浅海瞬变电磁全波形响应特征及探测能力分析

瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发射波形条件下浅海瞬变电磁on-/off-time响应受海底介质电导率、磁导率及发射波形脉宽等参数的影响特征与规律;通过三维正演并设定极限探测深度阈值,进一步分析不同发射波形on-/off-time期间浅海瞬变电磁探测能力及对典型三维目标体的极限探测深度.基于本文研究成果,可为浅海瞬变电磁探测装置设计、观测系统的参数选取及试验参数的选取等提供了一些有价值的理论借鉴.

     

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-time时间段的响应.

本文实现了一种改进的基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法,能够实现任意发射波形的瞬变电磁off-time时间段的响应的三维快速正演.基于频谱分析理论实现了一种定量化的评价on-time采样波形精度的方法,能够在保证off-time响应精度的同时,极大的减少on-time波形采样点的数量,从而显著的减少正演计算时间.典型的半正弦波、梯形波和复杂的VTEM波的模型的正演结果表明,相比密集采样的正演结果,本文算法在保证off-time响应精度的同时,能够实现5倍以上的正演加速.

     

基于重启多项式Krylov子空间模型降阶的全波形瞬变电磁三维正演

瞬变电磁三维正演在内存占用和求解时间上都是大的挑战.瞬变电磁响应受到发射波形的影响, 正演计算中还需考虑发射波形.基于重启多项式Krylov子空间模型降阶方法, 本文实现了一种新的全波形瞬变电磁三维正演算法.采用规则六面体网格的拟态有限体积方法对全波形控制方程进行空间离散, 引入一阶φ函数推导得到全时段响应的统一表达式, 利用重启多项式Krylov子空间算法求解φ函数表达式, 对于给定的重启子空间维度, 基于残差公式得到满足给定精度的任意时刻的正演响应.该算法内存占用小, 不需要求解大型线性方程组, 内存占用主要由空间离散网格数量和重启子空间维度决定.数值模型正演结果验证了本文算法的有效性.

     

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.     

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10 ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.     

ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究

在瞬变电磁法中,由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限,早期瞬变电磁信号发生畸变,只能舍弃,因此存在着探测盲区. 针对这一问题,研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程,论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系,分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响,提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法,从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场. 采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统(ATTEM)在长春市伊通河活断层进行勘探,进一步验证了算法的有效性,缩短了瞬变电磁法的勘探盲区,实现了近地表4 m以下的勘探,可以清晰地分辨近地表的低阻异常,提高了浅层探测精度和分辨率.     

导电导磁层状介质上的固定翼航空瞬变电磁响应

基于电磁理论,导出了含介电参数、电导率参数和磁导率参数的导电导磁层状大地条件下的固定翼航空瞬变电磁响应的计算公式.编制了计算机程序,并对理论模型进行正演计算,根据计算结果分析了模型的介电常数、电阻率和磁导率参数、飞行高度参数对响应的影响.理论模型的计算结果显示当其它条件相同时,介质电阻率越小或磁导率越大,则航空电磁响应...     

航空瞬变电磁法关断电流斜坡响应的计算

深入分析了现行地面瞬变电磁法中存在关断电流斜坡响应的计算方法,指出其中存在的不合理之处,提出用冲激响应积分算法计算存在关断电流斜坡时的瞬变电磁响应,并应用于航空瞬变电磁法一维正演计算中.计算结果表明,当存在关断电流斜坡时,早期的感应电动势明显大于没有断电后沿的值,且受影响的时间范围约为十倍的电流后沿宽度;当后沿宽度较大时,甚至晚期的感应电动势也出现了明显的误差.由此得出,在航空瞬变电磁法仪器设计和实测资料处理过程中,关断电流斜坡的响应不容忽视.     

高次互感响应对瞬变电磁系统标定的影响

本文建立了标定环与接收线圈之间互感模型,推导出互感响应的一般表达式,讨论了地面和航空瞬变电磁(TEM)标定系统中标定环与接收线圈之间高次互感响应对标定结果的影响.研究结果表明:地面TEM标定系统中一次场引起的高次互感响应TRLR较强,严重影响早期标定精度;航空TEM标定系统中标定环与接收线圈之间的高次互感响应较弱,对标定精度的影响可以忽略.本文的研究可为优化标定系统参数,抑制高次互感响应对TEM系统标定的影响提供理论指导.     

天然气水合物模型的瞬变电磁响应

在采用瞬变电偶极一偶极装置(ERER)装王的海洋瞬变电磁法对天然气水舍物进行正演模拟计算中,采用了先汉克尔变换(Hankel)后逆拉普拉斯变换法(G-S)的计算方法.由阿尔奇公式计算出水合物层按正弦规律变化的典型海洋地电模型.根据已知的地电模型计算天然气水含物的瞬变阶跃响应的一阶导数.从结果来看,水合物瞬变响应梯度的最小值最能反映出与水合物含量的关系,从中找出对天然气水合物做出了综合的资源评价夏解释工作的有用信息.     

