电源短偏移距瞬变电磁理与应用
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作者薛国强,陈卫营,武欣
出版社中国科技出版传媒股份有限公司
ISBN9787030725370
出版时间2021-06
装帧精装
开本其他
定价298元
货号11660642
上书时间2024-06-21
商品详情
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目录
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序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究SOTEM方法的意义 1
1.2 国内外研究现状和发展动态 4
1.3 本书主要内容7
第2章 瞬变电磁法理论基础 9
2.1 电磁场基本方程 9
2.1.1 麦克斯韦方程组与物理量 9
2.1.2 波动方程 11
2.1.3 时域电磁场基本定理 12
2.2 瞬变电磁法基本原理 13
2.3 磁性源瞬变电磁场 16
2.3.1 重叠回线公式 16
2.3.2 中心回线公式 17
2.3.3 大定源回线理论公式 18
2.4 电性源瞬变电磁场 20
2.4.1 均匀半空间 20
2.4.2 层状大地 22
2.5 电性源瞬变电磁场传播特性 26
2.5.1 地下感应电流扩散特性 26
2.5.2 地面电磁场分布特性 27
2.5.3 地下瞬变场扩散特性 33
2.5.4 典型地电断面响应特性 37
第3章 电性源短偏移距瞬变电磁探测机理 44
3.1 电性源短偏移距瞬变电磁概述 44
3.2 近场信号学分析 45
3.3 地层波与地面波 49
3.4 MTEM探测机理分析 51
3.5 SOTEM探测能力分析 57
3.5.1 近源时域探测机理 57
3.5.2 探测灵敏度分析 58
3.5.3 探测深度分析 61
3.5.4 信号强度分析 62
3.6 SOTEM与回线源TEM对比 63
3.6.1 信号强度对比 63
3.6.2 探测灵敏度对比 64
3.6.3 探测深度对比 66
第4章 电性源瞬变电磁三维正演方法 67
4.1 时域矢量有限元 67
4.1.1 有限元的基本原理 67
4.1.2 变分求解 69
4.1.3 单元分析 70
4.1.4 单元合成 72
4.1.5 方程组求解 74
4.1.6 程序验证 76
4.2 时域有限差分法 78
4.2.1 控制方程及其差分离散 79
4.2.2 Yee网格与麦克斯韦方程组的有限差分表示 80
4.2.3 空气层的处理 88
4.2.4 卷积接近匹配层吸收边界条件 89
4.2.5 时域有限差分算法验证 96
第5章 SOTEM三维响应特性 100
5.1 SOTEM三维响应特征 100
5.1.1 模型建立与计算 100
5.1.2 模拟结果分析 101
5.2 地形影响分析 134
5.3 场源影响分析 139
5.3.1 场源方位影响 139
5.3.2 场源阴影效应 144
5.3.3 场源复印效应 151
5.4 多源多极化激励系统 154
5.4.1 单源多方位激励 155
5.4.2 多源多方位激励 156
第6章 SOTEM施工方法 167
6.1 野外施工概述 167
6.2 观测区域的选择 167
6.2.1 Bz和Ex场值平面分布 168
6.2.2 Bz和Ex灵敏区域分布 169
6.3 装置类型选择 170
6.4 测线测点布置 171
6.5 工作参数的选择 173
6.6 基于V8系统的SOTEM数据采集方案 178
第7章 SOTEM数据处理 180
7.1 视电阻率计算 180
7.1.1 早、晚期视电阻率 180
7.1.2 全期视电阻率 183
7.1.3 感应电压转化为磁场 189
7.2 一维快速成像方法 191
7.2.1 一维等效源法 191
7.2.2 拟MT成像方法 198
