SOTEM野外数据采集中的关键参数分析

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)在野外数据采集中涉及诸多参数,它们的选择与实测数据的信号质量、探测灵敏度等密切相关。本文依据中国地球物理学会团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》(T/CGS 002—2021)中的相关规定,并结合一些数值模拟和实际案例,对发射源长度、发射基频、偏移距、装置类型、观测分量等关键参数的选取依据进行了分析与阐述,获得的相关认识对指导SOTEM野外施工、发挥SOTEM探测性能具有重要意义。

煤矿富水体SOTEM响应三维数值模拟研究

采用三维时域有限差分法对三维地电模型的SOTEM响应进行正演计算,发现:(1)采空区或陷落柱上方观测的电场E_x响应衰减曲线在早期高于背景响应,在晚期均低于背景响应;(2)偏移距越小,∂B_(z)/∂t响应信号的相对异常越大,发射源长度的增加能提升信号强度,但同时也会导致相对异常的略微下降;(3)当测线靠近发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_(z)/∂t响应在整体上低于背景值,当测线远离发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_(z)/∂t响应在整体上高于背景值。本文计算结果对于认识SOTEM对煤矿典型富水体的探测能力具有重要意义,为SOTEM装置参数选取及其在煤炭领域的推广应用打下理论基础。

SOTEM技术在豫西地区银多金属矿深部找矿中的应用

在豫西地区银多金属矿深部找矿工作中,采用电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM),结合地质构造和物性特征,对豫西地区的银多金属矿进行了深部探测。通过对龙门店矿区和申家窑矿区的工程实例分析,结果表明SOTEM技术能够有效探测高阻和低阻地质体,尤其是在山区大探测深度的需求下,相较于传统的AMT技术,SOTEM技术施工更简单、勘探深度更大。在龙门店矿区,SOTEM技术成功揭示了与银铅矿体相关的高阻异常体;在申家窑矿区,SOTEM技术与AMT技术相互验证,均能有效探测层间拆离破碎带,但SOTEM技术在深部探测能力上更优。

SOTEM数据一维OCCAM反演及其应用于三维模型的效果

本文基于垂直磁场分量研究了SOTEM数据的一维OCCAM反演方法,并将其应用于理论三维数据及野外实测数据的反演.对于大部分一维模型,OCCAM反演可取得较好的反演效果,且反演结果不依赖于偏移距;噪声对SOTEM数据的OCCAM反演具有较大影响,但当信号含噪水平不超过5%时,反演结果仍具有较好的准确性;若浅层存在较厚的低阻层,OCCAM反演结果对下部地层的分辨能力下降,仅能获得具有平均效应的电阻率.将一维算法应用于SOTEM三维数据的反演,会产生较大的误差,尤其是在异常体边缘地带影响最为严重.该影响程度与异常体和背景电阻率之间的差异有关,对于大多数电性近似呈连续变化的真实大地而言,一维OCCAM反演算法仍可获得较好的效果.最后通过陕西某煤田深部富水性调查的实测SOTEM数据反演验证了本文的研究成果.

SOTEM响应特性分析与最佳观测区域研究

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置,对深部资源地球物理精细探测具有一定的实际意义.为了深入理解方法内涵并更好地进行推广应用,本文基于电性源瞬变电磁一维正演理论,研究了SOTEM地下感应电流扩散、多分量电磁响应平面分布、多偏移距衰减等特性,然后根据上述特性研究了SOTEM的最佳观测区域.研究结果表明:电性源在地下可以产生水平和垂直两个方向的感应电流.其中,水平感应电流又分为上部水平感应电流和下部水平感应电流(又称作返回电流),水平感应电流的极大值主要集中于发射源附近并垂直向下扩散;垂直感应电流极大值沿与地面呈45°角的方向向下、向外扩散,并且具有较低的振幅和较快的扩散速度.电性源激发的六个方向的电磁场分量都具有一定的探测能力,但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点,大多数情况仅利用垂直磁场分量Hz(B/t)和水平电场分量Ex.其中,Hz仅对低阻目标体敏感,且敏感区域位于赤道向区域,并集中在发射源附近;Ex既对低阻体敏感也对高阻体敏感,对低阻体的敏感区域位于赤道向区域,而对高阻体的敏感区域位于轴向区域,并且敏感区域距发射源的距离与目标体埋深和围岩电性有关.

