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.     

地面磁共振与瞬变电磁橫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.     

双感应测井资料的快速近似迭代反演

本文给出一种双感应资料快速近似迭代反演技术. 首先建立Fréchet导数的快速算法,保证在反演过程中能够同时获得测井响应相对于地层电阻率和层界面的偏导数,并给出用规范化处理与奇异值分解技术进行迭代反演的具体过程. 为了对理论模拟和井场实际资料进行反演,利用综合分层技术从双感应曲线中提取层界面初始位置和地层电阻率初值,通过单独迭代反演中感应资料,修改层界面和地层电阻率实现中感应资料的最佳拟合,得到探测深度相对较浅的地层电阻率,然后固定层界面位置,再迭代反演深感应资料,得到另一组探测深度相对较深的地层电阻率. 理论和实际资料处理结果证明,两个不同探测深度的电阻率反演结果的相对大小能够准确地反映地层真实的侵入特征.此外,由于深感应仪器具有较深的探测深度,不论在高侵或低侵地层上,深感应反演结果与地层原状电阻率的差异大大小于视电阻率的差异,所以利用反演结果也能得到更好的地层原状电阻率的估计值.     

双频激电法在探测煤矿采空区的尝试

利用双频激电法在山西沁源嘉元煤业有限公司已知采空区进行实地探测试验,通过对探测数据的整理与分析得知:在未充水的采空区探测得到较高的视电阻率和较低的视幅频率,能够精确的反映地下采空区的位置.结果证明了利用双频激电法探测煤矿地下采空区是可行的.     

隧道磁共振全弛豫信号三维反演研究

磁共振探测反演近些年得到较多的关注.传统的磁共振反演多为基于地面大线圈采集,基于初始振幅的反演,这种方法未考虑地下复杂的多孔地质环境,且限制了磁共振方法的应用范围.针对上述问题,本文尝试建立了基于隧道磁共振全弛豫信号的三维反演方法,在传统的磁共振三维正演核函数基础上,加入指数衰减项,在充分考虑地下电阻率不均匀体的情况下,采用有限元方法模拟了磁共振全弛豫信号响应.针对三维磁共振灵敏度矩阵的病态性和隧道中的电磁干扰,建立了考虑罚项的最小二乘目标函数,并结合实际对函数的解加以约束,利用基于不等式约束的最优化算法实现了三维反演.模型计算表明:本文的三维反演效果良好,不仅能实现掌子面前方含水异常体定位,而且能给出不同弛豫时间下的含水量信息,从而间接获知灾害水赋存状态,为隧道磁共振数据处理提供了一个可供借鉴的方法.     

地面核磁共振信号相位求取电阻率

椭圆极化现象是电磁场在导电介质中传播时产生的,为得到准确的相位信息,在计算激发磁场时应考虑椭圆极化。本文研究了地面核磁共振(SNMR)信号相位求取电阻率的基本方法,利用SNMR信号通过广义逆反演法得到电阻率未知情况下的含水率及层位分布,作为相位反演电阻率的先验值,通过模拟退火法实现对电阻率的反演。对SNMR的研究解决了通过相位对电阻率的求取,有利于进一步利用相位信息提高含水层和含水率反演的精度。      

坑道直流电阻率法超前探测的快速反演

在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探测视电阻率曲线转化为全空间视电阻率曲线.然后采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演.反演结果可准确反映围岩电阻率、异常体的电性、位置和产状;而由于同层等值现象,反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的组合值.     

矿井瞬变电磁法全空间处理及三维解释方法研究

矿井瞬变电磁法得到了广泛应用,但其数据处理解释方法研究相对滞后,为提高勘探精度本文对全空间处理及三维解释方法进行研究.以均匀全空间磁偶极源瞬变响应为基础,探讨全空间磁感应强度垂向分量Bz及其时间变化率Bz/T的核函数曲线特征,并给出全区视电阻率数值计算方法.研究结果表明Bz的核函数Y(Z)存在一个转折点Z=1,以转折点为界可以划分为两个单调区间;Bz/T的核函数Y′(Z)存在两个转折点Z=0.707和Z=1.732,以转折点为界可以划分为三个单调区间,在单调区间内通过二分搜索算法可以计算区间内视电阻率值,各区间视电阻率曲线通过转折点可构成全区视电阻率曲线.采用Voxler软件平台实现矿井瞬变电磁三维立体解释,并给出数据三维可视化的具体步骤.应用实例表明本文提出的全空间处理及三维解释方法可以实现工作面内煤层及其附近岩层三维电阻率成像,直观展现富水异常体三维空间展布特征,方法实用性强、探测效果较好.     