7.3 一维反演方法 203
7.3.1 反演概述 203
7.3.2 阻尼最小二乘反演方法206
7.3.3 截断广义逆矩阵反演方法（TSVD） 211
7.3.4O ccam反演方法 215
7.3.5 自适应正则化反演方法 219
7.4 拟二维横向约束反演 221
7.4.1 反演原理 221
7.4.2 模型试算 222
7.5 多分量数据联合反演 224
7.5.1 反演原理 224
7.5.2 模型试算 225
7.6 SOTEMsoft数据处理软件介绍 227
7.6.1 SOTEMsoft功能与特点 228
7.6.2 SOTEMsoft应用效果 230
第8章 SOTEM应用实例 235
8.1 河南叶县SOTEM试验与盐溶探测 235
8.1.1 试验介绍 235
8.1.2 试验内容与结果 236
8.1.3 全期视电阻率与反演结果 239
8.1.4 岩盐溶腔探测 240
8.1.5 试验结论 244
8.2 山东华丰煤矿深部富水性调查 244
8.2.1 测区概况 244
8.2.2 数据采集 246
8.2.3 资料解释 247
8.3 安徽霍邱铁矿探测 257
8.3.1 测区概况 257
8.3.2 方法与工作布置 259
8.3.3 探测成果对比 260
8.4 河北围场银窝沟铜多金属矿探测 265
8.4.1 测区概况 265
8.4.2 数据采集 266
8.4.3 数据处理与解释 267
8.4.4 成果及验证 269
8.5 崤山矿集区金多金属矿探测 271
8.5.1 测区概况 271
8.5.2 数据采集与处理 274
8.6 陕西韩城深部煤层含水性调查 275
8.6.1 测区概况 275
8.6.2 试验与数据采集 277
8.6.3 数据处理与成果评价 279
8.7 河北顺平城市活断层探测 281
8.7.1 工作布置 281
8.7.2 参数试验 282
8.7.3 数据处理与解释 282
8.8 安徽桃园煤矿含水体探测 286
8.8.1 测区概况 286
8.8.2 数据采集 286
8.8.3 数据处理 288
8.8.4 探测成果 290
第9章 地-井SOTEM 293
9.1 方法介绍 293
9.2 地下电磁场扩散特性 295
9.3 响应特性分析 299
9.4 地表地质噪声影响分析 303
9.5 探测能力分析 307
9.6 一维反演 313
第10章 SOTEM研究展望 317
10.1 SOTEM专用装备研发 317
10.2 地质结构约束的反演和多元信息融合 318
10.3 SOTEM拟地震成像 319
10.4 SOTEM的多场景拓展 319
参考文献 322
内容摘要第1章绪论
在进行瞬变电磁法勘探时，通常利用不接地的中心回线装置（central loop TEM），可实现同点探测（零偏移距观测）。而对接地导线源装置，则采用长偏移距瞬变电磁方式进行观测。本书作者所提出的电性源短偏移距瞬变电磁法（SOTEM），则是采用较小的偏移距观测模式，实现接地导线源瞬变电磁法的近源区测深。本章首先介绍SOTEM的研究意义，以及与SOTEM相关的几种电磁探测方法原理，然后分析了国内外的研究现状。最后列出本书各章的主要研究内容。
1.1研究SOTEM方法的意义
随着国民经济的快速发展，我国正面临资源紧缺的严重压力，铜、铁、钾等对外依存度达60%~85%。经过近几十年开发，浅部矿产资源已大幅减少，很多矿山可开采的潜力严重不足，成为制约我国经济发展的瓶颈。向地球更深处的“第二空间”（500~2000m）进军已成为当前国家矿产资源勘探开发的主要战略。同时，煤矿开采、重大工程建设、城市地下空间开发、地热资源调查等领域涉及的目标体埋深越来越大，面临的地质、地貌、人文环境也日趋复杂。如何实现大深度、高精度的地球物理探测，为上述资源、工程领域提供有力支撑，是勘探地球物理行业面临的关键挑战之一。
