电磁法在金属矿勘查中的研究进展

电磁法勘探是以地壳中各种类型的岩石矿体导电性、导磁性等电磁学的性质为基本依据,通过对各类电场及电磁场在空间上的分布规律及时间特征进行观测和研究,找到各种有用的矿体、探明区域地质构造以及解决具体地质问题的一种地球物理勘查方法.地球物理电磁法多年来已在世界各处的铜矿、钼矿、铅锌矿、铝土矿、深部铀矿、海底热液多金属硫化物矿等金属矿产资源勘查中起到了重要作用.为了在未来将该地球物理方法更好地应用于金属矿的勘探开发工作,有必要对各种电磁法在应用时表现出的优缺点及未来发展走势作出详细分析.本文主要针对电磁法在金属矿产资源勘查中的应用与发展,对电磁法勘探的原理、仪器、各种分支方法、数据处理技术、反演解释等方面做出比较全面的论述,同时介绍了电磁法在陆地、空中、海洋等不同环境中的找矿实例与应用效果.未来电磁法勘探仪器将朝着高精度高分辨率、集成化采集、实时处理能力强、便于携带的方向发展,数据处理方面将融合多种地球物理方法进行联合反演及开展多学科交叉研究,而且电磁法的应用领域不再局限于地面和井中,航空电磁法和海洋电磁法在未来金属矿勘查工作中有着广阔的应用前景.     

2.5维起伏地表条件下时间域航空电磁正演模拟

时间域航空电磁作为一种高效地球物理勘探技术特别适合我国地形复杂地区(沙漠、高山、湖泊、沼泽等)资源勘查.然而,这些地区地形起伏较大,对航空电磁响应有严重影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.到目前为止人们对航空电磁地形效应特征研究十分有限.本文提出了基于非结构化网格的有限元法模拟带地形时间域航空电磁系统响应.该方法与基于结构化网格的有限差分相比能更好地模拟地形.首先通过傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金方法对二维问题进行离散.通过使用MUMPS求解器,得到波数域电磁响应.利用反傅里叶变换将波数域电磁响应变换到空间域,并利用正弦变换将其变换到时间域,得到2.5维时间域航空电磁响应.通过将本文的计算结果与半空间模型解析解及其他已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.最后,我们系统分析了山峰和山谷地形对航空响应的影响特征.本文研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.     

时间域航空电磁系统回顾及其应用前景

航空电磁系统以其独特的优势在我国有着广泛的应用前景.文章从时间域航空电磁系统(ATEM)基本原理出发,回顾了ATEM技术的发展历史,并较为详细的介绍了目前多种典型的直升机时间域电磁观测系统及三种固定翼时间域电磁观测系统,阐述了近年来时间域航空电磁系统在全球范围内的最新发展动态及其在各个领域的应用情况.在综合分析的基础上,指出我国时间域航空电磁系统未来的发展方向及其在我国地质调查中的应用前景.希望通过本文的概述,使读者能够对目前ATEM系统的现状及发展有较为系统的认识,以期进一步加快该项技术在我国的发展.     

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.     

我国深地资源电磁探测新技术研究进展

诸多研究表明我国深部资源潜力巨大,但目前的开发开采深度普遍停留在500 m以浅,开展"攻深探盲"是构建国家资源安全体系的有效途径.应用最先进的科学技术手段,提取深部地质信息,已成为我国当前地球物理科学研究的发展方向.作为地球物理学的重要分支,电磁法是矿产资源探查的主体手段之一.在分析我国现阶段航空、地面及海洋电磁探测技术进展的基础上,本文重点说明了极低频电磁法（简称WEM法）,多通道瞬变电磁法（简称MTEM）和电性源短偏移瞬变电磁法（简称SOTEM）等电磁探测新技术.WEM法建立一套包括岩石层、大气层和电离层在内的全空间电磁传播理论,通过新研制的观测系统,获取地下10 km的地电信息;MTEM方法是地下埋深4 km目标体精细勘查的有效手段;SOTEM实现地下1.5 km深度范围内目标体的精细探测.通过多种电磁探测技术组合,可实现地下10 km深度范围内多尺度探测,达到"望远镜+放大镜+显微镜"探测效果.同时,本文指出进一步研发与新方法配套的装备、资料处理技术和大数据人工智能识别等将是我国电磁法未来的发展方向.     

