二维大地电磁测深的边界元与有限元耦合模拟

本文介绍了在大地电磁测深问题中边界单元和有限单元耦合模拟的具体过程。通过与解析解、标准大地电磁测深的模型曲线对比,证明了这个耦合方法能够有效地模拟大地电磁场的变化规律。它能够直接计算场的导数,提高辅助场值的计算精度,对保证实测视电阻率曲线解释结果的可靠性是具有重要意义的。此外,它既能灵活地处理地下非均质的电性结构,又能研究半无限空气域内的电场变化,这为解决E极化数值模型的边界选择提供了有效途径     

S-s方式瞬变电磁测深资料处理方法研究

根据半无限均匀介质空间中电磁场的表达式,本文分析了S-s方式瞬变电磁测深法的全区视电阻率定义的基本性质并讨论了求解方法.在此基础上,引入了基于感应电动势的"虚拟全区视电阻率"概念,从而解决了全区视电阻率的解的唯一性和存在性等问题.理论算例表明,"虚拟全区视电阻率"能较好的反映地下一维电性层电性垂向变化特征,故对瞬变电磁测深资料的定性解释有一定的实际应用价值,同时对一维反演(构制初始模型和确立目标函数)也有重要意义.     

坑道直流电阻率法超前探测的快速反演

在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探测视电阻率曲线转化为全空间视电阻率曲线.然后采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演.反演结果可准确反映围岩电阻率、异常体的电性、位置和产状;而由于同层等值现象,反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的组合值.     

CSAMT法对低阻薄层结构分辨能力的探讨

用一维有限元法实现可控源音频大地电磁(CSAMT)法的数值模拟技术,分别计算了TM 和TE两种模式下,电性层厚固定、中间低阻薄层电阻率发生变化时的频率-电阻率曲线;以及电性参数确定、但中间低阻薄层结构的厚度发生变化的一系列频率-电阻率曲线;当顶层厚度发生变化时,获得一系列的频率,电阻率曲线。分析了各曲线的特征,归纳了CSAMT法对薄层结构的分辨能力,为正确认识薄层结构的CSAMT频率电阻率响应提供很好的帮助。     

S—s方式瞬变电磁测深资料处理方法研究

根据半无限均匀介质空间中电磁场的表达式，本文分析了S-s方式瞬变电磁测深法的全区视电阻率定义的的基本性质并讨论了求解方法。在此基础上，引入了基于感应电动势的“虚拟全区视电阻率”概念，从而解决了全区视电阻率的解的唯一性和存在性等问题。理论算例表明，“虚拟全区视电阻率”能较好的反映地下一维电性层电性垂向变化特征，故对瞬变电磁测深资料的定性解释有一定的实际应用价值，同时对一维反演（构制初始模型和确立目标函数）也有重要意义。     

层状方位各向异性介质的视电阻率计算

从电性各向异性的欧姆定律出发，推导了直流电法层状方位各向异性介质中的电位分布、边界条件及视电阻率计算公式．以四极对称装置系统为例，对具有相同各向异性系数的4层模型采用核函数递推法作了理论数值模拟，得到了不同方向的电阻率测深曲线及其等值线形态．结果表明理论公式是正确的，测深曲线既反映了分层介质的电阻率差异，又反映了各层中电阻率的各向异性特征．      

三维电阻率测深数据Zohdy近似反演方法

Zohdy方法近似反演三维电阻率测深数据。正演计算采用有限单元法。反演初始模型由测量视电阻率数据给出。通过比较实测视电阻率值和预测模型计算的视电阻率值对数差来修改模型网格电阻率．为了解决任意电极距测深数据的反演,采用大、小双网格剖分。大网格反映地下电性分布情况。小网格用于实际有限元正演计算．在电阻率调整公式中加入一个迭代系数,能够加快收敛速度．并对加5％随机噪声的模型理论视电阻率测深断面数据进行反演,得到的电阻率分布与模型电阻率基本一致．     

