瞬变电磁法中大电流小中心回线与大定源回线两种观测方式的对比

引用本文

田卫东. 瞬变电磁法中大电流小中心回线与大定源回线两种观测方式的对比[J]. 物探与化探, 2015,39(3): 558-561.
TIAN Wei-Dong. A comparative study of TEM measurement mode on small size central loop with large current and large loop[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(3): 558-561.
Doi:10.11720/wtyht.2015.3.20 复制到剪切板

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《物探与化探》编辑部

瞬变电磁法中大电流小中心回线与大定源回线两种观测方式的对比

田卫东

山西省煤炭地质水文勘查研究院,山西太原 030006

作者简介: 田卫东(1968-),男,工学学士,物探工程师。

收稿日期: 2014-03-18

摘要

对瞬变电磁法“小线框大电流”观测方式进行了研究。对小线框中心点处激发场(一次场)强度随深度的变化进行了计算,并和大定源回线进行对比;计算了小线框的关断时间,并和大定源进行对比;以实际地层为例,设定模型,计算了理论勘探深度;最后对实验线的应用效果进行了分析。研究结果表明,小线框观测方式完全可以满足常规勘探要求,并在缩小浅层盲区范围和方便施工等理论及实际应用方面具有明显的优势。

关键词: 瞬变电磁法; 中心回线; 关断时间; 探测深度; 观测方式; 视电阻率

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)03-0558-04

A comparative study of TEM measurement mode on small size central loop with large current and large loop

TIAN Wei-Dong

Geological Prospecting Department, Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology,Taiyuan,Shanxi 030006,China

Abstract

Some work has been done for the measurement mode study of TEM with large current and small size central loop: First, the intensity of stimulating field which changes with the depth was calculated, and a comparison was made with fixed loop; Second, the cut-off time was figured out, followed by a comparison with that of the fixed loop; Third, the model was set as the real layers and theoretical prospecting depth was calculated. Then, the data of the test line were also analyzed. It is concluded that TEM with small size central loop could completely satisfy the requirement of conventional prospecting. TEM of small central loop with large current has obvious advantages in theoretical and practical application, such as reduction of shallow layer dead zone and easy construction.

Keyword: TEM; central loop; cut-off time; prospecting depth; apparent resistivity

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瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线或接地线源供电在地下建立稳定一次磁场, 在供电关断瞬间磁脉冲在地下激发向下向外扩散的二次涡电流, 在地面接收涡电流产生的感生磁场强度或感生电动势, 这是随延迟时间逐渐衰减并反映地下不同深度电性结构的二次场, 正是利用二次场随时间变化的规律解释地下地质结构和构造。其探测效果和探测深度 $\begin{matrix} ^{[13]} \end{matrix}$ 受各种因素的影响, 如发射磁偶极矩、电磁脉冲的频谱、目标层或目标体的大小及电性、信号与各种噪声的分离程度等^[4]。

为适应复杂地形与地质条件, 瞬变电磁法最佳观测方式的选择一直是人们研究的热点问题, 其原则是兼顾理论上的可行性与野外应用的便捷性。20世纪90年代兴起的一种中心小回线 $\begin{matrix} ^{[56]} \end{matrix}$ 观测方式, 即采用大电流“ 小线框” (这里的“ 小线框” 是指比常规中心回线具有更小尺寸的发射线框, 后面会有具体参数)作发射源, 逐渐引起了人们的重视。这种观测方式受到了较多的争议。经过相关分析, 笔者认为这种观测方式可以满足常规勘探要求, 并且在某些方面具有一定的优势。

1 工作原理及模拟计算

简单地说, 瞬变电磁法是依据法拉第电磁感应原理, 将发射的磁脉冲在地下激发的涡流感应到地面的线圈转换为电信号, 以提供各种地质信息。其探测深度的简单推演^[2]以均匀全空间导电媒质中, 阶跃脉冲激励的似稳电场公式

$\begin{matrix} e_{x} = - \frac{1}{2} \sqrt[]{\frac{μ_{0}}{π σ_{1} t}} \exp (- \frac{μ_{0} σ_{1}}{4 t} z^{2}) u (t) \end{matrix}$

