层状全空间瞬变电磁响应理论研究

研究全空间效应的影响因素及变化规律,可以有效地丰富地下瞬变电磁法的正、反演理论体系.为此,首先建立层状全空间模型,推导了全空间的瞬变电磁响应公式,采用快速汉克尔变换和余弦变换求出了回线中心处的感应电动势,对比分析了叠加方法得到的全空间响应,并引入全区视电阻率来分析瞬变电磁场扩散规律和全空间效应影响因素,最后通过实测模型来验证模型的计算效果.结果表明,层状全空间模型计算出的响应值相对误差低于3％,精度较高;叠加方法计算的瞬变电磁响应不是真正的全空间,且全空间响应均大于半空间响应的值;在低阻层存在时,全空间响应早期受电阻率和厚度的影响较强烈,由此发现在全空间条件下减少巷道内低电阻率干扰体是减小盲区的重要手段;在超高阻层存在时,半空间响应仅仅是全空间条件下观测点以上的地层电阻率为无穷大的特殊情况;低阻目标层的视电阻率受目标层埋深与层厚差异的影响,若埋深与厚度相差小则分层效果越好;实测数据的建模结果显示计算方法有一定的正确性.本研究填补了矿井瞬变电磁一维全空间响应研究内容,为实际应用提供了验算基础.     

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.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.     

全空间条件下矿井瞬变电磁法粒子群优化反演研究

煤矿井下矿井瞬变电磁法(MTEM)探测中,电磁场呈全空间分布,全空间瞬变电磁反演是复杂的非线性问题,目前反演计算中全空间响应主要由半空间响应乘以全空间响应系数来得到,导致反演结果中顶板和底板异常(或前方和后方异常)叠加在一起难以分离,造成分辨率下降.论文提出采用粒子群优化算法(PSO)进行全空间MTEM反演,通过理论分析,在常规的粒子群算法基础上提出了一种新的进化公式改进策略,提高了粒子群算法的寻优能力.基于全空间瞬变电磁场理论,编写了粒子群算法反演程序,进行全空间条件下五层含巷道的复杂模型的反演计算.结合某矿井巷道顶板、底板岩层及断层含水性的探测实例,对实测数据进行反演计算和解释,探测结果得到钻探证实.研究表明,改进的粒子群优化算法对理论模型和实际资料的反演拟合程度较高,实现了矿井顶板、底板视电阻率异常的分离,提高了全空间瞬变电磁勘探资料的解释精度和分辨率.     

煤矿老空水全空间瞬变电磁响应三维数值模拟及应用（英文）

煤矿老空水是煤矿安全的最大隐患。本文对煤矿老空水的全空间瞬变电磁响应特征进行了数值模拟研究。传统的数值模拟方法不能直接模拟井下全空间瞬变电磁场。我们采用了以多组发射线圈代替传统的单发射回线的方式,使在有限差分法直角网格中加载任意方向发射回线,同时根据全空间特点对磁场的z分量算法进行了改进;根据煤矿实际地质资料建立全空间三维地电模型,采用时域有限差分法模拟了含煤地层中不同位置和不同形态老空水模型的全空间瞬变电磁响应,并分析其视电阻率特征。数值模拟结果表明:煤层与其顶底板电性差异对视电阻率分布产生较大影响,致使视电阻率分布呈以巷道迎头为圆心的近似圆形分布;不同位置和不同形态的老空水模型,其视电阻率等值线低阻异常区与其基本吻合,当老空水位于巷道迎头位置一侧时,由于全空间效应的影响,在另一侧产生一范围相对较小的低阻假异常区,但其等值线数值相对较高。将井下瞬变电磁法应用于实际老空水的探测中,探测资料圈定的老空水位置为后期钻探结果所证实,证明了所提出的方法是合理与有效的。     

大定源装置下瞬变电磁法视电阻率定义

对于应用较广的大回线源瞬变电磁装置,虽然得到了非中心点电磁响应式,但由于响应的复杂性,一直没有推导出不同场点视电阻率定义式,通常借用中心回线方式的视电阻率公式进行解释,必然会在观测区的边缘处出现异常.为提高瞬变电磁法的解释精度,将非中心点垂直分量转化为人们熟悉的电阻率参数,本文提出并建立了大定源装置情况下视电阻率定义....     

