钻孔瞬变电磁法研究现状综述

与航空、地面瞬变电磁法不同,钻孔瞬变电磁法将接收探头置于钻孔之中,由于距离探测目标更近且远离地表,不仅可以观测到更强的响应信号,还可有效削弱孔外各类电磁信号的干扰,能够满足大埋深、精细化探测需求,尤其是深部盲矿和水害探测。通过回顾各类钻孔瞬变电磁法(回线源地.井、电性源地.井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法)的研究历史,总结各类方法在正演模拟、反演成像、仪器装备和应用案例等方面的研究现状。研究结果表明:回线源地.井瞬变电磁法研究基础丰厚,发展较为全面,已在生产中取得较多成功应用;而电性源地.井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法研究基础薄弱,由于理论方法、探测装备、反演技术等方面的限制,目前尚未得到广泛推广与应用,整体仍处在初步研究阶段,相关技术仍有待进一步提升。未来发展方向可以从以下几个方面入手,如带地形三维反演、快速地形校正方法、伪随机发射、多辐射源发射、套管干扰消除和多参数地球物理方法联合解释等,形成完善的钻孔瞬变电磁法理论和解译方法,为深部矿体探测、煤矿和隧道含水构造探测提供理论依据。

地-井瞬变电磁三维响应特征分析与异常体快速定位方法研究

通过对含异常体的三维地电模型进行系统正演和分析,提出了一种地—井瞬变电磁异常体快速定位方法。在对含异常体的三维地电模型进行正演响应规律分析时发现:纯异常场的X、Y分量曲线零点以及Z分量曲线的极值点与异常体深度对应较好;当异常体的规模、电阻率、埋深发生改变时,X、Y分量曲线形态基本不变;当异常体方位发生变化时,X、Y分量曲线形态发生变化。在此基础上,提出地—井瞬变电磁异常体快速定位方法:首先,依据X、Y曲线的零点确定异常体所在深度;其次,依据X、Y分量曲线形态确定异常体所在象限(90°范围);最后,依据X+Y或者X-Y分量的曲线形态将异常体定位于井周45°范围内。数值试验显示本方法对不同方位异常体模型的定位结果均与设计模型吻合。采用陕北某矿区地—井瞬变电磁实测数据作进一步验证,本文方法推断的结果与实际吻合较好。

瞬变电磁BEDS-FDTD三维正演新算法及稳定性验证

常规FDTD的时间步长需满足Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件,导致时间迭代步过多,正演非常耗时.针对上述问题,本文采用Backward Euler(BE)差分方法近似Maxwell方程组中场对时间的一阶导数,使时间步长突破CFL限制;引入Direct Splitting(DS)策略将电磁场分量解耦,并将大型稀疏矩阵降阶和重构为一系列低阶且主对角占优的三对角矩阵,加快方程求解效率;而且,为了减少模型尺寸,针对上述改进的全新方程,本文采用双线性变换方法(bilinear transform, BT)推导了复频率偏移完全匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer, CFS-PML)吸收边界,形成瞬变电磁三维正演全新算法:BEDS-FDTD.首先采用von Neumann方法测试了新算法在有耗介质中、非均匀时间步长下的稳定性.之后,将BEDS-FDTD算法用于模型实验,并将模拟结果与层状模型的半解析解进行了对比,实验结果证明了新算法的计算精度能够满足需要;同时对新算法的计算效率进行了分析,当采用Tesla A100 GPU计算时,50×50×50网格数目的模型仅用10 s,即使网格数目增加到200×200×200,也仅需224 s.最后,将BEDS-FDTD算法用于复杂三维模型计算.

半航空瞬变电磁法在凤凰2号隧道勘察中的应用

为解决我国西南地区复杂地形条件下的隧道勘探难题,采用地面激发、空中接收的半航空瞬变电磁法开展试验研究,优化航线设计与数据采集流程、构建基于α-trimmed均值滤波器的天电噪声去除和基于多项式拟合方法的运动噪声去除方法、确定数据叠加方式与时窗积分参数、全域视电阻率计算与探测区域三维成像、隧道充填型岩溶发育区视电阻率特征分析与探测结果综合解释,并通过隧道实际开挖资料对探测结果进行验证。主要结论如下:1)半航空瞬变电磁法能够较准确地推断含水破碎带、岩溶发育区等不良地质结构的范围和深度,能够提前探明隧道地质风险区域并获得地下导电性分布特征,展示了该方法在复杂地形岩溶山区隧道勘察中相较于传统地面物探方法具有地形适应性强、探测效率高等特点;2)通过三维视电阻率成像和关键位置切片结果获得的地质异常区域推断与隧道开挖实际揭露异常吻合度较高,表明该方法可以为隧道岩溶处置预案设计和安全施工提供技术支撑,能够有效避免在隧道施工过程中因隐伏岩溶灾害导致的人员伤亡和财产损失。

基于最小二乘反演的半航空瞬变电磁纯二次场数据运动噪声去除方法

半航空瞬变电磁法(Semi-Airborne Transient Electromagnetic Method,SATEM)通过在地面布置发射源,在空中接收信号,是一种新兴的地球物理勘探方法.在数据采集过程中,由于接收线圈持续运动和摆动,产生较大的运动噪声,导致采集的数据不能直接使用.同时,瞬变电磁只在关断之后进行数据采集,获得的数据是非全时的,为数据预处理过程中的运动噪声去除带来困难.为有效去除非全时半航空瞬变电磁数据中的运动噪声,本文首先将非全时电磁数据延拓至全时长,基于傅里叶级数构造了半航空瞬变电磁晚期数据运动噪声超定线性方程组,通过最小二乘反演求解运动噪声,并将所获得运动噪声从原数据中剔除.通过对仿真数据和实测数据进行去噪,其能够有效识别并剔除数据中的运动噪声,去噪效果良好.

