瞬变电磁法中关断电流的响应计算与校正方法研究

关断电流的存在直接影响仪器的探测能力和数据资料的解释.为了分析和校正这种影响,文中给出了关断时间的计算方法,根据多匝回线源产生的瞬变场理论解析式,计算了线性和半正弦关断电流影响下瞬变场表达式,计算半正弦关断电流产生的瞬变场时将正弦函数进行泰勒展开;分析了关断时间在2μs～100 μs之间两种关断模式产生的瞬变响应.结果显示;同一关断时间下线性关断电流和半正弦关断电流对瞬变场的影响主要表现在"早期",并且随观测时间的增加影响逐渐减弱.同时,关断时间越长,关断效应对瞬变场的影响越向瞬变"晚期"延伸;半正弦关断电流对瞬变场的影响大于线性关断电流.当关断时间为100 μs时,关断电流产生的瞬变场曲线约在0.5 ms之后与理论曲线重合.研究结果为数据处理和仪器开发提供参考.     

瞬变电磁隧道超前预报成像技术

为解决隧道掌子面前含水带病害快速有效探测问题,尝试把对含水带结构反映敏感的瞬变电磁法引入到隧道掌子面前进行工作.文中介绍了瞬变电磁超前预报的工作装置形式;通过对掌子面特定环境的分析,提出引用“浮动薄板”理论,以二次电导微分参数为特征量建立隧道超前预报成像系统.推导出以等效导电薄板为虚拟像源的磁场响应与电导之间的非线性关系式. 通过引入辅助函数,采用遗传算法求得电导参数.最终以二次电导微分参数绘制成像剖面.对地电模型进行数值模拟和对应用实例进行了成像,结果表明成像方法对隧道掌子面前方水体病害预报效果明显.     

工业输电线对瞬变电磁二次场的影响及干扰的消除

为了研究工业输电线对瞬变电磁探测效果产生的影响,建立了工业输电线模型并结合均匀半空间模型,研究了瞬变电磁二次磁场的变化率和输电线在竖直方向上磁场变化率之间的定量关系,确定了发射框半径、信噪比与距工业输电线水平距离的关系.研究表明:工业输电线的干扰在地面上是呈正弦变化的,其幅值的大小与电流强度、输电线高度和距工业输电线的水平距离有关.并据此提出了消除工业输电线干扰的方法,研究结果对在工业输电线附近进行瞬变电磁工作具有指导意义.     

多通道瞬变电磁法资料处理方法技术综述

多通道瞬变电磁法是近年来国际发展的油气资源探测新方法,为了实现这种方法由油气资源领域向矿产资源勘查领域的拓展,中国科学院地质与地球物理研究所牵头对其装备与数据处理解释系统开展技术攻关.针对上述自主研发的多通道瞬变电磁装置,基于其数据采集、数据处理与解释等技术要求,本文对与之匹配开发的多通道瞬变电法磁数据处理解释系统(包含预处理、大地响应正演模拟、二维和三维数据偏移成像等模块)的性能进行分析,结果表明:经过对多通道瞬变电磁法数据处理方法的技术攻关,形成了包含数据处理、正演模拟、二三维偏移成像、解释与可视化等模块的多通道瞬变电磁数据处理解释系统,为多通道大功率电法勘探系统的应用提供了良好的支撑作用.     

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.     

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.

     

大地电磁地形校正—以镇巴区块为例

地形起伏大会严重影响大地电磁测深的解释效果,不同的地形特征将会造成不同的影响,可以采用一定的校正方法压制或消除这种影响。本文以镇巴区块为例研究了地形影响的特点,实现了地形校正。解释结果清楚地显示出镇巴区块几条主要断裂以及存在推覆体,与该区构造特征基本一致。     

城市活断层探测中电磁噪音和环境干扰对浅层电磁方法的影响

城市噪音主要指由于城市设施和人类活动 (如电网、管线、通讯设备、建筑物、交通等 )对电磁信号的干扰。克服城市噪音、提高信噪比是保证城市活断层的电磁探测能否成功的关键。因而 ,在福州市活断层的电磁试验探测中 ,噪音观测与分析被列为试验的一项重要内容 ① 。文中将主要讨论不同类型的噪音对高密度电法 (DC)和瞬变电磁法 (TEM)的影响 ,并提出一些实用的解决办法。试验表明 ,影响高密度电法观测质量的主要因素是地下噪音源 ,如地下管道、地下电缆等 ,地面以上噪音的影响相对较小。对于瞬变电磁法 ,不管地面以下还是地面以上的噪音源都将产生影响。但是 ,只要仪器的性能好 ,对不同噪音源采取相应的措施 ,可以获得满意的结果     

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.