为出发点(见图1)。式中:t为观测时间; μ ₀为真空磁导率, 可视为大地磁导率(设大地为非磁性的); σ ₁为大地的电导率; z为场点到源点的距离。

保持上式中的z不变, 令其对时间的导数等于零, 有

$\begin{matrix} δ_{TD} = \sqrt[]{2 t / (μ_{0} σ_{1})}, \end{matrix}$

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	图1 阶跃脉冲在地中不同距离处的瞬态响应

δ _TD便是给定时间阶跃脉冲峰值到达的深度, 即通常称谓的扩散深度, 可用来衡量TEM的探测深度。显然, TEM扩散深度与中心回线装置大小无关。

图2是二维模拟发射线圈大小不同的计算结果^[7], 图2a中-I和+I之间距离是600 m, 图2b中的此距离为10 m。可以看出, 场在同样的时间内到达的深度与回线大小无关, 但大回线的信号强度较大, 有利于观测, 属于问题的条件, 这是可以改变和创造的。为了解决这个问题, 小发射回线的TEM装置需要配备大功率的发射机和较大等效面积的探头, 从这两方面保证有足够的二次场衰减信号可供采集, 就可探测更大的深度。

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	图2 不同尺寸发射回线的瞬变电场等值线剖面^[7]

2 实际相关影响因素的分析

2.1 激发场一次场信号强度的变化

为保证工作的有效性, 首先对该装置产生的激发场^[8](一次场^{[9, 10]})强度进行计算, 并和常用的大定源回线(以边长300 m, 电流8 A为例)产生的一次场强度进行对比。计算公式为^[11]

$\begin{matrix} B = \frac{2 μ_{0} Il}{π (l^{2} + 2 h^{2}) \sqrt[]{l^{2} + 4 h^{2}}}, \end{matrix}$

式中:μ ₀为真空磁导率; I为发射电流, 单位A; l为线框边长, 单位为m; h为深度, 单位m。

图3给出了小线框和常用线框在中心点处产生的一次场随深度变化的结果对比。由图可知, 小线框也可产生较强的信号, 与大线框相比, 相差1~2个数量级; 但在地下100 m以后, 小线框产生的信号同样维持在较稳定且缓慢衰减的水平。

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	图3 不同线框产生的一次场对比

2.2 关断时间

小线框在关断时间 $\begin{matrix} ^{[1215]} \end{matrix}$ 方面有着绝对的优势, 而本次实验工作所研究的是5 m× 5 m的小线框装置, 来自发射线框的关断延时极小, 甚至可忽略不计, 进而最大程度地缩小了浅部盲区。产生的关断延时由t_of=2C⁵^/⁴/(5+0.26C)确定(C为发射线框的周长)^{[6, 11]}, 函数图像见图4。

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	图4 发射线框关断时间随边长的变化

经计算, 5 m× 5 m的小线框关断时间为8.29 μ s, 300 m× 300 m的大线框关断时间为44.56 μ s, 数据均符合仪器参数指标。可以看出, 小线框在减小浅部探测盲区具有明显的优势。从相关图件可直观看出, 本次实验采用的小线框观测装置, 探测盲区约为20 m(图5), 而于生宝和嵇艳鞠对大线框的关断时间进行了详细计算, 为50 m左右^{[17, 18]}, 我们常用的大线框观测装置的探测盲区通常可达50 m以上。显然小线框缩小探测盲区的效果明显。

从以上分析可以看出, 小线框激发信号强度虽然不具优势, 但深度300 m范围内信号较强, 基本可以满足要求; 而小线框的关断时间明显具有优势, 极大地减小了探测盲区。