西藏羊八井地热田SOTEM探测及热储结构分析

西藏羊八井地热田是世界上著名的高温地热田,历经四十多年的开发利用,浅部地热资源日趋萎缩,亟需开发深部高温地热资源来维持地热发电或新增装机容量.深刻了解断裂分布特征、地热流体的升流通道,对于开发深部高温地热资源具有十分重要的意义.我们在羊八井地热田实施了6条电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)探测剖面,通过反演获得了2 km深度范围内地层的电性结构.结合现有的构造地质、地球物理、地球化学、钻孔测温等资料,取得了如下新认识:(1)确认F14断裂是地热流体从地热田北区向南区运移的主通道;(2)深部地热流体的上升通道出现在北区硫磺沟,中尼公路附近下伏渗透性较差的基岩阻挡着地热流体在深处从北区向南区的侧向流动;(3)南区深处存在一个富水区,汇聚着来自唐山的大气降水和冰雪融水,与正在开采的浅层热储水力联系较弱;(4)在南区实施尾水回灌,难以实现维持热储压力、延长地热田开采寿命的目的.

SOTEM一维等效源反演方法

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是一种探测深度大、精度高的瞬变电磁工作形式,一维反演是目前SOTEM数据处理解释的主要手段。从电性源瞬变电磁场的扩散理论出发,研究了针对SOTEM的一维等效源反演方法。研究表明,传统的等效源反演方法对于实施近源观测的SOTEM并不完全适用,在早期会造成反演电阻率严重偏离真实值的情况。针对上述情况,提出了采用全期视电阻率进行校正的方法。理论模型的计算和河北某金矿的实际应用表明,经过校正后的反演算法在全期内都能很好地反映地层的真实电性分布。

SOTEM研究及其在煤田采空区中的应用

电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)具有信号强、对低阻异常体分辨率高、探测深度较大,受地形和地下构造影响较小等特点,因而适合于低阻体及精细构造的探测,同时由于SOTEM工作方法简便,探测工具灵活易于操作,所以非常适合地形复杂、施工艰难的工区。本研究通过对电性源短偏移距瞬变电磁法进行理论分析,对不同地电模型响应之间的相对误差及其随异常电阻率的变化特征进行了分析,探讨了SOTEM的电性异常分辨能力;求解得到了SOTEM探测深度的理论判断公式;研究计算及正演模拟了不同时刻层状地电模型瞬变电磁响应的空间分布特征来对最佳观测区域进行分析,得出近场区观测的优越性;最后,以SOTEM在山西大同某煤矿采空区探测中的应用实例来说明该方法的有效性,根据对比,探测结果与钻井信息很好吻合。

SOTEM与CSAMT对低阻层的分辨能力比较

克服低阻覆盖层的屏蔽以及实现对地下低阻层的有效探测,一直是勘探电磁法面临的重要问题。电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)采用近源观测,受到越来越多关注。为了分析SOTEM的探测能力,开展了与目前普遍使用的电性源频率域装置——可控源音频大地电磁法(CSAMT)的对比性研究。首先分析了SOTEM和CSAMT在一维层状介质下的理论响应特征,然后,分别设计了不同情况下低阻覆盖层和地下低阻夹层两组地电模型,通过计算相对异常误差,分析了二者的探测能力。研究结果表明:SOTEM比CSAMT对低阻覆盖层更加敏感,对低阻夹层的探测能力更强,更有利于探测地下导电夹层。

不同模型约束的SOTEM稳定性反演

短偏移距瞬变电磁法(简称SOTEM)理论上探测精度较高,但由于地下电性结构复杂多样,目前所采用的单一模型约束反演策略具有局限性.本文提出了一种不同模型约束的SOTEM稳定性反演方案,能够快速获得具有光滑型、聚焦型、突变型结构特点的反演结果.该方案引入了光滑泛函、总变分泛函、最小梯度支撑泛函进行不同正则化,将不同稳定泛函重新构造,在统一反演框架下获得不同模型约束反演问题的解,并对正演、迭代过程、雅可比矩阵计算、正则化参数设置等多个细节进行了优化,以提高SOTEM反演的稳定性和效率.通过不同地电模型的大量样本,考察了本文所提的多种优化方案对反演的稳定性和效率的提升效果,对比了采用不同模型约束进行正则化的反演效果,从而验证了所提SOTEM反演方案的稳定性与快速有效性.

