以反射系数为特征量的瞬变电磁电性界面的成像

目的：为提高瞬变电磁探测精度，提出用反射系数作为特征量来对地下电性分界面成像，给出了方法的数学模型和实现步骤，并给出从实测数据中提取反射系数，对电性界面实现成像的思路，资料和方法：由野外实测资料出发，在频率域内用数字滤波技术计算波阻抗，再通过域的变换在时间域内建立含有反射系数的方程组。结果：最终后通过线性规划法求出反射系数，并以此值为参数来绘制成像断面。结论：数值模拟结果和实例的应用结果表明方法正确、有效。方法本身提高了瞬变电磁对电性层的分辨能力。     

瞬变电磁法正演计算进展

详细介绍了瞬变电磁法正演计算的方法、现状和发展趋势.瞬变电磁法一维正演计算需要将电磁场从频率域转换至时间域,转换方法有三种,分别是Gaver-Stehfest算法、余弦变换和Guptasarma算法.在这三种方法中,使用较多的是Gaver-Stehfest算法和余弦变换,Gaver-Stehfest算法速度较快,但精度不及余弦变换.瞬变电磁法的数值模拟主要集中于2.5维和三维,使用的数值计算方法有积分方程法、有限差分法、有限单元法和SLDM法.积分方程法主要在三维数值模拟中使用,现已很少使用;有限差分法和有限单元法是目前瞬变电磁法2.5维和三维数值模拟的主要方法;SLDM法主要应用于三维数值模拟.我国瞬变电磁法正演计算成果主要集中在回线源激发的瞬变电磁场一维数值计算和利用有限单元法进行2.5维和三维数值模拟.瞬变电磁法正演计算的发展趋势有:数值算法的改进、提高计算效率和研究地形对瞬变电磁场的影响规律.     

磁性条件下频率域航空电磁正演计算和成像研究

频率域航空电磁响应计算中,如何计算积分方程是频率域航空电磁法正演计算的难点,本文把电磁响应计算公式分解成汉克尔变换式和普通积分或者超几何函数的两项之和,然后分析核函数中反射系数的衰减规律,通过对比线性滤波算法和直接数值积分法的积分效果,选择了120点线性滤波算法计算汉克尔变换,采用高密度方法在确保计算精度的条件下显著提高了频率域航空电磁响应计算效率.针对强磁性区域频率域航空电磁法反演问题,在传统相位矢量图只包含电阻率和飞行高度两个参数的基础上,添加了磁导率的计算,绘制了包含磁导率、电阻率、飞机飞行高度三个参数的三维相位矢量图,计算结果表明,三维相位矢量图插值可以用于简单的一维模型,反演速度快、效率高,有助于提高磁性区域地下目标体的探测准确率,对于强磁性区域航空电磁法视电阻率填图是一种行之有效的勘探方法.     

瞬变电磁虚拟波场的三维曲面延拓成像

根据瞬变电磁场扩散方程与波动方程间存在的数学对应形式,将已知瞬变电磁场数据转换为虚拟波场数据,在此基础上,提出了用克希霍夫积分法将所转换的波场从地面向地下反向延拓的方法.在延拓的数值计算中,为提高计算效率,采用三维边界元技术,把边界积分分解为诸三角单元积分的积分之和, 建立了曲面延拓方程式;通过地面测点的波场值,求出地下某一点的波场值,实现了地表为曲面的向下延拓成像计算.通过对理论模型计算和实际资料处理,证明了该方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力,使瞬变电磁法对地下目标体的三维精细探测成为可能.     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

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.     

矩形大定源层状模型瞬变电磁响应计算

针对矩形大定源介绍了一种层状导电模型瞬变电磁响应的快速计算方法.其基本思想是,将大定源回线源用较少的有限大小方形回线叠加.在频率域,该叠加过程导出矩形大定源回线模型响应可以表示为一个标准的Hankel积分,叠加效应仅仅是相应Bessel函数的空间积分过程.瞬变电磁响应可以利用余弦变换由频率域响应获得.均匀半空间模型计算结果和解析解较为吻合,层状模型模拟结果符合物理规律,不同测点位置感应电动势的视电阻率具有很好的一致性.新方法误差只是来源于圆回线对小方形回线的等效误差.与均匀半空间解析结果比较,只用16个方形回线等效,相对误差就可以小于10^-3.     

长偏移距瞬变电磁测深甚晚期响应及视电阻率的数值计算

文中讨论了提高长偏移距瞬变电磁测深甚晚期响应计算精度及相应的全区视电阻率的计算方法。在频率域 ,利用直接数值积分结合连分式展开提高低频段响应的计算精度 ,从而提高时间域甚晚期响应的计算精度。同时 ,利用连分式渐进展开 ,将均匀半空间电阻率表示为该模型长偏移距瞬变电磁测深响应的反函数 ,利用迭代方法求出适合全时间段的全区视电阻率。数值结果表明 ,文中的方法可有效地提高长偏移距瞬变电磁测深 (甚 )晚期数据的模拟与解释精度     

瞬变电磁法正反演问题研究进展

对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.     

时间域航空电磁法激电效应对电磁扩散的影响

由于激发极化效应的影响,时间域航空电磁晚期道信号经常会出现变号现象.基于电阻率的传统反演方法无法对变号数据进行正确反演,因此通常在数据处理中予以剔除.为深入了解极化介质的电磁扩散特征,认识航空瞬变电磁负响应的产生机理,本文研究时间域航空电磁系统的电磁扩散特征.我们以均匀极化、非极化半空间及层状介质模型为例,通过直接积分的方法求解频率域电场响应,并由欧姆定律得到电流响应,再经过汉克尔变换得到时间域电流响应.通过研究电流随时间在地下极化介质中的传播特征研究电磁扩散过程;通过对比不同激电参数对电磁扩散的影响,研究极化介质中感应电流与极化电流的扩散规律,从而合理地解释极化介质中负响应的产生机理.基于本文研究和分析结果,可加深对时间域航空电磁法中激电效应的认识.     

