●面上基金—SOTEM法深部探测关键问题2015年度进展

 
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一、重要研究进展

按照基金任务书要求,本年度的研究进展共分为以下5个内容:

1)调研、交流、咨询瞬变电磁场基本理论与方法技术。在收集大量相关期刊论文、各类报告、学位论文、专业书籍的基础上,进行文献分析与信息综合,对电性源瞬变电磁法的基本理论和方法技术进行全面、深入了解,奠定研究基础,细化研究内容与研究方法。通过调研,指出了目前主要应用的回线源瞬变电磁法和长偏移距瞬变电磁法(SOTEM)在深部探测中的主要瓶颈以及导致问题的根本原因,认识到利用电性源激发、小偏移距观测瞬变场可以实现大深度、高精度的探测。该阶段,通过参加学术会议、邀请境外专家访问、校际交流等,广泛听取了同行对项目研究内容的意见及建议,进一步厘清了实现“短偏移距”探测与数据处理的关键技术。

2)一维层状介质下电性源多分量瞬变电磁场计算。计算电偶极源在一维层状大地中产生的瞬变场,首先需要在频率域内进行推导,求得频率域谐变场的表达式,然后通过傅氏变换将计算结果转换到时间域,得到瞬变场响应。当源尺寸较大或接收点离源较近时,偶极子假设不成立,这时需要沿导线进行积分求得整个发射源的电磁场。在推导层状公式时,将电磁场分为接地项和导线项两部分,这样可以大大减小计算量,提高计算速度。

3)电性源瞬变电磁场分布与扩散特性研究。根据推导的响应计算公式利用fortran编制计算程序,并选取合适模型计算多分量的响应。通过计算分析,认为电性源在地下可以产生水平和垂直两个方向的感应电流,其中水平感应电流又分为上部水平感应电流和下部水平感应电流。上部水平电流极大值在全期探测范围内都集中在场源附近,下部感应水平电流又称作“返回电流”,向下扩散速度较快但是振幅要比上部电流小。垂直感应电流的极大值集中于两个接地电极的下方,并沿与地面近似呈45°角的方向向下扩散,而且垂直感应电流强度随时间的衰减速度较水平感应电流更快。绘制并分析了除垂直电场外,电性源电磁场的其他全部五个分量的单点衰减曲线以及平面分布图。结果显示不同分量的电磁场,表现出不同的扩散、分布特性,其中水平电场和垂直磁场的衰减与平面分布较为简单,利于实际勘探的应用。计算了两层和三层大地所涉及的六种典型地电模型的和响应曲线,并研究了电阻率和厚度两个参数变化对响应的影响规律。结果表明水平电场对K型和A型等具有相对高阻中间层的地层更为敏感,而垂直磁场对H型和Q型等具有相对低阻目标层的地层更为敏感。

4)SOTEM法可行性分析。首先从电磁场的建立和传播方式讨论了时间域近源探测的可行性,指出采用合适波形电流激发可使自有场和辐射场在时间上分开,测量辐射场时不受自有场的干扰,因此可在离发射源很近的范围内观测辐射场实现测深目的。另外,时间域电磁法主要利用的是地层波成分,所以在离发射源比较近的范围内观测,不仅分层能力强,还可以减小体积效应,更好地反映接收点下方地层的电性变化。接着从信号强度、探测灵敏度和探测深度三个方面分析了电性源探测能力随偏移距的变化规律。随着偏移距的减小,水平电场的信号强度显著增强,对地灵敏度下降,垂直磁场的信号强度在早期增强,晚期降低,对地灵敏度升高;近区探测相较于远区有较大的探测深度,偏移距等于0.5~2倍的目标体深度时探测深度较大。将SOTEM与探测能力相当的大回线源瞬变电磁和可控源音频大地电磁进行了对比。结果显示,相较于大回线源瞬变电磁,SOTEM在信号强度、高阻体探测能力、探测深度和施工方便性等方面具有较大优势;相较于CSAMT,SOTEM在垂向分辨率、施工效率、测量成本等方面具有较大优势。

5)最佳观测区域研究。利用低阻和高阻薄层模型的响应计算结果及与均匀半空间模型的相对异常研究了和分量的最佳观测区域。研究结果表明,针对不同的目标体不仅要选择不同的观测电磁场分量还需要在合适的区域内进行观测,以实现最佳的探测效果。研究指出,在轴向区域对高阻体具有最佳的探测能力,而在赤道向区域对低阻体具有最佳的探测能力。

 

二、存在问题及解决方法

三、其他需要说明情况

与基金内容相关的研究成果获得如下奖励

1:第十七届中国发明专利奖

薛国强 闫述 陈卫营:电性源瞬变电磁法全场区探测方法, 授予日:2013.04.10, 中国, ZL201110181015.9

2:中国科学院杰出成就奖:薛国强(排名第3

深部资源探测理论技术突破与应用研究

 

四:基金项目研究成果目录;

发表和录用的文章如下:

  1. 薛国强,闫述,陈卫营.2015. SOTEM深部探测关键问题分析,地球物理学进展,30(1), pp 0121-0125,
  2. 陈卫营, 薛国强, 崔江伟, 钟华森. SOTEM响应特性分析与最佳观测区域研究. 地球物理学报, 已录用,2016年1月发表.
  3. 陈卫营, 薛国强. SOTEM一维等效源反演方法. 物探与化探, 已录用,2016年2月发表.

 

已提交并公开的发明专利11

 

(1)薛国强、陈卫营、周楠楠、崔江伟、侯东洋、杨建国、王凯,一种条带铁矿评估方法和装置,2015100077232.4。

(2)薛国强、闫述、邱卫忠、程久龙、陈卫营,一种基于瞬变电磁法探测煤矿积水采空区的方法和装置,201510051516.3

(3)薛国强、周楠楠、闫述、陈卫营、侯东洋,一种瞬变电磁探测方法、装置和系统,201510072462.9

(4)薛国强、钟华森、侯东洋,一种煤层基底奥灰顶界面起伏形态探测的方法和装置,201510166548.8

(5)薛国强、侯东洋、钟华森、马振军,一种判断隧道围岩类别的方法201510166596.7

(6)薛国强、钟华森、侯东洋、马振军,一种地质分界面构造的探测方法、装置和系统,201510166549.2

(7)薛国强、闫述、邱卫忠、钟华森、侯东洋,一种煤矿采空区的识别方法和识别装置,201510166546.9

(8)薛国强、钟华森、侯东洋、马振军、陈康,一种煤层埋藏深度的探测方法,201510332845.5

(9)薛国强、闫述、钟华森、侯东洋、底青云,一种地下电性薄层的识别方法和装置,201510210282.2

(10)薛国强、钟华森、崔江伟、李海、底青云,一种瞬变电磁探测的盲深度测量方法和装置,201510210281.8

(11)薛国强、李海、钟华森、底青云、王若,一种多道瞬变电磁探测数据的反演方法和装置,201510332957.0

 

 

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