由于具有勘探深度大、不受高阻层屏蔽、成本低、效率高等优点，电磁法已成为深部找矿中最常用的地球物理方法。电磁法中的一个重要分支是时间域电磁法，也称作瞬变电磁法，它是利用不接地回线（磁性源）或接地线源（电性源）向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次感应场的方法（朴化荣，1991；李貅，2002；牛之琏，2007）。时间域电磁法可以在距离发射源很近的区域实现大深度的探测，并可以实现频率域电磁法无法实现的同点观测。时间域电磁法是近年来发展很快的电法勘探分支方法，在国际上有人称作是电法的“二次革命”。目前瞬变电磁法已广泛应用于金属矿勘探、构造填图、油气田、煤田、地下水、冻土带、海洋地质、水文工程地质及工程检测等方面的研究。
按照发射源的性质，可将瞬变电磁法分为磁性源瞬变电磁法和电性源瞬变电磁法。其中磁性源瞬变电磁法以不接地回线为发射源，在框内或框外测量垂直磁场或其随时间的变
化率（感应电压）。磁性源瞬变电磁法的装置类型众多，常用的有重叠回线、中心回线、大定回线等。由于具有无须接地发射、信号高阻穿透能力强、与异常耦合性高、施工方便等优点，磁性源瞬变电磁法的各种装置已成为瞬变电磁法的主要工作形式。但是水平线圈形式的发射源在地下仅能产生水平向的感应电流，导致磁性源瞬变电磁法仅对低阻目标体敏感，另外回线源的对称性使场有相互抵消作用，能量在地层中衰减较快，因此磁性源瞬变电磁装置多用于几十米至几百米的中浅深度的勘探。虽然通过增大发送磁矩和提高接收传感器性能，可以达到更大的勘探深度，在特定地质条件下实现深度1000m左右的探测（薛国强，2013），但是付出的工作成本和劳动强度也相应大幅度增加。
目前，电性源瞬变电磁法的主要工作形式为长偏移距瞬变电磁法。LOTEM采用了与可控源声频大地电 磁法 (controlled source audio-frequencymagnetotelluricmethod,CSAMT)
类似的装置形式（图1.1），即在大于4倍探测深度的偏移距范围内观测电磁场响应，实施的是远源观测。该方法在大幅度地提高施工效率的同时，又保留了对高低阻目标体的良好反映。
LOTEM工作时一般采用长度为2~4km的接地导线为发射源，并在发射源供以不关断的双极性方波电流（Strack，1992）。这种波形电流对于LOTEM有很多优点，一方面充分利用了波的能量（一个周期可以利用两次电流供电）以达到最大的发送磁矩；另一方面连续的供电保证了大偏移距观测时的信号强度。接收装置一般位于离发射源3~20km的扇形区域内，通常采用两组电极观测水平电场或者用水平线圈观测垂直磁场产生的感应电压，可以实施单点测量也可以实施多道同时测量。接地线源在地下可以产生水平向和垂直向两个方向的感应电流，因此LOTEM对地下高阻和低阻目标层都有良好的反映，在大深度的地壳研究、油气藏勘查、地热调查等勘探中发挥着重要作用。
在LOTEM的基础上，近些年国内外又发展起来一种新型的电磁法工作装置，称为多通道瞬变电磁法(multi transient electromagneticmethod,MTEM)（Wright,2003;Ziolkowskiet al.，2010；底青云，2019，2020），该方法由英国爱丁堡大学提出。
首先由系统产生的宽带编码波形对大地进行激励，通过观测阵列（图1.2），使每一个测点都可以记录多个不同偏移距的大地响应，探测深度由发收距离决定。是一种几何测深的近源装置观测，故装备复杂，主要用于平原地带找油和海洋勘探。
通过以上分析可知，针对我国矿产资源短缺，危机矿山众多的现状，必须加快深部矿产勘探。发展新的理论、方法和技术，提高探测深度和探测精度，对实现深部矿产的高效探测具有重要意义。
精彩内容
本书是作者在多年研究基础上完成的详细介绍电性源瞬变电磁法的专著。主要内容包括：一维介质模型下电性源瞬变场计算与特性分析，视电阻率计算，一维反演，长偏移距瞬变电磁法（LOTEM）的施工方法及数据处理，短偏移距瞬变电磁法（SOTEM）的施工方法及数据处理，应用实例。
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