SOTEM研究及其在煤田采空区中的应用

引用本文

卢云飞, 薛国强, 邱卫忠, 周楠楠, 侯东洋. SOTEM研究及其在煤田采空区中的应用[J]. 物探与化探, 2017,41(2): 354-359.
LU Yun-Fei, XUE Guo-Qiang, QIU Wei-Zhong, ZHOU Nan-Nan, HOU Dong-Yang. The research on SOTEM and its application in mined-out area of coal mine[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 354-359. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2017.2.25
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SOTEM研究及其在煤田采空区中的应用

卢云飞¹, 薛国强^1,², 邱卫忠³, 周楠楠¹, 侯东洋¹

1.中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室,北京 100029

2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室, 陕西西安 710054

3.山西省煤炭地质115勘查院,山西大同 037003

作者简介:卢云飞(1990-),男,硕士研究生,研究方向为瞬变电磁法数值模拟。Email:ucasluyunfei@163.com

收稿日期: 2016-11-10

基金: 国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-05); 国家自然科学基金项目(41474095); 中国科学院矿产资源研究重点实验室开放课题; 国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放课题

摘要

电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)具有信号强、对低阻异常体分辨率高、探测深度较大,受地形和地下构造影响较小等特点,因而适合于低阻体及精细构造的探测,同时由于SOTEM工作方法简便,探测工具灵活易于操作,所以非常适合地形复杂、施工艰难的工区。本研究通过对电性源短偏移距瞬变电磁法进行理论分析,对不同地电模型响应之间的相对误差及其随异常电阻率的变化特征进行了分析,探讨了SOTEM的电性异常分辨能力;求解得到了SOTEM探测深度的理论判断公式;研究计算及正演模拟了不同时刻层状地电模型瞬变电磁响应的空间分布特征来对最佳观测区域进行分析,得出近场区观测的优越性;最后,以SOTEM在山西大同某煤矿采空区探测中的应用实例来说明该方法的有效性,根据对比,探测结果与钻井信息很好吻合。

关键词: 电性源瞬变电磁法; SOTEM; LOTEM; 低阻体; 分辨率; 采空区

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0354-06

The research on SOTEM and its application in mined-out area of coal mine

LU Yun-Fei¹, XUE Guo-Qiang^1,², QIU Wei-Zhong³, ZHOU Nan-Nan¹, HOU Dong-Yang¹

1. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China

2. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi'an 710054, China

3. Shanxi Coal Geology No. 115 Exploration Institute, Datong 037003, China

Abstract

The electrical source short-offset transient electromagnetic method (SOTEM) has characteristics of strong signal, high resolution, large investigation depth, and less influence by topography and underground structure. It is therefore suitable for the detection of low resistivity body and fine structure. In addition, it is easily arranged and the receiving instrument is light and easy to operate, so it is very suitable for difficult field area with complex terrain. In this paper, the SOTEM method is analyzed theoretically, and the spatial distribution characteristics of the transient electromagnetic response of the layered geoelectric model in different time spans are calculated and simulated. The result shows the superiority of the near field observation. Based on the analysis of the relative error of response between different geoelectric models and the variation characteristics with the abnormal resistivity, the authors investigated the capability of SOTEM for discriminating electrical anomalies. In this paper, the authors have obtained the theoretical judgment formula of SOTEM detection depth, and put forward the commonly used formula of probing depth. At the end of this paper, the application of SOTEM to the detection of the gob in a coal mine in Datong of Shanxi Province is given to illustrate the effectiveness of the method. According to the comparison, the detection results coincide with the drilling information.

