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.     

电性源地-井瞬变电磁法三分量响应特征分析

地-井瞬变电磁法是在地面发射,井(钻孔)中接收的装置形式,能够利用已有钻孔使接收探头深入地下更加接近矿体,获得更加可靠的目标体信息.文中针对复杂地形地区矿区深部找矿面临的实际问题,提出了电性源地-井瞬变电磁法的思路,并以FDTD正演模拟来研究均匀半空间瞬变场的空间分布以及一维、三维模型钻孔中的三分量瞬变响应特征,以期获得理论模型三分量响应特征规律,为实际勘查提供参考.理论模型计算结果表明,电性源地-井TEM方法三分量瞬变响应曲线对于电性界面、异常体具有良好的反应.     

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.

     

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.     

浅海瞬变电磁全波形响应特征及探测能力分析

瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发射波形条件下浅海瞬变电磁on-/off-time响应受海底介质电导率、磁导率及发射波形脉宽等参数的影响特征与规律;通过三维正演并设定极限探测深度阈值,进一步分析不同发射波形on-/off-time期间浅海瞬变电磁探测能力及对典型三维目标体的极限探测深度.基于本文研究成果,可为浅海瞬变电磁探测装置设计、观测系统的参数选取及试验参数的选取等提供了一些有价值的理论借鉴.

     

虚拟波场降速条件下电性源瞬变电磁垂直磁场分量的波场反变换方法

通过波场反变换从瞬变电磁信号中提取虚拟波场是定位电性界面和刻画地下导电目标形态的有效手段.波场反变换过程中, 降低虚拟波场速度有利于改善虚拟波场对电性界面的分辨能力.然而, 波场变换核函数随时间、虚拟时间以及虚拟波场速度变化的动态范围极大, 且随虚拟波场降速而进一步扩大, 造成波场反变换问题高度不适定, 制约了虚拟波场提取的精度和效果.对此, 在虚拟波场降速的条件下, 本文以核函数在无穷区间上积分的解析解为准绳, 通过最优化与数据拟合得到了经验公式, 确定了波场反变换所需的最优积分区间; 在适应采集时间与虚拟波场速度的同时, 最大限度缩短了积分区间长度, 降低了核函数变化的动态范围, 压制了波场反变换方程的病态程度.此外, 通过引入精细积分方法求解波场反变换方程, 提高了波场反变换方程的求解精度.为验证方法的有效性与可靠性, 对正演模拟的电性源瞬变电磁垂直磁场分量及其时间导数分量进行了波场反变换; 结果回代后的拟合数据与正演数据的相对误差小于5%.在所提取的虚拟波场记录中观察到了合理的运动学特征, 如实反映了低阻目标层深度、厚度和二次场观测时间范围的变化.在计算条件相同的前提下, 通过降低虚拟波场速度, 改善了波场反变换的精度和效果.降速后提取的虚拟波场记录对低阻层上下界面的刻画更为清晰.在对实测数据的处理中, 本文的虚拟波场降速、积分区间最优化和精细积分求解方法得到了合理可信的虚拟波场提取结果, 为进一步利用虚拟波场开展低阻目标体成像提供了数据保障.

     

瞬变电磁横磁场响应特征与探测能力分析

瞬变电磁法是重建地下电阻率等电性结构的重要方法.传统磁性源和电性源瞬变电磁法主要观测横电极化场,横电极化场仅对良导目标敏感,对高阻目标的分辨能力有限.横磁极化场对高阻目标具有较强的分辨能力,但未得到有效利用.双线源瞬变电磁法可以增强观测电场中横磁极化场的占比,但对该方法的响应特征和分辨能力缺乏系统性的研究.为此,本文以双线源为例开展瞬变电磁横磁场响应特征与分辨能力分析.双线源瞬变电磁水平电场的响应强度要小于传统接地导线源,在发射源的中垂线上,层状大地模型的响应为零,观测的水平电场响应只能由地下的三维目标体产生.分别提取双线源和传统接地导线源激发电磁场中的横磁场和横电场,双线源瞬变电磁场中的横磁场占比要大于传统接地导线源,特别是在中晚期,横磁场远大于横电场,横磁场占比得到明显增强.通过均方根差和三维数值模拟的计算,双线源瞬变电磁水平电场显示出相较于传统接地导线源更强的高阻目标分辨能力,特别是在赤道向,水平电场对高阻目标分辨能力的增强效果更加明显.