大地电磁局部畸变异常特征三维数值模拟研究

局部畸变问题曾经困扰大地电磁资料反演解释几十年,大地电磁三维数值模拟技术的发展为剖析局部畸变特点和得到可靠的反演成像结果提供了技术基础。本文采用三维数值模拟成像方法对典型三维局部畸变模型进行模拟分析。三维数值模拟结果显示:电场分量垂直电性分界面的极化模式视电阻率曲线(对应二维情况下TM模式)在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移后下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移后上移,这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。三维模型中XY模式、YX模式视电阻率和相位在三维异常体附近的水平变化是呈现近似垂向对称的,该现象与电场垂直跨越电性界面时视电阻率的变化规律是吻合的,当测线分别沿X方向和Y方向展布时,三维情况下的XY和YX模式分别对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对区域构造响应的畸变影响比高阻小异常体要严重。低阻小异常体对二维区域响应的两种极化模式视电阻率和相位都有非常明显的畸变影响,相比较而言对TE模式的畸变要大于TM模式,因此我们在做二维反演解释时,可优先考虑拟合TM模式数据。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应虽然与对应真实二维区域响应的差异比较大,但可以等效于某种二维模型响应,这种由局部畸变造成的假二维响应在实际野外数据的解释中是需要注意的。      

临汾台地电阻率趋势下降有限元数值分析

依据山西省临汾地震台地质资料、岩层电性资料和台站电测深曲线,将该台地下介质电性分布简化为二维电性结构,在此基础上,构建了三维非均匀层状介质有限元模型。三维有限元模型采用水平层状结构,假定浅层三层介质电阻率均匀。依据电测深曲线及水平层状模型,借助地电阻率观测资料获取测区地层电性结构。通过第一层介质电阻率变化模拟了2个测道的浅层介质电阻率变化,分别是测区NS向表层介质电阻率随季节性降雨的变化和EW向浅层介质电阻率随水渠水深的变化。计算结果表明,降雨对地电阻率会造成升高影响,解释了临汾地电年变形态"夏高冬低"的原因;此外,降雨对地电阻率的影响还随深度的增加而增大,同时还与介质均匀性、地质因素等有关。测区附近水渠内水位的加深对电阻率造成的变化很小,认为2010年以来的趋势下降异常跟水渠干扰关系很小。研究结果将会对地电阻率的干扰因素以及可能出现的前兆指示具有重要的意义。     

EDA各向异性层状介质MT正演模拟

推导了ＥＤＡ型层状各向异性介质大地电磁测深正演计算公式,对多种模型从不同的频率,测量方向计算了地表视电阻率曲线。结果表明,一般的各向异性介质的地表视电阻率值不仅与测量频率有关,而且与测量方向相对电性主轴的交角有关。     

江宁地电台的电性结构及关于地电阻率观测值的解释

为了探究地表和井下观测的地电阻率值存在的明显差异,本文首先对江宁地电台电性结构进行了探测,并建立了水平层状电性结构模型;然后基于该模型计算了地表和井下观测装置的理论视电阻率值;最后对比分析计算值与观测值。结果表明,地表大供电极距观测装置和井下观测装置的观测值均可以由地下电性结构进行合理解释,即地表与井下观测值的差异是合理的,是由地下电性结构所决定的。      

铁轨干扰浚县地震台地电阻率观测的有限元分析

2016年5月浚县地震台地电阻率EW向测值出现明显变化,为正确评价该变化,依据浚县地震台地质资料、岩层电性资料和EW向电测深曲线,将该台地下介质电性分布简化为二维电性结构,建立三维有限元模型。通过数值模拟,计算测区内地表铁轨干扰对地电阻率观测的影响形态和幅度。结果表明,由数值模拟所得干扰幅度、形态与实际测值的异常变化较吻合,因此从数值分析的角度确定了铁轨对浚县地震台地电阻率观测的干扰。     