Keyword: electrical source transient electromagnetic survey; SOTEM; LOTEM; low resistivity; resolution; mined-out area

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0 引言

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置, 通过发射周期脉冲电流并由接收线圈或接地电极接收感应电场和磁场, 来实现对目标体的探测^[1]。与频率域电磁法不同, 频率域电磁法接收总场信息, 在远场时, 一次场相对较弱, 二次场较强, 易于识别, 而在近区情形恰好相反, 携带地质体信息的二次场被强大的一次场信息所覆盖, 不利于近场观测, 所以频率域是通过增大收发距方法进行深部探测的。而对于时间域电磁法, 其在时间域中一次场和感应场是分离的, 利用此特性可自动消除一次场与虚分量场的干扰, 使其具有多种优点。与磁性回线源相比, SOTEM所激发的场不仅具有水平电场分量还有垂直电场分量, 共6个方向的电磁场分量具有对异常地质体的探测能力, 通过对不同分量信息的提取可以实现对低阻、高阻的分辨, 从而达到精细勘探的目标。

传统的电性源瞬变电磁法分为长偏移距和短偏移距两种工作方法。长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)的发展先于短偏移距电性源瞬变电磁法, 对它的研究起始于20世纪30年代的苏联, 当时称为远区建场法, 试图应用在油气田地质构造勘查中。欧美国家自20世纪70年代以来将长偏移距瞬变电磁法广泛应用于地热勘探和地壳构造的调查^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}, 该方法在此期间得到了长足的发展和应用。Strack编写了较为经典的长偏移距瞬变电磁法的专著^[10], 从理论、数据处理、资料解释、仪器应用方面进行较为详细的介绍, 并提供了大量的野外实例。然而, 在研究与应用中, LOTEM逐渐显现其不足, 如:为了保证探测深度, 选用的观测基频常低于1 Hz, 这在一定程度上造成了中浅层信息的缺失^{[11, 12]}; 所采用的LOTEM偏移距大于探测目标深度4~6倍, 随着收发距离的增大, 信号强度急剧下降, 信噪比降低; 再者, 由于在收、发距之间可能跨越多个构造单元, 体积效应影响明显, 这些因素大大增加了解释结果的不确定性。

基于这些问题的出现, 短偏移电性源瞬变电磁法的研究得以发展。20世纪50年代, 前苏联学者建立了近区建场法, 直到80年代涌现出诸多关于电性源短偏移距研究的优秀文章 $\begin{matrix} ^{[1317]} \end{matrix}$ , 研究发现它相对于远区建场方法具有更大的探测深度及更好的分辨能力, 从此近源电性源瞬变电磁法引起更多学者的关注。Nestor^[18]研究了近场区情况下, 垂直电偶子在高阻层激发的电磁场的特性, 表明近区场与远区场的特性不同, 远区场特性与平面波场相似, 认为在频率域解汉克尔积分会在零偏移位置处出现畸变; Ziolkowski^[19]提出了近源的多道瞬变电磁法并申请了专利, 该方法利用伪随机编码信号激发, 并采用多通道接收器接收瞬变电场, 是模拟地震勘探的一发多收的观测方式。国外研究主要是将近源电性源瞬变电磁用于海洋勘查中:Nestor^[20]通过海底探矿的全空间解析分析, 认为水平电偶极源的近场虽不能反映地层电性, 但垂直电偶极的镜像可以消除一次场。Evan用数值模拟继续进行垂直电偶极短偏移距的海底探测方面的研究^[21]。在国内, 电性源短偏移瞬变电磁法也已成为研究热点, 薛国强等^[1]基于近源探测的优越性, 对短偏移情况下的电性源瞬变电磁响应进行了研究, 将其用于陆地勘查, 命名为SOTEM, 并初步形成了短偏移形式的电性源瞬变电磁工作形式和数据处理方法, 进一步将该方法用于水文地质及矿产资源等的勘查中^{[22, 23, 24]}。本文通过分析电性源近场响应、对电性结构的灵敏度, 探测深度影响因素及正演模拟等方面分析SOTEM的探测能力, 并将该方法应用于山西大同某煤矿采空区的勘查中, 很好地验证了SOTEM对低电阻率采空区探测的有效性。