     

音频大地电磁法强干扰压制试验研究

压制非相关噪声已经有多种比较成熟的技术方法,如多次叠加、远参考、Robust阻抗估计等,但这些方法对压制矿集区存在的强电磁噪声(通常属于相关噪声)基本没有效果.本文在前期提出的针对矿集区大地电磁强噪声压制的数学形态滤波基础上,开展了音频大地电磁法强干扰压制的试验研究.在四川西昌某AMT测点附近,布置了大功率电磁发送站,通过接地导线向地下供20A的方波电流,同时在供电期和间歇期用凤凰公司MTU-5A仪器观测4个水平分量的电磁场.在室内采用数学形态滤波和阈值法相结合的手段在时间域对含有人工源强干扰的电磁场数据进行处理,以视电阻率对比、频谱和极化方向等参数对处理效果进行评价.结果表明:结构元素恰当的数学形态滤波可以对人工源强干扰进行识别、去除,阈值法则可以消除形态滤波后的脉冲干扰,二者结合可以有效地压制AMT中的强干扰噪声,提高数据可靠性.本文结果对AMT实际资料处理具有重要的实用和参考价值.     

矿井瞬变电磁法全空间视电阻率解释方法研究

从全空间中心回线源响应公式出发,推导了全空间晚期和全区视电阻率公式;通过与半空间公式比较和对实测资料的分析,研究了全空间视电阻率公式的应用效果.结果显示,全空间视电阻率为半空间视电阻率的(5/2)2/3倍,其晚期视电阻率与真值的相对误差小于0.56%,而相应的半空间视电阻率与真值误差均大于42%.与常规解释方法相比,采用全空间全区视电阻率换算方法能更好地圈定低阻异常范围,且电阻率差异大.因此,该公式更适用于矿井瞬变电磁法资料处理与解释,并具有更好的效果.     

Transient electromagnetic surveys with unimodal transverse magnetic field: ideas and results

The theory behind transient electromagnetic surveys can be well described in terms of transverse magnetic and transverse electric modes. Soundings using transverse magnetic and transverse electric modes require different source configurations. In this study, we consider an alternating transverse magnetic field excitation by a circular electric dipole. The circular electric dipole transmitter is a horizontal analogue of the vertical electric dipole. Offshore surveys using circular electric dipole might represent an alternative to the conventional marine controlled‐source electromagnetic method at shallow sea and/or for exploring relatively small targets. Field acquisition is carried out by recording either electric or magnetic responses. Electric responses bear information on the 1D structure of a layered earth and successfully resolve high‐resistivity targets in marine surveys. Land‐based circular electric dipole soundings are affected by induced polarisation. On the contrary, magnetic responses are absent on the surface of a 1D earth, and as a result, they are very sensitive to any and even very small 3D conductivity perturbations. In addition, they are sensitive to induced polarisation or some other polarisation effects in the subsurface. At present, circular electric dipole transmitters and magnetic receivers are successfully used in on‐land mineral and petroleum exploration.     

回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析

目前,瞬变电磁法（TEM）数据基本都是基于各向同性模型进行反演解释,这对于存在明显电性各向异性的勘探区域会产生较大的反演解释误差.为分析电各向异性对回线源瞬变电磁信号的影响方式与程度,本文通过求解离散化的全张量电导率时间域Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演算法.该算法采用基于交错网格的拟态有限体积法（MFV）对时域Maxwell方程组进行空间域离散,并利用后退欧拉算法（Backward Euler Method）进行时间域离散.为提高时域电磁场的求解精度与效率,该算法将时间分段等步长算法与方程直接求解法相结合.通过对一维各向异性模型以及三维复杂各向同性模型进行测试,验证了本算法对于回线源瞬变电磁响应计算的正确性及有效性.最后,通过对几类典型电各向异性介质中大回线源瞬变电磁信号响应的分析,总结了不同电各向异性类型对TEM电磁信号的影响模式,结果表明,主轴各向异性情况下TEM信号主要受水平方向电导率的影响,倾斜各向异性对TEM信号的影响程度远大于水平各向异性,而通过水平各向异性信号能较清晰判断出各向异性主轴方向.

