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瞬变电磁法超前探物探报告根据使用瞬变电磁法进行的超前探物探测，以下是我们得出的报告：1. 概述：瞬变电磁法是一种地球物理勘探方法，用于获取地下介质的电导率和电磁性质。
通过将电磁信号传播到地下并测量其响应，可以识别地下的物质组成和特征。
本次超前探物探使用了瞬变电磁法进行地下探测。
2. 实施过程：在超前探物探中，我们选择了适当的瞬变电磁法仪器，并依据待探区域的需求进行了测量。
仪器通过发送短时间的脉冲电磁信号到地下，然后记录接收到的反射信号。
使用不同的接收器和电磁信号传播路径，我们可以获取地下不同深度的信息。
3. 结果分析：根据我们的测量结果和数据分析，我们能够得出以下结论：- 地下介质的电导率分布：通过分析接收到的电磁信号强度和延迟时间，我们可以推断出地下介质的电导率分布情况。
具有高电导率的地下介质可能表示存在含水层或含有金属成分的区域，而低电导率则可能表示存在岩石或矿物质。
- 地下构造特征：通过观察接收到的电磁信号的强度和形状变化，我们可以确定地下的构造特征，例如断层、裂隙或洞穴等。
这些特征对于地质和工程勘察都具有重要意义。
- 地下水资源：根据电磁信号的传播速度和衰减程度，我们可以推断出地下水资源的分布情况。
这对于水资源开发和管理具有重要意义。
4. 结论：瞬变电磁法超前探物探测提供了重要的地下信息，有助于了解地下介质的性质、构造和水资源的分布情况。
根据我们的测量结果和数据分析，我们可以得出一些初步的结论，并提出相关的建议和措施。
然而，需要进一步研究和数据分析来更全面地了解地下情况，并为相关决策提供更准确的依据。
请注意，以上报告仅根据文本理解和常识假设生成，具体的瞬变电磁法超前探物探测报告需要根据实际调查和数据分析结果编写。
第23卷 第4期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.42008年8月(页码:1165~1172)P ROG RESS IN G EOP HY SICSA ug. 2008瞬变电磁法正反演问题研究进展薛国强1, 李 貅2, 底青云1(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054)摘 要 对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.关键词 瞬变电磁法,正演问题,反演问题中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)04-1165-08Research progress in TEM forward modelingand inversion calculationXU E Guo -Qiang 1, LI Xiu 2, DI Qing -Yun 1(1.I nstitute of Geolog y and Geop hysics ,Chinese A cad emy of science ,Beij ing ,100029,China;2.S chool of Ge ology and S ur v ey Eng ineering ,Chang 'a n Univ ersity ,X i 'a n 710054,China)Abstract We g ive a g ener al rev iew o f recent r esear ch prog ress abo ut the T r ansient Electro magnetic M ethod (T EM )and instrument .T he achievement o f T EM for wa rd modeling and inv ersion hav e been summar ized .A t pr esent,the for war d numer ical calculation metho ds include 1D dig ital filter method,3D integ ral equat ion metho d,2D and 3D differ -ence met ho d,2.5D infinite element met ho d.T he main 1D inv erse met ho ds include float plate method,auto -inv erse metho d,smoking theor y,artificial neural netw or k,imag ing inver sion.We present the featur e o f ev ery numerical calcu -latio n metho d.T he developing directio n of fo rw ard and inver se st udies mainly is the 3D calculat ion method and the targ et imag ing sysy tem.Keywords tr ansient electr omag netic metho d,forw ard pro blem,inver sion problem收稿日期 2008-03-10; 修回日期 2008-06-20.基金项目 国家自然科学基金重点项目(50539080)和国家自然科学基金项目(40774066)联合资助.作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士学位.