瞬变电磁场到波场转换研究进展
陕西省人民政府关于表彰第十届自然科学优秀学术论文的通报
陕西省人民政府关于表彰第十届自然科学优秀学术论文的通报文章属性•【制定机关】陕西省人民政府•【公布日期】2008.09.12•【字号】陕政发[2008]42号•【施行日期】2008.09.12•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】科学技术综合规定正文陕西省人民政府关于表彰第十届自然科学优秀学术论文的通报（陕政发〔2008〕42号）各设区市人民政府，省人民政府各工作部门、各直属机构：根据《陕西省自然科学优秀学术论文评选办法》，经省自然科学优秀学术论文评选委员会评审，省政府决定对全省第十届自然科学优秀学术论文予以表彰，其中方钦志、王铁军、李慧敏的《PC/ABS合金的大变性拉伸性能（Large Tensile Deformation Behavior of PC/ABS Alloy）》等23篇论文为一等奖，孙浩、Theo riessen 的《集合对策的拟边缘贡献解（Semi-marginalistic Values for Set Games）》等65篇论文为二等奖，舒世昌、刘三羊的《Sn中具Moebius平坦法丛的子流形》等141篇论文为三等奖。
希望受表彰的同志再接再厉，在各自工作领域作出更大的成绩。
希望全省科技工作者向受表彰的同志学习，紧紧围绕我国经济社会发展中的重大现实课题，勇于创新、锐意进取、深入研究，全面推动我省的科技创新和科技进步。
附件：陕西省第十届自然科学优秀学术论文获奖名单陕西省人民政府二○○八年九月十二日附件陕西省第十届自然科学优秀学术论文获奖名单一等奖23项论文题目Large Tensile Deformation Behavior of PC/ABS Alloy（PC/ABS合金的大变性拉伸性能）arameters and structural disorder analysis for Cr3＋ion in YGG crystals（YGG晶体中Cr3＋离子自旋变研究）optimization of an analytical method for the determination of Sudan dyes in hot chilli p d chromatography with on-line electrogenerated BrO--luminol chemiluminescence detection（高效液相luminol化学发光法检测辣椒中的苏丹红）Numerical Analysis of Isothermal Gaseous Flows in Microchannel（圆形微通道内气体等温流动）混合物整体电导率的研究fferences of the Early Cambrian Chengjiang and Recent lingulids and their implications（早寒舌形贝形态解剖差异及其进化意义）陕西省椒样薄荷适种区域及其生态因素影响研究土壤水分对杜仲剥皮再生的影响温度对兰州鲇消化酶活性的影响基于MFA方法的陕西省物质减量化分析ffect of insulin in the ischemic/reperfused canine heart Role of Akt-stimulated NO producti灌注犬冠状动脉的保护作用：Akt-NO的关键作用）The Repression of Human Differentiation Related Gene NDRG2 Expression by Myc via Miz-Interaction with the NDRG2 Core Promoter（Myc抑制分化相关基因NDRG2的表达依赖于Miz-1与NDRG2核心启rion protein promotes invasion and metastasis of gastric cancer（朊蛋白促进胃癌侵袭和转移的分子乳腺癌术后1-3个腋淋巴结阳性且未行辅助放疗患者腋窝引流液中定量分子检测的意义Two frameshift mutations of the double-stranded RNA-deaminase gene in Chinese pedigrees with dyschromatosis symmetrica hereditaria（中国DSH家系DS变）osaponins from the starfish Culcita novaeguineae and their bioactivity（面包海星中三个新的海星皂淮南煤田次生生物成因与热成因混合型煤层气成藏动力学系统演化ation on Spun-dyed Polyester Filaments during Processing（纺液着色涤纶长丝在加工过程中的颜色变化规高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压柱畸变屈曲试验研究atorial Explosion Problem When Calculating the Multiple Hit Vulnerability of Aircraft（解决组中易损性计算方法）Prediction of protein homo-pseudo amino acid composition：Approached with an improved feature extraction and Naive Ba （基于伪氨基酸组成成分：加权自相关函数特征提取法和朴素贝叶斯特征融合预测蛋白质同源寡聚体）一种面向个性化协同学习的任务生成方法新型振动搅拌装置的试验研究陕西省第十届自然科学优秀学术论文获奖名单二等奖65项论文题目Semi-marginalistic Values for Set Games（集合对策的拟边缘贡献解）Integral Trees with Diameters 5 and 6（直径为5和6的整谱树）forms for microstructured polymer optical fibre fabrication（微结构聚合物光纤的浇铸预制棒制备技术反式十氢萘类液晶的合成Evolved in the Gas Phase from Pyrolysis of Six Chinese Coals（六种中国煤在热解过程中硫向气相青藏高原东北侧一次MCC的环境流场及动力分析层间氧化带砂岩型铀矿床微生物地球化学特征及与铀成矿的关系研究-以吐哈盆地十红滩铀矿床为例扬子板块北缘碧口地区阳坝花岗闪长岩体成因研究及其地质意义从瞬变电磁场到波场的优化算法resolution radon transform and wavefield separation（一种高分辨率Radon变换实现波场分离）of two Y chromosomemicrosatellites in Chinese cattle（两个Y染色体微卫星在中国黄牛中的多态性分布ocess of aloin production and accumulation in Aloe arborescens （Asphodelaceae）leaves（木立过程的超微结构研究）pecies of the Genus Bryodemella （Orthoptera：Oedipodidae）Based on a Cladistic Analysis（支序分析（直翅目：斑翅蝗科））天然林保护工程实施中存在问题及对策研究－以陕西省为例坡面汇流汇沙与侵蚀-搬运-沉积过程科学推进黄土高原水土保持生态建设估算流域非点源污染负荷的降雨量差值法地下水嘧磺隆污染分析研究高压注浆渗流数学模型与工程应用西龙池抽水蓄能电站大坡度超长斜井开挖施工技术县级地质灾害防治管理评价指标体系探讨纸坊沟流域生态经济系统演变规律研究--兼论“退耕还林（草）”下生态经济系统演变规律信息哲学的基本理论及其对哲学的全新突破让科技与人文在工程中融合中国文理综合性大学学报考网络资源能否作为参考文献？