基于电场总场矢量有限元法的接地长导线源三维正演

电磁场数值模拟的背景场/异常场算法是三维正演的有效策略之一,优点为采用解析法计算电磁场背景场代替场源项、克服了场源奇异性,缺点为不适用于发射源布置于起伏地表或背景模型复杂的情形.总场算法是直接对电磁场总场开展数值模拟,其难点是有效加载场源、保证近区与过渡区数值解精度.本文以水平电偶源形式分段加载接地长导线源,并以电场总场Helmholtz方程为矢量有限元法控制方程,实现了基于非结构化四面体网格剖分的接地长导线源频率域电磁法三维正演.通过与均匀全空间中水平电偶源产生的电场解析解对比,验证了本文算法的正确性,并分析了四面体外接圆半径与其最短棱边的最大比值和四面体二面角最小值对数值解精度的影响规律.通过与块状高导体地电模型的积分方程法、有限体积法和基于磁矢量势Helmholtz方程的有限元法数值解对比,进一步验证了本文算法正确性,同时说明了非结构化四面体网格能够更加精细地剖分电性异常体,利于获得精确数值解.     

接地长导线源半航空瞬变电磁三维有限体积正演

基于有限体积法开发了长导线源半航空瞬变电磁三维正演方法.首先将均匀半空间产生的背景场和异常体产生的异常场进行电磁场分离,可获得双旋度方程,后采用有限体积法在控制体积内进行积分,可得到控制方程,对该控制方程采用交错网格离散,时间离散采用后向欧拉离散,离散后形成半航空瞬变电磁三方向离散方程,系数矩阵根据Yee网格尺寸和控制体积尺寸进行计算,根据时频转换可得到接地长导线源半航空瞬变电磁背景场,选用PARDISO直接求解器对方程进行求解,其中迭代时间步长逐渐递增,以降低时间步长对正演效率的制约,任意点电磁场采用对角体积加权平均的方法进行插值.最后,选用均匀半空间模型和层状模型进行精度验证,并采用山峰、山谷、山峰山谷混合三类模型分析了接地长导线源半航空瞬变电磁的响应规律,结果显示开发的程序可用于半航空瞬变电磁勘探,可为半航空瞬变电磁数据解释的发展提供理论指导.     

接地导线源电磁场全域有效趋肤深度

为了更好地推进广域电磁法的发展和应用,本文以接地长导线源为例,研究了可控源电磁场全场域的有效趋肤深度.利用频域电偶极源在均匀半空间产生电磁场的闭合表达式,计算了不同电磁场分量定义的有效趋肤深度,并讨论了在不同频率、不同偏移距、不同电导率情况下,有效趋肤深度的变化特性.根据有效趋肤深度随偏移距的变化特征以及与平面波趋肤深度之间的关系,利用多项式拟合的办法在五个不同频率范围内给出了适用于全场域的有效趋肤深度快速估算公式.研究结果表明：不同分量定义的有效趋肤深度是不同的,但是它们随偏移距、频率、电导率等参数的变化趋势是类似的,而且在一定范围内都趋近于平面波趋肤深度.理论模型的研究表明,有效趋肤深度可以作为测量参数选取和数据解释工作的参考依据.     

电性可控源导线长度对深部三维异常体响应的影响

电性可控源导线长度是可控源勘探中的重要参数.本文借助有限差分法对三维异常体进行正演模拟,讨论了可控源导线长度对三维可控源异常的影响.计算了深部低阻异常体和高阻异常体的异常变化情况.从数值结果可以看出:(1)Ex分量和Hy分量场值大小与源长度的变化近似成正比;(2)当源长度增加到收发距的二分之一时,源中心点处的Ex分量和Hy分量场值增加倍数明显小于远离中心点处的场值增加倍数,进而对异常形态产生影响;(3)源长度的变化对于阻抗视电阻率没有影响.从而总结出电性可控源长度对于深部三维异常体响应的影响规律.     

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.     