宁洱地震区深部电性结构及发震构造初析

在2007年6月3日宁洱6.4级地震区进行了宽频带(1000～1/4096Hz)大地电磁观测,采用了远参考道技术和Robust技术对观测数据进行了处理,分析了视电阻率和相位曲线、二维偏离度及区域电性结构方向,采用非线性共扼梯度(NLCG)二维反演技术对实测资料进行了反演,得到了与实测曲线拟合程度较高的反演模型。从二维解释结果可以看出:横向上,以12号测点为界,明显地划分为2个不同的电性分区,推测存在具一定延伸的断裂构造。纵向上,30km深度以上大致可分为4个电性层:1)中、新生代盆地沉积层(Mz—Cz),厚约1km。2)古生代沉积层(Pz),厚约5km。3)壳内高导层(HCL)。4)中、下地壳(MLC)。其中壳内高导层埋深在12号点左右存在较大的差异,推测在12—13号点下高导层顶部存在壳内的滑脱构造。宁洱地震震源深度为5km,文中所推测的滑脱构造位于这一层位上。认为该滑脱构造为本次地震的发震构造     

隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法:以TBM为例

以隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)为例模拟了隧道强干扰环境下,瞬变电磁超前探测的响应曲线,系统分析了异常体(以直立充水断层为例)与掌子面距离、围岩电阻率差异、TBM长度、异常体规模等条件下的曲线特征和影响规律,发现TBM干扰源表现为低电阻率目标特征,其影响主要集中在早期,对于电性差异较大或目标规模较大的低电阻率异常(充水断层)模型能够明显地通过衰减曲线区分.根据电磁场叠加原理,将隧道腔体中包含TBM模型的响应减去纯隧道腔体响应可以获得TBM的响应信号,以此作为干扰背景,从实际包含TBM和充水断层的隧道模型总响应中减除,获得去除TBM干扰的响应信号.通过8组算例进行对比,发现经过校正的衰减曲线与模型计算曲线吻合较好,视电阻率曲线差异相对较小,能够表现探测区域的电性分布情况,确认该方法在不同情况下的适用性.即使在TBM响应计算时给定背景电阻率与实际电阻率差异达到100%的情况下,依然能够通过校正获得合理的响应信号和视电阻率曲线.该方法不仅仅适用于隧道环境,对于其他诸如地面、航空、半航空、海洋瞬变电磁勘探同样适用.     

广西龙滩库区库水加卸载过程中地下电阻率的变化

在广西龙滩库区于2009年至2010年初库水加卸载过程中,对4个测点进行了3期次大地电磁观测,观测频段为320Hz～1000s。观测结果显示库水加卸载过程中深部介质电阻率变化与岩性有关。在同一岩性出露区域的3个测点,库水加卸载的3期次观测的视电阻率数值在频率1Hz以下频段变化明显,库水水位最高时段测量的视电阻率值最低,水位下降阶段测量的视电阻率数值最高,最低水位测量的视电阻率数值居中。实测结果表明:在广西水库水位加卸载过程的不同时段,库区岩性、库容面积和自重变化对地下水的连通和渗透有较大影响,从而导致地下一定深度下的介质电性发生变化。     

大地电磁测深和电偶源频率电磁测深资料反演

在研究大地电磁响应函数频散关系的基础上,构制了一套滤波系数算法,以用于由一套视电阻率资料估算相应的阻抗相位.理论模型和实际大地电磁观测资料的数字试验表明,该法是行之有效的.由频散关系估算的相位值与观测的相位资料的比较,可用于检验观测资料是否满足频散关系.利用经频散关系校正的阻抗相位值,进行大地电磁阻抗的联合反演则可望获得更为可靠的结果.研究了观测频带相互衔接的电偶源频率电磁测深和大地电磁测深视电阻率的一维联合反演问题.对两个实测点两种电磁法的观测资料进行了联合反演试验,与钻井资料对比表明,所获得的电性分层参数是较为可信的.在补充了由频散关系获取的电偶源频率电磁相位资料后,对于两种电磁法的视电阻率————阻抗相位、阻抗实部视电阻率-阻抗虚部视电阻率进行了拟大地电磁反演,获得了相近的反演结果.      