重视选题优化选题办出精品期刊缺氧后处理抑制缺氧/复氧心肌细胞凋亡：过氧亚硝基阴离子的作用receives GABAergic projection from reticular thalamic nuclues in rat（丘脑中央下核接受丘脑网状estin by all-trans retinoic acid through STAT1 in cancer cell differentiation process（在肿瘤通过STAT1上调restin基因的转录）组胺是心脏交感神经系统递质的证据乙型肝炎表面抗原阳性孕妇妊娠早期绒毛细胞乙型病毒感染状况的研究陕西省O157大肠杆菌分布研究al properties of single myocardial cells from Koch triangle of rabbit heart（家兔心脏Koch三和电生理特征）efractory anemia with a combination regimen of all-trans retinoic acid，calcitriol，and a 维生素D3 联合雄激素对原发性难治性贫血的有效治疗）髓鞘碱性蛋白反应性淋巴细胞对神经细胞的作用creatic cancer based on injection of pcDNA3.1/CCK plasmid with xenogeneic homologous cholecy粒的构建及其在仓鼠体内表达）embrane anchored staphylococcal enterotoxin A generate effective antitumor immunity（B7.1和跨膜苗的抗肿瘤免疫效应）with tumor cells or transfected with tumor total RNA as potential cancer vaccines against （DC融合瘤苗与DC-RNA瘤苗抗原发性肝癌免疫学效应的实验研究）驻相与阻抗-精神分析学心理治疗与禅宗参悟的异曲同工MN9202在Beagle犬肝微粒体酶中的代谢动力学盐酸塔斯品碱促进大鼠皮肤创伤愈合及其作用机制研究太白楤木对成纤维细胞增殖及形态学的影响绞股蓝人参皂甙的组织化学定位及其含量的变化利用CHAMP卫星几何法轨道恢复地球重力场模型双目序列影象3维运动物体定位跟踪d on microstructure and property of friction welded joint between copper and stainless ste头组织与性能的影响）Fe掺杂对纳米复合Ag-SnO2电接触合金电弧演化行为的影响论保水采煤问题Coating for Nano super Dirt-repellency of Cashmere Fabric（纳米超双疏羊绒织物整理）统一强度理论在湿陷性黄土－桩－上部结构共同作用分析中的应用双频合成振动压实试验研究既有桥梁技术状况评价及检算系数Z1的确定斜入射弹丸着靶位置立靶测量原理沉积角度对MgO介质保护膜性能的影响A Robust Adaptive Capon Beamforming（一种稳健的自适应波束形成技术）f Radar Imaging Using Frequency-Stepped Chirp Signals（线性调频步进信号体制雷达成像中的几个问题）集成电路互连线寿命的工艺缺陷影响分析及早期可靠性估计模型研究（系列论文）一种满足马尔可夫性质的不完全信息下的Web服务组合方法视觉测量中亚像元图像特征定位算法特高压直流输电换流阀运行试验合成回路研究城市局部电网的稳定控制研究循环流化床锅炉技术领域几个前沿课题的研究165MN自由锻造油压机的液压控制系统基于S7-200PLC切纸机电气系统设计三等奖141项论文题目S●中具Moebius平坦法丛的子流形for Transport Aircraft High-lift Configurations Using Cartesian Grid Methods（采用直角网格方法置数值模拟）que Applied to Unsteady Viscous Flow Simulation by a Fully Implicit Solver（用于非定常粘性流拟的变形网格技术）lysis of fuzzy stochastic truss structures under fuzzy stochastic excitation（模糊随机激励下模的动力响应分析）upper atmospheric wind and temperature based on the Voigt line shape profile（基于佛克脱光气风场和温度的探测原理）le-transformation of Electromagnetic Theory and Its Applications（电磁场理论的尺度变换及其应用）全尺寸目标激光脉冲后向散射回波功率的测定和建模有偏压光折变晶体中的小振幅行波孤子流动注射电化学发光分析法测定注射液中的硫酸庆大霉素球形α-Fe2O3纳米粉体的超声水解法合成与表征quanickel（II）]-μ-5-hydroxyisophthalato]（一个新颖的5-羟基间苯二甲酸镍超分子配位聚合物的水热合成与结丁二酸改性二氧化硅胶体球的制备及其胶体晶体的组装of Separating Cr（Ⅵ）using a Mixed Carrier Emulsion Membrane（混合载体乳状液膜法分离Cr（Ⅵ）LB复合膜选择性检测水中痕量镉离子的方法研究陕西省作物气候生产力的地理分布与变化特征热惯量法在干旱遥感监测中的应用研究渭河陕西段河道地貌演变机制及其影响研究青藏高原多年冻土区两类低角度滑坡灾害形成机理探讨基于OFDM的高速遥传电缆调制解调器设计VXWORKS操作系统下COMPACTPCI总线的驱动与控制技术层状介质井中电测数值计算及其应用研究ptibility Anomalies Directly Indicating Oil and Gas Reservoirs（油气区地表黄土磁化率异常直接指示CSN1S2、CSN3和β-1g基因对西农萨能奶山羊产奶性能的影响光系统Ⅱ核心复合物的稳态荧光光谱河北大学博物馆馆藏食蚜蝇亚科分类研究马蹄香繁殖生物学研究（系列研究论文）A new genus and a new species of arcypteridae （orthoptera，acridoidea）from xinjiang uigur antonomous region of china（新疆网翅蝗科一新属一新种）陕西延安市区蝶类多样性初探氮磷钾肥料对魔芋产量的影响效应研究影响关中东部冬季日光温室生产的气候变化特点高酸苹果的组织培养快繁技术研究都市农业发展的SWOT分析农用地征用的综合价格评估农田害鼠夏峰期发生量模糊预测延安地区荞麦钩翅蛾的发生规律及防治措施榆林市农业机械化发展对策及措施浅谈我省森林公园总体规划编制中应该注意的几个问题GGR6在南方红豆杉扦插育苗中的作用研究基于UNDP项目的天保工程执行效果初步研究-以马头滩林业局为例淤地坝干容重的监理控制试验黄河中游粗泥沙集中来源区大型拦泥库工程建设资源分析模型黄土高原建设与研究的若干问题探讨界壳的泛系观控模型及其在水资源中的应用黄河壶口-三门峡段渔业水域重金属污染及模糊数学评价陕西渔业生态环境可持续发展探讨陕西水产品质量安全面临的问题与对策娘娘滩水库枢纽布置方案选择固化土集流面无侧限抗压强度影响因素研究渠道衬砌纤维固化土工程特性的试验研究失地农民贫困现状缘于中国农民权利贫困--换个角度谈征地补偿制度知识经济时代的高校科研管理改进的兼顾“功能性”与“均衡性”综合评价方法核在管理者绩效考中的应用尖端技术的军民共用趋势及其应对思路基于历史费用的鱼雷经济寿命预测墨家科学理性的形成及其中绝近代科学的精神气质及其文化背景和希腊来源后现代主义的数学观及其认识海德格尔的技术之思与李约瑟问题科技论文发表费收取的合理性及其规范网络环境下地方科技文献资源共享的实践-陕西省科技文献资源共享服务系统分析重组人B淋巴细胞刺激因子包涵体的表达与纯化gic modulation of antinociception induced by morphine microinjected into the ventrolateral o （GABA能调制参与介导腹外侧眶皮层内微量注射吗啡诱发的抗伤害效应）chromosomal STR haplotypes in Chinese Uigur ethnic group（维吾尔族Y-STR单倍型遗传多态性）xy9902对MC3T3-E1细胞的增殖和分化作用ameliorates hyperthyroidism of rats and mice attributed to its adsorptive effect（蒙脱石的抗甲陕西省鼠疫疫区媒介蚤季节消长研究西安市麻疹流行病原毒株和疫苗免疫因素研究西安市麻疹野病毒核蛋白基因序列分析西安市部分男男性接触者AIDS高危行为分析en against hypoxic-ischemic brain damage in neonatal and possible mechanisms（雄激素对新生大鼠的保护作用及机制研究）tion