1 电性源瞬变电磁响应分析

1.1 电性源瞬变电磁近区响应特征

接地导线源在地下所激发的6个方向的电磁场分量都具有对异常地质体的探测能力, 但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点, 大多数情况仅利用垂直磁场分量H_z和水平电场分量E_x。以H_z为例, 对于水平地面放置的电偶极子源在均匀半空间产生的垂直磁场频率域的响应公式由考夫曼^[25]给出:

$\begin{matrix} H_{z} = - \frac{I d_{s} y}{2 π k^{2} r^{5}} [3 - (3 + 3 ikr - k^{2} r^{2}) e^{- ikr}], \end{matrix}$ (1)

式中:I为发射电流, d_s为偶极子长度, r为收发距; 经过时频转换可得到r处的垂直磁场表达式

$\begin{matrix} H_{z} = \frac{I d_{s} y}{4 π r^{3}} \times [(1 - \frac{3}{2 θ^{2} r^{2}}) \erf (θr) + \frac{3}{θr \sqrt[]{π}} e^{- θ^{2} r^{2}}], \end{matrix}$ (2)

其中:θ = $\begin{matrix} \sqrt[]{μ_{0} / 4 ρt} \end{matrix}$ , ρ 为均匀半空间大地电阻率, erf(θ r)为误差函数。对于大多数接收装置, 线圈所接收的信号会被转换为感应电压即∂B/∂t, 所以再对上式求解时间导数, 得到

$\begin{matrix} \frac{\partial B_{z} (t)}{\partial t} = \frac{3 P_{e} ρsinφ}{2 π r^{4}} [ϕ (u) - \sqrt[]{\frac{2}{π}} u (1 - \frac{u^{2}}{3}) e^{- u^{2} / 2}], \end{matrix}$ (3)

式中:u=r/ $\begin{matrix} \sqrt[]{2 ρt / μ_{0}} \end{matrix}$ , ϕ (u)表示概率函数。

对于远区, u=r/ $\begin{matrix} \sqrt[]{2 ρt / μ_{0}} \end{matrix}$ ≫1时, 场的响应公式为

$\begin{matrix} \frac{\partial B_{z} (t)}{\partial t} = \frac{3 P_{e} ρsinφ}{2 π r^{4}} 。 \end{matrix}$ (4)

同理, 对于近区, u=r/ $\begin{matrix} \sqrt[]{2 ρt / μ_{0}} \end{matrix}$ ≪1时, 场的响应公式为

$\begin{matrix} \frac{\partial B_{z} (t)}{\partial t} = \frac{3 P_{e} r μ_{0}^{\frac{5}{2}}}{60 π^{\frac{3}{2}} t^{\frac{5}{2}} ρ^{\frac{3}{2}}} 。 \end{matrix}$ (5)

可以看出, 上面得到的半空间近区和远区电磁场响应公式(4)、(5)均为电阻率的函数, 而通过对比, 远区场响应公式与ρ 成正比, 而近区场与ρ ^-³^/²成正比, 即当电阻率值变化相同时, 近区(晚期)的电场变化要比远区(早期)变化更大, 即近区时场的响应公式对电阻率更加敏感, 并且信号强度在近区比远区更大, 信噪比更高。所以, 相对来说, SOTEM对电阻率的敏感度要优于LOTEM, 利用此原理进行SOTEM工区测线布置具有其理论的合理性。

1.2 SOTEM对电性异常体的分辨能力

通过对不同地电模型响应之间的对比及其讨论响应差别随异常体电阻率的变化规律, 来对垂直磁场的电性异常分辨能力进行分析。相对异常可用公式

$\begin{matrix} ζ = 2 \times |\frac{F_{有异常} - F_{无异常}}{F_{有异常} + F_{无异常}}| \times 100 % \end{matrix}$ (6)

来表达, 式中:F_有异常和F_无异常分别表示异常存在和异常不存在时的垂直磁场H_z的响应。表1给出了H型、K型与D型(代表不含异常体)层状模型的参数, 以计算(0, 150)点处H和K模型的垂直磁场响应与D型响应之间的相对差异来分析检测其对电性异常的分辨能力。