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	图5 中心线框探测视深度随平均电阻率的变化曲线

2.3 探测深度

蒋邦远在《实用近区磁源瞬变电磁法勘探》^[4]一书中, 经过讨论各种定义的深度和模型计算, 得出视深度比较适用中心回线探测深度的计公式

$\begin{matrix} d_{e} = 20.2 (m_{T} {ρ)}^{\frac{1}{5}}, \end{matrix}$

其中:m_T为发射线框的磁矩, 用m_T=IL²计算; ρ 为平均电阻率(可取ρ _n或ρ _t)。带入相关数据, 绘制d_e随ρ 变化的曲线(图5)。

对平均电阻率计算, 本次勘探地层模型见图6, 各层参数见表1。

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	图6 地层的电阻率模型

表1 地层模型参数

模型的平均电阻率采用纵向电阻率进行计算, 相关公式^[19]为

$\begin{matrix} ρ_{n} = \frac{ρ_{1} h_{1} + ρ_{2} h_{2} + \dots + ρ_{6} h_{6}}{h_{1} + h_{2} + \dots + h_{6}} 。 \end{matrix}$

经计算, 该地层模型平均电阻率为156.3(Ω · m), 在图5中对应理论勘探深度为342.8 m, 和大线框的常规勘探深度相近, 满足一般勘探要求。

3 野外实验及效果分析

本次瞬变电磁法实验工作采用TEM-6型大功率瞬变电磁仪, 野外数据采集使用5 m× 5 m的单匝方形发送回线, 供电电流360 A左右; 接收使用中心探头(T50-等效面积为100 m²)装置进行。

在实验区布置两条测线, 以其中1条为例进行说明(图7)。该区可采煤层为两层(2^#和5^#), 均有采空, 由图7可以看出, 沿煤层已知采空处均表现为高阻, 位置对应较好, 且勘探深度达到300 m, 与模型的理论计算相符, 基本满足勘探要求, 且对于双层采空的分辨率较好。

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	图7 实验1线电阻率剖面

4 结论

通以360 A电流的5 m× 5 m的小线框, 产生的激发场(一次场)信号强度与通常的大定源回线(电流8 A、线框尺寸300 m× 300 m)相比, 相差1~2个数量级, 但在100 m深度后, 小线框信号衰减缓慢, 维持在一个较稳定的范围。

小线框和大线框的关断时间分别为8.29、44.56 μ s, 对应于实测数据产生的浅部盲区范围分别为20 m和50 m左右。

以实际地层信息设定模型, 进行计算, 由对应的函数曲线可知, 理论反演深度可达342.8 m。

以上理论计算在实测中都得到了验证, 并且与实测数据及反演结果基本相符, 进一步验证了瞬变电磁法采用通以大电流的小线框的中心回线观测方式的可行性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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2004

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薛国强. 论瞬变电磁测深法的探测深度[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(5): 575-578.

The temporal procedure of equivalent circuit of transient electromagnetic transmitter loop is analyzed in the paper,the theoretical expressions of amplitude of loop self-induction signal is deduced,which considered that the attenuation of loop self-induction signal is not only relative to time,but also to the material of equivalent loops;the amplitude and time-decay scope of self-induction signals with different loop sizes are computed,which obtained the conclusion that there is the minimum depth when using transient electromagnetic method for sounding survey.The transient electromagnetic method has a maximum depth because of continuous attenuation by transmission of electromagnetic signal in underground.The paper gave the method and evaluation results for evaluated min and max sounding depths by using transient electromagnetic sounding in the conditions of common equipments (different coil sizes and different medium resistivity) and typical geoelectric scenario.The resulted transient electromagnetic sounding depths played a guide role in field production.

文中分析了瞬变电磁发送线圈等效回路的暂态过程,得出线圈自感信号振幅的理论表达式,认为线圈自感信号的衰减不仅与时间有关,而且与等效回路的材料有关;计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间范围,得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个最小深度的结论.由于电磁信号在地下传播时不断衰减,瞬变电磁测深法有一个最大探测深度.对大小不同的线框和不同介质电阻率等常用装置及典型地电情况,给出了估算瞬变电磁能探测的最小和最大探测深度的方法及估算结果.得出的结论对野外生产具有指导意义.

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薛国强, 宋建平, 阎仕农, 等. 阎述. 大回线源瞬变电磁法最小探测深度的分析与估算[J]. 工程勘察, 2004(2): 63-65.