and bioinformatics analysis of immunogenic antigens in multiple myeloma（多发性骨髓瘤抗原筛选及生物信息学分析）hTERT基因核心启动子调控的TRAIL表达载体的构建及对卵巢癌细胞凋亡的影响二十二碳-6烯酸对注意缺陷多动障碍患儿神经生化及行为影响的研究人热休克蛋白90β-cDNA基因克隆及其真核表达载体的构建cific antibodies for early diagnosis and management of syphilis（特异性抗体对梅毒的早期诊断和管经颅多普勒在颅脑损伤后的变化及其临床意义肾脏细胞凋亡在梗阻性黄疸大鼠肾脏损害中的作用及丹参的影响HBsAg基因转染CD34＋造血干细胞来源的树突状细胞诱导抗原特异性细胞毒性T淋巴细胞反应同源异型盒BP1基因在肺癌中的表达及意义TIL细胞治疗恶性胸（腹）腔积液的临床研究几丁糖与二甲亚砜对大鼠多柔比星外渗性损伤防护的实验研究96例晚期癌症病人需求评估研究APACHEⅡ评分在ICU护理中的应用与研究心脏移植病人围术期护理语词推理测验的词性、词类和词频对项目难度和反应时间的效应文拉法辛联合利培酮治疗精神分裂症阴性症状的疗效观察甲芬那酸分散片在健康人体内的药动学。
瞬变电磁场法实验
图 一 瞬变电磁场法基本原理图
二、工作方法 仪器设备 仪器设备WTEM——1Q浅部瞬变电磁勘探 浅部瞬变电磁勘探 系统，掌上电脑，导线若干，阻尼电阻一个， 系统，掌上电脑，导线若干，阻尼电阻一个， 电池箱一个，测线一条。线圈线两条。 电池箱一个，测线一条。线圈线两条。 1.工作布置： 工作布置： 工作布置 沿WE方向拉测线，平行测线布置同心的两 方向拉测线， 方向拉测线 个正方形线圈， 个正方形线圈，如图 一； 按图一示连接仪 将接收机“同步方式”设为内置， 器，将接收机“同步方式”设为内置，传输 方式设置电缆。 方式设置电缆。
电法勘探
实验名称：瞬变电磁场法 实验名称：
实验3 实验
实验内容：瞬变电磁场法测量； 实验内容：瞬变电磁场法测量； 测量 实验设备：瞬变电磁场法仪器，电极，连接线，电源； 实验设备：瞬变电磁场法仪器，电极，连接线，电源； 仪器 实验要求： 1. 掌握电极布置和仪器设备的连接方法； 实验要求： 掌握电极布置和仪器设备的连接方法； 2. 掌握瞬变电磁场法仪器的正确操作方法 掌握瞬变电磁场法 瞬变电磁场法仪器的正确操作方法 和观测参数的设置； 和观测参数的设置； 3. 正确的保存和查看原始观测数据文件。 正确的保存和查看原始观测数据文件。
3. 结果显示：通过选项可选择衰减曲线和剖 结果显示： 面显示， 面显示，衰减曲线为二次场电压随时间衰减快 慢的曲线剖面曲线显示所有测点二次场归一化 电压值与时间的关系曲线，保存。 电压值与时间的关系曲线，保存。
● 要求每位同学按时参加 ● 要求每位同学听从实验教师的指挥 ● 要求每位同学爱护仪器设备 ● 要求每位同学作好实验记录 ● 要求每位同学按时提交实验报告
图 二 瞬变电磁场法仪器连接示意图
2. 掌上电脑掌控 掌上电脑掌控：
瞬变电磁法的简介、发展概况和发展方向
一、瞬变电磁法简介瞬变电磁测深法(Transient electromagnetic methods)或称作时间域电磁法(Time doman electromagnetic methods)，简写为TEM或TDEM。
它是利用阶跃形波电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场；在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。
瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线(或电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(或电场)，即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。
在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程(衰减过程)，该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。
在地表用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。
瞬变电磁法都是通过一次磁场激发二次涡流场来分析地下的各种地质情况，但时间域电磁法相对于频率域电磁法的最大区别在于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场，不存在一次场的干扰。
另外，从傅立叶变换可知，一个阶跃形脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的，产生的场是一种宽频带电磁波场，因此与频率域电磁法相比，瞬变电磁测深法具有以下优点:(1)断电后观测纯二次场，可以进行近区观测，减少旁侧影响，简化了测量数据资料的处理工作，提高了探测能力和精度;(2)可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，从而增加勘探深度;(3)穿透高阻层能力强;(4)由于采用人工源方法，随机干扰影响小;(5)采用重叠回线装置工作，可以避免地形影响;(6)线圈形状、方位要求相对不严格，测地工作简单，工效高;(7)由于测磁场，受静态位移的影响小;(8)通过多次脉冲激发，场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，可以提高信噪比和观测精度;(9)可以通过选择不同的时窗窗口进行观测，有效地压制各种噪声，可以获得不同勘探深度的信号，使剖面与测深工作与一体。
瞬变电磁法原理介绍
瞬变电磁法原理介绍瞬变电磁法俗称TEM （Time domain electromagnetic methods ）法，属时间域电磁感应方法。
其探测原理是：在地面布设一回线，并给发送回线上供一个电流脉冲方波,在方波后沿下降的瞬间，产生一个向地下传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。
该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播，由地面的接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。
如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。
如果地下没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现地下导体的存在。
瞬变电磁法特图3-1 瞬变电磁法原理示意图(1)对高阻层的穿透能力强，在高阻屏蔽地区用较小的回线可达到较大的探测深度，同时对低阻层有较高的分辨能力，利于在高阻围岩地区开展水文电法工作。
(2)瞬变电磁法一次磁场和被测磁场在时间上是分开的，所以，分辨率较高，并且可以在近区观测。
(3)方法本身受地形影响小。
使用回线源实现了装置的对称性,z x t＞0Tx t=t 12t=t t=t 3可以减少断面的不均匀性和地层倾斜的影响。
工作中根据实际情况采用了大回线源装置，用探头接收。
大回线装置的Tx采用边长较大的矩形回线，Rx采用小型线圈(或探头)沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场分量dB/dt值。
地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关，导电性越好，扩散速度越慢，这意味着在导电性较好的大地上，能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。
从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变地磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。
瞬变电磁法正反演问题研究进展