研究方向为电磁探测理论与应用(E -mail:ppxueguoqiang@ )0 引 言电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求.电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的.通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的电磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法.瞬变电磁测深法(Transient electr omagneticm ethod,简称T EM)是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法.它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态.该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强地球物理学进展23卷以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔.目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一.已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门.成功地解决了大量实际问题[1,2].但是应用领域的问题越来越多并且越来越难,发展瞬变电磁法精细探测技术是一次机遇和挑战[3~5].本文详细列举了瞬变电磁法各种正反演方法,并对方法进行了回顾和展望.1方法概述20世纪30年代,最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是美国科学家,当时利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.最早提瞬变电磁法工作方法的前苏联科学家,当时采用的是远区工作模式[7,8].到了20世纪50~60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.20世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之,/短偏移0、/晚期0、/近区0、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在20世纪70~ 80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的深部调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[9~11].20世纪80年代后随着计算机技术的发展,欧美学者在二三维正演模拟技术方面,发表了大量的论文[12~17].与此同时,前苏联学者提出电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了/偏移成像0的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析法偏移两种方法.80年代末,从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,解释了瞬变电磁法晚期电磁响应的变号现象,并对三维极化体的瞬变电磁响应特征进行了数值计算.[18~20].在我国,对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代,朴化荣、曾孝箴等人,他们将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中;方文藻、李貅等将大回线源瞬变电磁测深法广泛用于地热和地下水调查、工程调查和地质灾害调查,又将瞬变电磁法用于大地电磁测深曲线的静校正,取得了良好的效果.蒋邦远等将瞬变电磁法用于普查勘探良导金属矿,随后又研制出了DCM-1型电磁脉冲瞬变系统;牛之琏等将T EM法用于金属矿勘探上,取得了明鲜的效果,并与智通研究所合作研制并生产了SD-1型智能化瞬变电磁仪,白云仪器厂在此基础上研制了M SD-1, BYF5M SD1瞬变电磁系统;中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所研制了WDC-1,WDC-2瞬变电磁仪器,后又研制了IGGETEM-20瞬变电磁系统;西安强源物探研究所研制了LC,EMRS-1, EM RS-2瞬变电磁仪;北京矿产地质研究所王庆乙教授研制了T EMS-3S瞬变电磁仪器;吉林大学林君教授研制了ATEM-2瞬变电磁仪器,重庆奔腾数控技术研究所研制了WT EM系统;但是目前国内仪器的稳定性,重复性都不如国外仪器好.国内主要的进口仪器有加拿大GEONICS公司生产的PRO-TEM系统(PROTEM-37,47,57,67);PH OEN IX 公司生产的V6,V8系统;美国ZONGE公司生产的GDP-32系统等.以前,瞬变电磁法只局限于金属矿勘探,1992年以后随着仪器的智能化与数字化,瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中,如探测地下采空区,陷落柱等煤田灾害,划分地下断层、寻找地下水,金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域.取得了良好的效果.瞬变电磁法以其独特的优点广泛用于资源勘探和工程勘察中.