回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m^(2).利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的地电结构,适合于滑坡体地质结构的快速探测.

地形对回线源地空瞬变电磁探测的影响研究

针对地形起伏对地空瞬变电磁勘探数据影响严重的问题,利用电磁三维(3D)分析软件对起伏地形条件下地空瞬变电磁响应进行了正演模拟,分析了不同地形对地空瞬变电磁响应的影响。首先,对均匀半空间模型进行正演计算,保证本文数值模拟的精确性;其次,在回线源外分别构造山峰及山谷地形,研究不同地形条件下电流断开后空间中电磁场变化;最后,建立典型地形含异常体模型,分析起伏地形对地下目标体探测的影响。研究结果表明:地形对地空瞬变电磁响应有着显著的影响且影响主要集中在早期;不同地形及同一地形两侧表现出不同的影响特征。该结果为地空瞬变电磁数据地形识别提供了有价值的结论。

基于电场Helmholtz方程的回线源瞬变电磁法三维正演

正演是电磁法勘探野外工作参数选取、室内资料处理与解释的基础,精确、稳定、高效的三维正演算法尤为重要.本文采取先求解拉普拉斯域电场、再由Gaver-Stehfest算法获得时间域磁场的思路,基于电场异常场Helmholtz方程实现了交错网格有限差分法和有限体积法对回线源瞬变电磁法的三维正演.通过对比低阻块状体的积分方程法、时域有限差分法、矢量有限单元法和SLDM法的数值解,验证了交错网格有限差分法和有限体积法的正确性.由于交错网格有限差分法、有限体积法和基于矩形块单元的矢量有限单元法将待求电场均定义在矩形块单元棱边上,因此三种数值算法可采用相同方法进行电场待求量编码、计算背景场和后处理.然而,与矢量有限单元法相比,交错网格有限差分法和有限体积法的系数矩阵更加稀疏,求解效率更高.通过对水平低阻板状体三维模型的数值模拟,我们发现本研究中交错网格有限差分法比有限体积法精度更高;再利用一维解析法求解相应三层层状地电模型的感应电动势,我们还发现两种数值算法和一维解析法计算的感应电动势等值线形状吻合程度高,只是数值范围略有差异.

大回线源瞬变电磁场响应特性

对不同偏移距情况下的大回线源瞬变电磁响应进行了理论分析与数据计算,并给出回线框内外各测点磁场分布平面图。数值计算结果表明,在回线中心地带60%范围内,垂直磁场分量分布相对稳定,适合进行快速扫面测量,但水平磁场相对较弱,在回线内不宜观测水平磁场分量。通过对倾斜地层情况下的回线源的响应进行等效面积计算可知,当地层较平时,磁场垂直分量能量较大,当地层较陡时,垂直分量能量较小,并给出了不同倾角情况下的磁场幅值误差表。

回线源瞬变电磁成像的理论分析及数值计算

为进一步提高瞬变电磁法对地探测的解释精度 ,提出了回线源瞬变电磁成像原理及数值计算方法 .讨论了频率域中水平层状介质中瞬变电磁响应 ,得到一个以波阻抗为积分核的双重积分式 ;然后对水平层介质下电磁场的解进行上、下行波分离 ,得到含有以反射系数序列为未知的线性方程组 ,并给出了求取波阻抗和反射系数的数值解法 :对实测磁场值进行域的变换 ,以均匀半空间下的等效波阻抗代替积分核函数 ,经过线性数字滤波后 ,在频率域求出等效波阻抗 ;把频率域中的波阻抗转换到时间域 ,以此为参数 ,构建方程组 ,在时间域用线性规划法求出反射系数序列 .最终以反射系数为参数进行成像 .对理论模型的数值计算结果表明 ,用本文提出的成像方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力 .

不规则回线源层状介质瞬变电磁场正反演研究及应用

不规则回线内任一点的电磁场可以看成是其内部多个圆形回线在该点的电磁场之和,因此,只要求出不规则回线内各个圆形回线在该点的电磁场,将它们叠加就可得出不规则回线在该点的电磁场。此种方法的关键是如何在不规则回线内划分圆形回线。采用的方法是首先在不规则回线内以测点为圆心做一个圆,这时整个回线被分为圆内和圆外两部分;然后再将回线内圆外的部分划成众多的小圆形,此时就将求解不规则回线的电磁场转化为求解圆形回线的电磁场。

偶极子假设引起的大回线源瞬变电磁响应偏差分析

偶极子假设下的场点近似解与场点的瞬变电磁精确解存在一定的误差,文中对偶极子假设引起的误差进行了探索性研究.首先分析了由恒定电流偶极子公式"比拟"出的谐变偶极子位函数解.分别计算了静态场中磁偶极子和电偶极子的近似解与各自对应的未做偶极子假设的电流环和载流导线的精确解之间的误差值,然后分析了谐变偶极子微元与点电荷微元的误差.结果表明,在发射回线内,均不满足偶极子的条件,由此造成的解析表达式的误差不可忽略.为此探讨了以时变点电荷微元作为解析求解基本单元的可行性,以时变点电荷假设代替偶极子假设,将时变点电荷解直接"比拟"到时域场中,给出了时间域瞬变电磁场的推迟矢量位函数,为进一步研究时变点电荷微元假设下的精确解、直接时域求解瞬变场问题探索了新方法.