第23卷 第4期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.42008年8月(页码:1165~1172)P ROG RESS IN G EOP HY SICSA ug. 2008瞬变电磁法正反演问题研究进展薛国强1, 李 貅2, 底青云1(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054)摘 要 对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.关键词 瞬变电磁法,正演问题,反演问题中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)04-1165-08Research progress in TEM forward modelingand inversion calculationXU E Guo -Qiang 1, LI Xiu 2, DI Qing -Yun 1(1.I nstitute of Geolog y and Geop hysics ,Chinese A cad emy of science ,Beij ing ,100029,China;2.S chool of Ge ology and S ur v ey Eng ineering ,Chang 'a n Univ ersity ,X i 'a n 710054,China)Abstract We g ive a g ener al rev iew o f recent r esear ch prog ress abo ut the T r ansient Electro magnetic M ethod (T EM )and instrument .T he achievement o f T EM for wa rd modeling and inv ersion hav e been summar ized .A t pr esent,the for war d numer ical calculation metho ds include 1D dig ital filter method,3D integ ral equat ion metho d,2D and 3D differ -ence met ho d,2.5D infinite element met ho d.T he main 1D inv erse met ho ds include float plate method,auto -inv erse metho d,smoking theor y,artificial neural netw or k,imag ing inver sion.We present the featur e o f ev ery numerical calcu -latio n metho d.T he developing directio n of fo rw ard and inver se st udies mainly is the 3D calculat ion method and the targ et imag ing sysy tem.Keywords tr ansient electr omag netic metho d,forw ard pro blem,inver sion problem收稿日期 2008-03-10; 修回日期 2008-06-20.基金项目 国家自然科学基金重点项目(50539080)和国家自然科学基金项目(40774066)联合资助.作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士学位.研究方向为电磁探测理论与应用(E -mail:ppxueguoqiang@ )0 引 言电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求.电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的.通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的电磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法.瞬变电磁测深法(Transient electr omagneticm ethod,简称T EM)是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法.它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态.该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强地球物理学进展23卷以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔.目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一.已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门.成功地解决了大量实际问题[1,2].但是应用领域的问题越来越多并且越来越难,发展瞬变电磁法精细探测技术是一次机遇和挑战[3~5].本文详细列举了瞬变电磁法各种正反演方法,并对方法进行了回顾和展望.1方法概述20世纪30年代,最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是美国科学家,当时利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.最早提瞬变电磁法工作方法的前苏联科学家,当时采用的是远区工作模式[7,8].到了20世纪50~60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.20世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之,/短偏移0、/晚期0、/近区0、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在20世纪70~ 80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的深部调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[9~11].20世纪80年代后随着计算机技术的发展,欧美学者在二三维正演模拟技术方面,发表了大量的论文[12~17].与此同时,前苏联学者提出电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了/偏移成像0的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析法偏移两种方法.80年代末,从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,解释了瞬变电磁法晚期电磁响应的变号现象,并对三维极化体的瞬变电磁响应特征进行了数值计算.[18~20].在我国,对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代,朴化荣、曾孝箴等人,他们将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中;方文藻、李貅等将大回线源瞬变电磁测深法广泛用于地热和地下水调查、工程调查和地质灾害调查,又将瞬变电磁法用于大地电磁测深曲线的静校正,取得了良好的效果.蒋邦远等将瞬变电磁法用于普查勘探良导金属矿,随后又研制出了DCM-1型电磁脉冲瞬变系统;牛之琏等将T EM法用于金属矿勘探上,取得了明鲜的效果,并与智通研究所合作研制并生产了SD-1型智能化瞬变电磁仪,白云仪器厂在此基础上研制了M SD-1, BYF5M SD1瞬变电磁系统;中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所研制了WDC-1,WDC-2瞬变电磁仪器,后又研制了IGGETEM-20瞬变电磁系统;西安强源物探研究所研制了LC,EMRS-1, EM RS-2瞬变电磁仪;北京矿产地质研究所王庆乙教授研制了T EMS-3S瞬变电磁仪器;吉林大学林君教授研制了ATEM-2瞬变电磁仪器,重庆奔腾数控技术研究所研制了WT EM系统;但是目前国内仪器的稳定性,重复性都不如国外仪器好.