     

瞬变电磁波测井边界远探测方法研究

随钻地质导向钻井的关键在于对边界的探测,为提高仪器探测深度,时谐源激励的电磁波测井方法通常采用降低频率、增大源距的方式.瞬变电磁波测井信号源的突然关断产生会产生感应涡流,涡流随时间向地层深部扩散,与时谐源激励方式相比,其探测深度更大且测量过程不受信号源的干扰.因此,本文提出一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,采用余弦变换的数值滤波算法,模拟层状地层同轴发射接收线圈的瞬变电磁波测井响应,结果显示,地层电导率越大,电磁波传播速度越慢,测量晚期感应电动势与地层电导率线性相关;通过定义层状介质总场与线圈系所在当前层背景场的差值可方便提取界面信息,对界面的探测距离可达数十米;瞬变电磁波测井响应受源距的影响很小,为利用短源距实现远探测提供了可能.瞬变电磁波测井与时谐源电磁波测井相比优势明显,在电磁波测井领域中应用前景广阔.

     

海底表面磁源瞬变响应建模及海水影响分析

根据电磁场理论,推导了磁偶源和接收点均位于海水中时层状海底模型的频域电磁场响应一般表达式,并通过此式,得到了海水为均匀半空间和有限海水深度两种情况下,垂直磁偶极装置、中心回线和重叠回线分别置于均匀半空间海底表面时的瞬变电磁响应（磁场和感应电压）表达式. 这些表达式将瞬变响应和海底的电导率等参数有机联系在一起,为海底瞬变电磁法的正演计算和反演解释提供了理论基础. 仿真计算表明,海水的存在不仅使得瞬变响应曲线形态发生变化,而且影响其对海底电导率的分辨能力.     

电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像

电性源地空瞬变电磁法具有工作效率高、勘探深度大、采集信号信噪比高、适用于地形地质条件复杂地区等优点.但是,到目前为止,由于尚未建立起该方法的解释系统,大大制约了该方法的发展.本文旨在建立起完整的地空电磁探测系统,丰富整个探测系统的理论.本文围绕地空瞬变电磁法全域视电阻率定义、瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像、逆合成孔径成像方法三个科学问题进行了系统研究.提出了用磁场强度定义全域视电阻率的迭代算法,理论模型试验结果表明计算出的视电阻率曲线首支趋于第一层电阻率,尾支趋于最后一层电阻率,实现了全空域、全时域视电阻率的计算;在先前研究的基础上,实现了适合电性源地空装置的瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像;采用相关迭加技术,实现孔径内多测点数据合成,将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的逆合成孔径处理方法.层状模型试验表明:(1)全域视电阻率能够光滑、完整、渐变地反映出模型的电性信息变化;(2)当改变三层模型中间层电阻率时,全域视电阻率曲线随着参数的改变分异明显,对电性层的识别容易且直观;(3)由于在电阻率计算中同时考虑了接收机高度、偏移距、时间等各参数的影响,全域视电阻率可实现全空域、全时域的视电阻率计算.含水采空区的复杂模型算例表明:(1)根据不同测线的全域视电阻率结果可以看出,在靠近采空区的位置,全域视电阻率断面可以清晰地反映出采空区的空间位置,随着测线离采空区越来越远,采空区异常越来越弱直至消失;(2)波场变换和偏移成像的结果显示存在两个电性差异较大的界面,上界面指示地表,由于空气和大地之间的电性差异较大,故该界面波场信号反映强烈,遍布整个区域,下界面异常信号则主要集中在中部,向外逐渐减弱,指示采空区;(3)逆合成孔径成像结果表明地表界面在合成前后没有变化,而采空区异常合成后范围明显变小,且异常边界清晰,指示的采空区位置与模型吻合很好.本文借助于逆合成孔径雷达成像的基本思想,建立了一套电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法.基于反函数思想结合迭代算法提出的电性源地空瞬变电磁法的全域视电阻率定义方法,实现了全空域、全时域的视电阻率计算;借鉴瞬变电磁拟地震偏移成像算法,实现了瞬变场的三维成像;借鉴逆合成孔径雷达的思想,提出电性源瞬变电磁地空逆合成孔径算法,进一步提高了成像的分辨率.采空区模型算例表明相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点,证实了瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法的有效性.     

