覆盖层影响下圆锥型瞬变电磁Occam约束反演

在地表浅层瞬变电磁勘探中,覆盖层是影响瞬变电磁探测效果的重要因素之一。为了进一步验证覆盖层影响下圆锥型场源装置的探测效果,在瞬变电磁全区视电阻率理论基础上,引入地层信息约束的Occam反演方法,研究了覆盖层不同参数影响下下伏地层的电磁响应特征。研究结果表明:目标层电磁响应强度与覆盖层和目标层电阻率比值有关;当覆盖层电阻率逐渐增大时,目标层反演电阻率与实际电阻率拟合度呈现先提升后降低的趋势,临界点出现在覆盖层与下伏高阻层电阻率相等时;当覆盖层厚度增大时,下伏地层的电磁响应相应减弱,异常区电磁响应峰值出现时间提前,反演后电阻率峰值深度加深。通过加入地层信息约束,下伏地层电阻率与实际电阻率拟合度及层界面分辨率均得到有效提升。研究成果为圆锥型场源野外数据处理与解释提供理论参考。      

水平层状电各向异性介质大地电磁正演研究

电各向异性现象在地球内部是普遍存在的,通过理论上推导的电各向异性介质的张量电导率的表达式及水平层状电各向异性介质的大地电磁正演公式,对一些地电模型进行数值计算,同时与电各向同性地电模型进行对比分析。结果表明,电各向异性介质的张量电导率的大小不仅与介质的固有电阻率性质有关,还与测量的方向有联系;电各向异性系数和相对测量角的变化都对地层的视电阻率和相位曲线振幅有较大的影响,但其曲线形态基本保持不变;当野外观测方向和电各向异性介质的电性主轴重合时,电各向异性介质模型可以看成两个独立的电各向同性介质模型。这些结果有助于以后的电各向异性介质实验研究和其大地电磁反演研究。     

接地电阻稳定性对音频大地电磁法测量的影响

音频大地电磁测深已经成为一种研究地球中浅部电性结构的重要方法,其需要采集微弱且易受环境噪声影响的天然电磁场信号,接地电阻稳定性是影响其测量精度的重要因素。这里基于大地电磁测量的等效电路,计算了均匀半空间条件下测量电场以及AMT视电阻率和相位的响应,并进行了野外对比实验。研究结果表明:接地电阻的变化对测量电场、视电阻率和相位影响不可忽视,尤其是高频;接地电阻变化范围很大时,高的接地电阻可以给电场和相位带来最大50%的误差,给视电阻率带来最大75%的误差。     

三维大地电磁响应各向异性特征研究

大地电磁法是岩石圈深部结构探测的重要方法之一,现阶段大地电磁的数据处理多是基于电导率各向同性理论,当地下介质存在电导率各向异性时会对解释结果带来较大偏差。因此,发展三维大地电磁各向异性正演算法,并研究各向异性参数对于大地电磁响应的影响有重要意义。这里推导了各向异性介质中二次电磁场的变分方程,并利用三维非结构矢量有限元法进行求解,通过与COMMEMI等已有模型的计算结果对比,验证了该算法的正确性。在此基础上,进一步通过垂直板状体和球体模型,详细讨论了各向异性参数对视电阻率的影响。结果表明,与之前的认识不同,视电阻率形态的旋转现象并不能准确反映各向异性参数走向角的大小,其还与水平各向异性系数的大小有关。     

MT阻抗张量在二维与三维介质中的分析

大地电磁测深法主要研究岩石圈的电性结构,以及对高阻覆盖层下的低阻矿物进行探测。大地电磁测深法利用天然交变的平面电磁波(10~(-4) Hz~10~4 Hz)为场源,依据在地表观测到的包含地下地质体信息的电场值与磁场值计算出阻抗张量,并由阻抗张量计算出的视电阻率以及相位曲线特征来分析大地电性结构特征。通过对阻抗张量的旋转分析、SVD分解、通用分析以及阻抗张量扩展,来获得阻抗张量元素的地质信息,并提出了解决三维介质阻抗张量的计算方法。     