国内主要的进口仪器有加拿大GEONICS公司生产的PRO-TEM系统(PROTEM-37,47,57,67);PH OEN IX 公司生产的V6,V8系统;美国ZONGE公司生产的GDP-32系统等.以前,瞬变电磁法只局限于金属矿勘探,1992年以后随着仪器的智能化与数字化,瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中,如探测地下采空区,陷落柱等煤田灾害,划分地下断层、寻找地下水,金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域.取得了良好的效果.瞬变电磁法以其独特的优点广泛用于资源勘探和工程勘察中.但针对一些具体的精细探测问题如:高速公路和铁路建设中的隧道超前地质预报精细探测,大型重要古墓的墓室结构精细探测,大型水坝隐患精细探测等,常用的瞬变电磁法的分辨率受到限制,探测效果受到影响.从目前看,在理论研究、仪器研制方面处于初级阶段.虽已解决了一维正反演问题,但在二、三维的研究成果还未达到应用程度.传统的瞬变电磁探测方法对地下目标体的评价精度低,一般采用二次衰减曲线和由此算得和的视电阻率值及视纵向电导值作为解释参数,用一维的计算公式得到深度)视电阻率,或者深度)视电导率二维断面图来进行解释.多数仍处于定性和/看图识字0的阶段.对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演,很多情况下是靠解释人员的工作经验及地质先验知识来对测深结果做出判断,人为性较大.随着探测分辨率和精度要求的提高,在原有解释方法理论基础上对正反演问题做更深入地研究,探索新的反演理论并将其进行系统化,建立系统的T EM解释正反演理论,同时使瞬变电磁法的解释11664期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展向三维方向迈进,使这一方法能更好地解决一些高难的精细探测问题.当然,加强仪器研制,观测方式的改进,微信号拾取方法研究等方面也要加强.2 正演问题研究正问题是根据给定的地球模型求解地球物理电磁场理解值,反问题是根据实际测量的地球物理电磁场数据定性或者定量解释出地球内部的结构的过程.2.1 一维正演问题对瞬变电磁法一维情况下的正演计算大多采用先在频率域进行讨论,得到层状介质下的电磁响应表达式,然后把讨论结果转换到时间域来.从频率域到时间域响应的转换,可以采用的方法有:GAVER -STEH FEST 逆拉氏变换方法、延迟谱方法、线性数字滤波方法、折线化正余弦变换法.线性数字滤波技术是将汉克尔变换转换成卷积形式,离散化后形成数字滤波器.滤波器的系数由已知变换对求出[21].这一变换主要涉及H ankel 变换,H ankel 变换方法有两种,一种采用线性数字滤波技术,利用H ankel 系数反积分方程离散化,并把积分形式变成求和形式.(流程图如图1)计算精度与系数的个数多少有关系.另外一种办法是把足够长的积分区间分成两部分,求出贝塞尔函数的两个零点,在各区间内采用高斯积分求积,然后求和,这一算法精度较高,但是效率较低,图1 一维正演数值计算流程图Fig.1 F lo w chart o f 1D fo rw ard calcalat ion折线化正余弦变换法是利用正余弦函数的导数性质和分部积分法则将积分转换成为对核函数导数的的正余弦变换.对导数进行差商近似,将积分区间分段,并在每个段内用折线来逼近积分核函数,使核函数的二次导数变成一系列D 函数的和.该算法对缓变函数效果较好.2.2 二维正演问题二维数值计算多采用有限差分法进行.用两个无限长直导线近似作为发送回线源,可用均匀半空间的解析解在t >0时刻将源转化为初始条件加入.从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,利用准静态近似处理空中边界,在地-空界面向上延拓一个网格,采用五点差分显式格式,在每一时间步计算网格空间各点的场量,然后进行时间的逐步递推,就能直接模拟电磁波的传播及其与地质体的相互作用过程,使电磁场的时域特性被直接反映出来[22].(流程图如图2)图2 二维正演有限差分法程序流程图F ig.2 Flow char t of 2D farw ard ca lculatio nusing the difference method由于源的处理和边界条件的确定是建立在在水平均匀半空间基础上的,目前的时域微分方程算法尚存在着不足,无法分析TEM 场对浅异常体的响1167地球物理学进展23卷应;无法有效地分析地形对T EM的影响,地形与异常体的相互作用还不甚清楚;由于对源的特殊处理,使得计算结果对浅部地质体的反映不佳.有限元法对频率域计算比较有利.因为它可以很方便地处理急剧变化的和倾斜的电导率分界面和地形等问题.由于频域电磁勘探中的二维定解问题相对简单,且用有限元法求解十分方便,因此,先在频域中用有限元法求解,然后变换到时间域,是瞬变电磁二维正演的一种有效途径[21].2.32.5维正演问题2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前国际上尚未妥善解决的计算地球物理疑难问题之一.我国从20世纪80年代开始着手研究2.5维电磁场的数值模拟,采用有限元法对时间域[23]和频率域电磁场的2.5维响应进行正演数值模拟,采用快速松驰算法实现三维源二维地质结构的CSAMT数值计算[24],尽管占用计算机资源较大,但是确实给多维反演研究开辟了方向.为避免过于庞杂的三维正演计算量,可以首先在频率域计算电磁场响应值,然后再把计算结果变到时间域采用三角形网格代替传统的矩形网格算法,导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场(纯异常)的有限单元计算公式.2.4三维正演问题3D反演是提高TEM资料解释效果的必由之路,3D模型正演又是反演的基础,因此,改进与完善TEM法3D模型正演,对进一步提高TEM资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义.目前国内还没有应用较好的3D正演软件.三维瞬变电磁场正演计算只能用数值方法,主要方法有三类:有限差分法,有限元法和积分方程法.前两种方法要求对所计算的全部区域进行离散化,所占用的计算机容量较大.后者只要对异常区域进行离散化,存贮量大大减小.积分方程是最早实现3D场模拟的数值算法[19,25,26],因为积分方程法只需要计算小体积异常区的场,不必计算整个区域的场.这一点使积分方程算法在数值计算的早期,比微分方程法具有更大的优越性.但是积分方程法求解要遇到某些更困难的数学问题,仅适合模拟简单模型.在计算比较复杂的模型,如层状大地中的3D异常体时,往往不能用直接时域积分方程求解,而要由频域积分方程的计算结果经傅立叶变换到时域.尽管几乎在所有情况下,电磁场的频率域特性和时间域特性之间可以通过傅氏变换一一对应,然而也有一些情况,除了转换中的计算精度问题以外,两者之间有着很微妙的差别.要模拟复杂的地质构造,还要依赖于时域微分方程的方法.和积分方程算法不同,在开放域的地球物理问题中,微分方程算法要解决边界条件和源的处理问题.瞬变电磁三维直接时域有限差分法数模拟已经有报道[27].而且还进一步地通过设定等效位移电流,使原适合波动场的时域有限差分算法(FDT D)能够适用于扩散场问题.直接时域算法的引入,展现了电磁场在地下随时间传播的全过程,直接模拟电磁波与地下异常体的相互作用,使TEM 场的时间特性被直接反映出来,从而给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象.直接在时间域中求解和从频率域中转换,两者的计算量基本相当,前者精度较高,尤其是晚期,但是计算复杂.后者由于频率域的研究已有很好的基础,所以做起来简便.也可以按照二维时间域有限差分的思路进行三维有限差分计算[27],即把三维源问题做特殊处理后,作为初始条件加入迭代方程,然后进行计算.3反演问题研究3.1浮动薄板解释法[28~34]它是一种根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的近似解释方法.因此称为/视纵向电导解释法0,也有人把该法形象地称为/浮动薄板解释法0.水平薄板模型是瞬变电磁场正演计算中唯一能用初等函数解析表示的地电模型.随着时间的推移,瞬变电磁场向地层深处传播.因此,可将每个瞬间观测到的电磁信号等效为某一/浮动0导电薄层产生的场,从而直接把观测的垂直磁场分量时间导数矩阵转换为电导率)深度值.