半航空电磁探测方法技术创新思考

最新的成矿理论研究和深部定位预测结果均表明我国大陆2000 m深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源,为在辽阔的国土面积上实现大深度、高精度、广覆盖地球物理探测,开展半航空电磁探测方法与技术研究显得十分必要.本文总结了国内外半航空电磁法的发展现状,重点围绕方法与装备技术等问题进行讨论,并对近年来的最新成果,如:时频协同探测、半航空短偏移距探测、无人机编队观测等新模式,深度学习去噪、多发射源视电阻率定义、拟地震成像等进行了系统分析.最后,对半航空电磁法的发展方向进行了展望,指出任意码形大功率发射和三维高分辨成像等方法技术是下一步的关键突破方向,有望在深部地质找矿、灾害预警和城市地下深部勘查等方面发挥重要作用.     

黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌多金属矿航空电磁异常特征及找矿意义

在黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌多金属矿区应用VTEM系统开展航空瞬变电磁、航磁测量,对比分析航空瞬变电磁dB/dt、时间常数、视电阻率及航磁ΔT、反演视磁化率特征与已知矿体地质特征的关系,探索航空瞬变电磁、航磁测量在该类型矿床的探测效果.结果表明航空瞬变电磁、航磁异常与已知矿体吻合度高,在已知铅锌矿体位置,航空瞬变电磁dB/dt呈明显单峰异常,时间常数为高值区,视电阻率为低值区;在已知铁矿体位置,航磁异常明显,反演视磁化率为高值区.总结该矿床航空瞬变电磁、航磁异常特征,建立找矿标志,进行找矿预测,有效地指导了下一步外围找矿工作.本次研究为在大兴安岭高覆盖地区寻找同类多金属矿产提供了一种高效的勘查方法.     

起伏地表频域/时域航空电磁系统三维正演模拟研究

由于航空电磁系统具有工作频率低、时间延迟短等特点,地形对航空电磁响应有很大影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.本文将基于非结构化网格的矢量有限元法应用于模拟起伏地表条件下频域/时域(FD/TD)三维航空电磁系统响应.该方法由于采用非结构网格,与传统的结构化网格电磁正演算法相比,能更好地拟合地形和地下不规则异常体,提高对不规则地形和地下介质航空电磁响应的计算精度.通过将计算结果与半空间模型的半解析解及已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.通过对典型山峰和山谷地形航空电磁响应分析对比,总结了地形对航空电磁响应的影响特征.研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.     

频率域航空电磁数据的加权横向约束反演

传统的一维反演技术已经被广泛应用于航空电磁数据解释中.然而,利用单点水平层状介质模型模拟地下复杂地电结构有时会遇到困难.突出表现在反演参数的横向不连续性,即使相邻测点的反演结果也会出现突变.本文针对航空电磁直升机吊舱系统可进行密集采样,相邻测点地下电性结构应具有某种程度连续性的特点,研究航空电磁数据横向约束反演理论,并提出参数加权约束方法.首先阐述频率域航空电磁正演和加权横向约束反演理论,着重介绍这种拟二维反演方法的基本原理和实施步骤,以及将该方法成功应用于频率域航空电磁数据反演处理的方法技术.最后,通过对理论和实测数据反演处理,并与传统的一维反演结果进行对比,验证加权横向约束反演方法的有效性.     

频率域吊舱式直升机航空电磁资料的马奎特反演

频率域吊舱式航空电磁系统在国内尚处于研究和试生产阶段,由于缺少有效的数据处理手段,限制了该项技术的进一步应用和发展.本文通过对马奎特方法原理介绍,成功地将其运用到频率域航空电磁资料的反演计算中,并对几个关键技术——雅可比矩阵计算、初始模型赋值、形态模型与物性模型反演效果等进行分析,提出了切实可行的算法,并在计算机上加以实现.最后,通过理论模型和实测数据测试验证了算法的有效性和正确性,填补了国内该应用领域的技术空白,取得了较好的应用效果.     