基于Lorenz规范条件下磁矢势和标势耦合方程的频率域电磁法三维正演

为了克服空气层和地表耦合以及避免一次场计算,开发适合不同类型场源、不同应用范围的频率域三维正演模拟统一平台,本文从麦克斯韦基本方程出发,推导基于Lorenz规范条件的磁矢势和标势耦合方程;通过将不同类型场源分解成一系列短导线(电性)源组合,采用交错网格采样和有限体积技术对方程进行离散得到对称大型稀疏线性方程组,并采用Jacobi迭代预处理QMR(Quasi-Minimum-Residual,拟最小残差)算法进行求解,我们成功实现不同类型场源、不同应用范围的频率域电磁法三维正演模拟.通过层状模型下大地电磁法以及有限长接地导线和大回线磁性源激发下的电磁场响应模拟,并与一维解析解对比验证算法的有效性.进而,我们利用该算法平台的模拟结果对典型地电模型在不同场源激发下频率域电磁法响应特征进行对比分析.本文算法研究及实现为建立频率域电磁法三维正反演统一框架打下基础.     

点电荷微元与偶极子源的时域电磁场响应对比(英文)

电偶极子依靠两个等量异号电荷的加速运动实现电磁场辐射,同样地,时变点电荷微元可以依靠单个电荷的加速运动产生电磁场。基于这种电磁场理论实质,本文开展了点电荷微元与偶极子源的时域电磁场响应对比研究。首先,给出三维导电空间点源的时间域位函数;然后,利用辅助位函数与电场、磁场响应之间的关系,给出均匀无耗全空间的点电荷载流微元时间域电场、磁场的表达式。并从阶跃关断时刻、近源区场、远源区场等方面对比分析全空间中两种源的异同。研究结果表明:在近源区,两种源产生的场差别较大;在远源区,两种源产生的场几乎相同。通过实际观测的数据和使用电偶极子源公式对简化模型计算结果的对比,认为点电荷微元场的空间分布更符合实际场源产生的电场、磁场分布特征。     

电性源瞬变电磁发射源形变对观测结果影响分析

电性源瞬变电磁法的基本理论是建立在水平电偶极子的基础之上的,但是实际生产中发射源常为接地长导线,随着短偏移距观测方式的实现,一方面发射源的尺寸不能忽略,偶极子条件不再成立,需要新的方式计算电磁场响应;另一方面,受制于场地条件,发射源可能无法水平、笔直地铺设,这种源形态上的改变必然会对接收点处的响应带来影响,并最终影响到数据解释.本文从电性源一维正演理论出发,研究了发射源发生偏移和弯曲给电磁响应和视电阻率带来的影响,并以某金矿探测为实例做出了验证和说明.研究认为源形态的改变对电磁响应和视电阻率造成的影响随着偏移距的改变而改变,对于电磁响应,偏移距越大影响越小,而对于视电阻率,偏移距越大影响越大.因此在实际生产中应尽量保证源的正规铺设,详细记录实际源的坐标位置与形状,并尽量在偏移距较小的区域内观测.     

源自多个大电流源的华东地区地电场空间变化特征

在地震电磁学研究中,电流在地下流动特征与构造关系是一个非常重要的问题.多个强电流源的存在和大范围地电场观测站的分布格局为我们研究这个问题提供了更好的机会.本文通过利用上海及其周边地区4个地点不同的高压换流站接地极向地下注入的大电流(1200~4780A)信号,研究了华东地区8个台站组成的地电场观测台网接收到的附加地电场信号,推进了对地电流在地下传播特征的认识.研究显示:1从幅度特征而言,对于源自不同的大电流信号,各台站观测到的附加地电场信号幅度特征有很大不同,而近处的浦东台只能观测到南桥大电流源的信号而观测不到其他3个大电流源发出的信号,存在着所谓的"敏感点"效应;2对于上海地区4个接地极大电流而言,能够观测到源自它们的附加地电场的台站最远为350km,在更远的台站则观测不到.3从均匀度方面而言,在每个台站对于不同的信号源,记录到的附加地电场信号在各方向上的长极距和短极距信号幅度之比可以有很大变化;4在方位特征上,只有崇明台站接收到的同里接地极和华新接地极大电流信号的计算方位度数与实际方位度数误差最小,分别为0.2°和0.8°.而在距离各个信号源最近的青浦台,这种误差要比崇明台站的大;5极化方向特征显示,在青浦台和崇明台所观测到的附加地电场信号中,存在着同一方向上长、短极距信号极化方向是反向的现象,这与常理相悖,怎样解释该现象有待于今后进一步研究.本文从点电流源与台站测线布局构成的装置系统、大区域介质非均匀性、台站测区以及附近地区的介质细结构的影响三个方面,对上述特征进行了较深入的分析和解释.     

