瞬变电磁法圆锥型场源响应特征理论研究

摘要

传统地面大尺寸瞬变电磁激发源常用于以深部探测为目的的水文地质勘查和金属矿勘探等领域。随着瞬变电磁法的应用范围不断扩展至煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测，常规大尺寸激发源受到限制，小型装置成为常用的工作装置。传统的瞬变电磁小型装置主要以共轴和偶极装置为主，为增强发射的初始电磁能量，通常采用多匝绕制的方法来增大发射磁矩，以此达到减少发射线圈边长与面积的目的。但是，这种发射和接收线圈的重合绕制方式造成了线圈内和线圈间的强互感耦合作用，进而使得关断效应影响增强，浅部“盲区”增大。为此，本文从场源角度出发，提出了一种圆锥型场源装置，对其响应特征开展了理论研究。　　推导了该装置内各匝线圈半径的计算公式，根据叠加原理的思想讨论了圆锥型场源瞬变电磁的正演方法，应用快速汉克尔变换，G-S变换及正、余弦变换数值滤波算法进行了数值计算。对圆锥型场源一次场、二次场特征进行了分析，计算并比较了不同参数下圆锥型场源和多匝线圈的互感系数和关断时间。研究发现：对于等效磁矩为926.1Am2的多匝回线和圆锥型场源，前者的互感约为后者的9倍，关断时间约为后者的8倍；增大圆锥型场源的高度可减小互感系数，但其底半径的进一步变化对互感影响有限；圆锥型场源一、二次场特征与多匝线圈相似，但其二次场和总场暂态响应强于多匝线圈。　　应用平移算法求取了圆锥型场源瞬变电磁的全区视电阻率，根据瞬变电磁场传播的―烟圈效应，对圆锥型场源瞬变电磁数据进行了―烟圈反演；采用对应的时间-频率转换关系进行了圆锥型场源瞬变电磁测深数据到MT平面波场数据的等效转换，以―烟圈反演结果作为初始模型，应用最小二乘正则化反演技术对圆锥型场源全区视电阻率数据进行了拟MT优化反演；以电阻率为100Ω·m的均匀半空间模型对两种反演方法进行了验证，结果表明改进后的反演电阻率与模型电阻率的相对误差约为0.2％，而―烟圈反演的相对误差超过0.8％，并在此基础上对二层、三层和四层典型地电模型开展了正反演计算；最后，在某矿集区开展了短剖面试验，并采用两种反演方法对实测数据进行了处理。研究结果表明：用最小二乘正则化方法改进后的反演电阻率更接近于模型电阻率，反演深度更接近层界面，具有一定的分层效果，其视电阻率拟合曲线与模型的重构误差在10-4~10-3范围内。　　本文的研究成果表明，圆锥型场源装置对于减弱线圈间的互感，提升小装置瞬变电磁法的浅部探测能力具有重要的理论意义和应用价值。为了继续丰富、完善本方法，今后的研究重点应集中于圆锥型场源响应的后延影响改正，滤波技术适用性以及多维正、反演成像等领域。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 创新点

2 圆锥型场源瞬变电磁一维正演理论

2.1 圆锥型场源装置理论模型

2.2 频率域响应及汉克尔变换

2.3 频率域向时间域的转换

2.4 小结

3 圆锥型场源瞬态响应的正演模拟

3.1 不同观测参数条件下的瞬态响应特征

3.2 不同地电模型的瞬态响应特征

3.3 拟二维正演模拟

3.4 小结

4 圆锥型场源的优越性分析

4.1 均匀全空间中圆锥型场源的一次磁场特征

4.2 均匀大地表面圆锥型场源的二次磁场特征

4.3 互感系数与暂态过程

4.4 小结

5 数据处理与反演

5.1 视电阻率计算

5.2 一维反演

5.3 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的成果