时间域航空电磁扩散特征和成像深度研究

为了研究时间域航空电磁系统扩散特征,基于连续性边界条件将电磁场向下延拓得到地下介质中各点处的频率域响应,通过傅里叶变换将其变换到时间域.计算阶跃波形发射时垂直磁偶极子和水平磁偶极子在均匀半空间介质和两层介质中产生的电磁场,通过电流密度矢量图和随时间变化的电流密度等值线展示电磁场在地下介质中的扩散过程.电磁场在地下的扩散受电阻率结构的影响.在良导地区电磁场扩散慢、衰减快,而在高阻地区电磁场扩散快、衰减慢.垂直磁偶极子在地下产生的感应电流形成一个电流环随时间向下、向外扩散.水平磁偶极子在地下产生的感应电流形成两个互相叠加的电流环.时间域电磁场扩散代表着真正物理意义上的电磁扩散,因为它展示了地下电磁场空间分布随时间的变化和场强的衰减.基于对感应电流环的研究,我们探究了扩散深度和时间域航空电磁数据成像深度的关系.时间域电磁场扩散规律的研究不仅加深了对电磁扩散特征的理解,更有助于提高航空电磁数据解释水平.     

时间域航空电磁系统瞬变全时响应正演模拟

近年来很多专家学者致力于时间域航空系统正反演的研究.本文针对一维均匀层状介质和三维模型进行正演.不仅计算垂直方向上的电磁响应,还计算了同线方向上的电磁响应,为航空电磁多分量观测提供理论依据.通过比较航空电磁系统的脉冲响应和阶跃响应特征,发现脉冲响应在早期时间存在奇异性,造成计算不稳定.然而,阶跃响应在早期时间没有奇异性,因而利用系统的阶跃响应可得到一种计算时间域航空电磁系统全时响应的稳定算法.该算法具有较高的精度,并很好地保持了磁场强度B和磁感应dB/dt关系的一致性.该算法推广到三维地质体的时间域正演模拟亦取得很好的效果.     

THE AIRBORNE ELECTROMAGNETIC METHOD AS A TOOL OF GEOLOGICAL MAPPING*

Since its development some thirty years ago, the airborne electromagnetic (AEM) method has been primarily used as a tool for mineral prospecting. However, advanced AEM systems are capable of other tasks, such as geological mapping and groundwater exploration. Excellent correlation between maps of apparent conductivity and geological maps was observed in several regions of Brazil where AEM surveys were performed. The degree of correlation seems to depend on the local climate. In humid and subhumid tropical regions, a weathered layer develops whose thickness and conductivity depend upon bedrock lithology. Therefore certain lithological types can be recognized from their conductivity signature; e.g., granites and Precambrian coarse clastic rocks are resistive, metavolcanic (particularly mafic) and volcanic rocks are conductive, Phanerozoic sediments are generally highly conductive. Two geophysical surveys are analyzed in the paper. The first was conducted with the time-domain, towed-bird AEM system in the Itapicuru greenstone belt in the state of Bahia. The apparent conductivity map correlated better with the local lithology than the magnetic map. Results of the AEM survey were successfully used to improve the regional geological map. A helicopter EM system was used in the second survey, which covered a portion of the Precambrian shield of Rio Grande do Sul. Also in this region ground checks confirmed the usefulness of conductivity surveys in geological mapping. The technique outlined in the paper holds great promise for countries of humid tropical climate, where few outcrops exist and access is often difficult. The tests performed in Brazil indicate that by executing AEM/aeromagnetic surveys during initial stages of mapping and exploration programs, time and expenditure required for geological field work can be considerably reduced. The resulting geological maps are more accurate and the inventory of mineral occurrences becomes more complete.     