低阻区利用地回路标定航空TEM系统的理论研究

本文针对吊舱式航空TEM系统,建立了基于地回路的系统参数标定模型,并分别计算了自由空间模型响应(TLR)、均匀大地模型响应(TER)、地回路与大地耦合模型响应(TELR和TLER).由于TER响应表现为幅度沿测线不变,据此提出通过增加拟合参数的方法实现系统标定,消除了TER响应对标定的影响.TELR和TLER早期响应具有过零特点,据此通过合理选择过零点附近的早期道,可以显著降低TELR和TLER响应对标定的影响.本文在理论上证实了在低阻区利用地回路实现航空TEM系统标定的可行性和准确性.     

低阻区利用地回路标定航空TEM系统的理论研究

本文针对吊舱式航空TEM系统,建立了基于地回路的系统参数标定模型,并分别计算了自由空间模型响应(TLR)、均匀大地模型响应(TER)、地回路与大地耦合模型响应(TELR和TLER).由于TER响应表现为幅度沿测线不变,据此提出通过增加拟合参数的方法实现系统标定,消除了TER响应对标定的影响.TELR和TLER早期响应具...     

基于瞬变电磁矩变换的快速三维反演方法

瞬变电磁法的严格三维反演计算复杂、占用资源多,在普通计算机上难以实现.本文引入瞬变电磁矩变换的概念,提出一种快速三维反演方法.该方法基于阻性限制（resistive limit）特性,建立包含异常体的三维大地的一阶矩响应正演算法,根据不同约束条件,选择优化的最速下降法实现瞬变电磁快速三维反演.文中通过含异常体的三维大地正演一阶矩与仿真数据一阶矩的对比,验证了快速三维正演算法的有效性,之后在不同约束条件下,利用优化的最速下降法实现了对含噪声的仿真瞬变电磁数据的快速三维反演.结果表明,该方法能够在普通计算机上短时间内较为准确地反演出地下异常体的体积和位置,在瞬变电磁数据的实时解释工作中具有良好的应用前景.     

瞬变电磁传感器阻尼特性的标定研究

传统瞬变电磁法（TEM）认为临界阻尼匹配时传感器响应快、无振荡,为最佳匹配方式.本文通过建立基于标定环的TEM系统标定模型,理论证明当略欠阻尼匹配时传感器响应最快、时域畸变最小,为最佳匹配方式.本文采用基于实测数据的背景场剔除方法将一次场和大地响应剔除,通过对不同阻尼状态下标定环早期响应畸变的定量评价,实验证明传感器在略欠阻尼匹配状态下二次场响应畸变最小.本文理论和标定实验均证明,在纯二次场观测方式下,采用略欠阻尼匹配方式能够显著降低早期响应畸变、提高系统浅层探测能力,是浅层探测时传感器最佳匹配方式.     

一种用于TEM高灵敏度感应式磁场传感器设计

瞬变电磁法(TEM)作为地球物理非地震探勘主要电磁方法之一,广泛应用于油气、矿产等地下资源探测.本文分析TEM磁场传感器频率响应特点,采用欠阻尼匹配拓展传感器线性响应频率范围;分析磁传感器各类噪声源分布,提出不同频段上影响磁传感器性能的主要因素.最终研制一款高磁导率磁芯的TEM感应式磁场传感器,工作频段为10 mHz~1 kHz,等效输入噪声水平为4pT/√Hz@1Hz, 15fT/√Hz@200 Hz,传感器直径为50 mm,长度800 mm,重量3.2 kg,相比现有TEM接收磁场传感器,体积小、重量轻、工作频段低.实验测试与生产作业表明:最新研制的高灵敏度TEM磁场传感器更加适合大深度、3D阵列电磁勘探.     

利用TEM测深校正MT静态偏移的技术问题

由近地表电性不均匀体引起的静态偏移严重地影响了MT资料解释的质量。研究表明 ,利用时间域电磁测深 (TEM )可以有效地解决这个问题。重点讨论了利用TEM做MT静改时需要解决的 3个技术问题 ,并以实例说明了应用效果     

同心补偿式直升机时间域航空电磁法吊舱校准装置研究

直升机时间域航空电磁法(Helicopter-borne time-domain electromagnetic method,HTEM)的多次空中仪器校准可消除飞行过程中仪器系统受外界环境的时变影响.吊舱校准装置可解决地面环线方式无法实现的空中飞行过程中仪器校准问题.本文从研究同心补偿吊舱装置模型出发,提出了吊舱装置空间模型和线圈电路模型,分析了发射磁场的空间分布、补偿环作用及其与接收线圈的关系、校准装置的空间信息和信号的检测方法,得到结论如下:(1)以损失发射面积0.89%的补偿环可提高信号44.5 dB的动态范围;(2)校准装置水平安置在补偿环与发射线圈之间,其匝数越多、半径越大、离补偿环越近,信号响应越强;(3)校准线圈电感越大、电阻越小,其e指数衰减越慢;信号检测起点由含匹配电阻接收线圈的阻尼特性决定.通过校准线圈的曲线特性和装置位移实验,得出反映装置特性的时间常数实测误差小于1.3%,验证了线圈电路模型和装置空间模型.本文提出的模型和方法同样适用于偏心补偿式HTEM系统校准的研究和高阻地层上已知环线的静态检测.