利用天然电场选频法研究断层接触带

天然电场选频法在地下水勘探中应用效果较好,但目前对该方法理论研究甚少.主要从理论与实践两方面研究垂直断层上天然电场选频法的异常特征.根据经典的大地电磁测深法理论,从麦克斯韦方程组和边界条件出发,推导谐变大地电磁场中垂直断层上方,地面水平电场的解析计算式;然后对理论模型的各个参数进行假定,计算获得地表主剖面上水平电场强度分量曲线;最后将理论模型上的模拟计算结果与实测曲线进行对比分析.根据对比分析可知,二者曲线形态相似、特征相同,由此推断选频法的异常主要是由天然感应二次电场所致.     

天然电磁场激励下球体的天然电场选频法异常成因分析

在以往实践应用的基础上,主要从均匀半空间内球体模型的角度研究天然电场选频法异常的成因.首先从自然因素和人文因素2方面分析天然电场选频法的场源问题;从麦克斯韦方程组出发,利用边界条件求取谐变磁场作用下,均匀半空内导电导磁球体在地表主剖面上感应二次电场的解析计算式;根据拉普拉斯方程和边界条件,获得谐变电场作用下,均匀半空间导电球体在地表主剖面上的异常电场水平分量计算式;对理论模型的各个参数进行假定,计算三维谐变磁场、谐变电场作用下,地表主剖面上良导球体的水平电场异常曲线.通过对模拟计算结果分析可知,在水平谐变磁场和谐变电场共同作用下,获得的地表电场异常曲线与野外实测结果形态相似、特征相同.     

天然电场选频法在水泥混凝土硬化面上的 试验与应用

为弥补常规电阻率法在水泥硬化面的不适用性问题,通过试验和实践两方面探讨天然电场选频法在水泥混凝土硬化面上的有效性和适用性.首先,在野外选取两处存在水泥混凝土硬化面的试验地点,对硬化面上电极的接地方式进行改装,开展泥土和硬化面上3个频率(25, 67，170 Hz)的选频法对比测试;其次,将该方法应用于广西贵港的城市地下水勘探中,根据实践效果来进一步论证天然电场选频法在城市水泥硬化面条件下的适用性.野外试验的2条对比测试剖面结果表明:在不考虑日变影响的情况下,电极插入土中与置于旁侧水泥混凝土硬化面上的探测结果一致,水泥硬化面对选频法的探测结果基本无影响.在贵港两处天然电场选频法找水的实践中,根据勘探结果均成功地打到地下水.实践表明:选频法可适用于城市一般的电磁干扰环境,在城市水泥混凝土硬化面上开展勘探工作是完全可行的,所得结果进一步拓宽了天然电场选频法的实践应用范围.     

观文矿区地下暗河中天然电场选频法的探测研究

天然电场选频法在地下暗河的勘探中有抗干扰能力强、方便、快速、资料直观易解释等独特的优点.简述了天然电场选频法的基本工作原理以及该方法在工作中注意的问题,在分析水文地质条件的基础上,运用天然电场选频的方法,对观文矿区内地下暗河进行了探测研究,并根据探测结果与地质构造特征,初步确定了探测区的4条地下暗河,为+ 875运输巷...     

大地电磁二维正演响应特征试算

采用基于有限差分的大地电磁二维正演程序,分别对单个低阻异常体、高低阻复合异常体和断层两侧高阻异常体模型进行了模拟计算,对比TE、TM视电阻率和相位特征以及TP振幅的响应规律进行模拟归纳并且总结出大地电磁二维正演的响应特征,为大地电磁方法的设计和数据解释提供参考与借鉴.通过计算结果表明:在二维大地电磁测深正演响应特征中,TE、TM视电阻率和相位以及TP幅值展现出不同的形态,其中TE模式可以更好地分辨纵向地质体异常,TM模式可以更好地分辨横向地质体异常.     