时间域航空电磁系统姿态变化影响研究

航空电磁系统的收发线圈受外界因素影响会发生姿态变化,使测量结果产生一定偏差.传统的数据处理方法考虑姿态变化情况单一,且主要以频率域系统为主,而目前复杂姿态变化对时间域航空电磁系统全时响应的影响尚未有系统研究.本文在前人研究基础上拓宽思路,不仅研究姿态的角度变化,同时改进前人计算方法,研究线圈发生位置变化的影响,并将线圈与大地的耦合感应效应考虑在内.本文通过定义姿态变化前后两种坐标系,确定姿态变化的角度和旋转矩阵,并将一维层状半解析解与姿态角度变化和位置变化进行整合,推导出收发线圈任意姿态变化的表达式.以直升机吊舱分离装置为例,对时间域航空电磁系统收发线圈任意姿态变化进行细致分析.基于重叠偶极子的假设,给出可应用于实际工作中的姿态校正因子,以提高实测数据的处理效率与精度.     

基于曲波变换的航空电磁数据调平方法研究

航空电磁法由于高效和高精度的特点广泛应用于地质填图、矿产资源、地下水、及环境与工程等勘查.然而,航空电磁系统处于动态环境,噪声影响严重,航空电磁数据处理至关重要.航空电磁数据噪声除随机成分外,还包括有各种效应引起的畸变,数据去噪需要依据噪声特征进行处理.航空电磁数据调平是航空电磁数据处理中至关重要的步骤,它能有效去除数据中由飞机飞行条件变化导致系统状态变化而产生的异常.传统的调平方法由于效率较低、易产生数据畸变等受到限制.为了克服这些局限性,我们提出一种基于曲波变换的数据调平方法.该方法得益于曲波变换多尺度和多方向性特征,可以有效地提取数据中的调平误差并予以去除.与此同时,利用该方法我们可以对非规则测区数据进行直接调平,无需进行测区分割,显著提高调平效率和普适性.为了检验本文曲波变换调平方法的有效性,我们将其应用于理论数据以及在爱尔兰Waterford地区实测的航电数据调平.实验结果表明该方法有效地去除调平误差的同时很好地保留有用信号.     

电磁勘探中各向异性研究现状和展望

电各向异性广泛存在于自然界中,已成为电磁勘探资料解释中不可忽视的因素.特别是在一些沉积岩地区,由于层理发育导致地下介质电阻率随电流方向发生变化,表现出很强的各向异性导电性.此时,利用各向同性模型进行电磁数据解释将引起很大的误差.本文回顾了电磁勘探中电各向异性研究的历史,简要介绍电各向异性成因、数值模拟中的数学描述及电各向异性介质中电磁场正反演模拟方法等研究现状,总结电各向异性在大地电磁、可控源电磁、航空电磁和感应测井等方面的最新研究进展及未来的挑战.随着多维电磁数据采集及正反演模拟技术的进步和计算能力的提高,给电各向异性信息提取和应用带来了新的契机.电各向异性研究将在矿产资源勘查、油气存储与运移特征分析、地下水和地热、环境工程地质调查、大地构造及地质灾害预测等方面发挥积极作用.     

三维时间域航空电磁有理Krylov正演研究

常规的三维时间域航空电磁模拟通常采用隐式步长方法进行时间离散,需要几次矩阵分解和上百次右端源项回带,计算效率较低.为了提高正演计算效率,本文提出使用有理Krylov方法求解时间域电场扩散方程.首先使用非结构四面体网格进行空间离散,采用Nédélec矢量基函数近似四面体单元内的电场;然后基于有限元离散给出矩阵指数和矢量乘积表示的电场显式解;最后采用有理Arnoldi算法构造Krylov子空间内的正交基函数并进一步求解矩阵指数与矢量的乘积,直接得到任意时刻的电场解向量,避免步长离散过程.此外,本文还提出一种指数加权偏移参数优化方法,使得有理Arnoldi近似在瞬变衰减晚期具备更高的精度,从而降低Krylov子空间阶数并提高计算效率.通过和层状模型解析解的对比验证了有理Krylov方法的精度.针对三维异常体模型使用全局网格和局部网格剖分并和其他数值方法比较,进一步说明了有理Krylov方法的有效性.