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带地形的ZTEM倾子资料三维正反演研究

物探与化探 2021年第3期45卷 758-767页

作者：李志强孙洋谭捍东张承客江西省交通科学研究院江西南昌330200 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种新型频率域航空天然场源电磁法,该方法采用倾子作为研究参数,可用于起伏地形下的大规模地质勘探。本文在对TEM三维有限差分正演和数据空间OCCAM反演算法研究的基础上,考虑地形起伏的影响,研究了带地形的频率... 详细信息

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种新型频率域航空天然场源电磁法,该方法采用倾子作为研究参数,可用于起伏地形下的大规模地质勘探。本文在对TEM三维有限差分正演和数据空间OCCAM反演算法研究的基础上,考虑地形起伏的影响,研究了带地形的频率域三维ZTEM正反演算法。首先,对起伏地表下ZTEM正演算法的准确性进行了验证,计算和分析了纯地形的ZTEM三维异常响应特征。其次,通过对山峰和山谷地形下低阻棱柱体合成算例的反演分析,表明带地形的ZTEM数据空间OCCAM反演算法能够获得比较接近真实导电性结构的地电模型,尤其对地下目标体的横向边界具有理想的约束效果。最后,与不带地形的ZTEM反演结果对比,验证了所开发的带地形ZTEM倾子资料反演算法的有效性。

关键词： ZTEM倾子起伏地形三维正反演数据空间法航空电磁

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隧道核磁共振全弛豫信号三维正反演方法研究

隧道核磁共振全弛豫信号三维正反演方法研究

作者：赵威长安大学

学位级别：硕士

随着隧道建设的重心向地形地质条件恶劣的西部山区和岩溶地域转移,涌现出大量深长隧道工程,迫切需要一种能准确预测隧道灾害水体的方法。核磁共振作为一种可直接找水的地球物理方法,目前已经在地面找水方面取得了较多成果。为进一步探... 详细信息

随着隧道建设的重心向地形地质条件恶劣的西部山区和岩溶地域转移,涌现出大量深长隧道工程,迫切需要一种能准确预测隧道灾害水体的方法。核磁共振作为一种可直接找水的地球物理方法,目前已经在地面找水方面取得了较多成果。为进一步探讨该方法在隧道灾害水超前预报中的应用,且同时实现含水异常的定位与含水异常赋存状态的定性分析,本文建立了基于隧道磁共振全弛豫信号的三维正反演方法。传统的核磁共振核函数多是基于均匀半空间或层状电介质进行计算的,忽略了地下电阻率分布对激发磁场的影响。本文在充分考虑电阻率不均匀体的情况下,采用有限元方法模拟了隧道掌子面前方三维核函数分布。从磁场满足的双旋度方程出发,将双旋度方程的求解转换为泛函驻点的求解;源的加载采用伪?源以避免奇异性,泛函中强加散度条件以消除“弱解”的影响;运用两组旋转矩阵计算激发场垂直于地磁场方向的分量,在核函数中加入指数衰减项模拟隧道磁共振自由感应衰减（FID）信号。为探究围岩、地磁场、线圈和含水体参数对核磁共振FID信号特征的影响,本文探讨了围岩电阻率、地磁场倾角、发射线圈匝数以及含水体规模、含水体电阻率、含水体与掌子面距离和含水体横向弛豫时间（T2）等参数。通过对比分析可知:低阻背景和地磁场倾角对核磁共振响应影响较大,发射线圈匝数对相位改变明显;大规模近距离含水体对核磁共振响应影响较大,局部低阻有一定影响,含水体弛豫时间影响信号衰减速度。这些结论为核磁共振三维反演提供了有价值的参考。本文建立了正则化的最小二乘目标函数,并结合实际对函数的解加以约束,利用基于不等式约束的最优化算法实现了三维反演。分别模拟了边长为6米和边长为4米的多匝小线圈模型,探讨其有效探测深度。在本文的模型参数设置下,6米线圈的有效探测深度约为25米,4米线圈的有效探测深度约为18米。分别模拟了含水异常与含泥异常模型,探讨其分辨能力。结果表明,对于前后分布的含水异常,核磁共振方法的分辨能力较强;对于上下分布的含水异常,核磁共振方法的分辨能力稍差。本文的三维反演效果良好,不仅能实现掌子面前方含水异常定位,而且能给出不同弛豫时间下的部分含水量信息,从而间接获知灾害水赋存状态,实现隧道突水突泥灾害的预判,为隧道灾害治理提供有价值的参考。