积水采空区瞬变电磁响应微分解释方法

瞬变电磁(TEM)视电阻率早、晚期计算公式在求取时进行了简化近似,造成部分地电信息的失真.瞬变电磁响应信号衰减过程与介质的电性特征有关,由此引入瞬变电磁响应微分衰减速度和二阶微分衰减速度两个解释参数,力图避开视电阻率计算,以衰减速度表示瞬变电磁探测结果的电性特征.首先研究了不同导电均匀半空间与低阻目标体地电模型瞬变电磁响应微分衰减速度在时间上的变化特征,在此基础上对瞬变电磁响应二阶微分衰减速度进行了分析,通过绘制TEM二阶微分衰减拟断面图实现了低阻目标体地电模型的电性层划分.研究结果表明:电性分界面与二阶微分衰减的"0"等值线相对应,可以用"0"值等值线作为电性分界面的划分依据,即瞬变电磁微分解释方法能够区分不同地电断面,可以用于瞬变电磁探测成果解释.     

矿井瞬变电磁法三维时域有限差分数值模拟

给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据.     

等值反磁通原理瞬变电磁法探测薄层能力

等值反磁通原理瞬变电磁法(OCTEM)的应用日益普遍.为了研究其探测能力,论文基于正演层状模型的瞬变二次磁场时间导数响应,以包含薄层的响应和不包含薄层的背景响应的相对误差作为评价指标,对比分析了不同埋深、不同厚度、不同电阻率薄层以及不同电阻率围岩等情况下的瞬变电磁响应相对异常.结果表明:OCTEM对低阻薄层较对高阻薄层更敏感,薄层与围岩电阻率差异越大,薄层厚度与埋深比越大,越容易被探测到.以响应相对异常值15%作为临界标准探讨了OCTEM方法的探测能力(薄层厚度与可探测埋深的百分比):对于低阻薄层,当与围岩电阻率比值为0.1时,OCTEM探测能力约为1.5%;对于高阻薄层,当与围岩电阻率比值为10时,OCTEM探测能力约为20%.相同情况下常规单磁源瞬变电磁法的探测能力分别为2%和25%,略低于OCTEM对薄层的分辨能力.     

不规则回线瞬变电磁法一维烟圈反演研究

瞬变电磁法中最常用矩形或圆形回线,但有时由于地形限制,只能使用不规则回线发射和接收.如果仍用现有的常规回线理论进行处理解释,得到的结果会存在很大的偏差.本文首先进行了不规则回线瞬变电磁法一维正演理论研究,基于电偶极子源的频率域响应公式,通过沿回线积分和时频转换,推导出不规则回线源在水平层状介质中的时间域响应公式.采用欧拉算法、高斯积分和快速汉克尔变换,计算不规则回线内任意一点处的磁场响应.利用改进的二分搜索法计算全区视电阻率,并在此基础上利用烟圈法反演电阻率和深度.通过四个典型地电模型的正反演计算,表明烟圈法反演能够有效反映地电模型的大致形态,可以用于不规则回线瞬变电磁数据的快速反演解释.     

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.     

瞬变电磁快速成像解释系统研究

为了提高瞬变电磁测深法对地探测的垂向分辨能力,文中研究了磁偶源瞬变电磁法快速成像的方法.详细讨论了电磁波与地震波在介质中的传播规律,分析了磁偶源瞬变电磁场在远区的响应特性.根据磁偶源瞬变电磁场与反射地震波的传播规律的相似性,提出了TEM资料拟地震快速成像解释的思路.理论模型正、反演计算结果表明方法理论是可行的,野外实测资料处理结果进一步说明了该方法是有效的.     

矿井瞬变电磁法超前探测合成孔径成像研究

在矿井瞬变电磁超前探测数据处理和解释中,为了更好地识别巷道前方含水体电性分界面,利用扩散场与波动场间的函数关系,将矿井瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场,实现波场转换.同时,为了解决波场转换后信号幅值偏弱,以增加信噪比利于解释,利用雷达的合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理.将矿井瞬变电磁法巷道超前探测的同一测点不同探测方向的数据作为孔径数据进行合成孔径成像,以突出弱异常而提高信噪比,结合应用实例验证了方法的效果.研究表明,矿井瞬变电磁法合成孔径成像方法能够提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率,对矿井瞬变电磁法精细超前探测含水构造具有重要的理论意义和应用价值.     

井中磁源瞬变电磁响应特征研究

井中瞬变电磁波勘探是一个全空间地球物理场问题.采用Gaver-Stehfest逆拉氏变换方法,正演计算了瞬变信号激励下接收线圈上的电磁场响应.分析了包含井眼泥浆、套管、水泥环和地层的轴对称多层介质模型的电磁场响应特征,考察了各层介质参数对井中瞬变电磁响应的影响.不同电导率井眼泥浆的电磁场响应衰减曲线表明,井眼泥浆电导率...     

