Numerical analysis of multicomponent responses of surface-hole transient electromagnetic method

We calculate the multicomponent responses of surface-hole transient electromagnetic method. The methods and models are unsuitable as geoelectric models of conductive surrounding rocks because they are based on regular local targets. We also propose a calculation and analysis scheme based on numerical simulations of the subsurface transient electromagnetic fields. In the modeling of the electromagnetic fields, the forward modeling simulations are performed by using the finite-difference time-domain method and the discrete image method, which combines the Gaver–Stehfest inverse Laplace transform with the Prony method to solve the initial electromagnetic fields. The precision in the iterative computations is ensured by using the transmission boundary conditions. For the response analysis, we customize geoelectric models consisting of near-borehole targets and conductive wall rocks and implement forward modeling simulations. The observed electric fields are converted into induced electromotive force responses using multicomponent observation devices. By comparing the transient electric fields and multicomponent responses under different conditions, we suggest that the multicomponent-induced electromotive force responses are related to the horizontal and vertical gradient variations of the transient electric field at different times. The characteristics of the response are determined by the varying the subsurface transient electromagnetic fields, i.e., diffusion, attenuation and distortion, under different conditions as well as the electromagnetic fields at the observation positions. The calculation and analysis scheme of the response consider the surrounding rocks and the anomalous field of the local targets. It therefore can account for the geological data better than conventional transient field response analysis of local targets.     

空基和地基近直流电场观测数据背景特征的相关性

研究空基和地基电磁观测数据各自的特点和规律,并探索两者之间变化的相关性,对将空基和地基观测资料综合应用于地震监测研究具有重要的科学意义.本文利用法国DEMETER卫星的电场观测数据和我国甘肃天祝前兆科学试验台阵红沙湾地震台的水平地电场和垂直地电场、四川省地震局成都地震台的水平地电场的观测资料,重点对卫星和地面探测的近直流频段信号进行了综合分析.研究结果表明:(1)卫星直接观测记录的ULF电场观测值没有呈现明显的年变化趋势,但日侧和夜侧的E_z向(卫星运行速度的切线方向)观测数据呈现了一种长期的周期性特征,与地电场观测资料无相关性和同步性;(2)去掉卫星运行切割磁力线所造成的附加电场后所得的电离层电场与地面记录的地电场数据数量级相当,均集中在10^-1～10^-2 mV/m左右,两者具有可比性;(3)去掉卫星运行切割磁力线所造成的附加电场后,夜侧E_y(卫星轨道平面的法线方向)和E_z(卫星运行速度的切线方向)向的电离层电场数据均具有比较清晰的季节性变化趋势,呈现出较为稳定的年变周期,这与水平地电场的年变趋势一致.电离层电场和水平地电场在数量级和年变趋势上都呈现出明显的一致性.     

回线源瞬变电磁成像的理论分析及数值计算

进一步提高瞬变电磁法对地探测的解释精度,提出了回线源瞬变电磁成像原理及数值计算方法. 讨论了频率域中水平层状介质中瞬变电磁响应,得到一个以波阻抗为积分核的双重积分式;然后对水平层介质下电磁场的解进行上、下行波分离,得到含有以反射系数序列为未知的线性方程组,并给出了求取波阻抗和反射系数的数值解法：对实测磁场值进行域的变换,以均匀半空间下的等效波阻抗代替积分核函数,经过线性数字滤波后,在频率域求出等效波阻抗;把频率域中的波阻抗转换到时间域,以此为参数,构建方程组,在时间域用线性规划法求出反射系数序列. 最终以反射系数为参数进行成像. 对理论模型的数值计算结果表明,用本文提出的成像方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力.     

Biaxial anisotropy in geoelectric prospecting

In applied studies on electromagnetic well-logging and electric prospecting, a medium is supposed to be either isotropic or with conventional anisotropy of conductivity. However, in the meantime, there is a clear hint that a medium may exhibit even biaxial anisotropy; i.e., the resistances along all three directions X, and Y, Z are different. Based on the analytical solution by the method of separation of variables, the paper considers an algorithm for the calculation of the electromagnetic field in a layered medium with biaxial conductivity anisotropy involving an arbitrary direction of horizontal conductivities in each layer. In this case, the theoretical solution and the algorithm display substantial peculiarities, and the numerical implementation involves many complexities. These problems were examined and solved mainly due to the constant comparison with the calculations carried by the finite element method and their analysis. Programs for the calculation of electromagnetic fields in the frequency and time domains were developed, and results of geoelectric interest were obtained. For example, the excitement of a horizontally-layered section by a magnetic dipole produces a vertical electric component of the field.     