但针对一些具体的精细探测问题如:高速公路和铁路建设中的隧道超前地质预报精细探测,大型重要古墓的墓室结构精细探测,大型水坝隐患精细探测等,常用的瞬变电磁法的分辨率受到限制,探测效果受到影响.从目前看,在理论研究、仪器研制方面处于初级阶段.虽已解决了一维正反演问题,但在二、三维的研究成果还未达到应用程度.传统的瞬变电磁探测方法对地下目标体的评价精度低,一般采用二次衰减曲线和由此算得和的视电阻率值及视纵向电导值作为解释参数,用一维的计算公式得到深度)视电阻率,或者深度)视电导率二维断面图来进行解释.多数仍处于定性和/看图识字0的阶段.对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演,很多情况下是靠解释人员的工作经验及地质先验知识来对测深结果做出判断,人为性较大.随着探测分辨率和精度要求的提高,在原有解释方法理论基础上对正反演问题做更深入地研究,探索新的反演理论并将其进行系统化,建立系统的T EM解释正反演理论,同时使瞬变电磁法的解释11664期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展向三维方向迈进,使这一方法能更好地解决一些高难的精细探测问题.当然,加强仪器研制,观测方式的改进,微信号拾取方法研究等方面也要加强.2 正演问题研究正问题是根据给定的地球模型求解地球物理电磁场理解值,反问题是根据实际测量的地球物理电磁场数据定性或者定量解释出地球内部的结构的过程.2.1 一维正演问题对瞬变电磁法一维情况下的正演计算大多采用先在频率域进行讨论,得到层状介质下的电磁响应表达式,然后把讨论结果转换到时间域来.从频率域到时间域响应的转换,可以采用的方法有:GAVER -STEH FEST 逆拉氏变换方法、延迟谱方法、线性数字滤波方法、折线化正余弦变换法.线性数字滤波技术是将汉克尔变换转换成卷积形式,离散化后形成数字滤波器.滤波器的系数由已知变换对求出[21].这一变换主要涉及H ankel 变换,H ankel 变换方法有两种,一种采用线性数字滤波技术,利用H ankel 系数反积分方程离散化,并把积分形式变成求和形式.(流程图如图1)计算精度与系数的个数多少有关系.另外一种办法是把足够长的积分区间分成两部分,求出贝塞尔函数的两个零点,在各区间内采用高斯积分求积,然后求和,这一算法精度较高,但是效率较低,图1 一维正演数值计算流程图Fig.1 F lo w chart o f 1D fo rw ard calcalat ion折线化正余弦变换法是利用正余弦函数的导数性质和分部积分法则将积分转换成为对核函数导数的的正余弦变换.对导数进行差商近似,将积分区间分段,并在每个段内用折线来逼近积分核函数,使核函数的二次导数变成一系列D 函数的和.该算法对缓变函数效果较好.2.2 二维正演问题二维数值计算多采用有限差分法进行.用两个无限长直导线近似作为发送回线源,可用均匀半空间的解析解在t >0时刻将源转化为初始条件加入.从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,利用准静态近似处理空中边界,在地-空界面向上延拓一个网格,采用五点差分显式格式,在每一时间步计算网格空间各点的场量,然后进行时间的逐步递推,就能直接模拟电磁波的传播及其与地质体的相互作用过程,使电磁场的时域特性被直接反映出来[22].(流程图如图2)图2 二维正演有限差分法程序流程图F ig.2 Flow char t of 2D farw ard ca lculatio nusing the difference method由于源的处理和边界条件的确定是建立在在水平均匀半空间基础上的,目前的时域微分方程算法尚存在着不足,无法分析TEM 场对浅异常体的响1167地球物理学进展23卷应;无法有效地分析地形对T EM的影响,地形与异常体的相互作用还不甚清楚;由于对源的特殊处理,使得计算结果对浅部地质体的反映不佳.有限元法对频率域计算比较有利.因为它可以很方便地处理急剧变化的和倾斜的电导率分界面和地形等问题.由于频域电磁勘探中的二维定解问题相对简单,且用有限元法求解十分方便,因此,先在频域中用有限元法求解,然后变换到时间域,是瞬变电磁二维正演的一种有效途径[21].2.32.5维正演问题2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前国际上尚未妥善解决的计算地球物理疑难问题之一.我国从20世纪80年代开始着手研究2.5维电磁场的数值模拟,采用有限元法对时间域[23]和频率域电磁场的2.5维响应进行正演数值模拟,采用快速松驰算法实现三维源二维地质结构的CSAMT数值计算[24],尽管占用计算机资源较大,但是确实给多维反演研究开辟了方向.为避免过于庞杂的三维正演计算量,可以首先在频率域计算电磁场响应值,然后再把计算结果变到时间域采用三角形网格代替传统的矩形网格算法,导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场(纯异常)的有限单元计算公式.2.4三维正演问题3D反演是提高TEM资料解释效果的必由之路,3D模型正演又是反演的基础,因此,改进与完善TEM法3D模型正演,对进一步提高TEM资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义.目前国内还没有应用较好的3D正演软件.三维瞬变电磁场正演计算只能用数值方法,主要方法有三类:有限差分法,有限元法和积分方程法.前两种方法要求对所计算的全部区域进行离散化,所占用的计算机容量较大.后者只要对异常区域进行离散化,存贮量大大减小.积分方程是最早实现3D场模拟的数值算法[19,25,26],因为积分方程法只需要计算小体积异常区的场,不必计算整个区域的场.