图1a给出了H与D型垂直磁场响应之间的相对差别, 相对差别的最大值约为37%, 而图1b给出的K与D型垂直磁场响应之间的相对差别最大值约为8%, 说明垂直磁场对低阻异常具有较高的灵敏度。图1c、图1d为进一步分析垂直磁场对低阻和高阻异常体电阻率变化时响应的灵敏度, 并分别提取不同电阻率值时异常响应的极大值, 形成的极大值随电阻率的变化曲线。可以看出垂直磁场对低阻异常电阻率的变化具有较强的灵敏度, 而对高阻异常电阻率变化的灵敏度相对较低。所以, 综合2个实验对比结果, SOTEM垂直磁场对低阻异常有较强的分辨能力, 对高阻异常的分辨能力较差。

表1 3种地电模型的参数

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	图1 不同模型在(0, 150)处的响应对比及相对异常随电阻率变化曲线

1.3 探测深度

TEM探测深度通常理论上定义为给定时间内TEM产生涡流场的极值所能到达的最大深度, 该数值与观测时间、地电结构及信噪比等相关。理论上, 探测深度可以通过扩散深度来得出。Spies推导出扩散深度的表达式^[26]

$\begin{matrix} z = \sqrt[]{2 ρt / μ}, \end{matrix}$ (7)

其中:ρ 是均匀大地的电阻率, t是观测时间, μ 为磁导率。

通过推导晚期响应的渐进表达式, 建立晚期视电阻率的表达式^[27], 将其代入上式可以得到SOTEM的探测深度表达式。感应电压是野外最常观测的分量, Ward 和 Hohmann 给出接地导线源瞬变电磁感应电压为

$\begin{matrix} \begin{matrix} ε_{z} (t) = \frac{2 Iρ}{πμ y^{2}} {(1 + θ^{2} y^{2}) e^{- θ^{2} y^{2}} \erf (θL) - \\ \frac{L}{R} (1 + \frac{y^{2}}{2 R^{2}}) \erf (θR) + \frac{θL y^{2}}{\sqrt[]{π} R^{2}} e^{- θ^{2} R^{2}}}, \end{matrix} \end{matrix}$ （8）

式中:θ = $\begin{matrix} \sqrt[]{μ / 4 ρt} \end{matrix}$ , R= $\begin{matrix} \sqrt[]{y^{2} + L^{2}} \end{matrix}$ 。

对于近区场, 即当u≪1,

$\begin{matrix} \begin{matrix} \erf (u) \approx \frac{2}{\sqrt[]{π}} (u - \frac{u^{3}}{3} + \frac{u^{5}}{10} - \dots), \\ e^{- θ^{2} R^{2}} = 1 - u^{2} + \frac{u^{4}}{2} - \dots; \end{matrix} \end{matrix}$

将上面两式代入式(8), 得到

$\begin{matrix} ε_{z - late} (t) = - \frac{I μ^{\frac{3}{2}}}{20 π^{\frac{3}{2}}} \frac{yL}{t^{\frac{5}{2}}} ρ^{- 3 / 2}, \end{matrix}$ （9）

进一步推导

$\begin{matrix} ρ_{late} = {[- \frac{IyL μ^{\frac{3}{2}}}{20 π^{\frac{3}{2}} t^{\frac{5}{2}}} (ε_{z - late (t)})^{- 1}]}^{\frac{2}{3}}, \end{matrix}$ （10）

代入式(7), 得到

$\begin{matrix} z = 0.55 {(\frac{ILyρ}{γ})}^{\frac{1}{5}}, \end{matrix}$ （11）

其中, γ 可视为最小可分辨电压。

由式(11)可知, 探测深度与源长度、电流、收发距、电阻率及仪器精度相关。考虑到实际情况, 探测深度定义为信号衰减到噪声水平时电磁场的扩散深度, 实际工作中近区探测深度通常采用