水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析

在感应测井和瞬变电磁场理论基础上, 采用并矢格林函数计算三维感应测井中的9个谐变场分量, 应用余弦变换数值滤波法将磁张量转换到时间域, 得到孔中时间域张量电磁场理论公式, 提出了孔中时间域电磁张量测量方法.建立了竖井井旁层状介质模型和钻遇地层模型, 从理论上获得了井中不同深度处的时间域电磁张量响应, 初步验证了该方法在井旁远探和随钻前探中的可行性.研究结果表明: 孔中测点所处深度越深需要的采样时间窗口越宽; 与z相关的感应电位分量对目标层的识别能力更高, 可以作为井旁远探的首选参数; xx分量和zz分量异常响应较为明显, 可分别作为随钻前探的首选分量和辅助分量.多测道曲线和截距剖面能明显反映出目标层界面特征, 可以为资料处理与解释提供帮助.此外, zz分量可识别出高阻目标层, 显示出了方法的另一优势.研究成果可为电磁张量测井技术与装备研发提供理论参考.

     

The application of the transient electromagnetic method in hydrogeophysical surveys

The transient electromagnetic (TEM) method has been used extensively for hydrogeophysical exploration in Denmark for the past decade. Innovative instrumentation combined with multi-dimensional modelling and interpretational insights based on experience gained through numerous case studies have proven to be a successful strategy. In the case study reported here, the combination revealed an unknown and unexpected buried valley complex. Drill hole data were in good agreement with estimates of both the bearings and depths of valleys defined by the TEM surveys. The Pulled Array Transient Electromagnetic (PATEM) system was built to provide high data density for increased lateral resolution. A High moment Transient Electromagnetic (HiTEM) system was developed for delineation of aquifers to depths up to 300 m. Because both of these systems provide high data density, data quality can be assessed as part of the interpretational strategy. When acquiring TEM measurements in areas as densely populated as the Danish countryside, precautions must be taken to minimize coupling between the TEM system and man-made conductors. Modelling the slope of the flanks of buried valleys has challenged the adequacy of the one-dimensional (1-D) assumption for inversion of TEM data. The study shows that for a valley structure in a low-resistive layer, the 1-D assumption is sufficient to track the presence of rather steep slopes. For a valley structure in a high-resistive layer, however, the insensitivity of the TEM method to resistors makes it difficult to determine a slope with a 1-D inversion, and only the overall structure is defined.     

时空阵列混场源电磁法理论及模拟研究

针对电磁勘探中的混场源输入条件,提出了一种时空阵列混场源电磁勘探方法.假设输入端同时包含天然电磁场源和可控人工场源,输出端进行多站同步观测;基于多输入-多输出系统的分析方法,推导了混场源条件下的时空阵列方程组.提出了系统响应的求解策略,一次性获得所有同步测道对各个场源独立激励时的响应,并分别求取了大地电磁法及可控源电磁法的各种解释参数.在此理论基础上,设计了针对性的施工方案;可控人工场源的选择形式多样,其类型、数量、激励方式及布设位置等不受限制,所有场源的激励可同时进行,无需分步;测区内各测站的布设方式灵活,可根据需要布设单分量测道或多分量测道;同时在测区外布设张量远参考站.利用数值模拟方法,论证了方法的有效性,并与常规方法进行了对比.结果表明,本方法不仅可提高人工场响应的处理精度,还具有一次野外数据采集,可同时获得天然场及人工场电磁响应结果的突出特点,进而提高采集效率,压制噪声影响;本方法集合了天然场源电磁法和人工场源电磁法的优点,为实现不同类型频率域电磁测深方法数据的统一处理提供了思路.