任意形状水平接地导线源瞬变电磁法一维正反演研究

本文发展了一种适应于任意形状水平接地导线源瞬变电磁法的一维正反演方法,可用于长偏移距、短偏移距、多通道测量接地导线源瞬变电磁数据.正演误差通常在1%以内.弧形导线源与直导线源的正演对比表明:导线源赤道方向电磁场容易受到导线源形态的影响,而轴向方向电场所受影响较小.采用修改的矩阵传播法求取水平电场和垂直磁感应场的敏感度.结果表明:相比扰动法,在层数越多时,矩阵传播法优势越明显,当层数达到64层时,效率提高近30倍.反演方法采用正则化Gauss-Newton迭代法实现.反演结果表明:单纯使用磁感应场时间导数进行反演对高导异常层恢复良好,而对低导异常层重构并不理想,且用反演模型生成的电场预测数据与原始电场数据差距较大.使用单一接收点电场进行反演结果也并不理想,而当使用多个接收点处电场值进行共同反演时,高导异常层与低导异常层均能得到较好的体现,相应电场及磁感应场的预测数据与原始数据均吻合的比较好.对有磁导率异常的模型进行反演表明,电场与磁感应场共同反演能够较好地体现地层电导率与磁导率的变化规律.     

电离层-均匀地球模型中地表水平电偶极子激发的电磁场

本文在电离层-均匀地球模型中使用Debye势方法,在电磁场一般性边界条件下导出了地表水平电偶极子源在地球介质中激发的电磁场的表达式.对球Bessel函数使用指数函数近似,并采用加速算法,计算了地表及地下的电磁场.其正确性得到理论计算和实际观测数据的多方面支持.结果表明,在收发距离大于1000 km,电磁场强度很稳定,几乎没有衰减的迹象;电磁场受电离层的影响很大,由于电离层高度升高或电导率减小引起的电磁场幅度的减少可以达到50%,但是由电场和磁场得到的视电阻率变化却很小.     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.     

Intrinsic attenuation and scattering of shear waves in the lithosphere of Kamchatka

Records of small local Kamchatka earthquakes were processed using Multiple Lapse Time Window Analysis (MLTWA). The method makes use of normalized integrals of 3D seismic energy density in several windows applied to an earthquake record that has been put through a bandpass filter. The intrinsic attenuation and scattering properties of the earth were estimated by choosing parameters that provide the best agreement between experimental and theoretical integrals as functions of hypocentral distance. The theoretical normalized integrals as functions of distance were computed using an analytical solution to the equation of seismic energy transport based on a simple model of isotropic scattering for scalar seismic waves excited by an impulse point source in an earth that is uniform as to scattering and intrinsic attenuation. The resulting estimates of attenuation and scattering parameters are similar to those derived in other studies of Kamchatka, as well as of other continents: America (California, US), Europe (the Canary Is., Spain, and Italy), and Asia (Japan).     

二维地质体的瞬变电磁场响应特征

直接从时间域出发 ,应用时域有限差分方法 (FDTD)分析地下和地面的瞬变响应。由于二维情况便于图形表示 ,采取了线源二维地电模型。通过对二层均匀地电结构和含二维低阻体时地面垂直感生电动势曲线的计算 ,说明瞬变场响应有滞后现象 ,即异常地质体一旦引起瞬变响应 ,就会往后延时 ,并使响应延续较长时间。在实际的工程勘察中 ,曾用 3～ 5ms以后的延迟时间探测过较浅的异常体 ,如 2 0m至 150m深度范围内的地下老窑采空区 ,并取得了较好的探测效果 ,上述数字模拟结果为以往的实践提供了理论依据     