$\begin{matrix} z = 0.48 {(\frac{ILyρ}{2 γ})}^{\frac{1}{5}} 。 \end{matrix}$

通过改变这些参数可以有效地控制SOTEM的探测深度。

2 电性源短偏移瞬变电磁场正演模拟

下面通过接地导线源对层状大地介质所激发产生的垂直磁场的运动状态进行模拟, 进而对SOTEM方法的最佳观测区域进行分析。

给出层状介质中接地源所产生的垂向磁场的响应公式:

$\begin{matrix} H_{z} = \frac{I}{4 π} \int_{-}^{L} \frac{y}{r} \int_{0}^{\infty} 1 + r_{T E}) e^{u_{0} z} \frac{λ^{2}}{u_{0}} J_{1} (λr) dλdx', \end{matrix}$ （12）

式中:I为接地导线供电电流, 2L是导线发射源长度, (x, y, z)为接收点的坐标, r为线源中心点到接收点的距离, J₁(λ r)是一阶贝塞尔函数,

r_TE= $\begin{matrix} \frac{y_{0} - {\dot{y}}_{1}}{y_{0} + {\dot{y}}_{1}} \end{matrix}$ , y₀= $\begin{matrix} \frac{u_{0}}{{\dot{z}}_{0}} \end{matrix}$ , z₀= $\begin{matrix} \frac{u_{0}}{{\dot{y}}_{0}} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} {\dot{z}}_{0} \end{matrix}$ =iω μ ₀, $\begin{matrix} {\dot{y}}_{0} \end{matrix}$ =iω ε ₀。

设置模型参数如下:接地导线源长度200 m, 发射电流10 A; 地电模型为H型(ρ ₁> ρ ₂< ρ ₃), ρ ₁=100 Ω · m, ρ ₂=10 Ω · m, ρ ₃=60 Ω · m; h₁=200 m, h₂=10 m, h₃=∞ 。图2为瞬变电磁工作布置示意, 利用式(12)计算出不同时刻的电性源所激发的垂直磁场在地面的响应(图3)。

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	图2 电性源瞬变电磁工作示意

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	图3 垂直磁场不同时刻的平面分布

图3a、b分别是对电磁场传播进行切片截取0.01 ms和1 ms时的垂直磁场响应平面分布。如图3a所示, 垂直磁场响应是以源为轴的镜像分布, 最大值出现在源的中垂线上, 此时的偏移距小于或与源尺寸相当, 响应的最佳观测位置位于SOTEM的观测范围。随着时间的增大, 如图3b所示, 响应极大值出现位置的偏移距逐渐增大, 而信号强度快速衰减, 当响应最大值出现的位置大于等于发射源尺寸时, 此时最佳观测位置进入过渡区。而当最大值位于距离场源4~6倍探测深度的区域时, 为LOTEM的施工区域, 所以SOTEM在实际工作中的最佳观测区域一般为目标探测深度的0.7~1倍。

3 应用实例

大同市位于山西省东北部, 属于中国华北聚煤区北部的多纪煤田, 煤矿资源丰富, 煤炭开采带来一系列的采空问题。该煤矿表层为第四系黄土覆盖, 沟壑纵横、地形复杂, 不利于常规回线源瞬变电磁勘查工作的开展。本次SOTEM工作采用加拿大凤凰公司的V8综合电法仪进行数据采集工作。发射线长度为1 000 m, 偏移距300 m, 发射电流10 A, 发射基频8.33 Hz, 发射功率30 kW, 接收装置采用SB-18K探头, 有效接收面积10 000 m²。观测的是垂直磁场随时间的变化率, 即垂直磁场被转换成感应电压^[28]。观测时间从0.27 ms到21.31 ms, 共20道数据, 测量点距为20 m, 测线长度为1 000 m。基于垂直磁场响应的单调衰减特性, 用最小二乘迭代方法计算视电阻率, 反演得到电阻率— 深度剖面。