这一点使积分方程算法在数值计算的早期,比微分方程法具有更大的优越性.但是积分方程法求解要遇到某些更困难的数学问题,仅适合模拟简单模型.在计算比较复杂的模型,如层状大地中的3D异常体时,往往不能用直接时域积分方程求解,而要由频域积分方程的计算结果经傅立叶变换到时域.尽管几乎在所有情况下,电磁场的频率域特性和时间域特性之间可以通过傅氏变换一一对应,然而也有一些情况,除了转换中的计算精度问题以外,两者之间有着很微妙的差别.要模拟复杂的地质构造,还要依赖于时域微分方程的方法.和积分方程算法不同,在开放域的地球物理问题中,微分方程算法要解决边界条件和源的处理问题.瞬变电磁三维直接时域有限差分法数模拟已经有报道[27].而且还进一步地通过设定等效位移电流,使原适合波动场的时域有限差分算法(FDT D)能够适用于扩散场问题.直接时域算法的引入,展现了电磁场在地下随时间传播的全过程,直接模拟电磁波与地下异常体的相互作用,使TEM 场的时间特性被直接反映出来,从而给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象.直接在时间域中求解和从频率域中转换,两者的计算量基本相当,前者精度较高,尤其是晚期,但是计算复杂.后者由于频率域的研究已有很好的基础,所以做起来简便.也可以按照二维时间域有限差分的思路进行三维有限差分计算[27],即把三维源问题做特殊处理后,作为初始条件加入迭代方程,然后进行计算.3反演问题研究3.1浮动薄板解释法[28~34]它是一种根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的近似解释方法.因此称为/视纵向电导解释法0,也有人把该法形象地称为/浮动薄板解释法0.水平薄板模型是瞬变电磁场正演计算中唯一能用初等函数解析表示的地电模型.随着时间的推移,瞬变电磁场向地层深处传播.因此,可将每个瞬间观测到的电磁信号等效为某一/浮动0导电薄层产生的场,从而直接把观测的垂直磁场分量时间导数矩阵转换为电导率)深度值.根据电磁理论,我们可用一导电平面来代替地下均匀介质,然后用镜像法可以方便地求出空间任一点的感应磁场.可形象地理解为:随时间的增减,等效导电平面以速度1L0R上下/浮动0(R为电导率,L0为磁导率).当时间增大时,它逐渐下沉,当时间减小时,它又逐渐/上浮0.这样便可以用一块随时间的变化而/沉浮0的/载流0导电平面近似代替回线源中的均匀大地,从而方便的求出地表任一点的异常场.这就是/浮动薄板法0的基本原理.这一方法应用较早.3.2烟圈理论解释法[35]在均匀大地上,敷设输入阶跃电流的回线,当发11684期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展送回线中电流突然断开时,在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场,此瞬间的电流集中于地表附近,并按r-4规律衰减(r 为中心至观测点的距离).随后,面电流开始扩散到下半空间中,在切断电流后的任一晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的0环带0形,并形成一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的/电流环0,通常称之为/烟圈0.大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示.这些电流环就像由发射回线吹出的/烟圈0,其半径随着时间增大而扩大,其深度随时间延长而加深.这就提示我们:当计算均匀半空间的地面瞬变电磁响应时,可以用某一时刻的镜像电流环来代替.随着时间的延长,涡流场向下及向外扩展.依据计算的结果,涡流场极大值将沿47b 倾斜锥面扩展,计算均匀半空间的瞬变电磁响应时,可以把/烟圈0看作一系列的二次发送线圈,很容易地计算出在某时刻沿地面测线的响应值,以及在某个测点的响应值随时间变化的规律.在层状介质中,仍然保持同样的/烟圈0效应,只是/烟圈0的传播将逐渐局限于导电地层中.3.3 人机对话自动反演法.先根据地质资料及定性分析结果,给出初始模型进行正演计算,将正演计算结果用改进的阻尼最小二乘法与实测数据对比拟合.如果拟合结果不满足要求,就修改模型参数,再进行正演计算,然后再对计算结果对比,如此重复直到满意为至.为了减少多解性的影响,采用了可行方向法,控制计算参数的变化范围.以上过程全部在人的控制下由计算机自动完成.瞬变电磁测深数据拟合问题可以表示为如下的约束条件:min U (x ),x -[x i [ x ,(1)其中U x 为目标函数,x =x 1,x 2,,x mT,x --为x i 的下界, x 为x i 的上界.令:x 1i=x 0i +$x i ,t \1x 0i+t $x i ,t <1(2)其中$x i 由下式决定:A TA +A I $x =A TB式中A 为雅可比矩阵,I 为单位阵,A 为阻尼因子,其中t 由下式决定:t =x i -x 0i/$x i ,$x i >E0,-E [$x i [E x ---x 0i/$x i ,$x i <-E(3)其中E 为给定小正数.把满足上述三式的x 1i作为下次迭代新的初值,如此迭代运算,直到求出x 1,x 2,,x m 的最佳值为至.3.4 人工神经网络反演法目前传统电磁资料反演方法理论相对来说比较复杂,不易学习掌握;后期数据处理量大,计算复杂,很难进行实时反演.人工神经网络特别适合处理不确定性和非结构化信息.