摘　要：由于线圈的自感耦合作用，使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性，分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程，得出线圈自感信号振幅的理论表达式，计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间范围，得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个不可分辨的“盲深度”。作者提出了不同线框大小和不同介质电阻率情况下，估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法并给出了估算结果。所研究成果对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础。同时得出的瞬变电磁最小探测深度的结论对野外生产工作具有指导意义。

... 其探测深度的简单推演^[2]以均匀全空间导电媒质中,阶跃脉冲激励的似稳电场公式 ...

2007

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王庆乙. 对瞬变电磁法回线边长决定探测深度的质疑[J]. 物探与化探, 2007, 31(4): 327-332.

The author queries in this paper the theory that the TEMS exploration depth depends on the strength of the loop's magnetic moment ( M=IL 2 ), and that under the circumstance of limited field source power, the depth will be effectively controlled by loop area. This paper holds that the opinions of "big loop area makes large depth" and "small loop area makes shallow layer " are not correct in that they are the results of applying the depth formula without considering the premise condition. The author thinks that the TEMS exploration depth is decided by frequency parameter of the field source, that the lower the frequency, the larger the exploration depth, and that enough magnetic moment is required to produce high signal-to noise ratio in the measurement.

质疑瞬变电磁法探测深度取决于场源磁矩( M=IL 2 )的强度,当电源能量一定时,改变回线边长就成为控制探测深度的有效措施;认为“大回线有大深度”、“小回线探测浅”等共识是不正确的,它是不计条件应用深度公式的误导.研究认为:瞬变电磁法的探测深度取决于场源含有的低频成分,基频越低,探测越深;磁矩只是决定探测结果的信噪比.

1998

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... 其探测效果和探测深度 13受各种因素的影响,如发射磁偶极矩、电磁脉冲的频谱、目标层或目标体的大小及电性、信号与各种噪声的分离程度等^[4] ...

... 3 探测深度蒋邦远在《实用近区磁源瞬变电磁法勘探》^[4]一书中,经过讨论各种定义的深度和模型计算,得出视深度比较适用中心回线探测深度的计公式 ...

2005

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陈明生, 闫述, 石显新. TEM法小回线装置探测大深度问题[C]//第七届中国国际地球电磁学术讨论会论文集. 成都, 2005.

本文仅指共中心装置瞬变电磁(TEM)法.按通常探测理论,TEM法探测深度和发射回线边长密切相关.有文献指出:采用共中心装置的TEM法探测时,应取回线边长等于或略大于0.5倍探测深度.这就是说,如探测100m深,回线边长应取50m.理论与实践证明,发射回线边长与探测深度的比例可大大突破,5m边长的回线可探测800m,甚至于更深,从而实现了小回线探测大深度,方便了山地及其它布置困难地区的施工,扩大了TEM法的应用范围.小回线真能探测那么深吗?回答是肯定的.笔者从两方面阐述小回线装置TEM法探测大深度问题。

2007

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阴建康, 闫述, 陈明生. 瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用[J]. 煤田地质与勘探, 2007, 35(3): 66-68.

瞬变电磁法的探测深度主要与观测时间有关.发射回线的尺寸主要是使信号具有一定的强度,以满足接收机灵敏度和信噪比的要求.当对小发射回线装置供以大电流时,同样可以得到和大发射回线相当的信号强度.大发射回线施工中的边缘效应是目前影响探测精度的原因之一,小发射回线装置避免了这个缺陷.云南、湖南和邢台等地的实际探测结果表明,小发射回线装置最大探测深度达800 m,资料解释结果与工程中的揭露、钻孔资料及地质资料一致.

... 26C)确定(C为发射线框的周长)^[6,11],函数图像见图4 ...

2007

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陈明生, 闫述, 石显新. 再论小回线瞬变电磁场法的探测深度[C]//第八届中国国际地球电磁学术讨论会论文集. 荆州, 2007.