关键词：隧道核磁共振弛豫信号多指数拟合三维正反演

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起伏地形下的可控源电磁三维正反演研究

起伏地形下的可控源电磁三维正反演研究

作者：刘聪吉林大学

学位级别：硕士

可控源电磁法（Controlled source electromagnetic method,简称CSEM）是一种近些年来发展较快的地球物理勘探技术,其基本原理是使用人工场源发射电磁信号,在远离场源的地方接收人工源在地层、空气、海水等介质中激发的电磁场,以此来获... 详细信息

可控源电磁法（Controlled source electromagnetic method,简称CSEM）是一种近些年来发展较快的地球物理勘探技术,其基本原理是使用人工场源发射电磁信号,在远离场源的地方接收人工源在地层、空气、海水等介质中激发的电磁场,以此来获取介质的电性分布。作为一种重要的地球物理勘探方法,CSEM采用了较低的测量频率,具有探测深度大（大于2000m）、分辨率高、观测效率高、野外抗干扰能力强等优点,目前在矿产勘查、油气勘探、环境工程等地球物理研究中得到了广泛的应用。愈加复杂的地质勘探目标带来了越来越高的要求,发展三维CSEM已迫在眉睫。由于实测电磁场数据不仅包含有地下异常体的信息,而且也会受到起伏地形对地表电流密度带来的影响,因此开展带地形的CSEM三维正、反演的研究具有重要意义。反演在电磁数据处理中是不能缺少的一步。站在数值计算的角度看,反演方法从本质上来说就是一种最优化算法,而正演模拟是其核心。通过正演模拟可以了解到各种地质体组合的电磁响应异常形态,为野外实测数据的解释提供依据。本论文正演部分采用矢量有限元算法模拟了电性差异较大的介质间的电磁响应。本文使用了四面体单元对三维起伏地形和地下异常体进行网格剖分。在电磁法的三维正演中,离散化后形成的大型稀疏线性方程组的求解至关重要。本文实现了基于电磁场控制方程的CSEM三维正演。采用了二次场/一次场分离的方法来避免了场源点的奇异性,并使用直接求解法来计算离散化后的二次电场的亥姆霍兹方程。通过进行多个理论模型的数值实验,分析了起伏地形带来的影响并验证了本文所采用的CSEM三维正演算法在起伏地形场景下的有效性和准确性。在反演方面,最优化算法的选择由于其对算法效率的影响而在电磁法反演中至关重要。本文在起伏地形下的三维CSEM正演算法的基础上,使用了迭代速度较快的高斯牛顿算法（Gauss-Newton,简称GN）对加入噪声后的理论数据进行反演,并详细阐述了线搜索策略、正则化因子的选取、灵敏度矩阵与法方程的计算等技术细节。通过在可控源电磁法常用勘探场景（陆地和海洋）下设计典型的地电模型计算理论合成数据,验证了本文所提出的可控源电磁法反演算法的正确性和有效性,并分析影响反演效果的有关因素。

关键词：可控源电磁法三维正反演有限元法高斯牛顿法

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ZTEM三维正反演研究

ZTEM三维正反演研究

作者：李志强中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

人工源频率域航空电磁法具有工作效率高,数据采集受地形因素影响小的优点,但由于其发射频率在200Hz至195000Hz区间,只能有效的识别地表以下几米至几百米以内的地质体。大地电磁测深法（MT）作为一种利用天然电磁场来研究地球电性结构的... 详细信息

人工源频率域航空电磁法具有工作效率高,数据采集受地形因素影响小的优点,但由于其发射频率在200Hz至195000Hz区间,只能有效的识别地表以下几米至几百米以内的地质体。大地电磁测深法（MT）作为一种利用天然电磁场来研究地球电性结构的地球物理方法,由于它勘探深度大且范围广的特点,在许多领域得到了广泛应用,然而MT地面数据采集时存在着人力成本较大、耗时较长的不足。因此,我们考虑将天然场勘探深度大和航空测量工作效率高的特点有效的结合起来,在AFMAG方法的基础上,提出了一种新型天然源频率域航空电磁法—Z-Axis Tipper Electromagnetic（ZTEM）。相比人工源航空电磁法,ZTEM只采集音频段（25~720Hz）天然源磁场信号,并且在空中只采集垂直磁场数据,而在地面基站同时观测两个正交方向水平磁场数据,通过倾子将磁场的垂直分量与水平分量联系起来,因此具有工作效率高,勘探深度大的特点,可以快速获得地下三维电性结构特征信息。本文针对国际上近年发展起来的天然场源航空电磁法（ZTEM）三维正反演问题,采用交错网格有限差分法实现了以求磁场分布为基础的ZTEM三维正演模拟,通过与其它算法计算结果作对比验证了所实现算法的正确性,并计算和归纳总结了典型地电模型的ZTEM响应（倾子和倾子散度）的分布特征。此外,基于大地电磁法（MT）三维数据空间OCCAM反演算法,实现了三维ZTEM倾子资料的数据空间OCCAM反演算法。将该算法应用到理论合成算例中进行反演,反映出ZTEM倾子反演对模型横向边界的约束优于垂向的特性,验证了所实现的倾子资料三维数据空间反演算法的有效性。该反演算法可用于ZTEM所整理得到的倾子数据进行三维定量反演,实现大区域的地质构造三维成像,获得地下地质模型的电阻率结构信息。