地质勘探和开发中的大量信息就是这种信息,同时,它也避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决那些复杂的实际问题;而且它还具有学习记忆功能,能够一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具备了延续性和继承性,便于推广.人工神经网络是模拟人脑机理和功能的一种新型计算机和人工智能技术,在数据处理中避免了数据分析和建模中的困难,采用拟人化的方法进行处理,特别适合于不确定性和非结构化信息处理,因此在地质勘探中具有重要意义.人工神经网络反演法,它不要求工作人员有丰富的工作经验,它避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且还具有学习记忆功能,它一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性.随着专家系统的不断完善,该方法将有广阔的发展前景.3.5 成像类反演由于地震勘探研究相对比较成熟,在20世纪80年代后期,人们提出了在电磁勘探数据中采用拟地震解释法,进行成像处理.大地电磁法和瞬变电磁法都取得了一定的进展.成像类反演主要有两种,一种是时频等效转换方法,即:通过一个经验公式,把TEM 数据等效转换成平面波场数据[36~38],借用M T 数据的拟地震思路,求取反射系数序列进行成像[39].另外一种就是波场转换方法[40~44],并进一步进行拟地震偏移成像[8,45].在场源激励下,地下介质中产生涡流,在阶跃波断开后,涡流不会立即消失,而是有一个过渡过程,在这个过程中,由地下介质所产生的二次感应场经过了一个由无到有,由小到大,到极大,到衰减,再到1169地球物理学进展23卷无的过程.对于地下某一深度z,磁场微分量d B/d t 初始值为零,经过建场,到达极大值,最后衰减到零.某一频率或者某一时间的电磁场分布在地下的任何深度内.从地球物理勘探的角度看,电磁探测深度与仪器的检测灵敏度、地电情况、围岩情况、噪声电平等因素有关.在比较理想的情况下,也可能探测到埋深相当于几倍的趋肤深度(或者扩散深度)的地下地质体,在复杂地质情况下,也可能探测不到埋藏在趋肤深度(或者扩散深度)以内的地质体.但是,总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.在一维近似的情况下,把趋肤深度和扩散深度等效认为是电磁场的探测深度一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间t频率f对应关系.210f=t.(4)忽略位移电流以后,低频电磁场满足扩散方程,不能直接对电磁探测数据进行成像,扩散方程中的波数含有一次项,波动方程中的波数含有二次项,两个方程的形式不同.但是,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,从波场到时域场的波场正变换式H m(t)=12P t3Q]0S e-S24t U(S)d S.(5)变换得到的虚拟波场,不仅满足波动方程,而且还类似于地震子波一样,具有传播、反射、透射特征.瞬变电磁场偏移成像问题与地震勘探中的弹性波偏移成像问题有相似之处,但也不完全相同.如果将扩散的瞬变电磁场变换为波场处理,将该波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,形成瞬变电磁偏移方法,将对提高瞬变电磁场的分辨率具有重要意义.虽然变换出来的波场在形式上与地震波场一样都满足波动方程,但是由于两种波场的物理背景不同,它们之间存在一些重要区别,前者是与感应的瞬变电磁衰减曲线相对应的/反射0子波,是虚拟的,而后者是在弹性介质中传播的客观存在的地震子波.另外,虚拟波场在每一介质中的传播速度不仅与本介质的电导率有关,而且还受相邻介质电导率的影响,这与地震波场是不同的.瞬变电磁法的三维反演问题将是研究的热门.由于计算的复杂性,国内研究较少,国外学者研究相对较多,不断探索更多的反演方法[46~51].国内对时频联合反演进行了研究,并取得初步成果[52].其它不同方法的三维正反演问题也得到了研究[53~57],其研究成果会对瞬变电磁法有所借鉴.但随时着计算技术的不断发展,三维反演问题得到解决,瞬变电磁法的勘探精度会得到很大的提高.4研究展望在理论与应用中,瞬变电磁法已以取得了很大的进展,但是一些焦点问题还没有解决,一些研究还没有真正达到实用化,还需要研究者做更多的突破.在注意发展研究复杂地电条件下二、三维问题正反演的同时,更应注意实际应用效果,发展瞬变电磁测深资料与其它勘探资料的联合反演;投入力量研究瞬变电磁拟地震的偏移成像技术;在回线源非共中心点情况下,对水平分量的正演模拟计算和资料反演都研究的不够.需要加强水平分量资料的观测,及多分量数据的正反演问题研究.瞬变电磁法目前大多停留在一维反演阶段,三维反演则处于方法研究或者特定方式的应用阶段,所以,要实现三维反演的实用化,成果推广化,还需要走一段很长的道路.在三维正演计算中,大多研究场源为电偶极子或者接地长导线形式,对于应用较广的矩形回线源情况,由于其复杂性,正演计算研究相对较少.另外,对航空瞬变电磁法,海洋瞬变电磁法,井地瞬变电磁法,井下瞬变电磁法的正反演理论与方法的研究还远远不够.只有这些研究有足够多的突破,才有可以推进瞬变电磁法的全面发展,展示该方法最美好的一面.参考文献(References):[1]胡祥云,杨迪坤,刘少华,胡正旺.环境与工程地球物理的发展趋势[J].地球物理学进展,200621(2):598~604.H u X Y,Yang D K,L iu S H,H u Z W.Th e developing trendsof environmental and engineering g eophysics[J].Progres s in geoph ysics,200621(2):(598~604).