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.     

水平层状介质中双侧向测井资料的迭代Tikhonov正则化反演

根据非线性反演理论与Morozov偏差原理研究建立从双侧向测井(DLL)资料中同时重构地层原状电阻率、侵入带电阻率、侵入半径、层界面位置以及井眼泥浆电阻率的迭代正则化算法.首先利用Tikhonov正则化反演理论将双侧向测井资料的反演问题转化为含有稳定泛函的非线性目标函数的极小化问题,并利用Gauss-Newton算法确定极小化解.为得到稳定的反演结果并有效实现测井资料的最佳拟合,在迭代过程中将Morozov偏差原理和Cholesky分解技术相结合,建立了一套后验选择正则化因子的方法.最后通过理论模型和大庆油田实际测井资料的处理结果,验证了该算法能够取得更为满意的反演效果.     

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.     

基于相关建模检测的磁共振探水同频消噪方法

地面磁共振技术能够对地下水进行直接探测,具有定性定量的优点,是一种新兴的地球物理方法.然而,磁共振信号只有纳伏级,极其微弱,易受环境噪声干扰,尤其是具有拉莫尔频率的噪声,在时频域上均与信号重叠,难以有效去除,导致提取的信号参数准确度低、反演解释误差较大.本文针对同频噪声干扰问题,提出了相关建模检测(CMDT)方法,通过相关方法实现频谱迁移和低通滤波,结合信号和噪声特征建立数学模型,采用模型变换实现同频噪声的抑制,并利用最小二乘指数拟合方法提取高精度SNMR信号.为了对新方法进行定量分析,以验证其效果,对含有不同幅度的同频噪声和磁共振信号进行仿真实验,实验结果表明在信噪比为-31.17 dB的情况下,所有参数的最大提取误差不大于1.22%,验证了新方法能够在压制同频噪声的同时提取出高精度信号参数.为了模拟野外情况,在同频噪声和信号数据中加入随机噪声进行实验,结果表明当信噪比大于-10.12 dB时,CMDT方法仍可以获取有效的信号.因此,本文的研究为处理含有同频噪声干扰的实际SNMR信号数据提供了理论依据,为后期高精度反演提供了技术支撑.     

THE QUANTITATIVE INTERPRETATION OF DIPOLE SOUNDINGS BY MEANS OF THE RESISTIVITY TRANSFORM FUNCTION*

In this paper a theorem is demonstrated which allows—after the introduction of a suitable dipole kernel function or dipole resistivity transform function—to write the apparent resistivity function as an Hankel transformable integral expression. As a practical application of the theorem a procedure of quantitative interpretation of dipole soundings is suggested in which the dipole resistivity transform function obtained after inversion of the original dipole apparent resistivity data is used to control the goodness of the set of layering parameters which have been derived with our previous method of transformation of dipole sounding curves into equivalent Schlumberger diagrams.     

基于牛顿迭代法和遗传算法的CSAMT近场校正

由于可控源音频大地电磁法（CSAMT）采用人工场源在大大增加信号强度的同时也带来了在近区产生非平面波效应的问题,其表现特征为在双对数坐标中卡尼亚电阻率曲线呈45°上升,即所谓的近场效应.本文首先提出了基于牛顿迭代法求解视电阻率方程的近场效应校正方法,通过对二层、三层理论模型试算验证了该方法的有效性;为进一步增强对噪声的压制能力,本文进一步引入了遗传反演的思想,将全频段误差最小作为目标函数,采用自适应正则化方法引入模型参数梯度最小作为稳定因子,由遗传算法求解得到校正后视电阻率,通过对理论模拟数据加随机噪声的校正结果,表明该方法在实现近场校正的同时能剔除噪声干扰,得到的结果与理论模拟曲线吻合度较高.通过对内蒙古曹四夭钼矿区实测CSAMT数据处理结果表明,牛顿法和遗传算法均能明显校正CSAMT因近场效应引起的假高阻异常,能更好地反映地电结构特征.     

