不同模型约束的SOTEM稳定性反演

短偏移距瞬变电磁法（简称SOTEM）理论上探测精度较高,但由于地下电性结构复杂多样,目前所采用的单一模型约束反演策略具有局限性.本文提出了一种不同模型约束的SOTEM稳定性反演方案,能够快速获得具有光滑型、聚焦型、突变型结构特点的反演结果.该方案引入了光滑泛函、总变分泛函、最小梯度支撑泛函进行不同正则化,将不同稳定泛函重新构造,在统一反演框架下获得不同模型约束反演问题的解,并对正演、迭代过程、雅可比矩阵计算、正则化参数设置等多个细节进行了优化,以提高SOTEM反演的稳定性和效率.通过不同地电模型的大量样本,考察了本文所提的多种优化方案对反演的稳定性和效率的提升效果,对比了采用不同模型约束进行正则化的反演效果,从而验证了所提SOTEM反演方案的稳定性与快速有效性.

     

SOTEM数据一维OCCAM反演及其应用于三维模型的效果

本文基于垂直磁场分量研究了SOTEM数据的一维OCCAM反演方法,并将其应用于理论三维数据及野外实测数据的反演.对于大部分一维模型,OCCAM反演可取得较好的反演效果,且反演结果不依赖于偏移距;噪声对SOTEM数据的OCCAM反演具有较大影响,但当信号含噪水平不超过5%时,反演结果仍具有较好的准确性;若浅层存在较厚的低阻层,OCCAM反演结果对下部地层的分辨能力下降,仅能获得具有平均效应的电阻率.将一维算法应用于SOTEM三维数据的反演,会产生较大的误差,尤其是在异常体边缘地带影响最为严重.该影响程度与异常体和背景电阻率之间的差异有关,对于大多数电性近似呈连续变化的真实大地而言,一维OCCAM反演算法仍可获得较好的效果.最后通过陕西某煤田深部富水性调查的实测SOTEM数据反演验证了本文的研究成果.

     

接地源短偏移瞬变电磁法研究展望

开展第二深度空间(500~2000 m)矿产资源精细探矿,已成为一项紧迫和长期的任务,研究瞬变电磁探测新方法、新技术,是完成大深度、高精度找矿任务的途径之一.针对电性源瞬变电磁法的优越性,本文提出采用接地源短偏移瞬变电磁法解决深部目标矿体精细探测这一问题.从探测装置、探测深度、数据处理、资料解释等方面对这种方法进行讨论.通过对短偏移装置探测能力、对地形影响、静态效应、偏移成像等几个关键技术问题的分析,认为这种方法可以实现大深度、高精度探测目标.接地线源短偏移瞬变电磁法是一种适合深部探矿并值得推广的方法.     

短偏移距电磁探测技术概述

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method,TEM）视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁（Short-Offset TEM,SOTEM）理论上的可行性;列举了将LOTEM（Long-Offset TEM）从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT（Magneto-Telluric）的CSAMT（Controlled Source Audio-frequency Magneto-Telluric）与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.

     

接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术

对于接地源时间域瞬变电磁法,当选取适当的激励波形后,可将辐射场与自有场分离开来, 实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探;水平分层大地的解析分析表明,随着偏移距的缩短,接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏;时间域瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定.基于接地源近场测深的优越性,作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM, 采用了1000 m的偏移距对埋深为1400 m的某盐矿溶腔进行探测, 在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露, 验证了SOTEM方法的探测能力.该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段.     

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.     

地形对长偏移距瞬变电磁测深的影响研究(英文)

用基于张量格林函数的体积分方程法对三维异常体进行瞬变电磁响应的正演模拟,首先在频率域内计算电磁场分量的频率域响应,然后利用快速数字滤波技术将计算结果转换到时间域。设计和计算了水平电偶极子源激发下层状水平地层模型背景下的常见地形如山谷、山峰地形的模型,并考察分别把源和接收器放于这些地形中的瞬变电磁场响应,详细分析了这些地形对长偏移距瞬变电磁测深(LOTEM)的影响。结果表明,山谷和山峰地形对LOTEM的结果均有不同程度的影响。当电偶极子源放在山谷谷底时,地形对观测异常场的畸变非常严重;当接收器放在山谷中时,接收器处地形的影响强烈但该影响在空间和时间上只是局部的。总体来讲,不论山峰地形位于何处,其对LOTEM的影响相对较小。当地形处于发射源与接收器之间时,地形对LOTEM的影响非常小,表明在进行LOTEM勘探时,选择发射源的放置比接收器的位置更加重要,野外勘探是尽量把发射源选择在开阔的平坦位置。     

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法（Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM）凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

     

高温超导磁强计在瞬变电磁法中的应用研究

通过对高温超导磁强计的不断完善,研制出了适合在瞬变电磁法中使用的高温超导磁强计,实现了在瞬变电磁法中直接测量磁场的目的.同时开展了瞬变电磁法感应磁场的数据处理与解释技术研究,开发了瞬变电磁法感应磁场的电性成像软件,可以对使用高温超导磁强计作传感器测得的瞬变电磁感应磁场数据进行处理与电性成像.野外实验表明:高温超导磁强计工作稳定,在瞬变电磁法中使用高温超导磁强计比使用感应线圈做传感器提高了勘探深度.     

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.

