航空瞬变电磁法对地下典型目标体的探测能力研究

航空电磁法的探测能力受飞行高度、发射波形、发射磁矩和发射基频等因素的影响,致使不同分量间的勘探能力存在差异.航空电磁如对所有磁场和磁感应分量、on-和off-time数据进行观测和解释,不仅数据量大、耗时长,而且出现大量冗余数据.目前国内针对此问题尚无系统解决方法.本文针对吊舱式直升机航空电磁系统,采用积分方程法求解频率域响应,经汉克尔变换转换到时间域,计算了地下三维目标体的B和dB/dt时间域响应.利用异常体响应与背景场响应作比值,并通过设定响应阀值定义最大勘探深度,进而分析不同发射波形、不同分量以及on-和off-time期间的航空电磁系统的探测能力.基于本文分析手段,可根据实际勘探目标,确定一套探测能力较强的航空电磁最佳参数组合,为野外测量和数据处理提供技术指导,高效完成勘探任务.     

瞬变电磁法探测浅海掩埋未爆物的三维仿真研究

浅海掩埋的未爆物对近岸海洋环境保护、资源开发、工程建设及人民生活等将造成极大隐患,准确探测、识别并清除这些未爆物对于人类社会发展具有重要的现实意义.本文基于中心回线装置瞬变电磁方法,采用时间域矢量有限单元方法对浅海三维瞬变电磁响应进行了正演模拟,设计多个典型三维模型算例考察浅海瞬变电磁响应特征.不同浅海三维地电模型的仿真结果显示目标电磁响应幅值明显、异常清晰,与模型设计一致.本文研究成果初步验证了瞬变电磁方法探测浅海掩埋未爆物的可行性,对于海洋工程勘察与军事防备提供了有价值的理论依据.     

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...     

华北煤田瞬变电磁勘探深度研究

为研究瞬变电磁勘探在华北煤田的勘探深度,利用瞬变电磁感应电压晚期段表达式,通过指定仪器最小可分辨电压,推导出瞬变电磁勘探最晚可检测出有效信号时间及最大探测深度表达式,计算了特定情况下的极限探测深度和最晚有效信号检出时间:在发射磁矩为10002×20 A.m2,地层电阻率分别为10和100Ω.m时,瞬变电磁勘探最晚有效信号检出时间为209.6 ms和52.6 ms,最大探测深度为1823 m和2889 m;以实测典型华北煤系地层瞬变电磁曲线为例,其计算机反演深度达1400 m;结果表明:采用合适的仪器和正确的工作装置,瞬变电磁勘探可以满足华北煤田目前开采深度的勘探需要.     

BZ参数瞬变电磁法的优势及在沿海滩涂区的验证试验

随着我国一系列发展战略的实施,在沿海滩涂区等低阻环境下开展电磁法深部探测工作的需求越发迫切.传统瞬变电磁法(TEM)一般观测感应电动势(dBz/dt)参数,其响应函数复杂,数据解译难度大,且衰减极快,勘探深度较小,不能满足深部探测的需求.而瞬变电磁法的感应磁场(Bz)参数具有响应函数单调、衰减速度慢等优点,深部探测应用前景广阔.本文首先从理论上讨论了TEM的Bz参数相比dBz/dt参数在响应曲线形态、探测深度等方面的优越性,然后在某沿海滩涂区开展了野外验证工作.理论分析计算和野外试验结果表明,TEM的Bz参数相较于dBz/dt参数有诸多优势,基于Bz参数的瞬变电磁法在滩涂区的极低阻条件下仍具有较强的分层能力、较大的探测深度和较强的适用性.     

有源恒压钳位瞬变电磁发射机技术

针对瞬变电磁系统发射机对大电流、短关断延时、高线性度的技术要求,论文提出一种新颖的基于BOOST升压原理的有源恒压钳位瞬变电磁发射机电路,详细论述了恒压钳位原理和电路设计方法,重点分析了发射电流下降沿及上升沿恒压钳位动态过程、电路参数计算以及钳位电压恒定原理.研制完成钳位电压500 V,发射电流峰值50 A,发射波形为双极性方波的瞬变电磁发射机,并通过一系列测试实验进行验证.测试结果表明,在大电流发射及感性负载条件下,论文提出的有源恒压钳位方法成功实现了电流下降沿快速、线性关断,从而有效提高了发射电流波形质量及瞬变电磁系统对地下目标的探测能力.     