基于磁导率的频率域航空电磁法双频反演方法

以往的频率域航空电磁法数据反演方法中,通常在模型中以真空磁导率代替介质磁导率,忽略了磁性层影响。但在高磁性区域,这样做将会导致计算电阻率值偏高。针对这一问题,首先根据层状介质模型研究了考虑磁导率和电阻率因素条件下的电磁场正演计算方法,并且分析了不同磁性介质对频率域电磁响应的影响规律。在此基础上,提出了磁导率和电阻率的双频反演方法,电阻率是通过2个频率的虚分量之比计算得到的,计算结果更加可靠,提高了磁性区域视电阻率填图的精度。通过对模型计算和实测数据进行反演计算,表明这种方法具有较高的反演精度,为强磁性区域航空电磁法视电阻率填图提了供一种行之有效的反演方法。     

海洋可控源电磁法多参数正演响应特征分析

鉴于介质的色散现象,充分考虑介质电磁参数(ε、μ、σ),获得各层介质中的电磁场和势函数。为了考察岩、矿石电磁参数、海水深度和海底地层厚度等变化时海洋电磁响应特征规律,给出典型地电模型和观测系统参数,借助高精度快速汉克尔滤波系数,采用30点高斯勒让德数值求积方法,计算水平电性源频率域可控源电磁法(CSEM)在海底各观测点电场Ez和磁场Bx的正演响应。结果表明,随海水深度变浅,电场Ez和磁场Bx振幅曲线变化幅度增大,空气波逐渐占据主导地位,当水深超过3km时,观测区内可以忽略空气波的影响;电场Ez分量对海底高阻层引起的异常大,而中低阻层引起的异常小,磁场Bx分量幅值对目标层电导率变化与Ez相同,因此,水平电性源频率域CSEM法不适宜探测海底低阻目标。并且对厚层目标层的探测能力高于薄层。针对岩层中磁导率变化的情况,海底沉积物电性均匀或者呈层状分布时,电场Ez和磁场Bx幅值均受到影响。此外,电场Ez和磁场Bx的幅值基本不受介电常数变化而影响。海洋可控源的探测效果与偏移距的选择有密切关系,有利偏移距范围为3000m^12000m。     

基于Julia加速的射频大地电磁法正演模拟与位移电流作用研究

射频大地电磁法(Radio-magnetotelluric, RMT)是浅地表电磁勘探的重要手段之一。由于勘探频段为10～300 kHz,其电磁场传播受地下介质介电常数的影响较大。传统准静态条件下的电磁响应严重制约RMT正演模拟精度,并进一步影响反演成像分辨率。针对这一问题,提出了一种基于Julia并行加速的全电流RMT电磁响应数值模拟方法,利用Julia的分布式计算将各频点的计算发送到不同进程进行求解,从而达到加速计算的目的,同时在计算中考虑位移电流的影响,提升正演的模拟精度。通过计算几种典型高阻/高介电模型的RMT响应,分析并总结了位移电流对射频段电磁场视电阻率及相位响应的影响规律。数值模拟结果表明：当浅部存在高阻覆盖层时,基于准静态假设条件计算的RMT视电阻率和相位响应偏高,且频率越高、覆盖层电阻率越大,响应偏差越大;对于煤炭采空区模型,RMT法能有效反映异常体位置,但忽略位移电流会在采空区及其附近引起较大计算误差;起伏地形的算例表明地形会覆盖地下异常体的RMT数值响应,尤其是地形拐角处;2种不同规模的并行算例对比证明了并行算法的高效性,且随着求解问题规模增大,并行算法效率也随之...     

电导率连续变化的线源FCSEM有限元正演模拟

为了更好地模拟地下介质连续变化及开展连续介质的反演,对二维电导率分块线性变化的线源频率域可控源电磁法进行了有限元正演模拟,在剖分单元内同时对电场及电导率参数线性插值,使电导率参数在剖分单元之间保持连续变化。首先,提出有限元正演模拟的边值问题及变分问题,并详细论述了有限元的剖分、插值、单元分析及总体合成的各个步骤;其次,采用稀疏存储及基于不完全LU分解的BICGSTAB算法求解复系数方程组,节省了内存并提高了计算速度;然后,对一个均匀半空间模型进行模拟,计算结果表明,低频及高频的有限元数值解都与解析解吻合,证明了算法的正确性;最后,对水平层状模型及垂直断层模型进行正演计算,视电阻率及相位的等值线图均较好地反映出了异常体,说明文中算法能够对电导率连续变化的线源可控源电磁法进行有效地模拟。     