瞬变电磁法的探测深度主要取决于二次场衰减时。对于阶跃源激励的平面电磁波,可在均匀全空间的条件下导出给定时间内阶跃脉冲到达深度的解析公式,此式只与观测时间和大地电磁参数有关。此外数值模拟的结果表明,当配备大功率的发射机和较大等效面积的接收线圈时,小回线装置也能达到与大回线装置相当的探测深度。贵州、山西等地小发射回线TEM探测实例,再次从理论与实际的结合上阐明了上述问题。

... 图2是二维模拟发射线圈大小不同的计算结果^[7],图2a中-I和+I之间距离是600 m,图2b中的此距离为10 m ...

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... 1 激发场一次场信号强度的变化为保证工作的有效性,首先对该装置产生的激发场^[8](一次场^[9,10])强度进行计算,并和常用的大定源回线(以边长300 m,电流8 A为例)产生的一次场强度进行对比 ...

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唐宝山. 瞬变电磁法中心回线装置一维正反演研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2008.

瞬变电磁法由于有许多其他方法不可比的特点,广泛应用于固体矿产、水、工、环等勘探领域。本文侧重实际,对中心回线装置下TEM的原理及资料处理进行了分析研究。首先,求解垂直磁偶极子响应,再沿大回线源积分的方式求解大回线源的一维瞬变响应。采用谱域变换法,在频率域求解时选用数字滤波法,在频率域到时间域变换时,采用了折线化正(余)弦变换算法。通过一维正演程序数值验算表明, dh /dt在晚期有振荡, h (t )响应精度高。并对水平分层结构中六类典型底层结构的响应进行计算分析。计算结果表明:TEM响应曲线的最大特点是,地层信息没有反映在响应曲线的特征点上而是反映在曲线形态的变化上,不同的曲线形态反映了不同的地层结构;当上部为高电导率地层是,TEM响应数据对下部地层反映不够灵敏。对一维瞬变电磁反演常用的“烟圈”法及最优化方法进行分析研究,结果表明:在对瞬变电磁资料进行处理时,宜综合应用这两类方法,以“烟圈”法进行快速反演,作定性解释,再在烟圈法反演的基础上采用最优化方法作精细反演。且编写了一维反演程序,给出模型分析了效果。

0.0

邓靖武. 磁电法正演理论研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2005.

磁电法是一种测量磁场的传导类电法勘探方法,它通过在传统电阻率法中将测量地面上两点之间的电位差改为观测磁场(总磁场强度和二次磁场强度)来分析异常分布规律并实现勘探目的。磁电法包括磁电阻率法和磁激发极化法。磁电法中观测的磁异常是由异常体中的传导电流引起,它主要取决于地质目标体的导电性和电化学作用。论文采用了有限差分数值模拟方法实现了磁电法的三维正演,并在正演模拟的基础上进行了相应的研究和探讨。通过正演模拟发现,磁电阻率法中的磁异常(即一次场或者是总场)幅值相对较大,而磁激发极化法中的异常场(即二次场)则小得多,二者在异常形态上不仅都能反映异常体的存在,而且在形态上与异常体——围岩之间相对高阻或相对低阻有较好的对应关系,但是从相对幅值上考虑,二次场与一次场(或者总场)的悬殊很大,这一点在实际工作中直接测量磁极化率时应该予以考虑。论文还根据数值模拟结果讨论了高、低阻屏蔽层的影响和区分组合异常的问题。在异常体上方存在局部的高阻屏蔽层时,由于高阻层对电流分布的影响会导致异常体内电流增大,从而产生的磁异常也会增大。而当高阻屏蔽层在平面上趋于无限大而且埋深较大时,这时因进入异常体的电流很小,甚至趋于零,所以地面上观测不到异常体产生的磁异常。在异常体上方存在低阻屏蔽层时,由于低阻层会吸引电流,从而导致通过异常体的电流减少,因此异常的幅值也会受到较大的影响。另外,在区分组合异常体方面,当组合异常体中异常单元与围岩之间有相反的电阻率差异,即相对高阻或相对低阻时,磁电法可以清晰地区分组合异常体,当异常单元与围岩之间电阻率差异相同时,磁电法则没有优势可言。因此,利用磁场强度来区分组合异常体需要结合异常体与围岩之间电性差异来考虑。

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裴建国, 刘鸿福. 瞬变电磁法圆形和方形线框发射效果的比较[J]. 石油地球物理勘探, 2012, 47(增刊1): 156-161.

