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.     

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线.     

电性源地-井瞬变电磁全域视电阻率定义

地-井瞬变电磁(TEM)方法是在地表发射,探头沿钻孔(井)测量瞬变响应的一种井中物探方法.由于接收探头沿钻孔深人地下,因此能够获得更加可靠的地下目标体信息,尤其当存在低阻覆盖层、浅部矿化等地质干扰,或者勘查深部规模不大之良导矿体时,地-井TEM方法的优势更加明显.相对于磁性源系统,电性源系统发射功率大,辐射面积广,更适合地形复杂地区之深部找矿.本文的目的是研究电性源地-井TEM的近似解释方法,首先给出了层状介质电偶极子在地下的TEM响应,进而通过电偶极子叠加的方式获得了电性源条件下的TEM响应.利用感应磁场与均匀半空间电阻率的单调关系通过反函数定理进行了全域视电阻率定义.理论模型的视电阻率计算结果显示,不同深度测点的视电阻率曲线首支不同,而尾支基本一致.这说明了全域视电阻率是测点周围有限范围内介质的综合反映,所以不同深度测点的视电阻率曲线首支所反映的范围是不同的.绘制了不同时间道视电阻率剖面曲线,以期显示地下电性分布规律.计算结果表明全域视电阻率定义能够基本可靠地反映地下信息,从而为该技术在矿区深部找矿的应用提供有力支持.     

层状介质中地下瞬变电磁场全空间效应

全空间效应是矿井瞬变电磁方法固有的特殊理论问题之一.建立了3种典型的层状地质模型,采用时域有限差分法求解Maxwell方程,并引入电磁波衰减因子EA(dB),来分析全空间效应的影响特征及影响因素.研究结果表明,地下瞬变电磁法工作装置中,分离回线装置对低阻目标层的探测效果优于重叠回线装置;相对于半空间低阻层瞬变响应,全空间低阻层瞬变响应的时间范围更宽,因而需要更长的观测时间;全空间效应影响因素为顶、底板内低阻层相对电阻率差异大小和目标层深度与厚度,当目标层电阻率大于顶板内低阻层电阻率时,所观测响应主要为低阻层响应,此时将会增大资料解释的难度.此外,研究还显示,瞬变电磁法对低阻层的纵向分辨率与低阻层厚度相关,厚度越小分辨率越高,当厚度较大时,其纵向分辨能力较差.研究成果为实际工作参数选择及资料处理与解释提供了参考.     

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.     

电性源地-井瞬变电磁法三分量响应特征分析

地-井瞬变电磁法是在地面发射,井(钻孔)中接收的装置形式,能够利用已有钻孔使接收探头深入地下更加接近矿体,获得更加可靠的目标体信息.文中针对复杂地形地区矿区深部找矿面临的实际问题,提出了电性源地-井瞬变电磁法的思路,并以FDTD正演模拟来研究均匀半空间瞬变场的空间分布以及一维、三维模型钻孔中的三分量瞬变响应特征,以期获得理论模型三分量响应特征规律,为实际勘查提供参考.理论模型计算结果表明,电性源地-井TEM方法三分量瞬变响应曲线对于电性界面、异常体具有良好的反应.     

多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究

地空瞬变电磁法结合地面和航空电磁法的优点,可实现探测深度和工作效率的平衡.当前地空瞬变电磁法采用单一线源激发电磁辐射场,仅能从一个侧面与地质体耦合,难以获得地质体的全息影像.采用多辐射源是解决这一问题的途径.本文采用三维矢量有限元法对两个不同地质体多个辐射源情况下的地空瞬变电磁响应开展了模拟研究,分析了多辐射源在不同辐射方向、不同飞行高度电磁响应的分布特征.研究表明,由多辐射场源作为地空电磁法的发射源,通过分散布设的线源,可以在地下激发与地质体多方位耦合的电磁场,能够获得地下地质体多方位不同高度情况下的耦合信息.同时,多辐射场源能够增强源电磁场的辐射强度,减少单一线源体积效应影响,飞行高度较低时可获得较强的响应幅值,研究结果为多辐射地空瞬变电磁法深部精细探测提供理论依据.     

瞬变电磁井间勘探方法研究

依据瞬变电磁全空间响应的传播特征,本文提出了一种井间勘探方法.在井内用线圈激发,在本井和邻近井接收瞬态响应波形.基于Maxwell方程分析了位移电流和传导电流所引起的两种传播特征,明确了在邻井接收到的波形中包含界面的电导率信息.详细研究了线圈在无限大均匀介质中激发的瞬变电磁响应波形以及电场在不同时刻的空间分布.瞬变电磁...     