海水层对海洋大地电磁勘探的影响研究

为了研究海水层对大地电磁测深的影响,建立了一维层状模型并进行计算。结果表明,海水层对电磁场的影响特征主要表现为高频段的影响大于低频段,磁场的影响大于电场,相位的影响大于振幅。针对海洋大地电磁测深中使用远参考道问题,设计了三种二维地电模型(取参考点位于陆地或海底,测点位于海底),并对三种模型的大地电磁响应进行了有限单元法数值模拟,通过异常对比研究表明,在海洋大地电磁测深中可以使用远参考道,获得海底深部介质的地电信息。     

可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质Occam反演

目前,可控源音频大地电磁法测深资料反演主要基于各向同性介质,在复杂的地电体中,由于岩石裂隙或矿物形状等原因使得在各个方向的电阻率不同。本文主要探讨更为符合实际地质体情况的方位非各向同性层状介质在正交水平电偶源激发条件下的可控源音频大地电磁数据的反演。运用Occam反演方法,实现了可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演。构建理论地电模型,通过理论模型合成数据的反演算例检验了所实现的可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演算法的有效性和稳定性。同时,不同数据的反演结果表明:方位非各向同性介质的反演应同时使用视电阻率ρ_(sxy)、ρ_(syx)和相位φ_(xy)、φ_(yx)数据。     

基于COMSOL的起伏地形三维大地电磁数值模拟北大核心CSCD

COMSOL是一个多物理场仿真软件,笔者尝试将其应用于大地电磁法的数值模拟,研究起伏地形对大地电磁响应的影响及解决方案。本文由麦克斯韦方程组出发,施加第一类边界条件,将地形起伏数字化为参数化曲面,导入COMSOL进行计算。在对COMSOL的精度进行了验证的基础上,分析不同频点所需内存以及自由度,然后选择合适的频点进行研究。将三维起伏地形的模拟结果与无地形起伏时的结果进行对比,总结出山谷、山峰地形对三维大地电磁响应的影响,发现在XY模式下,地形对视电阻率的影响大于相位,在视电阻率等值线图中能够清晰地看出起伏地形的轮廓,而在YX模式下,地形对相位的影响大于对视电阻率的影响。最后,利用“比值法”进行地形校正,校正前由于起伏地形影响,在异常体附近会出现部分视电阻率数值跳跃现象,通过校正有效抑制了起伏地形对异常体附近视电阻率的影响,校正后的视电阻率曲线整体上移,并且异常体周围的视电阻率值也趋于背景场值,获得了较好的效果。     

起伏地形条件下二维大地电磁各向异性正演

在大地电磁资料处理和解释中,大地电磁的各向异性正演一直是国内、外研究的前沿课题。这里首先从麦克斯韦方程组出发,得出各向异性介质二维大地电磁场的边值问题以及等价的变分问题,进而对计算区域进行完全非结构化三角形剖分,在单元内采用线性插值,将变分方程转化成线性方程组,求解出有限单元法数值解,获得各向异性介质下的电磁场值。讨论了电性主轴与笛卡尔坐标轴之间的夹角以及地形的起伏变化对视电阻率和相位值的影响,结果表明:起伏地形条件下,TE和TM两种极化模式的视电阻率和相位值都会受到影响,且TM模式受地形影响较大;由于介质的各向异性,视电阻率和相位断面图出现明显不同于各向同性的形态,导致横向分界面模糊。     

基于反函数原理的可控源大地电磁法全场域视电阻率定义

在电磁探测中,数据采集范围逐步扩大,为了避免非远区的电阻率畸变,基于反函数原理,给出了适合可控源电磁法全场域视电阻率的定义方法.该方法可以利用单分量进行广域视电阻计算,同样也可以利用多个分量进行广域视电阻计算.分别利用电场分量、磁场分量以及电场与磁场的比值计算均匀半空间与层状模型的全场域视电阻率,结果表明基于反函数原理...     