多通道瞬变电磁m序列全时正演模拟与反演

传统瞬变电磁方法主要用于金属矿勘查,无法满足油气资源高阻目标体的勘探需要.多通道瞬变电磁(MTEM)系统的出现解决了这一问题.该方法采用伪随机序列发射波形和拟地震观测方式,测量同线电场分量,记录全时发射电流及多道观测数据,实现对高阻薄层的高精度探测.鉴于国内对此方法的研究还处于理论探索阶段,尚未进行相应的仿真模拟和数据处理工作,本文针对m序列发射波形多通道瞬变电磁法的全时正演模拟和反演解释进行研究,为国内正在进行的MTEM仪器系统研发及数据解释提供理论指导.我们利用方波响应移位叠加和电流导数与阶跃响应褶积两种方法实现理论m序列和实际发射波形的全时正演模拟;再通过相关辨识技术,削弱噪声影响,计算脉冲响应;最后对积分得到的阶跃响应进行共中心点道集数据联合反演,获取地下电性分布信息.     

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.     

瞬变电磁法理论的探测深度问题

本文在给出了瞬变电磁法理论探测深度的定义和考虑了各种干扰等因素的基础上,用电位异常方法计算了瞬变电磁法中的理论探测深度,分析了瞬变电磁法中理论探测深度与线框边长、供电电流和干扰感应电压之间的关系.研究结果表明,如果使用中心回线装置,只考虑发射线框边长发生变化,而其它因素不变时,理论探测深度首先会随着线框边长的增大而增大,当线框增大到在某一值时,理论探测深度达到最大.再增大线框时,理论探测深度反而会减小.     

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.     

发射电流波形对瞬变电磁响应的影响

本文研究了不同发射电流波形对瞬变电磁(TEM)响应的影响,利用自由空间中回线作为目标体,推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应.研究表明:对于低电导率目标体,同种波形激励的响应在有发射电流期间(on-time)与无发射电流期间(off-time)的幅度相近,四种波形中方波激励响应最强.由于off-time采集可以获得更高的信噪比,因而探测低电导率目标体时一般采用方波激励,采集off-time信号.对于高电导率目标体,off-time响应幅度随电导率增加而迅速下降,而半正弦与三角波激励的on-time响应幅度基本不随电导率变化,因而航空TEM可以采用半正弦与三角波进行on-time采集,并通过适当地提高激励电流的基频,以提高信噪比与空间分辨率.     

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-ti...     

基于瞬时电流脉冲的三维时间域航空电磁全波形正演模拟

传统时间域航空电磁全波形正演模拟主要采用间接法(褶积算法)和直接法(时域有限差分方法等),然而褶积算法需要获得精确的电流二阶导数,这给发射电流数据采集工作带来极大挑战;时域有限差分方法受到网格和时间步长的严格限制,缺乏灵活性.为解决这些问题,本文采用时域有限元方法,通过直接改变每个时间道上的瞬时电流强度模拟任意发射波形的电磁响应.由于无需计算电流二阶导数,大大提高了正演结果的精度.利用基于非结构四面体网格的矢量有限元方法和后推欧拉技术对时间域电场扩散方程进行空间和时间离散,实现三维航空电磁时间域全波形的直接正演模拟.由此不仅可以模拟复杂的地电结构,而且基于后推欧拉法的无条件稳定性,可以更加灵活地选取时间步长,提高计算效率.通过与1D数值模拟结果进行对比验证了该方法的准确性.本文对三维柱状体模型上HELITEM MULTIPULSE和VTEM系统实际发射波形电磁响应进行模拟,并与褶积算法的结果进行比较,验证了本文算法模拟实际发射波形电磁响应的优越性.对复杂三维地质体模型上不同发射波形电磁响应进行模拟,验证了时间域有限元算法可有效处理复杂地下地质结构.     