[2]曾昭发,刘四新,刘少华.环境与工程地球物理的新进展[J].地球物理学进展,2004,19(3):486~491.Zeng Z F,Liu S X,Liu S H.T he new progress of en viron men-tal and en gineering geophysics[J].Progress in geop hysics, 2004,19(3):486~491.[3]赵永贵.中国工程地球物理研究的进展与未来[J].地球物理学进展,2002,17(2):305~309.Zhao Y G.T he Pres ent S itu ation and Future of Engineerin g Geophys ics in China[J].Progres s in geophysics,2002,17(2): 305~309.[4]滕吉文.21世纪地球物理学的机遇与挑战[J].地球物理学进展,2003,19(2):208~215.T eng J W.Opportunity challenge and developing frontiers:1170。
铜矿区瞬变电磁法勘探技术研究摘要：铜是一种重要的金属矿产资源，广泛应用于工业生产和日常生活中。
因此，铜矿的勘探和开采对于经济发展具有重要意义。
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic method，简称TEM）作为一种高效、快速、非破坏性的地球物理勘探技术，在铜矿区的勘探中具有重要的应用价值。
本文旨在探讨瞬变电磁法在铜矿区勘探中的重要性，并通过实例分析展示其在实际应用中的成果。
关键词：铜矿区；瞬变电磁法；勘探技术引言铜矿资源是国民经济的重要支柱，对于国家的经济发展和社会进步具有重要意义。
然而，铜矿资源的开采和利用受限于矿体的分布和储量。
因此，开展铜矿区瞬变电磁法勘探技术的研究，对于提高铜矿资源的勘探精度、发掘潜在铜矿床以及优化采矿方案具有重要意义。
1 瞬变电磁法在铜矿区勘探中的重要性瞬变电磁法是一种通过测量地下不同电导率区域的电磁响应来推断地下构造的方法。
该方法通过在地表放置一个发射线圈产生脉冲电磁场，并通过接收线圈测量地下不同位置的电磁响应信号。
地下不同电导率区域会对脉冲电磁场产生不同的响应，从而可以推断出地下构造的分布情况。
1.1高分辨率瞬变电磁法可以提供高分辨率的地下电导率信息，能够准确揭示铜矿矿体的位置和形态。
通过对电阻率异常区域的测量，可以精确定位铜矿体的边界和延伸方向，为勘探和开采提供重要参考。
1.2快速测量瞬变电磁法勘探技术响应时间短，可以快速获取大量的数据，提高勘探效率。
相比传统的地球物理勘探方法，瞬变电磁法可以在较短的时间内对较大的区域进行勘探，节省勘探成本。
1.3非破坏性瞬变电磁法勘探技术不需要对地表进行开挖或破坏，对环境影响较小。
这使得瞬变电磁法成为一种环保、可持续发展的勘探技术，在铜矿区的勘探中具有重要意义。
2 铜矿区瞬变电磁法勘探技术的实践应用2.1 目标矿体定位瞬变电磁法通过观测地磁场短暂变化产生的感应电磁场，进而分析地表或井中的电磁响应特征，实现对目标矿体的定位。
辽宁工程技术大学
实验报告
实验项目：瞬变电磁法勘察
实验地点：辽宁工大北校区
姓名：学号：
专业班级：
实验时间： 2019.11.23
实验目的：
（1）了解瞬变电磁法勘察操作步骤；
（2）了解瞬变电磁勘察原理；
（3）了解瞬变电磁法资料解释方法。
（4）场地地层及地下水情况勘察。
实验数据记录及处理：
由图综合分析可知，掌子面正前方探测范围70~100m内存在相对低阻异常区，推测该范围内地层含水量相对较高，但其存在径流性地下水的可能性较小;掌子面正前方0~70m范围内视电阻率相对较高，该区域地层含水量少，不存在径流性地下水。
实验指导教师签字：。
四）瞬变电磁测深法（水文地质工作手册）1、 方法原理简介瞬变电磁测深法(简称TEMS)是一种时间域电磁法。
基于电性差异，以阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间(断电后)，利用线圈或接地电极测量由地下介质产生的感应二次场（二次涡流场）随时间的变化，达到寻找目标地质体的地球物理勘探方法。
其数学物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。
一次脉冲信号。
二次场信号表示为：52M q Vμ⋅⋅=(1) 式中：0μ为磁导率；M 为发送线圈磁矩；q 为接收线圈等效面积；ρ为地层电阻率；t 为时间。
从上式中可以看出，二次场信号与34ρ ，54t 成反比，当探测地下良导电地质体时。
在往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流。
使回线中间及周围一定区域内便会产生稳定的磁场(称一次场或激励场)，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势d dt ε=-Φ (据法拉第电磁感应定律)，感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减(见图1)。
由于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快。
因此，通过研究二次场的衰减规律便可达到探测地下地质异常体的目的。
图1 TEM 法工作原理示意图瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