一个CSAMT非平面波效应的实例及数值分析

本文以实例结合数值模拟说明CSAMT中非平面波效应对资料解释的重要影响。实际数据测量于河南卢氏县,在同一条测线测量,发射源长度1.3 km,收发距离分别为4.5 km和7 km。通过对数据进行必要的校正后进行了光滑模型反演,为了对比反演结果,整个处理过程的参数都保持一致。反演的电阻率断面显示,两种收发距离反演的电阻率断面其异常形态基本一致;但在电阻率的数值上,4.5 km的收发距离反演的电阻率较7 km的大。分析发现上述现象主要是源的非平面波效应造成的,并通过三维正演数值模拟得到了验证。由于在有限收发距离时,计算卡尼亚视电阻率靠近源受非平面波效应影响偏大,远离源后,该视电阻率趋于平面波视电阻率。因此,为了采用目前的可控源音频大地电磁测深解释理论,要求收发距离尽可能大。否则,必须采用带源效应的真正可控源电磁反演技术完成数据分析。     

CSAMT一维全区反演

由汉克尔变换和连分式求解水平层状大地电偶源的水平电场和垂直磁场,然后由电场和磁场求得卡尼亚视电阻率,不进行近区和中间区校正,直接用阻尼最小法对近区和中间区发生畸变的卡尼亚视电阻率反演,得到地下电性参数。模型试算结果表明:虽然近区和中间区的视电阻率不能正确反映地下电性垂向变化,但由其反演仍能得到正确的结果。     

基于球体层状介质模型的大地电磁正演

目前大地电磁测深法的一维正演理论,是基于平面波垂直入射水平层状介质的假设模型。但由于地球是一个球体,因此有必要研究基于球状介质模型的大地电磁正演理论。这里详细推导了基于球体层状介质模型的大地电磁正演公式,计算了若干理论模型。通过同基于水平层状介质模型的大地电磁正演结果对比,验证了正演公式的正确性。同时,指出当探测周期增加到上万秒时,阻抗相位会增大;而当探测周期增加到数十万秒时,视电阻率会减小。     

煤矿CSAMT数据的广域电磁法处理

某煤矿采用V8多功能电法仪开展CSAMT探测试验,由于研究区内电磁干扰严重,得出的卡尼亚视电阻率质量较低。为了提高视电阻率数据的质量及其利用率,尝试采用广域电磁法进行CSAMT数据的处理,分别应用单分量电场法、比值法(电场和磁场相比)计算广域视电阻率。结果表明：由于V8施工时不采集场源发射电流,单分量电场法计算结果误差较大;比值法的计算结果在高频段与卡尼亚视电阻率一致,但在低频段优于卡尼亚视电阻率,与实际地电情况更吻合;比值法广域视电阻率的反演结果准确地揭示了矿区含煤地层和奥陶系灰岩的界面,地层解释结果与钻探结果一致,验证了广域电磁法在煤矿CSAMT数据处理中的可行性和有效性。研究成果为其他矿产资源的CSAMT数据处理提供参考。     

WFEM与CSAMT在新元煤矿富水区探测效果对比

为了探测煤层中的富水体,首次在新元矿区开展了基于广域电磁法的富水区探测,并同时配套了可控源音频大地电磁法作为对比。通过视电阻率数据曲线、频率—视电阻率拟断面图和反演结果的对比结果,显示广域电磁法具有探测深度大、效率高、精度高的特点,可为煤矿富水区探测提供新的有效技术。     

大定源瞬变电磁三分量全域视电阻率定义与三分量联合反演

多数瞬变电磁仪器可以同时采集三个分量的响应,但目前瞬变电磁的解释方法却主要以中心回线垂直分量为主。为了充分利用瞬变电磁三分量的信息,介绍一种大定源瞬变电磁三分量约束反演方法。基本思想是利用瞬变电磁三个分量的场分别求取全区视电阻率,并以此为基础建立初始模型,利用阻尼最小二乘法进行三分量反演。首先,将回线源看成是多个电偶极子产生的场的叠加,利用偶极子叠加的原理求取回线的三分量电磁响应,并推导视电阻率的全区与全期定义(即全域视电阻率定义);然后,利用烟圈理论求取视深度,并以此建立反演的初始地电模型。最后,利用阻尼最小二乘法实现三分量约束反演。利用文中视电阻率定义方法对已知模型数据进行处理,视电阻率曲线与模型的电性参数变化一致;以视电阻率结果为依据建立初始模型,利用三分量约束反演方法对层状模型数据进行反演,结果与模型吻合较好。