     

回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m².利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的...     

等值反磁通原理瞬变电磁法探测薄层能力

等值反磁通原理瞬变电磁法(OCTEM)的应用日益普遍.为了研究其探测能力,论文基于正演层状模型的瞬变二次磁场时间导数响应,以包含薄层的响应和不包含薄层的背景响应的相对误差作为评价指标,对比分析了不同埋深、不同厚度、不同电阻率薄层以及不同电阻率围岩等情况下的瞬变电磁响应相对异常.结果表明:OCTEM对低阻薄层较对高阻薄层更敏感,薄层与围岩电阻率差异越大,薄层厚度与埋深比越大,越容易被探测到.以响应相对异常值15%作为临界标准探讨了OCTEM方法的探测能力(薄层厚度与可探测埋深的百分比):对于低阻薄层,当与围岩电阻率比值为0.1时,OCTEM探测能力约为1.5%;对于高阻薄层,当与围岩电阻率比值为10时,OCTEM探测能力约为20%.相同情况下常规单磁源瞬变电磁法的探测能力分别为2%和25%,略低于OCTEM对薄层的分辨能力.     

矿井瞬变电磁法超前探测合成孔径成像研究

在矿井瞬变电磁超前探测数据处理和解释中,为了更好地识别巷道前方含水体电性分界面,利用扩散场与波动场间的函数关系,将矿井瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场,实现波场转换.同时,为了解决波场转换后信号幅值偏弱,以增加信噪比利于解释,利用雷达的合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理.将矿井瞬变电磁法巷道超前探测的同一测点不同探测方向的数据作为孔径数据进行合成孔径成像,以突出弱异常而提高信噪比,结合应用实例验证了方法的效果.研究表明,矿井瞬变电磁法合成孔径成像方法能够提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率,对矿井瞬变电磁法精细超前探测含水构造具有重要的理论意义和应用价值.     

编码震源提高地震探测能力的野外实验研究

地球深部结构研究是地震预报和地球动力学研究的基础,传统人工地震受到探测深度、分辨率或震源能量的环保限制,探索利用小能量震源进行深部高分辨率探测技术具有重要意义.本文借鉴雷达探测中的编码原理,开展了震源编码探测实验,利用人工震源向地下发送具有独特特征的随机编码序列脉冲,作为一次等效激发,利用准确记录的编码震源的源函数与地震连续观测的互相关进行“解码”分析,获取地下信息,形成编码地震探测技术.实验表明编码地震能够大幅度提高地震探测能力,利用小能量震源获得远距离的探测和高分辨率,是一种具有重要发展前景的人工探测技术.     

瞬变电磁传感器阻尼特性的标定研究

传统瞬变电磁法（TEM）认为临界阻尼匹配时传感器响应快、无振荡,为最佳匹配方式.本文通过建立基于标定环的TEM系统标定模型,理论证明当略欠阻尼匹配时传感器响应最快、时域畸变最小,为最佳匹配方式.本文采用基于实测数据的背景场剔除方法将一次场和大地响应剔除,通过对不同阻尼状态下标定环早期响应畸变的定量评价,实验证明传感器在略欠阻尼匹配状态下二次场响应畸变最小.本文理论和标定实验均证明,在纯二次场观测方式下,采用略欠阻尼匹配方式能够显著降低早期响应畸变、提高系统浅层探测能力,是浅层探测时传感器最佳匹配方式.     

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(ðB/ðt)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.     

偶极子假设引起的大回线源瞬变电磁响应偏差分析

偶极子假设下的场点近似解与场点的瞬变电磁精确解存在一定的误差, 文中对偶极子假设引起的误差进行了探索性研究.首先分析了由恒定电流偶极子公式"比拟"出的谐变偶极子位函数解.分别计算了静态场中磁偶极子和电偶极子的近似解与各自对应的未做偶极子假设的电流环和载流导线的精确解之间的误差值,然后分析了谐变偶极子微元与点电荷微元的误差.结果表明,在发射回线内,均不满足偶极子的条件,由此造成的解析表达式的误差不可忽略.为此探讨了以时变点电荷微元作为解析求解基本单元的可行性,以时变点电荷假设代替偶极子假设,将时变点电荷解直接"比拟"到时域场中,给出了时间域瞬变电磁场的推迟矢量位函数,为进一步研究时变点电荷微元假设下的精确解、直接时域求解瞬变场问题探索了新方法.     