根据电磁理论,我们可用一导电平面来代替地下均匀介质,然后用镜像法可以方便地求出空间任一点的感应磁场.可形象地理解为:随时间的增减,等效导电平面以速度1L0R上下/浮动0(R为电导率,L0为磁导率).当时间增大时,它逐渐下沉,当时间减小时,它又逐渐/上浮0.这样便可以用一块随时间的变化而/沉浮0的/载流0导电平面近似代替回线源中的均匀大地,从而方便的求出地表任一点的异常场.这就是/浮动薄板法0的基本原理.这一方法应用较早.3.2烟圈理论解释法[35]在均匀大地上,敷设输入阶跃电流的回线,当发11684期薛国强,等:瞬变电磁法正反演问题研究进展送回线中电流突然断开时,在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场,此瞬间的电流集中于地表附近,并按r-4规律衰减(r 为中心至观测点的距离).随后,面电流开始扩散到下半空间中,在切断电流后的任一晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的0环带0形,并形成一系列与发送回线同形状并且向下及向外扩散的/电流环0,通常称之为/烟圈0.大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示.这些电流环就像由发射回线吹出的/烟圈0,其半径随着时间增大而扩大,其深度随时间延长而加深.这就提示我们:当计算均匀半空间的地面瞬变电磁响应时,可以用某一时刻的镜像电流环来代替.随着时间的延长,涡流场向下及向外扩展.依据计算的结果,涡流场极大值将沿47b 倾斜锥面扩展,计算均匀半空间的瞬变电磁响应时,可以把/烟圈0看作一系列的二次发送线圈,很容易地计算出在某时刻沿地面测线的响应值,以及在某个测点的响应值随时间变化的规律.在层状介质中,仍然保持同样的/烟圈0效应,只是/烟圈0的传播将逐渐局限于导电地层中.3.3 人机对话自动反演法.先根据地质资料及定性分析结果,给出初始模型进行正演计算,将正演计算结果用改进的阻尼最小二乘法与实测数据对比拟合.如果拟合结果不满足要求,就修改模型参数,再进行正演计算,然后再对计算结果对比,如此重复直到满意为至.为了减少多解性的影响,采用了可行方向法,控制计算参数的变化范围.以上过程全部在人的控制下由计算机自动完成.瞬变电磁测深数据拟合问题可以表示为如下的约束条件:min U (x ),x -[x i [ x ,(1)其中U x 为目标函数,x =x 1,x 2,,x mT,x --为x i 的下界, x 为x i 的上界.令:x 1i=x 0i +$x i ,t \1x 0i+t $x i ,t <1(2)其中$x i 由下式决定:A TA +A I $x =A TB式中A 为雅可比矩阵,I 为单位阵,A 为阻尼因子,其中t 由下式决定:t =x i -x 0i/$x i ,$x i >E0,-E [$x i [E x ---x 0i/$x i ,$x i <-E(3)其中E 为给定小正数.把满足上述三式的x 1i作为下次迭代新的初值,如此迭代运算,直到求出x 1,x 2,,x m 的最佳值为至.3.4 人工神经网络反演法目前传统电磁资料反演方法理论相对来说比较复杂,不易学习掌握;后期数据处理量大,计算复杂,很难进行实时反演.人工神经网络特别适合处理不确定性和非结构化信息.地质勘探和开发中的大量信息就是这种信息,同时,它也避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决那些复杂的实际问题;而且它还具有学习记忆功能,能够一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具备了延续性和继承性,便于推广.人工神经网络是模拟人脑机理和功能的一种新型计算机和人工智能技术,在数据处理中避免了数据分析和建模中的困难,采用拟人化的方法进行处理,特别适合于不确定性和非结构化信息处理,因此在地质勘探中具有重要意义.人工神经网络反演法,它不要求工作人员有丰富的工作经验,它避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且还具有学习记忆功能,它一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性.随着专家系统的不断完善,该方法将有广阔的发展前景.3.5 成像类反演由于地震勘探研究相对比较成熟,在20世纪80年代后期,人们提出了在电磁勘探数据中采用拟地震解释法,进行成像处理.大地电磁法和瞬变电磁法都取得了一定的进展.成像类反演主要有两种,一种是时频等效转换方法,即:通过一个经验公式,把TEM 数据等效转换成平面波场数据[36~38],借用M T 数据的拟地震思路,求取反射系数序列进行成像[39].另外一种就是波场转换方法[40~44],并进一步进行拟地震偏移成像[8,45].在场源激励下,地下介质中产生涡流,在阶跃波断开后,涡流不会立即消失,而是有一个过渡过程,在这个过程中,由地下介质所产生的二次感应场经过了一个由无到有,由小到大,到极大,到衰减,再到1169地球物理学进展23卷无的过程.对于地下某一深度z,磁场微分量d B/d t 初始值为零,经过建场,到达极大值,最后衰减到零.某一频率或者某一时间的电磁场分布在地下的任何深度内.从地球物理勘探的角度看,电磁探测深度与仪器的检测灵敏度、地电情况、围岩情况、噪声电平等因素有关.在比较理想的情况下,也可能探测到埋深相当于几倍的趋肤深度(或者扩散深度)的地下地质体,在复杂地质情况下,也可能探测不到埋藏在趋肤深度(或者扩散深度)以内的地质体.但是,总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.在一维近似的情况下,把趋肤深度和扩散深度等效认为是电磁场的探测深度一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间t频率f对应关系.210f=t.(4)忽略位移电流以后,低频电磁场满足扩散方程,不能直接对电磁探测数据进行成像,扩散方程中的波数含有一次项,波动方程中的波数含有二次项,两个方程的形式不同.但是,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,从波场到时域场的波场正变换式H m(t)=12P t3Q]0S e-S24t U(S)d S.(5)变换得到的虚拟波场,不仅满足波动方程,而且还类似于地震子波一样,具有传播、反射、透射特征.瞬变电磁场偏移成像问题与地震勘探中的弹性波偏移成像问题有相似之处,但也不完全相同.如果将扩散的瞬变电磁场变换为波场处理,将该波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,形成瞬变电磁偏移方法,将对提高瞬变电磁场的分辨率具有重要意义.虽然变换出来的波场在形式上与地震波场一样都满足波动方程,但是由于两种波场的物理背景不同,它们之间存在一些重要区别,前者是与感应的瞬变电磁衰减曲线相对应的/反射0子波,是虚拟的,而后者是在弹性介质中传播的客观存在的地震子波.另外,虚拟波场在每一介质中的传播速度不仅与本介质的电导率有关,而且还受相邻介质电导率的影响,这与地震波场是不同的.瞬变电磁法的三维反演问题将是研究的热门.由于计算的复杂性,国内研究较少,国外学者研究相对较多,不断探索更多的反演方法[46~51].国内对时频联合反演进行了研究,并取得初步成果[52].其它不同方法的三维正反演问题也得到了研究[53~57],其研究成果会对瞬变电磁法有所借鉴.但随时着计算技术的不断发展,三维反演问题得到解决,瞬变电磁法的勘探精度会得到很大的提高.4研究展望在理论与应用中,瞬变电磁法已以取得了很大的进展,但是一些焦点问题还没有解决,一些研究还没有真正达到实用化,还需要研究者做更多的突破.在注意发展研究复杂地电条件下二、三维问题正反演的同时,更应注意实际应用效果,发展瞬变电磁测深资料与其它勘探资料的联合反演;投入力量研究瞬变电磁拟地震的偏移成像技术;在回线源非共中心点情况下,对水平分量的正演模拟计算和资料反演都研究的不够.需要加强水平分量资料的观测,及多分量数据的正反演问题研究.瞬变电磁法目前大多停留在一维反演阶段,三维反演则处于方法研究或者特定方式的应用阶段,所以,要实现三维反演的实用化,成果推广化,还需要走一段很长的道路.在三维正演计算中,大多研究场源为电偶极子或者接地长导线形式,对于应用较广的矩形回线源情况,由于其复杂性,正演计算研究相对较少.