通过对电磁感应和瞬变电磁勘探技术基础理论的研究，设定了四种等周长的发射线形框模型（三种不同长宽比的矩形线框和一种圆形线框），进行对比发现，对于瞬变电磁法大定源回线和中心回线装置，在发射功率和发射电流不变的情况下，采用等周长的圆形发射线框，在相同的探测深度具有较强的信号强度；当深部信号衰减到被噪声湮没而不能被识别时，圆形框对应较大的探测深度；并且，圆形框关断时间受线框尺寸变化的影响较小。总体说圆形框具有更多优势。

... 计算公式为^[11] ...

... 26C)确定(C为发射线框的周长)^[6,11],函数图像见图4 ...

2005

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2011

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刘正, 杨生. 瞬变电磁法大定源回线斜阶跃波响应计算[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(02): 326-330.

为了更准确地计算全区视电阻率，本文推导出瞬变电磁法中发射电流为斜阶跃波条件下，大定源回线装置的感应电动势解析表达式。该方法可在计算大定源回线全区视电阻率时，消除关断时间的影响，减小理论响应值与实测响应值之间的误差，同时避开了数值积分的近似运算，提高了计算精度和计算效率。理论和实际应用实例表明，此法所具有的优点是瞬变电磁其他计算方法不能相比的。

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0.0

杨生. TEM中心回线法计算考虑关断时间的全区视电阻率[J]. 物探与化探, 2008, 32(06): 647-651.

The all-time apparent resistivity iteration inverse method was deduced in detail based on the current slanting wave of the TEM central loops unit. In the forward process, the turn-off time integral was represented analytically. The resistivity derivation could be transformed to the time derivation through the variable transformation in the inverse process. The calculation precision and speed were promoted by avoiding the numerical integral and differential calculation used in approximating the derivation. The standard database method was used to decrease the calculation time of probability integral in the inverse process of iteration as well as to improve the precision and speed. Then the survey data were processed and some problems were discussed on the basis of a few calculation examples.

详细推导了TEM法中心回线装置发射电流为斜阶跃波形条件下全区视电阻率迭代反演计算方法。对正演过程中对关断时间的积分采用了解析表示。对反演过程中求导运算,通过变量变换,将对电阻率的求导变换为对时间的求导,从而也给出简单的解析关系。避开了数值积分运算和差分替代导数的近似,提高了计算精度和速度。为克服迭代反演过程中要多次计算概率积分的耗时问题,采用标准数据库的方法一劳永逸地加以解决,也大大提高了计算精度和速度。对实测资料进行了计算,并通过算例对一些问题进行了讨论。

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于生宝, 王忠, 嵇艳鞠, 等. 瞬变电磁法浅层探测技术[J]. 电波科学学报, 2006, 21(02): 284-287.

从理论上推导发射电流关断时间对瞬变电磁法勘探结果的影响,给出均匀半空间大地模型重叠回线互阻抗计算方法,分析阶跃关断与线性关断早期瞬变响应的区别,讨论了线性非零关断瞬变电磁法发射信号对浅层探测结果的影响.利用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)实现瞬变电磁法发射电路,减小发射机关断时间,使之接近理想的阶跃函数,消除非零关断的影响,解决了加大发射电流与快关断的矛盾.实验结果表明,减小发射电流关断时间,可以提高瞬变电磁浅层勘探结果分辨率,减小瞬变电磁法勘探盲区.

... 从相关图件可直观看出,本次实验采用的小线框观测装置,探测盲区约为20 m(图5),而于生宝和嵇艳鞠对大线框的关断时间进行了详细计算,为50 m左右^[17,18],我们常用的大线框观测装置的探测盲区通常可达50 m以上 ...

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... 模型的平均电阻率采用纵向电阻率进行计算,相关公式^[19]为 ...