可控源电磁法倾子响应的三维正演

为克服天然场源的大地电磁磁场信号弱、易受电磁干扰、倾子资料计算难度大等不足,提出了可控源电磁倾子资料观测、处理与解释方法。通过可控源频域电磁法三维正演的磁场三分量,依据倾子定义计算了三维异常体在地面的倾子参数,绘制了异常体上方不同测点的倾子振幅、相位、实部与虚部曲线及纵、横剖面。结果表明,与场源平行的剖面上倾子响应的振幅、实部与虚部对地下横向不均匀异常体边界反演灵敏,能够有效反应出地下电性异常体重要信息,并且能够正确的与正演模型相吻合;倾子响应横切片图中表明,倾子相位能够显示地下电性异常体的位置,并能够很好的确定异常体的中心;研究不同频率条件下,地下电性异常体的倾子响应特征,发现倾子资料具有测深的功能。可见可控源电磁法倾子资料能够用于地下地质构造的解释,并能准确划分异常体边界的确定中心位置。说明可控源倾子电磁法有着很好的理论基础,具有良好的应用前景。     

天然电磁场日变规律实验观测

开展了天然交变电磁场日变规律的实验观测工作,由此探讨日变场的变化规律,以及天然电场选频法的基本原理。在同一地点或两个分离的点上,采用两台仪器对天然电磁场的日变情况进行同点同时观测和异点同时观测,获得日变场的变化曲线。分析采集结果,在工作区范围内天然交变电磁场具有同源性和波动性的变化规律。结合实例,叙述了野外采集和数据处理的一些方法,以压制背景场干扰而造成的假异常。     

基于电磁场合矢量的陷落柱三维模拟及其探测

为了了解瞬变电磁场在含水陷落柱中的传播过程及电磁场响应特征,为瞬变电磁法超前探测掘进头前方的含水区提供理论支撑。建立矿井全空间含水陷落柱的地球物理模型,采用基于Yee网格的三维时域有限差分算法,模拟了电磁场的扩散过程,分析了在含水陷落柱影响下的全空间瞬变电磁场的时空分布特征,对电磁场某一方向上的分量进行了分析,并首次基于电场合矢量进行了详细描述,分析了电场合矢量的传播规律及响应特征,最后通过数值模型算例以及实际应用来验证瞬变电磁法探测含水陷落柱的有效性和适用性。结果表明：数值模拟采用适合瞬变电磁场计算的CPML(卷积完全匹配层)边界进行求解,可以减弱截断边界对计算结果的影响;模拟过程中含水低阻体能够显著地影响瞬变电磁场扩散过程,随着感应电场向上下空间不断地扩散,由于电场EX、Ey和Ez至少有两个极值的存在,若电场的畸变较小时,变化情况容易被淹没,一定程度上影响了异常体位置的准确判定,说明仅利用单一方向场量不利于分析低阻异常体的确切范围;而用合矢量来描述电磁场的扩散过程,感应电场合矢量仅有一个极大值,位于图形中心,感应电场此时已经到达低阻陷落柱内部,电场的分布受到陷落柱的的显著影响,用合矢量来描述电磁波的扩散情况,可精确分析出异常体的位置,更能体现低阻体的电性、形态、位置等特征;实际应用也表明瞬变电磁法不仅可以探测到掘进头前方的含水陷落柱,还可以确定其方位和距离,说明数值模拟和实际应用都表明瞬变电磁法是探查含水陷落柱的有效方法之一。     

基于二次场算法的时间域激电2.5D有限元正演

二次场算法是提高时域激电正演计算精度的有效方法之一,能很好处理场源奇异问题。研究工作首先通过引入Cole-Cole模型,推导了在此模型下复电阻率二次场满足的边值问题;并利用有限单元法进行数值计算。然后通过Guptasarma滤波算法,实现了频率域激电到时域激电的转换,改变了传统求解时域激电的方法。为了提高计算效率,首先对边界采取近似处理。经处理的刚度矩阵只与供电频率及波数有关,而与供电点位置无关。其次设计了基于图论理论的矩阵重排与填入元分析算法,实现了矩阵的LDLT分解,从而实现了基于二次场算法的时间域2.5维激电正演的快速算法。利用快速算法,计算并分析了视电阻率、视极化率异常特征;其次通过计算频散率异常特征,验证了极化率与频散率对异常体响应具有相似性。     