基于电偶极子近似的多边形回线源瞬变电磁响应

针对大回线源中心装置在回线内场非中心位置处场点响应表达式复杂,视电阻率计算困难,只能套用中心回线装置计算公式,导致解释精度下降问题,给出了圆回线的响应公式。提出对发射回线沿边框进行电偶极子源分解,通过对各个边框的偶极子源产生的响应进行叠加;讨论了圆回线与圆内接多边形发射回线的等效性问题;完成了大回线内任意点的场值计算,并对基于电偶极子近似的大回线内场的分布特征进行了分析,得出了大回线源内非中心点探测的可行性结论。研究成果具有理论价值和实际指导意义。

大回线源瞬变电磁法最小探测深度的分析与估算

由于线圈的自感耦合作用 ,使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性 ,分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程 ,得出线圈自感信号振幅的理论表达式 ,计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间范围 ,得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个不可分辨的"盲深度"。作者提出了不同线框大小和不同介质电阻率情况下 ,估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法并给出了估算结果。所研究成果对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础。

回线源瞬变电磁法的三维正演研究

本文利用矢量有限元法对回线源激发的瞬变电磁场进行了三维数值模拟.根据瞬变电磁场扩散的"烟圈"原理,H型和K型地电模型可近似看作埋置于均匀半空间中的水平板状体地电模型,称为准H型或准K型地电模型.在准H型地电模型中,采用了3种不同的网格剖分方案;从方案1至方案3,水平低阻板状体范围不断扩大,逐渐接近于H型地电模型.中心回线瞬变电磁法的数值模拟结果表明:在12.8ms以内,不同网格剖分方案矢量有限元法解与一维解析解相对误差均在5%以内;在19.2ms时,三种网格剖分方案的相对误差依次为12%、5%和2%左右.再利用准H型和准K型地电模型对大回线源激发瞬变电磁场的数值结果进行了验证,结果表明:两种地电模型矢量有限元法解均满足精度要求,但准K型地电模型数值精度更高.最后对直立低阻薄板地电模型进行了数值模拟,取得了与物理模拟一致的感应电动势曲线形状.

航空时间域电磁法回线源有限差分初始场计算

针对时间域回线源航空电磁有限差分法初始场中双重贝塞尔函数的数值计算,通过分析回线积分法、宗量近似法和贝塞尔函数展开法的特点,提出将贝塞尔函数展开与小宗量近似相结合的混合法,并用共求解全部空间的初始电磁场,不仅计算速度快,而且精度高,满足有限差分对计算时间和计算精度的要求,为计算全空间复杂地质异常体电磁响应奠定了基础。

大回线源瞬变电磁技术在西藏山南地区探矿中的应用

对大回线源瞬变电磁非中心点场和中心点场响应进行对比讨论,认为核函数具有相似的函数形态和函数性质,因此对于非中心点各分量也可以表示成与中心点垂直分量类似的多项式形式,采用待定系数法,完成视电阻率定义,通过模型检验认为方法可行,结果可靠。使用这一技术对西藏山南地区的帕南、努日等两个矿区进行探测,解释结果与钻探验证一致,取得了较好的效果,研究成果对于大回线瞬变电磁法的进一步发展应用具有重要的指导意义。

大回线源瞬变电磁响应理论研究回顾及展望

解析公式的求解是电磁探测方法基础理论研究的重要内容.以往用于大回线瞬变电磁法的理论公式,有圆形重叠回线表达式、中心回线表达式.为了更接近勘探工程中使用的矩形回线源,和为提高效率在回线中心1/3区域观测的实际情况,采用了大定源回线的解析公式.由此定义的视电阻率,克服了偏离中心点观测引起的边缘效应,提高了解释精度,也将大定源回线和大回线装置的理论公式统一了起来.基于偶极子微元的大定源回线解析解在瞬变电磁法理论研究中起到了重要作用,但还不能很好地反映近、中区场的响应特征.可以将静电场点电荷直接比拟到时域场中,在回线上对时变点电荷微元进行积分,以获得适合全场区、全期的更精确的理论公式.