复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.     

瞬变电磁法深度探测正演模拟研究

针对当前瞬变电磁法探测能力有限的问题,利用一次磁场理论公式,分析相同磁矩下、不同发射线圈一次磁场分布及衰减规律,从而确定其信号深度影响范围;对水平层状介质相同磁矩下、不同发射线圈的二次场进行数值模拟,采用Guptasarma和Singh滤波算法及余弦变换法,利用均匀半空间解析公式进行验证,并对不同正演模型结果进行分析,总结发射磁矩决定探测深度大小。对磁矩相同条件下产生的结果数据进行拟合,得出有效探测深度与线圈边长2倍相当的结论,可为野外矿井生产与工程勘探提供施工布置与定量解释的指导依据,从而提高野外工作效率。     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特性进行了对比.     

华北地区地电暴时GIC及涡旋电流响应分析

通过地电场台址近地表介质电阻率和地电场值计算大地电流,从大地电流场中分离出涡旋电流;根据平面波理论和水平导电层模型,使用地磁暴观测数据在频率域计算地磁感应电场(GIE),由GIE计算地磁暴感应电流(GIC).计算结果与实测值对比分析表明:GIE计算结果与实测地电暴具有很好的相位一致性;GIC涡旋中心相对地电暴涡旋中心存在向SE漂移约3°的现象;磁暴时地磁场Z分量的幅值分布图中极大值区域与涡旋中心重合,可能是GIC涡旋中心偏移的原因.另外,根据电磁感应原理提出的等效环电流模型,在一定程度上解释了涡旋大地电流的形成机制.本项工作可应用于地磁观测与地电观测的相互校正,同时有助于认识地电暴对大地电流分布的影响.     

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10 ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.     

CSAMT全区电阻率法数值模拟及应用探讨

常规的可控源电磁法理论在计算视电阻率公式上,多半采用其电磁场的渐近特征,难以直接反映全区视电阻率的值,及直观地显现地下介质的地质构造.文中采用水平偶极子激发的电磁场,提出了电场的全区精确表达式,直接计算出大地电阻率.利用汉克尔数值滤波算法和逆样条插值算法对水平层状电磁场进行正演计算,并与计算的卡尼亚视电阻率的对比和野外试验结果表明：该方法的结果在远区等价卡尼亚电阻率,在近区和过渡带则明显地改善了卡尼亚电阻率的非波场区场畸变,从而能更好地接近基底的真电阻率,更形象地反映了地下介质的垂向电性变化.     

延庆地震台地电场资料浅析

利用延庆地震台2004年地电场的观测资料,研究其变化情况,分析引起其变化的具体原因,结果表明:延庆地震台地电场的观测容易受到磁暴、雷雨等干扰,电极的极化影响最为严重,这些因素给地电场震前中短期异常的识别带来了困难,但是从短期来看,地电场观测精度较高,对场地的电磁变化反映比较灵敏。     

门源MS6.9地震前地电场优势方位角与加卸载响应比异常变化分析

2022年1月8日在青海门源县发生M_S6.9地震,基于震中300 km范围内地电场近5年观测资料,综合分析选取9个观测站,根据大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型计算其优势方位角,并尝试以地电场为响应量,通过库仑应力触发模型的加卸载响应比(LURR)计算方法,计算地电场LURR值。结果显示：(1)两种不同方法计算的地电场异常站在空间分布上具有一致性,其中古丰、黄羊川、寺滩和兰州站地电场优势方位角、LURR在震前皆出现异常变化,而山丹等其他站方位角、LURR均看不出明显的异常变化。(2)兰州和寺滩站两种计算方法的结果时序变化较为吻合,表现出准同步性。进一步结合震源机制解对异常观测站优势方位与区域主压应力P走向的关联进行分析,结果表明基本符合岩石物理学理论,这在一定程度上可增强地电场优势方位角方法在分析地震前兆异常中的可信度。地电场优势方位角以及LURR值两种计算方法在机理上具有关联性,综合分析其异常演化特征可能有助于进一步认知地震孕育的物理过程。     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.     