瞬变电磁法三分量测量方法研究

在不考虑本征电流之间互感的情况下,研究用本征电流代替涡流计算地表瞬变电磁场的模拟计算方法,计算均匀半空间中定源装置下薄板导体在不同倾角时的X,Y和Z3个分量的响应特征,并与1条已知地质剖面的实测结果进行对比分析。研究结果表明:除板状体直立外,薄板导体X分量的过零点基本上是板状体的中心在地面的投影位置;当板状体水平或直立时,Y分量曲线是对称的,Z分量曲线是反对称的;当板状体倾斜时,Z分量和Y分量曲线都不对称,在倾斜方向曲线平缓,响应范围大,在反方向曲线陡立,响应范围小,因此,用X分量可以确定异常的中心,用Z和Y分量可以定性判断板状体的倾向;实测结果与计算结果一致,说明综合分析X,Y和Z方向3个分量的方法比单分量分析的方法更有助于对异常体的解释。     

大地电磁三维矢量有限元正演模拟

从Maxwell方程出发,开展了三维大地电磁场所满足的边值问题研究,利用加权余量法导出了三维大地电磁有限元方程.介绍了三维矢量有限元六面体网格剖分方式、插值基函数选取,推导了三维大地电磁矢量有限元正演的单元刚度系数矩阵及离散格式.编制了三维矢量有限元大地电磁正演的Matlab程序.三维COMMEMI 3D-1模型的视电阻率曲线与国际通用的标准测试数据能很好地拟合,验证了作者编写的矢量有限元正演程序的正确性.通过对高、低阻异常体的阻抗张量形态分析,说明张量阻抗等值线图能用以大致判断异常体特性,丰富了大地电磁响应特征的表达方式.     

天然电场选频法动静态信息采集与处理方法

天然电场选频法在浅层地质勘探尤其是地下水资源勘探应用广泛,而目前运用选频法寻找地下水时仅利用选频法静态信息进行剖面测量,忽略了动态信息对辅助确定井位的作用,为此设计一种密频点的信号采集及动态信息提取方案.在湖南浏阳大围山地质公园内进行寻找基岩裂隙水实践中,与湖南继善高科技有限公司SQ-5型双频激电仪进行对比实验,实验结果表明:2台仪器观测结果吻合良好,并利用动、静态信息成功验证了井位,证明本系统设计的可行性、可靠性,在资源勘察、工程物探,尤其是在寻找地下水资源方面应用前景广阔.     

井间视电阻率的几何成像方法

基于非全空间直流电场的原理,采用镜像法推导出有别于半空间和全空间的视电阻率计算公式,求出与所有电位对应的视电阻率;以观测井深为纵坐标、供电井深为横坐标绘制视电阻率等值线图,由此得出井间异常体的影像图;应用三维三线性插值有限单元正演模拟方法,计算并分析几种典型的地质模型。研究结果表明:由视电阻率等值线形态能够判断异常体的空间形态和正确位置,但井间低阻体表现为高视电阻率异常,井间高阻体表现为低视电阻率异常;采用该方法所得垂向分辨率较高,确定深度较准确,但不能得出地层真电阻率。     

井地电法的三维正反演研究

通过简化井地电法模型为垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质模型,利用三维有限元法实现了垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质电场的正演计算。应用非线性阻尼最小二乘迭代算法实现了地表电位数据的地下目标层电阻率反演,通过简化模型对相应计算程序进行了检验,证实了程序的可靠性。用给定模型正演得到的地表"理论合成数据"来反演地下异常体,并对数据测量范围和干扰水平对反演的影响进行了讨论。该研究可为提高井地电法反演质量提供部分理论指导依据。     

