基于微分脉冲的地空瞬变电磁法视电阻率定义研究

作     者：刘东洋 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李貅

授予年度：2023年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：地空瞬变电磁法 全域视电阻率定义 发射波形 微分脉冲 

摘      要：地空瞬变电磁法因其施工效率高、探测深度大等优势成为近年来发展前景良好的电磁勘探手段。在地空瞬变电磁法的数据处理方面,求取地下介质的视电阻率一直是解释地下地质体电性结构的常用手段,其主要原因是视电阻率在反映地下介质的电性特征上最为直观。然而由于受正演理论以及实际应用中发射波形的限制,在以往的视电阻率定义研究中,基本以阶跃波和方波等单一脉冲作为主要发射波形,这种传统的发射波形因为缺乏有效的谐波成分而导致探测分辨率有限,难以对不同深度、尺度的复杂地质体进行高分辨探测,而微分脉冲这种全新的发射波形则具有良好的频谱特征:其频谱主要集中在一个特定的主频附近,故其能对特定深度的地质体进行精准探测。因此本文考虑在前人全域视电阻率定义研究工作的基础上,将微分脉冲引入到视电阻率迭代算法中,试图从发射波形入手,完成对地下不同深度、尺度目标体的直观、高分辨视电阻率成图。首先,正演瞬变响应的计算是视电阻率定义的基础,本文在一维正演响应的计算中,采用将三组阶跃波发射下的瞬变响应解析解进行线性叠加的方式得到微分脉冲下的瞬变响应,而在三维模型的响应计算中,选择采用时域矢量有限元数值算法。在视电阻率定义的方法上,选择使用基于半空间响应与电阻率之间反函数关系的全域视电阻率迭代算法为基本方法,经过对微分脉冲下瞬变响应的各分量随半空间电阻率的变化规律的研究发现:在常规电阻率范围内,磁场响应的各分量均非电阻率的单值函数。故选择只出现一个极值、单调性相对最好的Bz分量进行本次的视电阻率定义研究。在定义时,在极值两侧分别按照单值函数迭代计算的方式独立进行求解,然后选取极值两侧中更为合理的解作为最终的视电阻率结果。通过半空间,简单层状介质的视电阻率计算,初步验证了本文提出的视电阻率定义算法的正确性。通过改变接收点的偏移距和飞行高度,发现在误差允许范围内,视电阻率定义结果几乎不受飞行高度和偏移距的影响,证明了基于微分脉冲的视电阻率定义方法依然很好地延续了阶跃波发射时视电阻率定义方法的空间“全域优势。分别设置含一个、两个、三个低阻层的一维理论模型,对其进行阶跃波、不同脉宽的方波以及不同脉宽的微分脉冲下的视电阻率计算,并将不同脉宽下微分脉冲的定义结果进行叠加(在选取脉宽时,根据低阻层的埋深由趋肤深度计算公式估算后综合而定)。将不同发射波形下的定义结果进行对比分析得知,当低阻层数较少时,三种波形均能进行有效分辨,但微分脉冲的低阻反映最为明显;当低阻层数较多时,阶跃波和方波无法对每个低阻层均实现精准分辨,而微分脉冲经叠加后的结果可以实现对多个低阻层的准确分辨。此外,设置含一个、两个低阻板的三维理论模型,经计算发现,在板状异常体的分辨能力上面,阶跃波与微分脉冲均能对地下异常体进行不同程度的分辨,但微分脉冲下异常体的视电阻率结果更接近于真实电阻率,即与背景电阻率的差异更大,异常效果更加明显,进而大大提高了对异常的分辨能力。