回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析

目前,瞬变电磁法(TEM)数据基本都是基于各向同性模型进行反演解释,这对于存在明显电性各向异性的勘探区域会产生较大的反演解释误差.为分析电各向异性对回线源瞬变电磁信号的影响方式与程度,本文通过求解离散化的全张量电导率时间域Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演算法.该算法采用基于交错网格的拟态有限体积法(MFV)对时域Maxwell方程组进行空间域离散,并利用后退欧拉算法(Backward Euler Method)进行时间域离散.为提高时域电磁场的求解精度与效率,该算法将时间分段等步长算法与方程直接求解法相结合.通过对一维各向异性模型以及三维复杂各向同性模型进行测试,验证了本算法对于回线源瞬变电磁响应计算的正确性及有效性.最后,通过对几类典型电各向异性介质中大回线源瞬变电磁信号响应的分析,总结了不同电各向异性类型对TEM电磁信号的影响模式,结果表明,主轴各向异性情况下TEM信号主要受水平方向电导率的影响,倾斜各向异性对TEM信号的影响程度远大于水平各向异性,而通过水平各向异性信号能较清晰判断出各向异性主轴方向.

回线源瞬变电磁测深快速反演方法

回线源瞬变电磁测深法(简称瞬变电磁法或TEM法)是以不接地回线为场源,在回线内、外测量电磁场的一种电磁测深方法,已经广泛用于固体矿产、工程地质和水文地质调查工作之中[1,2]。目前,回线源瞬变电磁法主要采用中心回线和重叠回线两种测量装置,测量回线内垂直磁场产生的感应电动势。“烟圈”反演方法是瞬变电磁反演的主要计算方法,“烟圈”反演利用地表瞬变电磁响应与某时刻电流源镜像等效原理,计算勘探深度和对应电阻率。这里给出了回线源瞬变电磁测深一维“烟圈”反演解释方法的基本原理、计算方法和应用实例。结果表明,一维“烟圈”反演解释结果纵向分辨率较高,能反映出地下电性变化情况,可以用于瞬变电磁测深资料解释工作。

矿井瞬变电磁矩形回线源瞬变电磁响应

为研究均匀全空间介质中任意点(除发射框边)处矩形回线源瞬变电磁响应,从全空间磁偶极子的切向电场和水平圆形回线发射框中心磁场出发,采用互易原理和积分法推导了全空间任意点处的瞬变响应。通过对全空间瞬变场磁场Bz及其时间导数Bz/t的核函数Y(ω)和Y'(ω)特征的研究,将全程瞬变响应分为早期、中期和晚期。Y(ω)的早期和晚期阶段,其内层误差函数采用渐近展开式,外层积分采用直接多项式积分;中期阶段,内层误差函数采用有理契比雪夫展开式,外层积分采用龙贝格积分。Y'(ω)的晚期和非对角区域的早期采用误差函数渐近展开式;Y'(ω)的中期和对角区域的早期采用龙贝格积分。采用理论模型计算验证了公式的精度。结果表明,该算法求取的数值解,其Bz核函数Y(ω)的相对误差可以控制在1×10-6%以内;而Bz/t的核函数Y'(ω)的相对误差可以控制在1×10-4%以内。早期阶段,Bz和Bz/t在发射框内部的极值中心沿着与短边呈45°夹角方向向发射框内部移动,并且短边处的2个极值中心先行合并,然后再沿长边方向合并;相同时刻,Bz过零点等值线比Bz/t过零点等值线传播的更远。

地表大回线源在任意层状介质中产生磁场的计算

在地面核磁共振数值模拟中 ,地下介质中任意一点处磁场的快速计算非常重要。作者针对水平层状介质 ,推导出利用递推方法求得任意一层中电磁波的透射和反射系数的简单方法 ,从而为精确。

回线源瞬变电磁法在地质灾害调查中的应用

针对工程与地质灾害调查要求解决精细构造的问题,投入了近年来广泛应用于工程勘测的回线源瞬变电磁探测。分析了瞬变电磁测深的特点,该方法体积效应小,等值作用范围较直流测深和频率测深窄,故横向和纵向分辨率高。通过2个实例的成功应用,说明回线源瞬变电磁在探测构造破碎带、煤田采空区等方面的应用效果。

层状介质任意形状回线源瞬变电磁全区视电阻率的研究

利用时域垂直磁场求取全区视电阻率.任意形状回线的垂直磁场可以看成是多个水平电偶极子的垂直磁场累加而成;因此,不论回线是何形状,只要将其分解为水平电偶极子,就可利用水平电偶极子的垂直磁场求取任意形状回线的全区视电阻率.

层状介质任意形状回线源瞬变电磁场正反演

任意形状回线的电磁场可以看成是多个水平电偶极子的电磁场累加而成,因此,不论回线是何形状,只要将回线剖分为水平电偶极子,就可利用水平电偶极子的电磁场求取任意形状回线的电磁场。为了将回线剖分为电偶极子,根据测点到回线各边的距离将回线各边剖分为多个小段,使每小段满足水平电偶极子的条件;再将水平电偶极子进行数值积分,可得整个回线的电磁场。实验证明该方法在减小计算量的同时还能提高计算精度。