图4截取了L1测线120~920 m、深度100~400 m之间的电阻率— 深度剖面。在深270 m附近存在2个明显的相对低阻异常, 由 500 m 点处的钻孔资料知, 深度265 m处为采空区顶部, 煤层厚度为2.5 m, 图中异常区域厚度大于实际范围, 可能因为采空区内卤水对附近围岩的渗透造成低阻区域的扩大。图中给出煤层的位置, 此结果充分验证了SOTEM方法对低阻薄层勘探的有效性与实用性。若需要在该剖面增加钻孔时, 建议将图中所示的‘ 预钻孔’ (238 m)处作为最佳位置, 预计钻孔深度在255 m处会出现采空区。

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	图4 大同市某煤矿采空区SOTEM勘探L1线反演电阻率断面

4 结论

通过对SOTEM方法对不同地电模型的响应分布及对异常的分辨能力进行正演模拟分析, 阐述了SOTEM工区测线布置的理论依据, 并通过差异对比分析, 得出SOTEM的垂直磁场响应对低阻异常分辨能力较强而对高阻异常的分辨能力相对较弱的结论。通过求解SOTEM探测深度的理论判断公式, 分析探测深度的影响因素, 在野外施工中, 可根据工区已知的信息如地电参数、地层结构及施工环境来对参数的设置进行相应的调整。由山西大同某煤矿采空区探测的应用实例可以看出, 采用短偏移距电性源瞬变电磁进行煤田采空区的探测, 克服了传统方法LOTEM因信号弱、中浅层信息易缺失、受地形和地下构造影响较大等问题, 最终的数据处理结果精度较高, 与已知钻井资料非常吻合。在野外实际勘探中, SOTEM工作方法的简便性、探测工具灵活性、对地形复杂施工艰难的工区的实用性等优点得以充分展示。今后的研究需要着重于电性源短偏移瞬变电磁响应的二维三维反演、直接成像、多分量综合成像和附加效应消除等方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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薛国强, 陈卫营, 周楠楠, 等. 接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术[J]. 地球物理学报, 2013, 56(1): 255-261.

Although the loop-source TEM near-field survey system has been widely used, this method still cannot meet the demand for large-area 3D data acquisition and fine probing of deep ore bodies. Based on the advantage of near-field survey, a new configuration called short-offset TEM with a grounded wire-source (named SOTEM by authors) has been proposed and the detecting technique has been studied to solve the problem of detecting underground deep ore targets at high resolution. Analysis of the detection capability of this system such as time-domain response as well as investigation depth suggests that the SOTEM has more merits than the long-offset TEM(LOTEM). Apparent resistivity formula suiting for whole field area has been used to calculate apparent resistivity response of geo-electric models in the short-offset TEM system and the results are consistent with that of the designed geo-electric models. The field data have been collected and the results agree with the drilling data. It is concluded that the proposed method is more easily in exploration and has larger detecting depths and higher detection accuracy. It also shows that the SOTEM is a kind of methods worth to be widely applied.

对于接地源时间域瞬变电磁法,当选取适当的激励波形后,可将辐射场与自有场分离开来, 实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探;水平分层大地的解析分析表明,随着偏移距的缩短,接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏;时间域瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定.基于接地源近场测深的优越性,作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM, 采用了1000 m的偏移距对埋深为1400 m的某盐矿溶腔进行探测, 在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露, 验证了SOTEM方法的探测能力.该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段.

... 0 引言电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置,通过发射周期脉冲电流并由接收线圈或接地电极接收感应电场和磁场,来实现对目标体的探测^[1] ...

... 在国内,电性源短偏移瞬变电磁法也已成为研究热点,薛国强等^[1]基于近源探测的优越性,对短偏移情况下的电性源瞬变电磁响应进行了研究,将其用于陆地勘查,命名为SOTEM,并初步形成了短偏移形式的电性源瞬变电磁工作形式和数据处理方法,进一步将该方法用于水文地质及矿产资源等的勘查中^[22,23,24] ...

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