吉林地区地电场变化特征分析研究

本文在初步介绍了吉林地区地电场观测台网基本概况的基础上, 对该区域记录到的地电场的基本变化特征进行了统计分析。 研究表明: ① 绝大部分台站记录到了比较典型的地电场静日变化, 主要表现为“峰—谷—峰”形态, 该变化形态在时间上具有同步性; ② 所有台站均记录到了比较明显的地电暴同步变化, 呈近似南北分布的几个台站记录到了微弱磁扰的同步变化; ③ 地电场日变化幅度呈现比较明显的年变化规律, 不同台站的地电场日变化幅度具有一定的差异性; ④ 正常工作状态下, 各个台站之间同测向观测数据具有比较好的相关性。     

小波变换在地电场数据分析中的应用

随着城镇化发展的加快, 上海的地电场观测受到来自周围环境噪声的影响日益严重, 这些噪声干扰对于地震前兆异常的分析判断带来很多不确定性. 本文主要探讨通过小波变换方法来分解地电场观测原始信号, 分析环境噪声对原始观测数据的影响强度. 利用异常信号的小波模值对比分析了滤波结果, 并通过绘制极化方位图检验了该方法在实际运用中的效果. 结果表明: 数字滤波方法能很好地去除日常干扰所带来的背景噪声, 对于重构的地电场信号, 也能较好地反映其原始信号变化特征; 滤波后的自然电场异常信号保留了原始信号中主要的变化特征, 并能反映其原始变化规律; 重构的地电场信号能够突出信号中异常信号极化方位角, 使极化方位收敛有利于实际运用.      

电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限元数值模拟

在吸收并修正部分前人工作的基础上，给出了电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限单元法正演算法. 在该算法中，（1）采用在矩形网格中进一步三角细化的剖分方式，同时考虑到矩形单元中心节点的性质，求解线性方程组前用高斯消元法消除矩形网格中心节点上的待求未知量，这样一方面较准确地模拟出任意二维复杂地电断面，另一方面又大大地节省了计算量；（2） 采用计算二次场的算法，事先仅需获得电场和磁场沿地电构造走向方向两个分量的一次场，故而不但计算精度较高，而且不明显增加计算量. 最后，对几例典型模型进行正演，并与解析解对比，验证了本文方法的有效性.     

层状介质中水平磁偶极子电磁场空间分布特征

针对岩层中介电常数和磁导率随深度变化的情况,给出水平磁偶极子源电磁场的水平或垂直空间分布特征及相应的变化规律。采用Kong给出的汉克尔（Hankel）J0变换线性滤波器（241点）和汉克尔J1变换线性滤波器（241点）算法,选用均匀大地和两层地电模型,讨论介质的介电常数和磁导率变化时的水平磁偶极子电磁场空间分布特征。计算结果表明,磁场的峨分量幅值与磁导率反相关;磁场H2和电场Ey分量随着磁导率的增大而增大;低频电磁测深中介电常数变化时对电磁场基本没有影响。     

Complex image method for calculating electric and magnetic fields produced by an auroral electrojet of finite length

The electromagnetic field due to ionospheric currents has to be known when evaluating space weather effects at the earths surface. Forecasting methods of these effects, which include geomagnetically induced currents in technological systems, are being developed. Such applications are time-critical, so the calculation techniques of the electromagnetic field have to be fast but still accurate. The contribution of secondary sources induced within the earth leads to complicated integral formulas for the field at the earths surface with a time-consuming computation. An approximate method of calculation based on replacing the earth contribution by an image source having mathematically a complex location results in closed-form expressions and in a much faster computation. In this paper we extend the complex image method (CIM) to the case of a more realistic electrojet system consisting of a horizontal line current filament with vertical currents at its ends above a layered earth. To be able to utilize previous CIM results, we prove that the current system can be replaced by a purely horizontal current distribution which is equivalent regarding the total (= primary + induced) magnetic field and the total horizontal electric field at the earths surface. The latter result is new. Numerical calculations demonstrate that CIM is very accurate and several magnitudes faster than the exact conventional approach.     

基于二级近似离散复镜像法的低频电磁格林函数计算

本文讨论了利用二级近似离散复镜像法实现低频格林函数快速、精确的计算.通过数值分析,给出了在低频电磁场计算中该方法近似参数的选取原则.(1)二级近似的积分区间里谱格林函数采样个数N为十倍的近似多项式的个数M;(2)总的积分区间L2大小约为40/r,r为收发距离;(3)两个积分区间的分界值L1为总的积分区间大小L2与第二个...