电性源地-井瞬变电磁法全分量响应特性与探测能力分析

结合地面电性源瞬变电磁法（TEM）探测深度大和地-井TEM探测精度高的优点,本文提出对电性源地-井TEM进行研究.基于一维正演理论,本文对电性源在地下激发的六个电磁场分量的扩散、分布特性和探测能力进行分析研究.研究结果表明地下瞬变场各分量的分布特征与地面情况类似,但是对地层的探测能力与地面情况存在较大差别.各分量的探测能力与它们的扩散特性有关,其中受积累电荷作用,垂直电场E_z和水平磁场Ḣ_x分量对目标层的反映最为明显,E_x和Ḣ_y分量在地下扩散时受"返回电流"的影响会出现变号现象,使得异常体带来的影响被掩盖,不易被分辨.本文研究结果为发展电性源地-井TEM的施工技术、数据处理与解释,建立了相应的理论基础,获得了对该方法的初步认识.     

基于合成孔径声学深拖调查的海底浅表层流体活动研究——以SAMS DT6000深拖在琼东南海域调查为例

声学深拖作为一个声学设备搭载平台,主要功能是获取高分辨率的声学数据,精细刻画海底地形地貌特征以及浅层剖面结构,对于研究海底浅表层流体活动系统的类型、形成机制和演化模式有着重要作用.本文介绍的合成孔径声学深拖（Synthetic Aperture Sonar Deep-tow）搭载了合成孔径声呐、浅地层剖面仪以及多波束系统等声学设备,相比于传统的侧扫声呐,合成孔径声呐采用小物理孔径基阵通过信号处理虚拟合成大孔径基阵来获得方位向高分辨率,大大提高了测绘速率,同时结合高分辨率的浅地层剖面和多波束背散射数据,可实现海底浅表层特征的三维立体显示.为查明调查区海底浅层流体活动的声学特征,分析天然气水合物相关的流体渗漏活动性与浅层构造之间的关系,我们利用声学深拖对研究区进行了全覆盖的扫测,获得了高分辨率的合成孔径声呐图像、浅地层剖面资料以及多波束背散射数据,平面上识别出多个呈条带状的海底丘状体,火焰状的流体渗漏,新月形的麻坑构造等流体活动地质构造;浅层剖面上可见气体聚集的声学空白段落,凸起的活跃喷口,以及反射杂乱的柱状浑浊带.通过识别流体活动的特征,我们总结了浅层流体活动演化模式具有周期性：游离气体通过高渗透运移通道上升至海底,首先扩散聚集造成局部沉积物体积膨胀形成丘状体;然后受其各种外界因素影响丘状体崩塌而引起气体渗漏;最后流体逸散剥蚀海底松散沉积物而形成麻坑构造;随着流体排出,喷口重新闭合,流体在地层中再次聚集,聚集的气体又将沉积地层上拱,在麻坑底部又可能生成含气丘状体.海底浅表层蕴藏着丰富的地质信息,这对于研究海底复杂的流体活动有着重要意义.     

海底电性源频率域CSEM勘探建模及水深影响分析

为了探索我国海域油气和水合物等高阻目标体CSEM勘探的可行性和方法技术,本文研究了在海水中水平电性源激励下有限水深海洋地电模型的频率域电磁响应,为进一步的1D和3D仿真计算奠定了理论基础.在推导电磁响应公式时,首先给出了各层介质的Lorentz势,然后根据Coulomb势与Lorentz势的关系,得到了各层介质的Coulomb势.各层介质中的电磁场均可以由Lorentz势或者Coulomb势计算得到,但在有限元计算时Coulomb势具有优势.长导线源的电磁场和势函数可以由电偶源的电磁场和势函数沿导线长度积分得到.文中具体给出了海水中水平电偶源和长导线源在海水层的电磁场公式,并根据该公式计算了不同水深环境下海底表面的电磁场分布,分析了海水深度对海底油气储层电磁异常的影响.结果表明,随着水深减小,异常幅度和形态特征发生明显变化.当水深很浅时(如50 m),只有同线方向的E_x和E_z两个电场分量存在明显异常.最后,以两个已知海底油田为例,计算了不同水深环境下可观测到的电场异常,展示了电性源频率域CSEM在海底勘探中(包括浅海环境)的良好应用前景.对于该方法实用化过程中还需进一步解决的问题,文中结尾部分也进行了初步探讨.     