海底油气藏地质模型的冲激响应

海洋可控源电磁法(mCSEM)的时间域冲激响应特征可以反映海底油气高阻薄层.本文计算了水平电偶极子源均匀大地半空间,海洋均匀双半空间和海洋四层模型的阶跃响应和冲激响应,提出了瞬变冲激时刻的概念.分析了水平电偶源瞬变冲激时刻与介质电导率的指示关系.对于海底油气高阻薄层宜采用多偏移距同时测量方式,由于在低电导率介质中电磁能量传播得要快,在适当的收发距瞬变冲激时刻会提前到达,提出的瞬变冲激时刻道间变化量可以明确指示高阻薄层的存在及埋深.文中还分析了海水深度对瞬变冲激时刻的影响.由于“天波”干扰,瞬变冲激响应受到一定收发距观测的限制.消除 “天波”影响是时间域和频率域mCSEM数据处理的研究热点.     

基于分段二分搜索算法的半航空瞬变电磁电导率深度快速成像方法研究

中心回线式直升机航空瞬变电磁法中因其发射源与接收线圈相对位置不变,故在电导率深度成像(Conductivity Depth Imaging,CDI)中无需考虑偏移距带来的影响,但半航空瞬变电磁法的工作方式是利用长导线源在地面发射,无人机搭载接收线圈在空中采集电磁响应数据,发射源与接收线圈相对位置一直变化,存在偏移距的问题,无法像航空瞬变电磁一样实现CDI快速成像.本文提出建立"库"的思想,根据不同实际情况建立不同的电导率-电磁响应数据网,利用分段二分搜索算法来消除"二值性"带来的问题,使得半航空瞬变电磁电导率深度快速成像(Semi-Airborne Transient Electromagnetic-Conductivity Depth Imaging,SATEM-CDI)方法得以实现.通过正演模拟及实测数据成像分析,表明SATEM-CDI理论简单、处理过程中无需迭代,计算速度快,可对大量半航空瞬变电磁数据进行实时成像,且成像结果可靠,可为反演模型和初步地质结构判断提供重要资料.     

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E_z和水平磁场Ḣ_x分量对目标层的反映最为明显,E_x和Ḣ_y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.     

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     

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...     

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.     

双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法

采用模拟离散的有限体积法实现了双轴各向异性地层回线源瞬变电磁三维正演.首先引入内积定义,采用自然边界条件,将瞬变电磁法的控制方程转化为弱形式表示.将计算区域划分为一系列的控制体积单元,采用交错网格对控制方程进行模拟有限体积空间离散,包括旋度算子离散和空间内积离散.基于斯托克斯定理的旋度积分定义公式实现旋度算子离散.中点平均实现电导率双轴各向异性的空间内积离散,从而得到离散化的控制方程.时间步迭代采用无条件稳定的欧拉后向差分格式.并通过均匀全空间中稳定电流回线源的磁场解析表达式得到回线源初始时刻的电磁场分布.为了同时保证计算精度和效率,本文采用分段等间隔的时间步迭代,利用直接法求解器PARDISO实现其快速求解.最后通过对比层状模型和各向异性半空间模型的正演计算结果,验证了本文算法的计算精度和计算效率;计算三维双轴各向异性模型的正演响应可知,水平方向电导率变化对电磁响应产生显著影响,而垂直方向的电导率变化对电磁响应几乎没有影响.产生这一现象的主要原因是回线源产生的感应电流主要是水平方向的,因此响应主要受到水平方向电导率的影响,垂直方向的电导率影响很小.     

A finite-element time-domain forward-modelling algorithm for transient electromagnetics excited by grounded-wire sources

A three-dimensional finite-element time-domain forward-modelling algorithm is developed to simulate transient electromagnetics excited by grounded-wire sources. The main advantage of this finite-element time-domain algorithm is that full transmitting-current waveforms and complex-shaped sources resulting from topography can be directly dealt with in this algorithm. The models used to test this algorithm include a homogeneous half-space model, a stratified-medium model, the model of a complex conductor at a vertical contact and the Ovoid Zone massive sulfide deposit at Voisey's Bay, Canada. The homogeneous half-space model is used to determine the truncation boundary for a computational domain, and to compare with the electromagnetic responses excited by step-off, step-on and direct current waveforms. For the stratified-medium model, results demonstrate that full transmitting waveforms have strong effects on the observed electromagnetic responses. The model of a complex conductor at a vertical contact is designed for the grounded electrical source airborne transient electromagnetic method and is also used to examine the effectiveness of the broadside and inline configurations for such a vertical, thin plate embedded in the subsurface. The area of the Ovoid Zone massive sulfide deposit possesses non-negligible topography, the effects of which on the shapes of the grounded-wire sources must be taken into account when implementing the finite-element time-domain solver. The results show that both the broadside and inline electromagnetic responses are strongly affected by the massive conductive ore body.     

Three-dimensional forward modeling for the SBTEM method using an unstructured finite-element method

In this study, we propose a three-dimensional (3D) forward modeling algorithm of surface-to-borehole transient electromagnetic (SBTEM) fields based on an unstru...