另外,对航空瞬变电磁法,海洋瞬变电磁法,井地瞬变电磁法,井下瞬变电磁法的正反演理论与方法的研究还远远不够.只有这些研究有足够多的突破,才有可以推进瞬变电磁法的全面发展,展示该方法最美好的一面.参考文献(References):[1]胡祥云,杨迪坤,刘少华,胡正旺.环境与工程地球物理的发展趋势[J].地球物理学进展,200621(2):598~604.H u X Y,Yang D K,L iu S H,H u Z W.Th e developing trendsof environmental and engineering g eophysics[J].Progres s in geoph ysics,200621(2):(598~604).[2]曾昭发,刘四新,刘少华.环境与工程地球物理的新进展[J].地球物理学进展,2004,19(3):486~491.Zeng Z F,Liu S X,Liu S H.T he new progress of en viron men-tal and en gineering geophysics[J].Progress in geop hysics, 2004,19(3):486~491.[3]赵永贵.中国工程地球物理研究的进展与未来[J].地球物理学进展,2002,17(2):305~309.Zhao Y G.T he Pres ent S itu ation and Future of Engineerin g Geophys ics in China[J].Progres s in geophysics,2002,17(2): 305~309.[4]滕吉文.21世纪地球物理学的机遇与挑战[J].地球物理学进展,2003,19(2):208~215.T eng J W.Opportunity challenge and developing frontiers:1170。
瞬变电磁法深度研究综述
同的定义 ， 有最佳探测深度 、 理论探测深度 、 解释深
该二次磁场是利用由地下 良导地质体受激励引起 的
涡流产 生 的非稳定 磁 场 。使用 电偶 源 （ 或不 接地 回 线） 向地下发 送 电场 （ 或一次 脉 冲磁 场 ） ， 就 是在发 射
２】 ４
回线上发送一个 电流脉冲方波 ， 在方波下降的一瞬
问， 就会 产 生一 个 能 向地 下 传 播 的一 次 磁 场 。处 于
摘 要： 本文在 当前国内外瞬变电磁法（ Ｔ Ｅ Ｍ） 研究中， 对于深度提 出的各种定义的研究进展情况做 出了 综述性评价， 在此基础上， 重点讨论 了如何解释深度这一定义， 论述 了目前国内瞬变电磁法深度定义的研究 进展 ， 总结 了各 种深度 定义 的影 响 因素 ， 提 出 了加 大深度 的发展 方 向， 展 望 了该 方法 的研 究方 向 ， 为进 一 步 的
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｔ Ｅ Ｍ； Ｄｅ ｐ ｔ ｈ Ｄｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ； Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｐ ｒ ｏ ｒｅ ｇ ｓ ｓ
０ 引言
目前 ，国内外对 于 瞬变 电磁 法 的深度 有多 种不
瞬变电磁法是使用 阶跃波或其他脉冲电流场源
激励 大地产 生过 渡过程 场 ，断 电瞬间在 大地 中形 成
（ 东 华理 工大 学 ， 江西 南 昌 ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
（ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ Ｎａ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
我国城市地球物理勘探方法应用进展
我国城市地球物理勘探方法应用进展导读：随着我国城市化建设不断推进，城市地下空间探测任务越来越多，探测精度要求也越来越高。
地球物理方法具有无损、快速、无盲区的优势，在进行城市地下空间探测、开展地下地质结构调查以及地下填图中发挥着重要作用。
与常规物探工作相比，城市地下空间探测面临着较为复杂特殊的环境，因而某些领域对常规物探工作提出了更高要求。
本文总结梳理了近年来城市地下空间探测中的应用研究进展及发展趋势，从城市高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层反射地震法及城市高精度重力探测等五种方法概述应用进展，涵盖电磁、地震、重力等多门类综合地球物理勘探方法，涉及光纤传感及微动技术在地下空间探测的应用，分析了各种方法的优势所在，简明阐述了城市地下空间探测的有效方法途径和部分存在的问题。
本文研究成果为城市地下空间探测、水文工程环境地质勘查和地质灾害调查等提供了地球物理勘探方法应用选择和参考。
------内容提纲------0引言1 城市地球物理勘探基本原理、方法及探测目标1.1 地球物理勘探基本原理1.2 地球物理勘探方法1.3 地球物理勘探目标2 方法应用研究进展2.1 高密度电法2.2 探地雷达法2.3 面波勘探法2.3.1 主动源面波勘探2.3.2 被动源面波勘探（微动探测）2.4 浅层反射地震法2.4.1 纵波反射地震2.4.2 横波反射地震2.5 高精度重力法3 方法对比分析4 结论与展望0 引言城市地下空间作为一种宝贵的自然资源，在全球发达国家和部分发展中国家已得到广泛开发应用。
随着我国城市化建设不断推进，城市地下空间探测已成为当前研究关注的热点问题，同时对地球物理方法技术提岀了更高要求，地球物理方法是进行城市地下空间探测、开展地下地质结构调查以及地下填图不可或缺的手段。
近年来，我国在成都、杭州及雄安新区等重大城市均开展了城市地下空间探测工作，并且综合运用多种物探方法，用以解决与城市密切相关的地质、水文、环境及灾害等一系列问题，取得了较好应用效果。
【国家自然科学基金】_波场变换_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
2011年 科研热词 瞬变电磁法 波场变换 波场分离 麦克斯韦方程组 饱和半空间 频率衰减梯度 面波 非线性阈值 非傍轴高斯光束电磁场 隧道超前预报 速度分析 起伏地表 谱比法 衰减分析 衰减 衍射光学 磁偶极子 瞬变电磁场 瞬变响应 电磁波场 波场模拟 波场延拓 正则化算法 有限差分 曲线网格 时频分析 抛物线radon变换 扭转振动 广义s变换 层状介质 多道相关 多波多分量地震 各向异性 反褶积 反q滤波 压缩波形 偏移成像 信号处理 低频阴影 井中 weniger变换 sh波 curvelet域 biot波动方程 推荐指数 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
科研热词 推荐指数 褶积微分算子 2 波动方程 2 数值模拟 2 拟谱 2 弹性波 2 傅里叶变换 2 非均匀介质 1 隐蔽圈闭 1 透镜体 1 近似rayleigh地震波 1 起伏地表 1 自由基准面 1 相位校正 1 波场特征 1 波场成像 1 波场延拓 1 波场分离 1 时频误差分析法 1 时频相位误差 1 时频振幅误差 1 旋度 1 散度 1 探地雷达 1 小波域 1 地震波数值模拟 1 地震波场 1 地下综合管廊 1 叠后正演 1 动力响应 1 傅立叶变换 1 偏移 1 佛尔塞多项式 1 伪谱法 1 井间波场特征 1 三维 1 一步法 1 tdo基准面校正 1 forsyte广义正交多项式 1 2.5维数值模拟 1 2.5维 1
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40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8
发射边长为100米，点
距10米。
点号
10 11
视电阻率断面图
时间 (ms )
合成孔径成像前波场变换结果
合成孔径后波场变换结果
深度 (m)
主剖面偏移成像断面图
• 顶板埋深90米
视电阻率断面图
时间 (ms )
波场变换的数值化方法
f ( x, y , z , t ) 1 2 t
3
0
e
2
4t
u ( x, y , z , ) d .
u( x, y, z, ) 1
f ( x, y , z , t ) 1 2 t
3
0
e
2
4t
d =
1
t
f ( x, y, z, ti )
正则化方程
( A A ( )I) U A F.