SOTEM多分量激电响应特性分析

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)具有探测深度大、分辨率高、施工方便等特点,在第二深度空间(500~2000 m)金属矿勘探中发挥了重要作用.实际测量中,当遇到具有激发极化效应的岩矿石时,SOTEM观测曲线会出现畸变和负值响应(符号反转)的现象.SOTEM激电效应的研究对金属矿勘探具有重要意义,为此,本文对SOTEM多分量激电响应特性进行分析.通过基于Cole-Cole模型的SOTEM一维正演计算,分析了不同装置参数(收发距,极化体埋深)和极化参数(极化体电阻率、极化率,频率相关系数以及时间常数)对常用的E_x、H_z和dH_z/dt电磁场的影响规律,研究结果表明水平电场分量受激电效应的影响最大,垂直磁场分量和垂直磁场分量的时间导数受到的影响要小得多,研究结果将有助于指导野外实际生产.

内蒙古白云鄂博主东矿三维地电模型与短偏移距瞬变电磁三维正演分析

内蒙古白云鄂博大型稀土-铌-铁矿床历经近70年开采,浅部铁矿资源已开发殆尽,亟需寻找深部资源.利用电磁法摸清主矿和东矿深部矿体连接状态及赋存特征对进一步认识白云鄂博成矿模式和寻找深部接替资源意义重大.然而,该区复杂的构造、地层、岩性、地形等条件给电磁法勘探带来极大挑战.采用数值建模与模拟手段对关键观测要素进行分析有助于勘探设计和数据解释.本文以白云鄂博主东矿及其结合部位为主要研究区域,基于已有地质、钻孔等资料,构建了主东矿三维地电模型,利用时域矢量有限元算法开展了电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)三维数值模拟,并重点分析了矿坑地形对观测数据的影响程度以及不同收发装置下的深部矿体的三维电磁学响应特征和探测能力.结果表明矿坑地形会导致SOTEM电磁场响应值升高,在主矿西侧布置发射源,更有助于实现对连接部位下方铁矿体的有效探测.该工作可为今后野外实际观测中工作参数优选和数据解释提供依据.

基于监督下降法的短偏移距瞬变电磁快速反演研究

短偏移距瞬变电磁法(简称SOTEM)通常采用传统式基于物理建模的反演方法,反演效率较低,不易灵活融入先验信息,而基于数据驱动的反演方法能够提高反演精度与效率,泛化能力却难以保证。为了提高SOTEM数据反演的精度和效率,并兼顾可靠的泛化能力,本文探索了一种融合物理建模与数据驱动的反演方法,将机器学习中监督下降法应用于SOTEM数据反演中。基于监督下降法的SOTEM数据反演分为线下训练和线上预测,线下训练时通过合理的训练集灵活融入先验信息,获得隐含模型特征的平均下降方向,线上预测时借助物理建模函数和训练所得下降方向,在传统反演框架下完成模型参数重建。文中利用层状大地模型构建训练集和测试集,实现了基于监督下降法的SOTEM数据一维反演,并与传统Occam算法进行了对比。结果表明:基于监督下降法的SOTEM反演效率大幅提升,反演精度较高,具有良好的泛化能力。

电性源瞬变电磁法频-时转换的效果分析

电性源短偏移距瞬变电磁法是近年来新提出的固体矿产深部电磁探测方法之一,较传统的回线源瞬变电磁具有探测深度深、仪器轻便和分辨率高等优点。但该方法由于偏移距较短,距发射源较近,正演中的频-时转换会受到转换方法及其他工作参数的影响,进而直接影响探测结果,因此有必要开展频-时转换效果分析评价。通过对影响频-时转换的因素以及常用的四种频-时转换方法(Guptasarma线性滤波法、折线逼近法、余弦变换的数值滤波法和正弦变换的数值滤波法)在电性源短偏移距瞬变电磁正演响应计算中的对比,从计算时间和转换精度两方面分析了在不同条件下的转换效果,为一维及高维度的瞬变电磁正演计算提供频-时转换方法参考。对比结果表明:1)影响时间域瞬变电磁场正演计算(即频-时转换效果)的精度不仅和转换方法本身有关,而且也和偏移距及地下介质电阻率等参数有关;2)通过正演模拟,在低阻探测区采用折线逼近法与正弦变换的数值滤波法相对Guptasarma线性滤波法和余弦变换的数值滤波法转换精度更高,整体误差更小,而Guptasarma线性滤波法的计算速度最快,早期计算精度较高,晚期计算精度较差;在高阻探测环境中,采用折线逼近法计算精度和速度均相对较好,Guptasarma线性滤波法、正弦变换的数值滤波法及余弦变换的数值滤波转换效果均较差,特别是在晚期。因此,对于未知的探测区域,若实现高精度的电性源瞬变电磁正演计算,采用折线逼近法进行频-时转换相对效果最佳。

短偏移距电磁探测技术概述

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁(Short-Offset TEM,SOTEM)理论上的可行性;列举了将LOTEM(Long-Offset TEM)从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT(Magneto-Telluric)的CSAMT(Controlled Source Audio-frequency MagnetoTelluric)与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.

