时间域航空电磁法激电信息提取研究

时间域航空电磁晚期道数据中常出现符号反转现象,该现象被证明是由激电效应引起.鉴于利用传统实电阻率模型的成像和反演技术处理该类数据无法得到正确的反演结果,本文提出基于Occam理论的反演方法,对层状模型电阻率和充电率参数进行同时反演.本文首先通过正演模拟极化介质中电流密度的分布情况,对时间域航空电磁信号出现多次符号反转现象做出合理解释;然后通过链式法则和波形褶积技术计算Cole-Cole模型参数灵敏度,进而探讨不同Cole-Cole模型参数灵敏度差异及其对反演结果的影响.为了提高多参数反演的稳定性和准确性,在反演过程中对参数采取上下限约束,最后对B_z、dB_z/dt响应单独反演结果和联合反演结果进行对比和分析,发现联合反演可以有效地降低反演结果的多解性.     

航空瞬变电磁激电效应特性研究

航空瞬变电磁法具有探测速度快、成本低、无需在地面作业等优点,广泛应用于矿产勘查、环境工程和地下水等领域.由于存在激电效应,导致航空瞬变电磁响应曲线出现异常衰减和符号反转现象.常规的实电阻率反演方法通常对负值响应予以剔除,反演结果与真实模型偏差很大,降低了反演结果准确性和可信度.为了研究航空瞬变电磁激电效应的特性,本文基于Cole-Cole模型表示激电效应,采用汉克尔数值滤波和正弦数值滤波实现了航空瞬变电磁一维正演模拟.将总响应分解为感应响应和极化响应,对激电效应的物理机制提出了一种新的解释,分析了地电参数、装置系数对响应曲线特性的影响以及响应对不同激电参数的灵敏度.研究表明,利用零频电阻率计算感应响应能有效地解释航空瞬变电磁激电效应的物理机制.当零频电阻率越大,极化效应越强,极化体埋深越浅,发射线圈高度越低,更容易出现符号反转现象.电磁响应对电阻率灵敏度最大,对充电率、时间常数和频率相关系数灵敏度很小.     

含激电效应的航空瞬变电磁数据横向约束反演

受激电效应影响,航空瞬变电磁响应曲线经常出现异常快速衰减和符号反转现象,使用Cole-Cole模型的等效电阻率代替原模型实电阻率能很好的解释该现象,但由于激电多个参数的引入,使得反演多解性问题更加严重.本文基于Cole-Cole模型实现了航空瞬变电磁一维正演,采用横向约束反演同时计算激电参数及层厚,增加约束条件改善多解...     

三维大地电磁激电效应特征研究

在积分方程法的大地电磁三维正演模拟中引入Cole-Cole模型研究激电效应特征,对均匀半空间中存在极化体时的三维大地电磁测深响应进行了理论计算,分析了极化参数的影响规律.结果表明:激电效应使观测视电阻率值变低;地下高阻极化体比低阻极化体的激电效应强,特别是极化率大的高阻极化体对大地电磁响应影响大,使观测结果出现假异常.     

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.     

时间域航空电磁法一维正演研究

基于电磁勘探理论，导出了层状大地条件下时间域航空电磁法（偶极-偶极装置）的正演计算公式和算法，编制了相应的计算机程序，对若干典型地电断面作了正演计算. 计算结果说明时间域航空电磁法的探测能力和探测条件，进而为时间域直升机航空电磁系统的设计方案提供了依据.     

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.

     

时间域航空电磁激发极化参数三维反演研究

时间域航空电磁中心回线(或重叠回线)装置晚期道数据受激电效应影响常出现符号反转现象.这类数据与多个激电参数相关,并且各参数之间灵敏度差异较大,导致反演存在严重的非唯一性.本文提出一种基于Pearson相关性约束和深度学习算法相结合的时间域航空电磁激发极化参数反演策略.该反演策略首先基于深度学习预测时间域航空电磁激电参数,进而给时间常数和频率相关系数一个较小的约束范围后再反演电阻率和极化率,由此大大减少反演的多解性.针对电阻率和极化率的反演,我们采用统计学中Pearson相关系数构建两种物性参数的相关性约束,进一步减少反演多解性.为验证反演策略的有效性,我们对双棱柱模型和拱形模型分别进行反演试算.理论测试结果表明,基于Pearson相关性约束的电阻率和极化率的反演结果比传统的高斯-牛顿反演结果更接近真实模型,而基于深度学习预测时间常数和频率相关系数后的电阻率和极化率反演结果与给定真实时间常数和频率相关系数后的反演结果效果相当.最后,我们对来自澳大利亚的带激电效应的航空电磁实测数据在考虑和不考虑激电效应条件下进行反演,结果表明考虑激电效应的反演无论数据拟合还是地电断面的连续性均得到明显改善.

     

时间域航空电磁快速成像研究

基于电磁法理论,编写了时间域中心回线航空电磁正演算法程序,并通过查表法求取了视电阻率,时间域航空电磁的快速成像采用了经本文改进的快速一阶与二阶近似成像算法,通过四种典型地电模型对两种成像方法进行了对比,分析了两种算法在航空物探应用中的优缺点.试算结果表明,本文的两种快速成像算法均得到了比较理想的拟合效果,二阶近似成像算法对地层电阻率变化灵敏性尤为突出.     