从瞬变电磁测深数据到平面电磁波场数据的等效转换

中心回线源装置的瞬变电磁场是一种涡流场,在地下主要以扩散形式传播.平面电磁波在地下介质中传播时具有反射、折射等电磁学特性,为了借鉴平面电磁波场测深成熟的解释方法,文中开展了从瞬变电磁涡流场测深数据到平面波场数据的快速等效转换的研究.通过大量的理论模型的正演计算、曲线对比,误差统计,对瞬变电磁场、平面波场在地下传播机制特性的分析,建立了一种由瞬变电磁测深视电阻率数据向平面波场测深视电阻率数据转换的时间-频率等效对应关系.利用这一关系式,把扩散场数据快速转换成等效平面波场测深数据. 为进一步进行瞬变电磁拟平面波成像解释打下理论基础.     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.     

利用数值积分提高一维模型电偶源电磁测深响应计算精度

讨论了直接利用数值积分提高电偶源电磁测深响应计算精度的方法．具体为对Hankel积分进行直接积分，结合连分式展开方法以提高积分求和的收敛速度．利用该方法对均匀半空间和层状(两层)模型的电磁测深响应进行了模拟，结果表明与常规的快速Hankel滤波方法相比，采用直接数值积分能明显提高电偶源频率测深响应计算精度．从而为获得高精度瞬变测深晚期响应提供算法基础．     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.     

A new numerical technique for simulating the coupled seismic and electromagnetic waves in layered porous media

Chen's technique of computing synthetic seismograms,which decomposes every vector with a set of basis of orthogonality and completeness before applying the Luco-Apsel-Chen(LAC)generalized reflection and transmission coefficients method,is confirmed to be efficient in dealing with elastic waves in multi-layered media and accurate in any frequency range.In this article,we extend Chen's technique to the computation of coupled seismic and electromagnetic(EM)waves in layered porous media.Expanding the involved mechanical and electromagnetic fields by a set of scalar and vector wave-function basis,we obtain the fundamental equations which are subsequently solved by using a recently developed version of the LAC generalized reflection and transmission coefficients method.Our approach and corresponding program is validated by reciprocity tests.We also show a numerical example of a two-layer model with an explosion source.The P-to-EM conversion waves radiated from the interface may have potential application.     

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件，将上半空间（空气）和下半空间（地下介质）两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中，假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算，每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程，这些线性方程组成了对角占优的线性方程组，可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.     

用积分方程法模拟各向异性地层中三维电性异常体的电磁响应

本文研究并建立了一种模拟各向异性地层中三维电性异常体电磁响应的积分方程算法.首先讨论了并矢Green函数及其相关积分的计算,将水平层状各向异性地层中的电场并矢Green函数分解成含有奇异项的直达波与非奇异的来自各个层界面的反射和透射波两个部分,再应用等效体积单元和表面积分技术对积分方程的奇异核进行离散化处理以便提高离散方程的精度.然后为了节省计算机内存以及计算时间,引入基于Krylov子空间的迭代算法求解积分方程的离散化矩阵方程.最后通过与现有文献中的结果作对比从而检验了所述算法的有效性,并结合具体算例考察分析了地层的各向异性对三维电性异常体电磁响应的影响特征和规律.     

瞬变电磁法的探测深度问题

用解析分析、时域有限差分、时-频分析的方法,以地面中心回线装置和阶跃脉冲激励源为例,分析讨论了瞬变电磁测深法的勘探深度问题,以便为野外勘探工作设计提供依据,达到预期的探测目的.解析计算证实了瞬变场在地下以有限速度传播,数值模拟表示出了准静态条件下瞬变场的反射.研究结果表明,由于时间域电磁场遵循因果律,瞬变电磁法的探测深度主要由观测时间决定. 瞬变电磁场的初始传播速度与大地电阻率无关,继后在大地色散作用下,阶跃脉冲前沿逐渐变得平缓,各频率分量的传播速度与电阻率有关,在低阻地层中探测同样的深度需要较长的观测时间. 最大探测深度是在给定时间内电磁波往返地下某一深度的单程距离,最小探测深度受仪器性能的限制,但是埋藏较浅的异常体也有可能在晚时段被观测到.从时-频密度谱中可得到瞬变电磁场信号时间与频率的关系.     

Transient electromagnetic response of a sphere in a layered medium

The integral equation for the electromagnetic response of a sphere in a layered medium may be solved as follows. First, the unknown time harmonic electric field in the sphere is expanded in spherical vector waves. Secondly, the coefficients for these wave functions are found by a set of equations. The equations are found by multiplying the integral equation throughout by each wave function and integrating over the spherical conductor.Once the unknown coefficients have been determined, then the transient response may be found by taking the inverse Fourier transform. In carrying out the Fourier transform one learns that for most of the time range used in prospecting, only the lowest order vector wave function is significant. A study of the singularities of the spectrum of the transient shows that, for the time range considered, only a single branch cut is significant. There are no pole type responses. That is, the field does not decay exponentially. Previous studies of a sphere in free space reported only pole type responses. That is, at the later stages, the field decays exponentially. This study shows that, in order to model satisfactorily the effect of the host rock on transient electromagnetic fields, the sphere must be placed in layered ground.