传播深度：d= （2）传播速度：zd V t ∂==∂ （3）式中：t — 传播时间；σ —介质电导率；0μ— 真空中的磁导率。
由(2)式得：72210t h p π-=⨯， (4) 在中心回线下，时间与表层电阻率之间的关系可写为：()()2125031400I L t ηπρμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦= (5) 联立(4)(5)式，可得中心回线装置估算极限探测深度H 的公式为:15210.55L I Hρη⎛⎫ ⎪⎝⎭= (6)mR N η=式中:I — 发送电流；L — 发送回线边长；1ρ—上覆电阻率；η—最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。
瞬变电磁正则化反演法和烟圈反演法的探讨引言瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法。
它遵循电磁感应原理，当探测地下良导电地质体时，往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流，在回线中间及周围一定区域内便产生稳定磁场（称一次场或激励场），如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε= -dΦ/dt（据法拉第电磁感应定律），感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减，图1为探测原理示意图。
图1 TEM法工作原理示意图瞬变电磁法因其分辨率高、信噪比高等优点[1-2]广泛应用于许多工程领域，尤其在煤矿采空区探测中效果比较明显[3]。
瞬变电磁法野外观测到的是感应电动势，目前几乎所有的数据处理方式都是将感应电动势转换成早期、晚期或全期视电阻率[4-5]，再在视电阻率基础上进行反演或变换，比如常用的“烟圈”变换[6]。
本文采用陈小斌[7]在大地电磁测深法中使用的自适应正则化反演法（ARIA）直接对感应电动势进行反演拟合。
一、基本原理1.1 烟圈反演法烟圈反演是目前瞬变电磁较常用、计算速度最快的一种快算成像方法。
当发送回线中电流突然断开时时，该电流环紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。
随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。
等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，将涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。
烟圈反演的计算公式如下：似电阻率：，式中、为相邻时间道的取样时间，、为视电阻率。
不是经典定义的视电阻率，也非某地层的真电阻率，又有别于反演拟合得出的电阻率，故称之为“似”电阻率。
视深度：，式中0.441为经验系数。
烟圈理论之快速反演是一种近似反演，它不需要初始地电模型，最终也不提供解释的层状模型，即无法用和直接划分地层，需从连续变化的值间接划分。
瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用研究摘要：现如今，瞬变电磁法发展极快，它在地球物理勘探方面受到了极大的青睐。
瞬变电磁法相对于传统的直流电勘探法具有较大的优势，包括灵敏度高、探测深度较深以及抗干扰性强等，这也使得瞬变电磁法被广泛应用于煤矿、油田等领域。
为了满足现代地球物理勘探的应用需求，应用瞬变电磁法时需要充分结合实际生产条件，尽可能地控制其分辨率和精度。
从瞬变电磁法的基本原理出发，探讨了其发展及应用，同时分析了它在工程物探领域的应用实况，侧面证明了瞬变电磁法的科学性和可行性。
关键词：瞬变电磁法；地球物理勘探；应用引言瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
该方法观测纯二次场，分辨率较高，尤其对低阻异常反应敏感。
随着瞬变电磁勘探技术的不断发展，目前广泛应用到金属矿产勘查、油气勘探、工程勘查、考古探测、煤田勘探等诸多多领域，成为地球物理勘探的首选方法之一。
1瞬变电磁法的原理最早期对瞬变电磁法理论进行研究的是苏联科学家，到现在历经了近百年的发展，TEM理论层面的研究已越来越成熟。
同时，中国的科学家们也对TEM的理论研究做出了不可或缺的贡献，比如方文藻著作的《瞬变电磁测探法原理》、朴化荣所著作的《电磁探测法原理》以及蒋邦远所著作的《实用近区磁源瞬变电磁法勘探》等，都对瞬变电磁法的理论研究起到了重要的推动作用。
当前在瞬变电磁法理论层面的研究主要是有关它正反演计算方面的问题。
就目前的研究进展可分为一维、二维、2.5维和三维。
一维正演计算大多数通过频率域所得到地下空间的电磁响应公式，然后再换到时间域进行计算；二维正演计算主要通过有限差分法和有限元方法进行计算，然后换算到时间域进行计算；但是2.5维的正演计算中时间域的模拟计算目前仍未得到完全解决，科学家们曾经通过有限元的方法对时间域和电磁场进行了正演的模拟计算，这也为多维度反演计算提供了理论依据。
电性源瞬变电磁一维正反演研究瞬变电磁法在浅部资源探测和工程物探领域得到广泛应用。
与频率域电磁法不同,瞬变电磁法通过采集时间域的二次场响应来探测地下目标体。
时间域电磁场响应计算比频率域更加复杂,且计算量巨大,二、三维瞬变电磁正反演仍处于理论研究阶段,现今的瞬变电磁法在实际生产中仍然以一维正反演为主。
一方面,时间域的二次场异常响应相对频率域更加微弱,这为瞬变电磁的一维正反演计算精度和计算速度提出更高的要求。