基于广义模型约束的时间域航空电磁反演研究

由于航空电磁具有海量数据,因此快速有效的成像和反演手段至关重要.本文针对层状介质模型推导与实现了广义模型约束条件下时间域航空电磁一维反演.从正则化反演的目标函数出发,通过改变模型约束项构造Lp范数反演和聚焦反演,进而通过改变模型求解域构造出基于小波变换的稀疏约束反演.针对不同反演方法目标函数的构建方式,本文进一步从数学原理上分析不同反演方法的预期效果,并通过理论模型和实测数据进行验证.结果表明L0.8范数反演、聚焦反演和基于小波变换的稀疏约束反演可以得到更符合地下层状介质陡变界面的反演结果.

     

时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究

各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.

     

基于瞬时电流脉冲的三维时间域航空电磁全波形正演模拟

传统时间域航空电磁全波形正演模拟主要采用间接法（褶积算法）和直接法（时域有限差分方法等）,然而褶积算法需要获得精确的电流二阶导数,这给发射电流数据采集工作带来极大挑战;时域有限差分方法受到网格和时间步长的严格限制,缺乏灵活性.为解决这些问题,本文采用时域有限元方法,通过直接改变每个时间道上的瞬时电流强度模拟任意发射波形的电磁响应.由于无需计算电流二阶导数,大大提高了正演结果的精度.利用基于非结构四面体网格的矢量有限元方法和后推欧拉技术对时间域电场扩散方程进行空间和时间离散,实现三维航空电磁时间域全波形的直接正演模拟.由此不仅可以模拟复杂的地电结构,而且基于后推欧拉法的无条件稳定性,可以更加灵活地选取时间步长,提高计算效率.通过与1D数值模拟结果进行对比验证了该方法的准确性.本文对三维柱状体模型上HELITEM MULTIPULSE和VTEM系统实际发射波形电磁响应进行模拟,并与褶积算法的结果进行比较,验证了本文算法模拟实际发射波形电磁响应的优越性.对复杂三维地质体模型上不同发射波形电磁响应进行模拟,验证了时间域有限元算法可有效处理复杂地下地质结构.

     

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.     

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.     

电偶源频率电磁测深激发极化效应研究

本文研究含激电效应(IP)电偶源频率电磁测深问题.首先,通过对电偶源频率电磁测深电磁场分量分辨率的分析,提出利用电场Ex分量提取IP信息的合理性;然后,给出了同时存在激电和电磁效应时的理论计算公式和算法,对一些典型地电断面进行理论计算并对计算结果进行分析;最后,提出提取IP信息的几种可能方案.这些工作不仅为野外实测资料IP信息的提取提供理论依据,同时为进一步实现电磁响应中感应效应与激电效应分离提供基础.     

Combined straightforward inversion of resistivity and induced polarization (time-domain) sounding data

It is proposed that the Straightforward Inversion Scheme (SIS) developed by the authors for 1D inversion of resistivity sounding and magneto-telluric sounding data can also be used in similar fashion for time-domain induced polarization sounding data. The necessary formulations based on dynamic dipole theory are presented. It is shown that by using induced polarization potential, measured at the instant when steady state current is switched off, an equation can be developed for apparent ‘chargeability–resistivity’ which is similar to the one for apparent resistivity. The two data sets of apparent resistivity and apparent chargeability–resistivity can be inverted in a combined manner, using SIS for a common uniform thickness layer earth model to estimate the respective subsurface distributions of resistivity and chargeability–resistivity. The quotient of the two profiles will give the sought after chargeability profile. A brief outline of SIS is provided for completeness. Three theoretical models are included to confirm the efficacy of SIS software by inverting only the synthetic resistivity sounding data. Then one synthetic data set based on a geological model and three field data sets (combination of resistivity and IP soundings) from diverse geological and geographical regions are included as validation of the proposal. It is hoped that the proposed scheme would complement the resistivity interpretation with special reference to shaly sand formations.     

基于非结构有限元的时间域海洋电磁三维反演

海洋电磁法是一种有效的钻前储层评价手段,可识别出海底构造是否储油气,从而减少干井率降低勘探成本.近年来,频率域三维海洋电磁反演得到了快速发展,但受到空气波的影响,其在浅海环境中无法取得很好的效果.为解决这一问题,本文研究时间域海洋电磁数据三维正反演.正演模拟和计算中,我们选择基于非结构网格的矢量有限元方法.该算法中空间离散采用非结构四面体网格,可很好地拟合复杂海底地形条件和地下复杂结构;而对于时间离散,我们采用无条件稳定的后推欧拉方法,以确保任意时间步长数值计算的稳定性.反演计算中,灵敏度信息采用伴随正演隐式进行计算;同时,依据时间域反演方法的特点采用L-BFGS方法计算模型修正量.通过利用合成数据反演结果证明了本文提出的三维时间域反演方法可用于复杂海底环境,特别是在浅海环境下的有效性.