分层多指数磁共振弛豫信号反演方法研究

磁共振测深技术传统反演方法包括平滑反演和分块反演,通过分别获取初始振幅和平均弛豫时间构建地层含水量及有效孔隙度.然而,这些方法局限于单指数拟合方式,损失了大部分有效采集信息,受限于多孔地质环境解释,并在某些情况下无法刻画含水层清晰分界面.针对上述问题,本文建立了基于MRS全数据的多指数反演方法,依据全部采集时间下的有效信息,通过弛豫时间e指数分解,推导出新的磁共振正演核函数,结合泛函极小值方程,直接反演建立含水量,弛豫时间及地层深度三个重要参数关系,适用于复杂地质环境解释.为得到快速稳定的反演结果和更清晰的含水层分界面,本文借鉴分块反演思想,进一步构建了新的反演目标函数,利用基于不等式约束的空间信赖域算法进行优化,最终实现了一种基于分层反演与多指数结合的磁共振弛豫信号反演方法.模型数据以及实测算例表明该方法的效果和优势,并具备较高的计算效率,本研究为地面磁共振反演提供了一种新的思路与方法.     

An apparent-resistivity concept for low-frequency electromagnetic sounding techniques

Apparent resistivity is a useful concept for initial quickscan interpretation and quality checks in the field, because it represents the resistivity properties of the subsurface better than the raw data. For frequency‐domain soundings several apparent‐resistivity definitions exist. One definition uses an asymptote for the field of a magnetic dipole in a homogeneous half‐space and is useful only for low induction numbers. Another definition uses only the amplitude information of the total magnetic field, although this results in a non‐unique apparent resistivity. To overcome this non‐uniqueness, a complex derivation using two different source–receiver configurations and several magnetic field values for different frequencies or different offsets is derived in another definition. Using the latter theory, in practice, this means that a wide range of measurements have to be carried out, while commercial systems are not able to measure this wide range. In this paper, an apparent‐resistivity concept is applied beyond the low‐induction zone, for which the use of different source–receiver configurations is not needed. This apparent‐resistivity concept was formerly used to interpret the electromagnetic transients that are associated with the turn‐off of the transmitter current. The concept uses both amplitude and phase information and can be applied for a wide range of frequencies and offsets, resulting in a unique apparent resistivity for each individual (offset, frequency) combination. It is based on the projection of the electromagnetic field data on to the curve of the field of a magnetic dipole on a homogeneous half‐space and implemented using a non‐linear optimization scheme. This results in a fast and efficient estimation of apparent resistivity versus frequency or offset for electromagnetic sounding, and also gives a new perspective on electromagnetic profiling. Numerical results and two case studies are presented. In each case study the results are found to be comparable with those from other existing exploration systems, such as EM31 and EM34. They are obtained with a slight increase of effort in the field but contain more information, especially about the vertical resistivity distribution of the subsurface.     

电偶源频率电磁测深视电阻率多参量联合反演效果检验

通过大量的数值模拟试验 ,对电偶源频率电磁测深 (FEMS)视电阻率多参量联合反演的效果进行了检验和对比 .结果表明 ,多参量联合反演具有较快的收敛速度和较高的拟合精度     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

The effect of intrinsic model noise upon resistivity inversion

Model uncertainty is introduced into direct-current resistivity data by adding random changes to layer thicknesses in a ten-layer model. The resulting information is then aliased by generating a sounding curve which contains less information than the ten resistivities and nine thicknesses. These sounding curves are then inverted via the Backus-Gilbert algorithm using singular value decomposition to obtain solutions in terms of simpler two-or three-layer models. Quantitative results confirm what has been known qualitatively for many years as the principle of equivalence. An interesting result is that the geometric average of a given suite of noisy models is virtually identical to the best-fit model for the average of the noisy curves. The results show that the inversion of resistivity data by nonlinear least-squares parameter fitting is stable in the sense that noise in the data inverts to the same magnitude of noise in the model.