磁性源瞬变电磁场水平分量响应特征及应用

论文摘要

瞬变电磁法是寻找各种矿产资源及为工程、环境、水文地质服务的一种重要物探方法。目前瞬变电磁勘探主要应用二次磁场垂直分量,但当前多数瞬变电磁仪器均可实现三分量同时采集,由于缺少水平分量的解释理论及程序,水平分量数据无法进行解释,导致了巨大的、也是不必要的信息浪费。多分量、多种方法联合反演可以尽可能多的利用已知信息,得到最真实的地电断面,水平分量的研究可以为多分量联合反演提供一定的基础,最低限度也可以利用水平分量的特征点对地下三维体的形态给出定性的描述,为三维反演提供约束条件,提高反演速度。为此,论文针对磁性发射源瞬变电磁感应的水平分量进行了较为系统的研究,取得以下几个方面的研究成果:通过均匀半空间磁偶源瞬变电磁场各磁场分量的解析表达式,说明二次磁场水平分量比垂直分量对低阻体反映更敏感;计算分析了矩形发射回线中激励场的分布情况,指出地质体与发射源、接收线圈的位置关系影响观测结果,水平分量观测中要注意避开无激励角及无响应角;对传统的“烟圈”理论提出新的假设,认为在均匀半空间及水平层状介质中“烟圈”以与发射框“同形共轴”形态向下传播,推导出矩形“烟圈”各磁场分量响应的计算公式,并利用该公式计算了导电均匀半空间瞬变电磁场的水平分量,分析了响应特征,为生产中水平分量异常特征的认识和解释提供了依据。对瞬变电磁时域有限差分正演模拟,推导了各边界上Mur吸收边界条件,利用磁偶源在均匀半空间的瞬变电磁场解析表达式,将场源化为初始条件,模拟了均匀半空间及三维低阻体在均匀半空间的瞬变磁场水平分量,以图件展示了磁场水平分量在地下的扩散规律。资料显示,在低阻体中,瞬变电磁场传播速度变慢,因而对低阻体有更高的分辨率;直角坐标系下两个正交方向的水平分量对三维异常地质体有不同的分辨率和异常反映,平面图上,利用平行于三维体走向的分量对三维异常体横向边界识别更容易。实际生产中,对于大回线源工作装置,可以利用“烟圈”理论或FDTD三维正演模拟,得出均匀半空间或水平层状介质的标准响应,与实测结果相减得到类似于中心回线装置的水平分量“纯异常场”,方便资料的认识与解译。最后结合前述成果,对一个测区的瞬变电磁资料进行了三分量综合解释,比单一的垂直分量解释得到了更多的、更可靠的地质信息,为地质任务的完成提供了更充分依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 瞬变电磁法简介
• 1.2 瞬变电磁勘探研究现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 仪器
• 1.2.3 资料处理与解释
• 1.2.4 应用研究
• 1.2.5 主要存在问题
• 1.3 研究目标及思路
• 2 简单模型的瞬变电磁场水平分量响应特征
• 2.1 矩形发射线框中激励场的分布
• 2.2 垂直磁偶源的二次磁场水平分量
• 2.2.1 均匀导电半空间表面垂直磁偶源的二次磁场水平分量
• 2.2.2 二次磁场水平分量的视电阻率定义
• 2.3 二次磁场水平分量的观测
• 2.4 瞬变电磁法“烟圈”理论
• 2.4.1 “烟圈”理论的由来及内容
• 2.4.2 利用矩形“烟圈”计算二次磁场水平分量
• 2.4.3 计算结果验证
• 2.5 不同模型磁场水平分量的响应特征
• 2.5.1 均匀半空间的二次磁场水平分量特征
• 2.5.2 水平层状地层的二次磁场水平分量特征
• 2.5.3 单斜地层或倾斜薄板的二次磁场水平分量特征
• 2.6 中心回线装置的二次磁场水平分量
• 3 瞬变电磁场水平分量三维有限差分数值模拟
• 3.1 Maxwell方程组及其FDTD形式
• 3.2 场源的加入和边界条件选取
• 3.2.1 三维瞬变电磁场源的加入
• 3.2.2 边界条件的选取
• 3.2.3 初始条件及解的数值稳定性
• 3.3 三维有限差分数值模拟的程序实现及结果验证
• 3.4 瞬变电磁场水平分量三维有限差分数值模拟
• 3.4.1 均匀半空间的二次磁场水平分量
• 3.4.2 均匀半空间中的三维低阻体
• 3.4.3 水平层状地层的二次磁场水平分量
• 3.5 FDTD模拟中存在的问题与发展方向
• 4 瞬变电磁勘探水平分量应用实例
• 4.1 项目概况
• 4.2 测区地质概况
• 4.2.1 地层
• 4.2.2 构造
• 4.2.3 煤层
• 4.2.4 水文地质特征
• 4.3 工作方法及工程布置
• 4.4 资料解释及成果
• 5 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文