Seafloor geodetic network establishment and key technologies

Seafloor geodetic network construction involves the development of geodetic station shelter, network configuration design, location selection and layout, surveying strategy, observation model establishment and optimization, data processing strategy and so on. This paper tries to present main technological problems involved in the seafloor geodetic network construction, and seek the technically feasible solutions. Basic conceptions of developing seafloor geodetic station shelters for shallow sea and deep-sea are described respectively. The overall criteria of seafloor geodetic network construction for submarine navigation and those of network design for crustal motion monitoring are both proposed. In order to enhance application performances of the seafloor geodetic network, the seafloor network configuration should prefer a symmetrical network structure. The sea surface tracking line measurements for determining the seafloor geodetic station position should also adopt an approximately symmetrical configuration, and we recommend circle tracking line observations combined with cross-shaped line(or double cross-shape line) observations for the seafloor positioning mode. As to the offset correction between the Global Navigation Satellite System antenna phase center and the acoustic transducer, it is recommended to combine the calibration through external measurements and model parameter estimation. Besides, it is suggested to correct the sound speed error with a combination of observation value correction and parameterized model correction, and to mainly use the model correction to reduce the influence of acoustic ray error on the seafloor positioning. Following the proposed basic designs, experiments are performed in shallow sea area and deep-sea area respectively. Based on the developed seafloor geodetic shelter and sufficient verification in the shallow sea experiment, a long-term seafloor geodetic station in the deep-sea area of 3000 m depth was established for the first time, and the preliminary positioning result shows that the internal precision of this station is better than 5 cm.     

深海海底沉积物声学特性原位测量试验研究

由于实验室测试环境条件与深海海底的原位温压环境存在较大的差异,取样测量的沉积物声学参数通常偏离海底原位状态的真实值.该文利用深水型压载式沉积声学原位测量系统,在水深超过5000 m的西太平洋海域开展了沉积物声学原位测量试验,准确获取了深海底原位状态下沉积物的声速和声衰减系数,并同步采集了沉积物柱状样品.结果显示,实验室测量的沉积物声速、声衰减系数均高于原位测量结果.通过温压校正和数据—模型对比表明,实验室声速比与原位声速比存在较大的差异,难以通过温压校正模型和频散模型完全改正,这可能与深海沉积物的结构扰动有关.较之浅海沉积物,软弱的深海沉积物结构更易受到采样过程的扰动,因而深海沉积物的声学特性测量更为困难,这表明在深海海底声学研究采用原位测量技术具有必要性.该研究标志着我国海底声学研究由浅海走向深海,对推动海底声学的深入研究具有重要意义.     

Seismoelectric and electroseismic responses to a point source in a marine stratified model

We investigate the seismoelectric/electroseismic wavefields excited by a point source in an air/seawater/three-layered porous medium configuration containing a hydrocarbon layer. The results show that if an explosive source for excitation is used, receivers at seafloor can record the coseismic electromagnetic fields accompanying the P, S, fluid acoustic waves and the interface responses converted from the acoustic waves at seafloor interface and from the seismic waves at the interfaces beneath the seafloor. Employing a vertical electric dipole source shows that, with the exception of the interface responses converted from electromagnetic waves at seafloor, the interface responses converted from transmitted electromagnetic waves at the interfaces beneath the seafloor can also be identified. Given that the strength of the explosive source is within excitation capability of industry air guns, the generated interface responses from the hydrocarbon layer can be detected by current electromagnetic sensors considering the low ambient noise at the seafloor. Our results demonstrate the feasibility of the seismoelectric method applied to marine hydrocarbon exploration. Electroseismic modelling results suggest that it is not practical to employ this method to prospect marine hydrocarbon layer due to the weak interface response signal, unless a much larger current is injected into seafloor.