T T
其中， U u j n 为波场值， ( ) 为正则化参数，解该 式便可求得波场 U 的最小二乘近似解（拟解） 。
波场反演结果:
10
10
10
(a)
u/m
(b)
u/m
(c)
u/m
1
1
1
0.1 4E-005 6E-005 8E-005
280米 x方向切片
Y方向切片
z方向切片
在航空探测中的应用
合 成 前
合 成 后
注：实测数据来源于吉林大学TEM直升机系统
4
亟待解决的问题
• 波与场的物理实质关系问题 • 不适定方程的数学解的稳定性问题 • 勘探精度提高问题
5
展望
• TEM拟地震是一个前沿问题，多道瞬变电磁仪
器的研发与观测数据的空间多次迭加的实现为
半空间中赋存高阻块状异常体
参数设置：半空间的电阻率为10，异常体电阻率300 埋深分别为70、 100，范围为30m*30m*50m的块体。发射边长为100米，点距10米。
三维模型图
主剖面平面图
高阻异常模型计算 • 顶板埋深70米
图中红色方框为高 阻模型位置所在，而电
阻率断面图显示高阻中
心位置在60米处左右， 严重偏离模型中心并且 对模型边界分辨不清。
，
反褶积计算：
ˆi (t a ) h(t ) yi (n t ) y
t 1 n
效果比较
三维效果
反褶积前
反褶积后
三维曲面延拓
波场在地下传播可以用波动方程描述：
2 1 u 2 u 2 F 2 v t
克希霍夫积分解为：
1 u ( x, y , z , t ) 4 1 1 u 1 r u F [ ]dQ [u ] ( ) [ ] n r r n vr n t r0 Q
波场变换实例
正 向 双 脉 冲 Q 型
含 噪 时 间 域 响 应
波 场 反 变 换 结 果
负 向 双 脉 冲 A 型
含 噪 时 间 域 响 应 波 场 反 变 换 结 果
正 负 向 双 脉 冲 H 型
含 噪 时 间 域 响 应 波 场 反 变 换 结 果
负 正 向 双 脉 冲 K 型
含 噪 时 间 域 响 应 波 场 反 变 换 结 果
0.1 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
0.1
0.1
t/s
t/s
0.008
0.012
0.016
0.02
0.024
0.028
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
t/s
t/s
图 2.5.8 波场反演结果 ……… 波场反演值； 波场理论值．
(ａ)第１时段反演结果；(ｂ)第２时段反演结果；(ｃ)第３时段反演结果；(ｄ)第４ 时段反演结果；(ｅ)第５时段反演结果；(ｆ)第６时段反演结果；(ｇ)第７时段反演结果．
合成孔径前波场变换结果
合成孔径后波场变换结果
深度 (m)
主剖面偏移成像断面图
• 顶板埋深120米
视电阻率断面图
时间 (ms )
合成孔径成像前波场变换结果
合成孔径后波场变换结果
深度 (m)
主剖面偏移成像断面图
在采空区探测上的应用
将合成后的数据进行偏移成像，得到以深度为纵轴的三维成像图。
140米
瞬变电磁法拟地震成像方法研究提供了新的契
机
• TEM拟地震方法是一种等效方法，等效方法是
研究复杂物理问题的一个有效方法，在目前三
维TEM反演没有条件实现的情况下，是一条实
现三维解释的捷径。
• 为航空瞬变电磁三维快速解释奠定了基 础 • 适应了地空探测的三维解释要求，为三 维填图服务 • 为三维精细探测和解释开辟了新路
了偏移电磁场的概念,并且建立在逆时偏移电磁场基础上对二,
三维反演问题也展开了最新的研究。
2.基于波场转换的瞬变电磁拟地震方法
• 研究一种快速、稳定的从瞬变电磁场到虚拟 波场的全域优化算法 • 瞬变电磁虚拟波场信息提取 • 瞬变电磁虚拟波场的Kirchhoff积分偏移方法 • 纵、横向量场的连续速度分析方法 • 瞬变电磁虚拟波场合成孔径算法与实现
反褶积法压缩子波宽度
最小平方反褶积基本方程如下：
rbb (1) rbb (m) h(m0 ) rbd (m0 ) rbb (0) r (1) h(m 1) r (m 1) r ( 0 ) r ( m 1 ) bb bb 0 bd 0 bb rbb (m) rbb (m 1) rbb (0) h(m0 m) rbd (m0 m)
合成孔径后波场变换结果
深度 (m)
主剖面偏移成像断面图
低阻异常模型计算 • 顶板埋深60米
参数设置：半空间的
电阻率为50，异常体 电阻率5 埋深分别为 60、90、120米，范围 为30m*30m*60m的块体。
深度 (m) -50
-60
42
-40
-70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 -140 -150 -160 -170 -180 -190 -200 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
ti
a(ti , j )h j .
j 1
n
用最优化法可以选择出一组 j , h j ( j 1,2,n) 值，然后将这组值用到上式中， 对于不同 t i (i 1,2, m) 的，便可求出一系列的瞬变电磁场值 f ( x, y, z, ti ) 。
波场逆变换的正则化算法:
波场的向下延拓表达式：
1 1 1 1 r r F g ( x, y, z, t ) ( ) G( , , 0 , t )dQ 4 Q0 n r r n vr n t v r0
成像效果
波 场 三 维 成 像 效 果
延 拓 三 维 成 像 效 果
•M.Gershenson(1997)提出用波的扩散传播特性解释时域电磁测 深资料。
•Niels BoieChristensend(2002) 提出了一种快速的拟Born瞬变
电磁偏移成像。 •Zhdanov等（1988，1993，2009）经过十余年来的系统专门研 究,借鉴了地震勘探中的逆时偏移概念,对时间域的瞬变电磁场 等和频率域的大地电磁场进行了逆时偏移成像的深入研究,提出
当前需要：
（1）由TEM发展到MTEM（多道瞬变电磁法） 的需要
（2）电磁场数据的拟地震波动场解释的
需要 （3）发展三维成像技术的需要
研究背景：
• 1987年Lee等人根据电磁波与地震波波动方程式之间的类比性, 利用Claerbout单程有限差分波动方程将观测数据向下延拓,实 现了对MT资料的偏移。 • 1989年Sasaki对大地电磁深度偏移方法做了进一步讨论，提出 了在二维结构情况下，在波数域中对大地电磁场进行延拓并引 入了地震偏移中的相移插值(PSPI)法。 • Adrianus.T.de Hoop(1996)研究认为瞬变电磁法与反射地震勘 探具有相似性原理。 • Strack K.M and Vozoff K(1996) 利用地震的解释技术对长偏移 距瞬变电磁资料进行了数据处理。
3
瞬变电磁拟地震研究新发展
• 波场变换优化算法
• 反褶积法压缩子波宽度 • 三维曲面延拓
• 合成孔径算法
波场变换优化算法
波场变换式:
波场变换 TEM 扩散方程 虚拟波动 方程
H m (t )
1 2 t3
0
e
2
4t
U ( )d
瞬变电磁场与虚拟波场表达式
j , h j ( j 1,2,n )
1、前 言
研究目标：
（1）将传统的以单点处理方式发展成为多点逐点推移的
合成孔径处理方法，采用相关叠加的方法来提高瞬变电磁法 的分辨率； （2）从波场的角度拓展和丰富了瞬变电磁场的内涵，使 得从实测资料中提取到常规瞬变电磁法提取不到的信息；
（3）提出新的解释技术，提高电磁法的解释水平, 满足
精细探测要求
视阻率断面图
时间 (ms )
合成孔径成像前波场变换结果
合成孔径后波场变换结果
深度 (m )
主剖面偏移成像断面图
• 顶板埋深100米
图中红色方框为高阻模
型位置所在，而电阻率 断面图显示高阻中心位 置在90米处左右，严重 偏离模型中心；并且对
模型边界分辨不清。 视电阻率断面图