基于Tesseral的盲源地震响应恢复影响因素研究

将盲源地震波记录中有用的反射波信号恢复并降低噪声影响,历来是地震勘探数据处理环节中的一个难题.本文利用tesseral软件,通过建立一个典型凹陷模型,对影响盲源地震响应恢复的六个主要因素:自由表面、被动源的震源分布、被动源数目、被动源子波信号的持续时间、震源子波类型和随机噪声的响应特征分别进行研究,研究结果表明,各影响因素对盲源地震响应恢复质量均有一定程度的影响,其中被动源的震源分布情况、能捕获的被动源数目和被动源持续时间这三个因素直接决定了被动源地震响应的恢复质量,能否接收到来自自由地表的多次波,决定了地震响应恢复的可能性.这对实际地震勘探数据处理具有一定的指导意义.     

AMT 、TEM 、VES地层响应特征模拟分析及其联合反演探讨

通过正演模拟方式分析音频大地电磁法(AMT)、中心回线瞬变电磁法(TEM)、直流电测深法(VES)对地层的响应特征,结果表明:TEM、AMT对地层的响应特征类似,即对低阻层反应灵敏,而对高阻层的分辩能力较差;VES对高阻层及低阻层的分辩能力相当,相对于TEM、AMT,VES对低阻层的分辩能力差,而对高阻层的分辨能力较高.基于AMT或TEM与VES对地层的响应具有互补的特点,探讨了对AMT或TEM与VES数据进行的联合反演.结果表明,AMT或TEM与VES进行联合反演,相比单一方法进行反演,结果能得到明显的改善.     

大功率长偶极与环状电流源电磁波响应特征对比

为了在深部第二成矿带找矿,需要进一步提高电磁法可控源的强度,因此,一种新的大功率固定发射源的电磁法正在孕育之中.该方法采用长偶极源或者环状电流源,为了提高发射源的强度,偶极长度L或者环状源半径R需要非常大.然而,电磁场信号的强度不仅仅依赖于发射源,当L或者R为数十公里时,接收点的位置远离发射源,电离层对电磁场的影响不可以忽略.电离层的影响既可能是增强信号,也可能是削弱信号,这依赖于不同类型源产生的电磁波.本文利用三维积分方程法对包含电离层、空气层、固体地球层(简称地-电离层模型)的线状和环状大功率电流源电磁波响应进行了三维数值模拟,对两种源的电磁波的响应特征进行了对比研究.研究表明虽然磁性源的发射效率高于电性源,但是由于发射源在波导区产生的直达波经电离层的反射波要产生相长相消干涉,波导区的场特征既和发射源的特征有关,也和电离层有关.对比研究发现对于x方向的水平长偶极源电离层对电磁场 Ex 和 Hy 的影响是使场的幅值增强,即波导场的 Ex 和 Hy 的衰减是减缓的.而对于水平环状电流源,电离层对水平方向的电磁场的影响是使场的幅值减弱,即波导场的 Ex 和 Hy 的衰减是增大的.为此,认为采用大功率固定源在波导场工作时应该采用线状电流源.     

用格子玻尔兹曼方法模拟非均匀介质中的电场响应

介绍了用格子玻尔兹曼方法模拟非均匀介质中的电场响应的数值模拟方法. 格子玻尔兹曼方法是从微观领域出发进行数值计算的一种全新的正演模拟方法;从玻尔兹曼碰撞模型出发,利用泰勒展开和Chapman Enskog展开,在基本力学守恒条件和约束条件的限制下,导出了电场响应的扩散方程,得到了局部平衡分布函数的表达式,给出了若干正演模拟的结果;其结果表明,利用这种方法进行非均匀介质中的电场响应正演模拟具有灵活、方便和简单等优点.