延庆地电阻率西洋参种植干扰有限元定量分析

依据测区地下构造条件、电性结构以及地电阻率特征,结合电测深曲线,建立三维有限元模型。通过数值模拟,计算测区内种植西洋参对地电阻率观测的影响形态和幅度。计算结果表明,在扣除地电阻率基准值后,西洋参种植干扰形态和幅度与实际观测值的异常变化较为吻合。     

电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像

电性源地空瞬变电磁法具有工作效率高、勘探深度大、采集信号信噪比高、适用于地形地质条件复杂地区等优点.但是,到目前为止,由于尚未建立起该方法的解释系统,大大制约了该方法的发展.本文旨在建立起完整的地空电磁探测系统,丰富整个探测系统的理论.本文围绕地空瞬变电磁法全域视电阻率定义、瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像、逆合成孔径成像方法三个科学问题进行了系统研究.提出了用磁场强度定义全域视电阻率的迭代算法,理论模型试验结果表明计算出的视电阻率曲线首支趋于第一层电阻率,尾支趋于最后一层电阻率,实现了全空域、全时域视电阻率的计算;在先前研究的基础上,实现了适合电性源地空装置的瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像;采用相关迭加技术,实现孔径内多测点数据合成,将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的逆合成孔径处理方法.层状模型试验表明:(1)全域视电阻率能够光滑、完整、渐变地反映出模型的电性信息变化;(2)当改变三层模型中间层电阻率时,全域视电阻率曲线随着参数的改变分异明显,对电性层的识别容易且直观;(3)由于在电阻率计算中同时考虑了接收机高度、偏移距、时间等各参数的影响,全域视电阻率可实现全空域、全时域的视电阻率计算.含水采空区的复杂模型算例表明:(1)根据不同测线的全域视电阻率结果可以看出,在靠近采空区的位置,全域视电阻率断面可以清晰地反映出采空区的空间位置,随着测线离采空区越来越远,采空区异常越来越弱直至消失;(2)波场变换和偏移成像的结果显示存在两个电性差异较大的界面,上界面指示地表,由于空气和大地之间的电性差异较大,故该界面波场信号反映强烈,遍布整个区域,下界面异常信号则主要集中在中部,向外逐渐减弱,指示采空区;(3)逆合成孔径成像结果表明地表界面在合成前后没有变化,而采空区异常合成后范围明显变小,且异常边界清晰,指示的采空区位置与模型吻合很好.本文借助于逆合成孔径雷达成像的基本思想,建立了一套电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法.基于反函数思想结合迭代算法提出的电性源地空瞬变电磁法的全域视电阻率定义方法,实现了全空域、全时域的视电阻率计算;借鉴瞬变电磁拟地震偏移成像算法,实现了瞬变场的三维成像;借鉴逆合成孔径雷达的思想,提出电性源瞬变电磁地空逆合成孔径算法,进一步提高了成像的分辨率.采空区模型算例表明相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点,证实了瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法的有效性.     

频率域线源近区(过渡区)测深理论初步研究

对频率域无限长线源近区(过渡区)测深的理论基础进行了探索性研究。通过计算均匀半空间、层状介质等多个模型的线源响应,进而定义并计算全区视电阻率。结果发现,利用水平电场、垂直磁场分别计算的全区视电阻率均能较好地反映地下电性结构的变化。把水平磁场与水平电场联合通过二分搜索算法计算的全区视电阻率也能较好地反映地下电性结构的变化。在近区通过单分量定义的全区视电阻率与一维MT曲线吻合得很好,因此可以用成熟的MT反演技术来进行线源近区电磁资料的反演,从而把有源的问题转化到无源的问题。这初步表明频率域线源近区(过渡区)测深是可行的,但还有一些问题需要解决。     

电性源瞬变电磁B场全程视电阻率计算

在传统电性源瞬变电磁资料解释中,常常采用Bz/T求取视电阻率值,由此带来Bz/T计算全程视电阻率多解性.而Bz随电阻率变化是单值函数,由Bz计算全程视电阻率具有减少多解性的优势.为了研究接地源瞬变电磁B场全程视电阻率,文中首先研究了接地源瞬变电磁法Bz和Bz/T响应值随电阻率的变化特性,然后设计不同的地电模型,采用二分搜索算法对B场全程视电阻率进行计算,结果表明全程视电阻率对电性目标体分辨率高,分层能力强,能较好地反映地电断面的信息;另外,全程视电阻率仅与地层的电性结构有关,与收发距无关,便于野外进行接地源瞬变电磁近源测量.在实际应用中,通过把观测的二次感应电压转换成磁场微分数据,再对磁场微分数据进行积分,求取B场数据,并进而求取视电阻率,取得了较好的应用效果.