关键词： ZTEM 倾子三维正反演数据空间OCCAM反演航空电磁

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巷道间电阻率法三维正反演研究

巷道间电阻率法三维正反演研究

作者：曹强中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

采煤工作面内部的地质构造,尤其是含水、导水构造时常困扰着采煤工作面的安全生产。本文实现了巷道间电阻率法三维共轭梯度(CG)正反演算法,主要针对的是两个巷道间工作面内的异常体反演解释。本文从巷道间点源的稳定电流场基本理论出发... 详细信息

采煤工作面内部的地质构造,尤其是含水、导水构造时常困扰着采煤工作面的安全生产。本文实现了巷道间电阻率法三维共轭梯度(CG)正反演算法,主要针对的是两个巷道间工作面内的异常体反演解释。本文从巷道间点源的稳定电流场基本理论出发,推导了三维地电场电位满足的微分方程,通过体积离散的方法,最后形成一个大型稀疏线性方程组。如果直接分解求解这个线性方程组,需要巨大计算机内存开销,而且计算效率低。利用不完全Cholesky预处理共轭梯度法求解线性方程组,同时采用按行索引的稀疏存储模式存储线性方程组的系数,使得正演计算速度加快,内存开销也大大降低,为后面的巷道间电阻率法三维反演奠定了基础。对于三维反演问题,关键是雅克比矩阵G的计算,直接求取雅克比矩阵G和TG G的逆矩阵十分困难,而且存储G和TG G所需的内存也十分庞大。三维共轭梯度反演算法只需要计算雅克比矩阵G与一任意向量x的乘积Gx及其转置TG与一任意向量y的乘积TG y,成功避免了直接求取雅克比矩阵G和TG G的逆矩阵。同时,选择模型m在x、y、z方向的一阶偏导数的平方的积分和作为模型的光滑因子,并利用试验的方法确定拉格朗日乘子。通过理论模型合成数据的反演算例检验了所实现的巷道间电阻率法三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性。该算法适用于反演二极装置采集系统和三极装置采集系统下的电位和视电阻率数据。

关键词：巷道电阻率共轭梯度雅克比矩阵三维正反演

基于局部准线性近似的频率域航空电磁法三维正反演研究

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基于局部准线性近似的频率域航空电磁法三维正反演研究

作者：宋华东中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

频率域航空电磁测量（AEM）能够在地面电法不能到达的偏远地区获得大量的电磁数据。典型的航空电磁测量每隔几米一个采样点,故可能包含上万个采样点,甚至更多。这些大规模数据的定量计算是十分耗时,并极具挑战性。正演是反演的基础,因... 详细信息

频率域航空电磁测量（AEM）能够在地面电法不能到达的偏远地区获得大量的电磁数据。典型的航空电磁测量每隔几米一个采样点,故可能包含上万个采样点,甚至更多。这些大规模数据的定量计算是十分耗时,并极具挑战性。正演是反演的基础,因此快速而精确的正演数值模拟计算是反演取得良好成果的关键。积分方程（IE）法作为数值模拟中的一种有效的方法,因为其只对异常体区域进行剖分,故具有计算速度快的优势。然而,积分方程技术的主要困难在于线性方程矩阵的大小,如果线性方程矩阵过大,则将需要消耗大量的内存,计算时间也增大很多。积分方程技术的这一限制在反演问题中变得更加严重,因为反演时对于不同的迭代模型参数需要多次正演计算。为了解决这个问题,一些近似的解法被引进全积分解中。国外学者Zhdanov和Fang （1996a,1997）开发出了基于电反射系数的准线性近似算法（QL近似）。在这种近似的方法中异常区域内的异常电场通过一个电反射张量λ与背景场Eb成比例。通过求解一个基于散射电流的积分方程的最小值问题得到这个电反射张量λ。这种方法的优点在于如果想要简化和加速计算,电反射张量能够被假定为标量或者对角张量来取代全张量。然而,QL近似的一个问题是其电反射张量λ需要在每一个新的激发源情况下重新计算一次。这就意味着这个近似方法不适合用于多源排列的反演方案里,尤其是这些数据的三维反演方法变得极度不切实际。为解决这个问题,Zhdanov等基于所谓的“局部”电反射张量又开发出了一种新的准线性近似（QL）方法,该方法具有源独立性。这种新的方法被称作局部准线性近似（LQL）方法,它结合了局部非线性近似（LN）和原始的准线性近似（QL）方法的思想。本文就是将这种局部准线性近似（LQL）的方法应用到频率域航空电磁法的合成数据反演中,反演结果显示了在解决多源排列的频率域航空电磁法中,这个方法是稳定和有效的。

