發布時間：2021-05-15所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要地空電磁法已經成為深部資源勘探的重要地球物理方法，但對頻率域地空系統的三維多源電磁響應特征研究較少.本文設計了多種激勵源組合方式，采用非結構化有限元數值模擬方法，對三維地電模型的空中垂直磁場的響應特征進行了研究.首先推導了基于電場的雙旋
摘要地空電磁法已經成為深部資源勘探的重要地球物理方法，但對頻率域地空系統的三維多源電磁響應特征研究較少.本文設計了多種激勵源組合方式，采用非結構化有限元數值模擬方法，對三維地電模型的空中垂直磁場的響應特征進行了研究.首先推導了基于電場的雙旋度公式及其變分形式，加入罰項以減少偽解的影響.接著把有限元稀疏矩陣方程轉換為頻率的函數，采用Krylov子空間投影方法，通過模型降階算法降低稀疏矩陣的階數，實現多頻點的快速計算.建立了三維低阻體模型、高阻體模型以及兩個相鄰低阻體模型，分別采用單源、雙源、三源和四源激勵模式，從垂直磁場的總場、二次場響應和全域視電阻率等方面進行分析比較.結果表明：多源地空電磁法不僅可以增加總場的強度，而且可以改變異常體的二次電磁響應分布規律.各電偶源延長線呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激勵模式在增強信號強度以及削弱異常體的邊界效應方面具有一定的優勢，是一種優化的多源激勵方式.
關鍵詞地面電性源;地空電磁系統;多源;電磁響應;數值模擬
0引言
傳統的地面電磁法(包括可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法等)是資源探查的重要手段，特別是在礦產資源及環境工程領域發揮了重要的作用(底青云等，2019;Xueetal.，2020).隨著“十三五”國家“四深”發展戰略的提出，地球深部礦產資源的精細化探測提上日程，迫切需要發展新的技術方法.多道瞬變電磁法、廣域電磁法、短偏移距瞬變電磁以及地空電磁法等一批新的探測技術應運而生(陳衛營等，2016;薛國強等，2020;Jietal.，2016).地空電磁法融合了地面電磁法大功率發射和無人機空中快速非接觸式采集的雙重優點，能夠進入地形復雜區域開展大深度資源勘探，近年來成為地球物理電磁法研究的熱點(Allahetal.，2013，2014;李貅等，2015;張瑩瑩和李貅，2017;Xueetal.，2018;Wuetal.，2019).該方法與無人機飛行平臺相結合，有利于在中小區域開展大深度地下結構精細探測.相對于地面和航空電磁法，更加經濟、安全和便捷，因此具有廣闊的市場前景和應用價值.
地空電磁法的發展最早可追溯到20世紀70年代，加拿大TURAIR系統研制成功并用于安大略湖北部金屬硫化礦的探測(Pembertonetal.，1970;BosschartandSeigel，1972).該系統采用地面大回線作為發射源，在近空區域測量特定頻率下兩個水平線圈或正交線圈的磁場比值以及相位差，發射功率可達15kW，探測深度可達到200m.90年代后期，一系列新的地空儀器設備相繼出現，包括澳大利亞的FLAIRTEM系統，加拿大的TerraAir系統和日本GREATEM系統f621(Elliott，1998;Mogietal.，1998).這幾種設備采集方式都是觀測一次場關斷后瞬變電磁響應，解釋仍然采用地面回線源的解釋方法，只是前兩種系統仍然采用大回線發射源激勵，GREATEM系統采用地面電性源激勵方式.進入21世紀，Smith等(2001)對地面、地空和航空瞬變電磁系統進行了對比研究，系統分析了三種方法的噪聲水平和探測效果.結果表明：地空電磁系統的探測深度和數據質量均優于航空電磁系統，僅次于地面電磁系統.此后，電性源地空系統GREATEM先后用于火山區和海岸帶地電結構探測，深度可達800m，成為一種重要的深部電磁勘探方法(Mogietal.，2009;Itoetal.，2011，2014).德國BGR研究所(Nittingeretal.，2017)也推出了一套頻率域地空電磁探測系統，并成功應用于金屬礦探測中.目前地空電磁系統的研究主要以單輻射源為主，大量的研究集中在儀器研制和信號的去噪方面(嵇艷鞠等，2013;Wangetal.，2013;Quetal.，2017;Lietal.，2017;劉富波等，2017;Yuanetal.，2019).由于地空電磁法接收信號干擾較大，單源發射功率有限，探測深度和測量范圍都會受到限制，因此，迫切需要發展地空多源電磁勘探系統和方法.