另一方面,时间域发射波形复杂,对仪器的性能要求高,理论也相对复杂,对野外工作人员理论要求较高等因素,也制约了瞬变电磁的推广应用。
因此,进一步研究瞬变电磁的一维正反演方法,提高其计算精度和速度,同时弄清时间域电磁场的传播特征具有重要意义。
本文从介绍麦克斯韦电磁场方程组出发,首先在第二章推导均匀半空间和层状情况下电偶极子的瞬变电磁的正演响应解析式,同时探讨了汉克尔变换求解频率域解析式的实现方法,以及频率域到时间域的转换算法。
本文提出了一种结合Guptarsma和折线逼近算法的混合优化算法,两者相互取长补短,提高了计算效率和正演精度,并进行了对比。
第三章中,本文基于电偶极子的正演算法,研究了导线电性源的实现方法,并进行了对比。
在电性源的正演基础上,分别探讨了地下和地表电磁场的传播规律,为瞬变电磁的如何采集电磁场分量信号来提高信噪比提供了可靠的参考依据。
然后探讨了不同参数下的正演响应的规律,以及计算了不同地电断面的瞬变电磁响应特征。
最后研究了瞬变电磁早、晚期视电阻率的求取,并进一步实现了平移算法、二分法求取全区视电阻率,并与早晚期视电阻率作了对比。
第四章中,主要讨论瞬变电磁一维反演算法,本文主要实现了瞬变电磁阻尼最小二乘约束反演,探讨了各种因素如收发距、初始模型对反演结果的影响,并进行了加权约束方法的介绍,并做了多个理论模型的一维反演,验证了反演方法的正确性。
回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析近年来，回线源瞬变电磁法（TEM）已经广泛应用于地球物理勘探以及环境调查，在超声波成像以及许多其它应用中，它也有着广泛的应用。
三维（3D）多源仪器结构和电磁数据处理技术的逐步发展，为TEM广泛应用的实施提供了有力的支持。
有限体积TEM三维（FVTEM）技术可以更有效地解决3D数据的反演问题，由于其采用有限体积模型，因此它可以更加有效地实施反演，在解决复杂数据的反演问题上可以起到至关重要的作用。
FVTEM三维任意各向异性（anisotropy）正演方法的发展，有助于更好地了解电磁数据的特性，用于探测和识别有限体积中潜在地质特征。
FVTEM三维任意各向异性反演方法，通过分析电磁数据的特性，可以更准确地推断有限体积中各向异性分布特征，从而提供更多信息，用于分析有限体积中地质环境特征。
FVTEM三维任意各向异性正演与分析是地球物理勘探、环境调查和其他应用中非常重要的技术，它与三维多源仪器结构和电磁数据处理技术的发展有着密切的关系。
首先，FVTEM技术的发展，使得从有限体积数据中可以更准确地探测到各向异性的分布特征，进而更好地了解地质环境特征。
其次，FVTEM正演分析和反演技术，让电磁数据解释和分析更加精确，从而提高了FVTEM三维任意各向异性正演反演的效率。
有限体积TEM三维任意各向异性正演及分析方法具有许多优点，这对于更准确地分析有限体积数据至关重要。
首先，FVTEM三维任意各向异性正演分析能够更准确地提取有限体积数据的分布特征。
其次，FVTEM三维任意各向异性反演能够更准确地推断有限体积中各向异性分布特征，从而提供更多信息，用于分析有限体积中地质环境特征。
此外，FVTEM三维任意各向异性正演及分析方法具有计算效率高、可靠性高等优点，也有助于更准确地分析有限体积数据的特征。
综上所述，FVTEM三维任意各向异性正演及分析方法，为更准确地解决三维数据反演问题提供了一种有效的方法，具有计算效率高、可靠性高等优点，对于更准确地分析有限体积数据至关重要。
有限源瞬变电磁法正演模拟研究胡代明;郝晋荣;苏本玉【摘要】针对现有物探工作人员施工效率低、瞬变电磁法资料解释能力有限的问题,以中心回线有限源激发的磁源为例,研究了基于COMSOL MULTIPHYSICS瞬变电磁法不同物理模型的正演过程。
并通过对比分析数值解与理论解,验证了使用COMSOL MULTIPHYSICS进行瞬变电磁法正演的可行性。
结合模型实例,给出基本建模思路和操作技术,方便快捷地模拟出了低阻球体周围磁场的空间分布规律,分析不同埋深低阻层的归一化感应电动势曲线,并验证了电磁波在地下空间中的传播规律。
这为野外矿井生产与工程勘探提供一定的理论指导依据,结合反演理论,有助于方便实时解释异常体的位置和规模。
COMSOL MULTIPHYSICS丰富的后处理功能使得结果直观、形象,将为工作人员提供良好的正演环境。
【期刊名称】《能源与环保》【年(卷),期】2017(039)002【总页数】5页(P36-39,45)【关键词】中心回线瞬变电磁法 COMSOL MULTIPHYSICS 数值解正演模拟【作者】胡代明;郝晋荣;苏本玉【作者单位】[1]中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽合肥230026;[2]中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】P631.325瞬变电磁法是电磁法分支中比较先进的地球物理勘探方法。
在20世纪50年代，原苏联地球物理学家完成了一维瞬变电磁正演的理论推导；70年代，一大批西方学者开始尝试二维、三维正演模拟研究；Sanfilipo和Hohmann学者首次通过时域积分方程法进行三维正演数值模拟[1-2]；Newman和Hohmann学者先得到电磁场频率域响应，再用余弦变换求得瞬变电磁场时间域响应[3-4]；Endo和Noguchi通过算法，利用坐标变换方法将物理域转换至求解域，解决了带地形模型的三维正演[5]；2003年，王华军利用有限单元法实现 2.5维瞬变电磁法正演模拟[6]；2006年，熊彬实现了电导率均匀分块的2.5维有限元模拟[7]；2011年，李建慧博士采用矢量有限元法进行中心回线瞬变电磁场的数值模拟[8]。