关键词：频率域航空电磁法积分方程三维正反演局部准线性近似

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二维与三维大地电磁反演的敏感度研究

地球物理学报 2022年第8期65卷 3078-3087页

作者：孟绿汀张慧茜黄清华北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测站(北京大学) 北京100871

大地电磁法可应用于岩石圈结构探测、金属固体矿产以及地热资源勘察等方面,目前三维大地电磁反演技术日趋成熟,但二维反演依然应用广泛.受台网布设及复杂地质构造影响,大地电磁数据往往结合二维与三维反演技术来减轻计算负担和改善反演... 详细信息

大地电磁法可应用于岩石圈结构探测、金属固体矿产以及地热资源勘察等方面,目前三维大地电磁反演技术日趋成熟,但二维反演依然应用广泛.受台网布设及复杂地质构造影响,大地电磁数据往往结合二维与三维反演技术来减轻计算负担和改善反演效果,而评估二维与三维反演模型及其差异对准确获取地下电性结构信息至关重要.本文提出了一种基于敏感度矩阵的电性异常体边界划定以及反演模型可靠性评估方法,该方法通过求解大地电磁正演的伴随问题来构建敏感度矩阵,无需设计额外模型即可分析反演结果的可靠性.此外,本文还利用合成数据讨论了大地电磁二维与三维反演的有效探测深度.当地下结构三维性不强时,二维反演可以有效恢复深部低阻异常体的电阻率值,为深部地质解释提供定量约束.但当电性结构三维性较强时,三维反演重建的边界与真实位置更加吻合,而二维反演会产生虚假异常,不利于后续地质解释.

关键词：大地电磁三维正反演敏感度矩阵

高精度磁测三维正反演——以青海省上庄铁矿床为例

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长春工程学院学报（自然科学版） 2018年第2期19卷 85-88页

作者：李忠平中国冶金地质总局山东正元地质勘查院济南250014

为探索青海省上庄铁矿床的深部延伸情况,在分析已有地质、物探资料的基础上,对1∶10 000平面磁异常数据进行3D正反演研究,并综合分析了与2.5D人机交互反演,二者计算的磁性体位置与该处已知见矿钻孔资料基本一致。

关键词：青海省上庄铁矿高精度磁测三维正反演

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直流电阻率法与工作面透明化

物探与化探 2022年第3期46卷 563-569页

作者：饶荣富苏本玉中国矿业大学(徐州)资源与地球科学学院江苏徐州221116

通过先进的勘探设备与技术实现综采工作面的透明化,使煤层信息更加全面、准确,可为综采工作面的智能化生产奠定坚实的基础。直流电阻率法是矿井物探常用方法,其稳定性好、抗干扰能力强,对低阻体和高阻体都有灵敏的反映能力,因此直流电... 详细信息

通过先进的勘探设备与技术实现综采工作面的透明化,使煤层信息更加全面、准确,可为综采工作面的智能化生产奠定坚实的基础。直流电阻率法是矿井物探常用方法,其稳定性好、抗干扰能力强,对低阻体和高阻体都有灵敏的反映能力,因此直流电阻率法是实现工作面透明化的关键手段之一。为探究直流电阻率法在工作面透明化中的应用效果,对工作面探明含水构造、巷道迎头超前探测等问题,分别使用不同的工作方法对两种问题的响应特征进行三维正、反演。结果表明在对应的工作方法下得到的三维直流反演数据分布规律与初始模型基本一致,有良好的高、低阻体区分能力。对实际工程中直流电阻率法在工作面透明化中的应用有一定指导作用。

关键词：电阻率法超前探测三维正反演工作面透明化