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多源勘探概念最早應用在直流電阻率法中，Bibby(1986)提出多源測量模式并引入電阻率張量，該方法克服了視電阻率對目標體位置和方向的依賴，減少了單源測量結果的“假異常”現象，證明多源測量能夠獲得更可靠的信息.Caldwell和Bibby(1998)在長偏移距瞬變電磁(LOTEM)勘探中提出了多源瞬時電阻率張量，保留了直流電阻率張量的許多有用性質，特別是在地下三維電阻率分布情況下，許多解釋技術可以應用于時間域電磁數據.90年代初，阻抗張量和傾子矢量被引入到地面可控源電磁測量中(LiandPedersen，1991)，該方法一般采用兩個相互垂直的激勵源，分別從不同的方向激勵，兩個源單獨工作，能夠獲取更加豐富的地電信息，解釋結果更加可信，后來進一步得到發展(Caldwelletal.，2002).席振銖等(2011)研究了正交磁偶源電磁場分布規律，實現了可控源高頻大地電磁張量測量;王顯祥等(2014)等研究了“L”型源的各分量表達式，設計了一種新的信號發射模式，實現了全張角范圍內測量，顯示了張量可控源方法的優勢.
近年來，多源地空電磁系統的研究也逐漸受到了重視，李貅等(2015)提出了多輻射場源的全域視電阻率定義方式，不僅提供了一種定性直觀的解釋方法，也為三維多源地空瞬變電磁的發展提供了理論依據.Zhou等(2018a，b)年提出頻率域多源電磁探測方法，主要從儀器的研制、激勵信號的同步以及多源之間的相互影響等方面進行了研究，表明多源地空電磁勘探具有廣闊的發展前景.因此，需要進一步從三維角度對多源電磁響應進行模擬和分析.目前地球物理電磁法三維數值模擬主要集中在單激勵源或被動源三維模擬方面(李建慧等，2016;Renetal.，2013，2014;殷長春等，2017)，多源頻率域地空三維電磁響應特征研究比較少，特別是全域視電阻率分布特征和規律.
本文采用多源三維有限元數值模擬方法，從多源輻射角度出發，設置了雙源、三源以及四源輻射方式，建立了低阻體、高阻體模型以及兩個低阻體模型，分別從總場、二次場以及視電阻率參數等方面對不同發射源模式進行分析，總結每種源的電磁響應和全域視電阻率特征，為實際選擇多源輻射方式進行地空電磁勘探提供理論基礎.
1多源頻率域地空系統
地空頻率域電磁探測方法是采用地面布設發射源，空中測量垂直磁場響應的工作模式.該方法由吉林大學教授林君提出，其儀器(GAFEM)已經研制成功，采用偽隨機發射波形，在一些老礦區進行了野外試驗，取得了良好效果.單輻射源能量有限，信號強度弱，加之受運動噪聲的影響，信噪比和探測深度都會受到一定的影響.多場源激勵可改變空間磁場分布，提高信號強度，擴大觀測區域，提高信噪比.通過多場源不同角度和不同方向激勵，可加強發射源與目標體的耦合程度，改善對目標體的分辨率(圖1).頻率域地空電磁法測量空中磁場垂直分量，不再測量電場分量，場的特征和解釋方法完全不同，地面的處理解釋方法不再適用.因此，必須基于空中磁場分量，研究三維地電模型的電磁場空間分布特征和新的解釋方法.
4結論
本文采用基于電場雙旋度方程的非結構化節點有限元方法，成功實現了多源地空電磁響應特征的模擬和分析.通過Krylov子空間模型降階技術大大降低了大型稀疏矩陣的維度，然后直接求逆矩陣便可得到傳遞函數，進而求得多頻電磁方程的解.采用均勻半空間和層狀模型，通過和一維解析解進行對比，驗證了本文算法的正確性和有效性.通過泰勒級數展開取線性主部的迭代算法計算多源激勵的全域視電阻率，并將其應用于三維地下介質的定性分析解釋.三維地電模型的多源電磁響應分析表明：對于單個常體，一般單源激勵會在靠近源的一側出現高視電阻率，遠離源的一側出現低視電阻率;而對稱的三源或四源激勵模式可削弱場在邊界上的響應，其全域視電阻率特征相對簡單，和地下介質電性分布較吻合，這對于尋找淺地表獨立的目標體，如未爆炸的炮彈、地雷等是有利的.對于鄰近兩個低阻異常體，多源激勵模式不僅能夠增加信號的強度，而且能夠提高橫向分辨率.實際地下介質的電性變化非常復雜，多源激勵的電磁響應及全域視電阻率可為定性解釋提供參考，精細化的解釋將進一步依賴于地空三維電磁反演方法的發展.——論文作者：張繼鋒1，劉寄仁2，馮兵1*，董巖1，鄭一安1
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