探地雷达探测岩溶灾害的研究

为了寻求解决煤矿水害事故的办法,以电磁场和电磁波传播理论为基础,首先研究了电磁场的时域有限差分法计算方法,推导出了二维的时域有限差分方程和网格空间步长、时间步长所满足的关系式,得出了在完全匹配层吸收层的网格差分格式。然后建立了探地雷达二维正演模型,数值求解合成了雷达记录剖面。在雷达剖面图中可以清晰看到异常体的反射曲线,直观地了解岩溶雷达反射剖面特征,有利于在实际探测中提高解释精度。     

基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法

为进一步提高隧道全时域激发极化多参数超前探测的效果,采用滤波算法进行计算时间域等效电阻率,采用有限单元法进行计算,提出一种基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法。该方法针对时间域Cole-Cole表达式计算收敛性差的问题,引入滤波算法进行时间域激发极化等效电阻率的计算,提高算法的收敛性;针对正演过程中大型矩阵求解影响计算效率的问题,引入OpenMP并行算法,实现隧道全时域激发极化超前探测正演的加速运算。最后,开展数值算例和物理模型试验。研究结果表明：该正演方法对异常体有敏感响应,且在加快正演速度具有显著优势。通过基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测获得的观测数据与实际探测数据较为相符,这为基于全时域激发极化隧道超前探测提供了一种可行的正演算法。     

ZTEM三维正演响应特征分析

天然源频率域航空电磁法(ZTEM)对于地下异常体的探测有着显著的优势,其正演响应特征的分析对提高勘探精度有着重要的意义.简要地论述了ZTEM基本原理,基于交错网格有限差分法开展三维ZTEM正演模拟,首先正演模拟复杂模型的倾子响应,研究表明倾子数据对横向电性分界面反映准确;其次通过大量的模型试算,分析了影响ZTEM正演响应的主要因素.结果显示,不同地电条件下的倾子响应幅值不同,进一步加深了对ZTEM三维正演响应特征的认识,对ZTEM的实际应用和异常解释提供了依据.     

基于有限元数值模拟的直流电阻率激电找矿探测技术

为提高直流电阻率激电探测成果地质解释准确性,促进直流电阻率激电在找矿勘查中的应用,采用有限元数值模拟对直流电阻率激电探测中低阻高极化体、直立板状体、低阻盖层、高阻盖层、地表不均匀体、地形起伏及实测数据反演解释几个主要方面进行了对比分析。研究结果表明,对于实际勘查中的反演解释结果,根据异常特征构建地质体模型并进行有限元数值模拟,能快速判别探测目标体异常属性、区分虚假异常,提高定量解释水平及找矿勘查效率。研究结果为直流电阻率激电找矿探测定量解释提供了参考。     

曲折地形界面引起电流场畸变的研究

本文利用斯瓦兹——克里斯托夫变换方法,结合求解电场的解析法,计算两种介质接触的曲折界面上电位梯度分布,计算出标准地形的电剖面理论曲线,并将理论曲线与实验测得的曲线进行了对比,研究了变化规律,且研究了电阻率法地形改正的正演问题和反演问题。     

井地电法的三维正反演研究

通过简化井地电法模型为垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质模型,利用三维有限元法实现了垂直有限长线电流源作用下的三维地下介质电场的正演计算。应用非线性阻尼最小二乘迭代算法实现了地表电位数据的地下目标层电阻率反演,通过简化模型对相应计算程序进行了检验,证实了程序的可靠性。用给定模型正演得到的地表“理论合成数据”来反演地下异常体,并对数据测量范围和干扰水平对反演的影响进行了讨论。该研究可为提高井地电法反演质量提供部分理论指导依据。