Grounded-source transientE-field modeling of a shallow resistive layer with 3-D inhomogeneity

There is growing interest in the use of transient electromagnetic (TEM) sounding for shallow geotechnical, environmental and groundwater investigations. Two commonly used transmitterreceiver configurations for TEM sounding are 1) loop-loop or its variation, in-loop configuration and 2) wire-loop configuration. The less common configuration of a horizontal electric dipole (HED) transmitter and receiver is treated in this study and called wire-wire configuration.Two important problems of shallow investigation in hard and soft rocks respectively are, defining 1) a fractured/fissured zone of medium resistivity, sandwiched between an overlying surface weathered rock of low resistivity and an underlying fresh compact rock of high resistivity and 2) a body of resistive sand buried in conductive clay. Lateral change in the middle layer resistivity is modeled by including a 3-D body of anomalous resistivity. The effect of perturbing the resistivity of the 3-D inclusion and the host middle layer for the wire-wire configuration is compared with that of the commonly used loop-loop configuration. The wire-wire configuration is found more sensitive to the model perturbations than the loop-loop configuration.1-D inversion of synthetic 1-D data sets for the wire-wire configuration finds resolution and estimation errors to be less than 10 percent for all the model parameters. For 3-D models, 1-D inversion results give a resolution error of 10 percent or less for the depth to, resistivity and thickness of, the 3-D inclusion. The estimate is within 10 percent of the true value for the first parameter but 40 percent for the other two. Resolution as well as estimation of the basement resistivity is always very poor.Using the wire-wire configuration, it is theoretically possible to define a buried resistive layer and any lateral change in its resistivity, subject to the above limitations of 1-D inversion. However, the basement resistivity cannot be estimated with reasonable accuracy in the presence of a lateral inhomogeneity in the overlying layer.     

斜阶跃电流激励下多匝小回线瞬变电磁场延时特征

采用Duhamel积分对斜阶跃电流激励的瞬变电磁场进行直接计算,应用叠加原理得到了多匝小回线全域瞬变电磁响应.研究了多匝小回线的早、晚延时临界条件以及等磁矩单匝大回线与多匝小回线的延时和关断时间特征,分析了电阻率、厚度等参数变化时斜阶跃电流对层状模型瞬变响应的影响特征,最后采用实测数据验证了关断效应的校正效果.结果显示,回线边长越小或表层电阻率越大,瞬变响应越早离开早期并进入晚期.多匝小回线的关断时间远大于等磁矩的单匝大回线,但由前者激发的瞬变响应进入晚期的时间却大幅提前,更有利于晚期条件下各种理论公式的使用.斜阶跃影响校正结果显示,增加多匝小回线的匝数可以扩展反演深度的范围,减少匝数则可以提高反演电阻率的精确性;实测数据处理结果显示校正方法产生了一定的效果.本研究补充了多匝小回线瞬变电磁理论内容,研究结果可以为复杂环境中小尺寸多匝线圈的工作参数选择提供参考.     

瞬变电磁法对存在山谷地形时的多个异常体的探测能力研究

以层状地层中的2个三维导电薄板为例,考虑了山谷地形存在时,瞬变电磁法(TEM)分辨地下多个三维异常体的能力。模型计算的结果表明,当有山谷地形存在时,总的异常场由薄板的异常和地形的异常叠加在一起,表明异常场在空间上具有可加性质。在地形平坦时,TEM方法对相同尺寸的近源异常体的分辨能力要优于远源,而且离源越远的异常体异常越小,最后直到无法分辨。但是当存在山谷地形并且把源放在其中时,它们的总异常场叠加后会“放大”远源异常体的异常场,在一定意义上说,这对于分辨远处的异常体更加有利。当异常体在接收器下方埋深不是太大时,不论山谷地形在源处还是接收器处,TEM法对这些异常体的探测能力都是比较好的。2个异常体相距太近时,其异常会叠加在一起,给TEM的分辨增加一些困难。总体表明,在有山谷地形存在时,TEM方法对多个异常体仍具有较好的探测能力     

基于自适应收缩可行域的遗传算法反演TEM导电薄层

将自适应收缩可行域的遗传算法与视纵向电 导微分成像法相结合,反演瞬变电磁测深中的导电 薄层,计算结果证明:该算法通过对可行域的自适 应收缩,加快了计算速度、提高了计算精度;并在 一定程度上克服了瞬变电磁测深的等值性,缩小了 等值范围。通过对导电薄层模型的模拟计算和实例 分析,并与常规反演曲线进行对比,使用本法反演 成像的结果,明显地显示出导电薄层的存在。