我国深地资源电磁探测新技术研究进展

诸多研究表明我国深部资源潜力巨大,但目前的开发开采深度普遍停留在500m以浅,开展"攻深探盲"是构建国家资源安全体系的有效途径.应用最先进的科学技术手段,提取深部地质信息,已成为我国当前地球物理科学研究的发展方向.作为地球物理学的重要分支,电磁法是矿产资源探查的主体手段之一.在分析我国现阶段航空、地面及海洋电磁探测技术进展的基础上,本文重点说明了极低频电磁法(简称WEM法),多通道瞬变电磁法(简称MTEM)和电性源短偏移瞬变电磁法(简称SOTEM)等电磁探测新技术.WEM法建立一套包括岩石层、大气层和电离层在内的全空间电磁传播理论,通过新研制的观测系统,获取地下10km的地电信息;MTEM方法是地下埋深4km目标体精细勘查的有效手段;SOTEM实现地下1.5km深度范围内目标体的精细探测.通过多种电磁探测技术组合,可实现地下10km深度范围内多尺度探测,达到"望远镜+放大镜+显微镜"探测效果.同时,本文指出进一步研发与新方法配套的装备、资料处理技术和大数据人工智能识别等将是我国电磁法未来的发展方向.

陕西凤太矿集区深部铅锌矿产资源潜力及地球物理找矿方向

随着近20年的铅锌矿业开发,陕西凤太矿集区各大中型矿山将面临资源枯竭的困境。甘肃西成矿集区近年通过物探方法寻找到郭家沟隐伏铅锌矿体,表明物探方法对于深部找矿意义重大。从地质和地球物理角度综合研究,以凤太矿集区古岔河向斜为界,总结了南、北两侧的铅硐山—东塘子、银硐梁、八方山—二里河等大型铅锌矿床,手搬崖、峰崖、黑崖、银母寺等中型铅锌矿床以及多处小型矿床和矿点的铅锌矿体产出特征、形态特征及其赋存特征、控矿因素、物探识别标志。以银母寺铅锌矿床深部广域电磁法异常验证见到含铜矿化体,杨家湾铜矿点深部瞬变电磁法异常验证见到铜矿体,及二里河铅锌矿床深部短偏移距瞬变电磁法推断出寻找铅锌矿较好地段等3种地球物理方法技术的深部找矿实例,结合铅锌矿的空间分布规律,认为矿集区内铅硐山—水柏沟背斜西段、尖端山—八方山背斜东段、银母寺—大黑沟背斜西段等已知矿床的深部延伸部位,及含矿背斜旁侧更次一级具有找矿潜力的隐伏背斜成矿有利新区(如铅硐山—水柏沟背斜西段两侧区域、银母寺—大黑沟背斜西段两侧区域、尖端山—八方山背斜两侧区域)为铅锌矿地球物理找矿方向。同时,综合比较各种物探方法在凤太矿集区中的应用,建议选用长剖面或面积性的广域电磁法开展深部找矿。

短偏移距瞬变电磁法在崤山矿集区的应用实现重大找矿突破

小秦岭、熊耳山和崤山地区处于同一大地构造位置,具有极为相似的成矿地质条件和区域地质演化背景,其中小秦岭和熊耳山地区已取得较好的找矿效果,而崤山地区却一直未取得重大找矿突破。如何在崤山地区的深部与覆盖区实现找矿突破,是崤山地质研究的一个重要课题。由于崤山地区覆盖层较厚,采用常规的物探方法,找矿效果不理想。通过开展短偏移距瞬变电磁法试验研究,在崤山地区中深部发现了有利的低阻构造单元,再结合地质资料,实现了重大找矿突破。短偏移距瞬变电磁测深试验中,通过研究短偏移距装置参数及技术指标特点,并结合已知地质物化探资料,对观测数据进行处理与反演,借助已知钻孔资料进行层位标定,从而总结短偏移距瞬变电磁测深技术方法规律;然后根据已知剖面上的研究规律,结合地质资料分析,在未知区开展试验,总结出一套适合崤山薄脉型矿床的找矿新方法。该方法突破了传统物探方法的局限性,在推广应用到整个崤山地区的地质找矿之后,实现了区域找矿重大突破。