长偶极大功率可控源电磁波响应特征研究

地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是地球半空间模型.然而,对于几十公里的有限长电缆源（长偶极源）,远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响,它是一个全空间问题.关于包含电离层、空气层和地球介质（我们称“地-电离层”模式）的电磁波场特征的研究在国外较少,国内几乎是空白.本文采用全空间积分方程法首先对小尺度的可控源电磁波场特征进行了研究,由于此时电离层的影响可忽略,它应该和半空间成熟的CSAMT模拟结果一致,对比结果表明,二者是一致的,验证了全空间模拟方法的可靠性和有效性.随后进行了50 km长电缆电离层和空气层高度都为100 km的“地-电离层”模式大尺度电磁波场模拟,以探讨大尺度可控源电磁波场的特征.给定频率的“地-电离层”模式电磁场的衰减曲线表明长电缆远距离电磁波场由于受电离层的作用存在衰减逐渐变小的过渡场和衰减变小的波导场.为了探讨复杂介质“地-电离层”模式电磁波特征,对“地-电离层”模式的典型地盾和地台多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度50 km、电流200A、收发距离远达1600 km和2500 km的合理的电磁场结果.最后,对一简单含油储层结构模型进行了长偶极、大功率、远距离电磁波场响应计算.储层横向不均匀复杂结构模拟的结果表明,考虑电离层和大气层的“地-电离层”模式大尺度深层复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应.     

地震监测人工源极低频电磁技术(CSELF)新试验

2009年利用大功率人工源极低频电磁技术(CSELF)在位于华北、华南、东北、西北和西南的12个地震台站和几个流动观测点进行了连续30天新的观测试验.结果表明,利用CSELF技术可以在1700 km之外测量到人工源电磁场信号,计算得到的电、磁场功率谱密度和视电阻率与天然源信号相比,抗干扰能力更强,观测信号更稳定,特别有利于识别和捕捉地震等诱发的电磁异常现象,在地震预测监测中具有很大的研究应用潜力.试验还发现,各地震台站和流动测点观测的CSELF信号的强度,与台站或者测量的电、磁场分量相对于发射源的距离、方位有明显的关系;发现在离开发射源的相对近区,场强随距离的衰减,比在相对远区更快;发现接收磁场信号比电场信号较易获得更高信噪比的数据.     

大地等效电容量及其测量方法

在脉冲供电和正弦交流供电地电阻率观测研究中, 大地容性效应会引起测量误差。 本文按照电子学等效电路的方法提出了大地等效电容量的概念, 研究了大地等效电容量的测量方法, 为合理确定脉冲供电参数和减小交流地电阻率测量误差奠定了基础。     

Current and voltage source induced polarization transients: a comparative consideration

The article discusses the excitation of transient induced polarization responses using current and voltage sources. The first method has found a wide application in induced polarization surveys and—directly or indirectly—in the theory of the induced polarization method. Typically, rectangular current pulses are injected into the earth via grounding electrodes, and decaying induced polarization voltage is measured during the pauses between pulses. In this case, only the secondary field is recorded in the absence of the primary field, which is an important advantage of this method. On the other hand, since the current injected into the ground is fully controlled by the source, this method does not allow studying induced polarization by measuring the current in the transmitter line or associated magnetic field. When energising the earth with voltage pulses, the measured quantity is the transient induced polarization current. In principle, this method allows induced polarization studies to be done by recording the transmitter line current, the associated magnetic field, or its rate of change. The decay of current in a grounded transmitter line depends not only on the induced polarization of the earth but also on the polarization of the grounding electrodes. This problem does not occur when induced polarization transients in the earth are excited inductively. A grounded transmitter line is a mixed‐type source; hence, for a purely inductive excitation of induced polarization transients, one should use an ungrounded loop, which is coupled to the earth solely by electromagnetic induction.     

Apparent resistivity over a three layer earth with an inhomogeneous interstratum

Summary The theory of resistivity sounding on a three layer earth comprising an inhomogeneous interstratum has been presented. The electrical conductivity in the intermediate layer, embedded between two layers of uniform conductivity, is assumed to follow either generalised power law or exponential variation. A point source of current is placed on the surface. The electric potential functions on the ground surface have been obtained. The expressions for apparent resistivity over the above models for the Wenner and Schlumberger electrode configurations have been derived.     

Study on Electrical Potential by Buried Source Electrode within the Horizontally Layered Half-space Model

The paper first studies the analytical expression of electrical potential by a point current source in a uniform half-space medium,and then focuses on the distribution of electrical potential in a horizontally layered half-space model by a point current source within the surface layer or the bottom layer.Finally,the electrical potential by a source electrode in any layer of a layered half-space model is presented.