多接地源半航空瞬变电磁响应规律研究

接地源半航空瞬变电磁法一般采用单一线源激发,发射电流幅值很大程度受接地电阻影响,且复杂地形条件下大长度线源布设难度较大.采用多个场源代替单一线源是解决这一问题的途径.本文基于Crank-Nicolson-Cycle-Sweep-Uniform FDTD(CNCSUFDTD)隐式差分算法对不同发射源布置形式的多接地源半航空瞬变电磁模型进行三维正演模拟,并对比分析了不同模型的瞬变电磁响应特征,进而探讨采用多个场源代替单一线源的可行性.数值试验结果表明:相比仅采用单一线源激发,使用不同源间距的平行双辐射源可同时增加早期与晚期感应电动势衰减曲线幅值,且随着源间距的增加晚期幅值逐渐增大;平行发射源的数量与感应电动势衰减曲线幅值呈正相关关系,且多个小电流平行辐射源与单一大电流线源的勘探效果基本一致,采用此方式可在接地电阻较大时仍获得大发射电流,提高采集数据质量;单一长导线源与多个共线短源、多个平行短源衰减曲线早期存在轻微差异,而在晚期则基本重合,三者勘探效果基本一致;发射源处的山峰、山谷地形对全部计算时间范围内的衰减曲线均存在显著影响,山峰地形会显著降低晚期幅值,山谷地形则会显著降低早期幅值.本文的研究结果为采用多个场源代替单一线源提供理论基础,为降低复杂地形条件下半航空瞬变电磁发射源的野外布置工作难度提供参考.

瞬变电磁低频近似Maxwell方程的CPML吸收边界及施加方法

为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确,在时域有限差分正演中通常采用低频近似,即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中,因而H_(z)的求解方式与H_(x)、H_(y)不同,导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程,并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一,提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性,发现模拟结果与解析解吻合较好,且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半;而且,反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后,模拟了典型的三层模型,发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型,实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性.

岩溶隧道勘察接地源半航空瞬变电磁三维响应规律研究

半航空瞬变电磁探测方法将长导线发射源布设于地面,发射阶跃脉冲电流激发瞬变电磁信号,使用无人机在空中吊载接收线圈来接收瞬变电磁二次场信号,最终实现探测.然而与传统地面瞬变电磁相比,半航空瞬变电磁的不同之处在于其正演计算时需考虑飞行高度、接收偏移距等因素.针对上述问题,开展半航空瞬变电磁数据的三维时域有限差分正演理论研究,推导了加入接地源电流项Js的Maxwell方程组时域有限差分格式,并进行三维正演模拟.首先,通过均匀半空间模型和多种层状模型,对比分析感应电动势衰减曲线形态特征以及不同电阻率参数和层厚参数对衰减曲线的影响;然后,建立包含高阻异常体、低阻异常体和高-低阻混合异常体的三维模型,对比分析接收高度、异常体电阻率、规模和偏移距对感应电动势衰减曲线的影响特征,研究三维地下目标对半航空瞬变电磁探测的影响因素和响应规律,并开展试验验证,为后续半航空瞬变电磁观测设计提供了参考.

基于深度学习的井间地震CT初至自动拾取方法

井间地震CT方法能够有效探测岩溶等不良地质,而拾取地震波的初至对其反演结果至关重要.以往井间地震CT初至拾取通过手动标定,效率低,无法满足模型训练要求.本文基于人工源地震初至的时距特征,提出了一种基于深度学习的地震初至训练样本库快速标定方法.利用人工合成数据训练初始网络模型,采用少量人工标定实测数据进一步训练,基于该网络模型对未标定的井间地震实测数据剖面进行初至拾取,采用长短时窗比法修正曲线拟合结果,对仍不理想的拾取结果进行人工判别和改正,并将准确标定数据加入训练集,形成新的网络模型;通过迭代实现数据集再生成并获得后续阶段的网络模型.基于上述方法完成了80000道数据的初至拾取,在充分训练后神经网络具备较高的拾取精度,采用3840组数据对该模型进行测试,发现预测结果与人工拾取结果对比的绝对误差值小于0.2ms的数据占91.8%,说明该方法是一种切实有效且高效的井间地震CT初至拾取方法.

接地长导线源半航空瞬变电磁三维有限体积正演

基于有限体积法开发了长导线源半航空瞬变电磁三维正演方法.首先将均匀半空间产生的背景场和异常体产生的异常场进行电磁场分离,可获得双旋度方程,后采用有限体积法在控制体积内进行积分,可得到控制方程,对该控制方程采用交错网格离散,时间离散采用后向欧拉离散,离散后形成半航空瞬变电磁三方向离散方程,系数矩阵根据Yee网格尺寸和控制体积尺寸进行计算,根据时频转换可得到接地长导线源半航空瞬变电磁背景场,选用PARDISO直接求解器对方程进行求解,其中迭代时间步长逐渐递增,以降低时间步长对正演效率的制约,任意点电磁场采用对角体积加权平均的方法进行插值.最后,选用均匀半空间模型和层状模型进行精度验证,并采用山峰、山谷、山峰山谷混合三类模型分析了接地长导线源半航空瞬变电磁的响应规律,结果显示开发的程序可用于半航空瞬变电磁勘探,可为半航空瞬变电磁数据解释的发展提供理论指导.