样密集、在沉积岩地区工作时地下电性结构横向连续性较好的特点,研究了时间域航空电磁数据参数加权横向约束反演方法。反演时同时考虑数据拟合、相邻测点电阻率和层厚度横向约束以及深度横向约束,利用参数加权来调整对各层模型参数和深度横向光滑度的约束强度。通过对理论和实测数据反演并与传统的单点一维反演结果进行对比,验证了拟二维横向加权约束反演是处理时间域航空电磁数据的有效方法。横向约束反演结果电阻率和层厚度横向光滑连续,层界面清晰。引入参数加权实现对不同参数横向光滑度和连续性的制约,可进一步提高反演解的稳定性。加权因子对反演结果有较大影响,在实际应用中,应该综合考虑地质资料选择合适的加权因子。     

时间域航空电磁电阻率和磁导率全时反演

为了减小时间域航空电磁法在强磁性地区应用时产生的磁极化电流对反演的影响,提出了一种在雅可比矩阵中加入磁导率偏导数,将电阻率、磁导率和层厚进行全时同步反演的方法。将磁性均匀半空间模型、单个磁性模型和多个磁性层模型的时间域响应添加高斯噪声作为模拟数据进行全时反演,得到的模型与理论模型拟合较好,拟合误差均在3%以下,验证了本文算法的有效性,说明在强磁性地区本文提出的算法能有效解决地下介质的电性分布。     

时间域电磁法(TEM)

时间域电磁法(TEM)具有较高的分辨率、信噪比和工作效率,是当前应用日益广泛的电法类地球物理勘查方法。其中地面瞬变电磁法的地质效果更为显著,它主要用于:硫化金属和有关的铀矿探查;煤田及油气藏探查以及水文及工程地质探查。野外测量设备的主要生产厂家有美国、加拿大等有关地球物理仪器合同,其中有代表性的是GEONICS公司生产的EM37-3     

基于Debye模型的时间域航空电磁激电效应正演模拟

时间域航空电磁法是一种高效的地球物理勘查方法。由于激电效应的存在,晚期道电磁数据经常会出现符号反转现象。此时,传统的不考虑激电效应的成像和反演方法无法恢复地下真实电性结构,因此需要开发含激电效应的电磁正反演模拟技术。本文提出了一种基于非结构有限元的时间域航空电磁激电效应三维正演算法。为描述介质的激电效应,引入Debye模型,利用频时转换将其变成时间域导数形式,进而采用无条件稳定的二阶后推欧拉方法进行时间离散。之后,采用基于非结构四面体网格的矢量有限元法,对麦克斯韦方程进行空间离散,实现含激电效应的时间域航空电磁正演问题求解。通过与均匀半空间模型的一维半解析解进行对比,验证了该算法的准确性。最后,计算了半空间和三维地质体具有不同极化条件时的电磁响应,发现可以根据航空电磁响应曲线的衰减特征,有效识别围岩及异常体的极化特征。此外,激电参数对时间域航空电磁系统的影响特征研究表明,地质体电阻率越高或者充电率越强,极化效应影响越严重。