     

电性源地-井瞬变电磁法全分量响应特性与探测能力分析

结合地面电性源瞬变电磁法（TEM）探测深度大和地-井TEM探测精度高的优点,本文提出对电性源地-井TEM进行研究.基于一维正演理论,本文对电性源在地下激发的六个电磁场分量的扩散、分布特性和探测能力进行分析研究.研究结果表明地下瞬变场各分量的分布特征与地面情况类似,但是对地层的探测能力与地面情况存在较大差别.各分量的探测能力与它们的扩散特性有关,其中受积累电荷作用,垂直电场Ez和水平磁场Ḣx分量对目标层的反映最为明显,Ex和Ḣy分量在地下扩散时受"返回电流"的影响会出现变号现象,使得异常体带来的影响被掩盖,不易被分辨.本文研究结果为发展电性源地-井TEM的施工技术、数据处理与解释,建立了相应的理论基础,获得了对该方法的初步认识.     

地电阻率多极距观测中的最佳布极方式

对如何确定地电阻率多极距观测中的最佳布极方式, 包括极距个数和各极距长度的确定进行了研究。 确定最佳布极方式的主要依据是地下各层介质的响应系数随观测极距的变化规律以及采用不同观测极距对反演精度的影响。 以宝坻台为例, 讨论了在电性剖面参数已知的情况下, 如何确定多极距观测中各极距长度。 最后, 利用提出的最佳布极方式确定的装置系统对宝坻台模拟多极距观测资料进行了处理。 结果表明, 用最佳布极方式确定的多极距观测系统可精确计算出地下各层介质的真电阻率变化。     

煤矿微震监测台网优化布设研究

煤矿冲击矿压现象日益严峻,作为矿山动力灾害的主要监测手段,微震监测系统已在许多矿井广泛使用,为保证矿震定位和能量计算的准确,提高预测预报煤矿冲击矿压的可行性,应建立一套台网布设优化及评价系统.应用微震定位和D值优化设计理论,结合煤矿实际条件研究了影响矿震定位精度的主要因素和不利条件,并提出了采用综合指数法确定煤矿高微震活动区域和区域内矿震发生的概率,制定了台站候选点和监测区域确定的一般原则.通过理论分析震中和震源标准差反映台网定位能力的不足,建立基于数值仿真实验方法的震中与震源误差期望值模型,最终形成台网布设优化及评价系统.实验和现场应用结果表明,该系统能够快速确定台网最优布设方案,准确评价台网定位能力,满足煤矿微震监测的需要.     

福建地区流动地磁观测与地震的关系

介绍了福建省流动地磁野外观测及资料的处理情况。利用１９９０年以来的流磁资料,采用常规差值法和差值滑动滤波方法,分析了９０年代发生在我省及邻近海域的地震与地磁异常变化的关系。结果表明,震前存在着地磁异常的变化信息,反映出地磁宾复杂性。     

高山峡谷区CSAMT观测系统研究

通常CSAMT采用的观测方式为发射设备摆设在距测线约6～8km的位置上,发射极与接收极平行放置．但在高山峡谷区,发射和接收装置因地形影响而不能按最佳方式布设．本文以1D正演EM波的技术为手段,研究了适合高山峡谷区的几种可能的CSAMT观测系统．比较了他们的优缺点．文章还对相应的反演方法提出了建议．     

江苏前兆观测年变周期异常与中强地震研究

从前兆观测资料的年变规律着手，选择了江苏前兆观测台网中资料精度较高、年变周期显著的新沂地电阻率和南通短水准两个手段5条测向1990—2002年的观测资料，建立它们的年变周期模型，与实际观测进行对比研究，结合震例，分析其年变畸形的预测效能和映震特征。结果表明：有正常背景年变规律的测向，可以建立年变周期模型，一旦实际观测出现了偏离年变周期模型的变化，就往往是地震前兆异常的一种反映，如果出现与理论值相差60天以上的异常变化时，其预报效能明显提高，可作为一项中短临异常指标进行地震预报。     

地下水位数字与模拟观测对比分析

对地下水位数字记录仪与模拟记录仪产出的水位资料进行了对比分析。结果表明，两者日均值相关系数在0．3956－0．9997之间，整时值相关系数在0．0526－0．9997之间；自流井水位资料的同步性较差；总体分析数字化水位仪观测精度优于模拟水位仪。     

地电阻率观测各类干扰源的分析与研究

地电阻率观测是我国地震前兆监测的重要手段之一,目前已积累了大量的观测资料和强震震例。但随着农村经济的发展和城市现代化轨道交通设施的建设,使得部分地电台站观测环境发生较大变化,导致地电阻率前兆观测资料受到较强的干扰。本文通过对国内现有地电阻率观测资料的分析、干扰源的调研,研究了各类干扰产生的原因及识别方法。并根据已有的研究成果,对地电阻率观测抑制干扰的技术和方法及数据使用与处理提出了相应的建议。     

数字化测逸出氡替代模拟测水氡的理论与实践

模拟测水氡方法已有40年历史, 氡浓度异常变化预测地震取得了较好的效果, 在地震短临预报中发挥了重要作用。80年代中期, 人们逐渐认识到自流井中逸出气氡的信息量和异常量远远大于溶解氡, 随即开始对逸出气氡的微动态进行研究, 并在“九五”期间研制出目前国内功能、技术性能指标最佳的数字化测氡仪。然而数字化观测逸出氡能否代替模拟观测水氡存在不同意见, 通过理论上的分析和观测气氡实际震例的研究, 阐明模拟测水氡和测逸出氡的差异和一致性, 认为有逸出氡的井、泉测逸出氡完全可以代替模拟测水氡, 其效果更佳。     

地表点电流对地电阻率观测的影响

将地电阻率台站地下介质简化为水平层状均匀介质模型,以点电流模拟地表干扰电流源,针对对称四极观测装置,计算干扰源电流增减及位置变化对地电阻率观测的影响。结果表明,地电阻率的受干扰程度取决于地表干扰点电流的大小、在测区的方位及距中心点的距离。