层状介质航空电磁激电效应正反演研究

【类型】学位论文

【作者】缪佳佳 

【关键词】 激电效应,极化电流,cole模型,时间域航空电磁,Occam反演,Cole,感应电流,电磁扩散

【摘要】航空瞬变电磁法(Airborne transient electromagnetic,简称ATEM)凭借其速度快、成本低和便捷高效,能够完成传统地面电磁法难以完成的地形条件复杂、气候环境恶劣地区的资源和环境勘查工作。目前,航空瞬变电磁法在国内外均有较大的发展,特别是近几十年来随着航空瞬变电磁系统的发展和数据采集精度的提高,地球物理工作者经常在晚期时间道航空瞬变电磁响应中发现符号反转现象,经过学者们的研究发现,认为该现象是由于激发极化效应引起的。然而,传统的电阻率反演方法无法对该类航空瞬变电磁数据进行有效地处理解释和正确地反演。早期研究过程中通常直接将符号反转部分的数据直接剔除,仅处理解释早期正响应部分数据,该方法必然导致深部地球物理信息丢失和电阻率反演结果的失真。近几年,关于航空瞬变电磁激电参数的反演已成为航空电磁法的研究热点之一,有效地解决该问题对于航空电磁法的发展和国民经济的增长具有双重意义。本文主要研究内容为层状介质航空瞬变电磁激电效应的正反演。本文首先介绍激发极化法的电化学理论,展示两种典型的激发极化模型。另外,引入目前被广泛使用的Cole-Cole模型,对其进行适当的变换,给出几种典型岩矿石的激电参数取值范围,分析岩矿石电导率的频率特性。这些为后续的研究奠定了理论基础。接着本文研究航空瞬变电磁激电效应对电磁扩散的影响,给出全空间层状模型任意位置的频率域电场分量,根据欧姆定律得到频率域电流密度响应,通过对Cole-Cole模型的分解又可以得到频率域感应电流密度和频率域极化电流密度;利用正余弦变换可以将频率域电流密度转换为时间域电流密度。通过分析感应电流密度、极化电流密度和总电流密度的时间域变化特征,研究极化介质中电磁扩散特征,并研究分析感应电流和极化电流的充放电过程,合理解释极化介质出现符号反转现象。通过研究不同充电率和电导率极化模型中的电磁扩散特征,得出不同激电参数对电磁扩散的影响,进一步加深对航空瞬变电磁激电效应的认识。为后续章节的正演模拟研究提供理论基础。针对航空瞬变电磁激电响应正演模拟,本文以水平圆形回线源为例,给出层状极化模型在水平圆形回线中心处垂直磁场表达式,利用正余弦变换计算航空瞬变电磁激电效应的阶跃响应和脉冲响应,通过卷积技术计算得到任意波形的航空瞬变电磁激电响应,研究分析不同激电参数对航空瞬变电磁激电响应的影响。通过对层状极化模型的正演模拟研究,合理地解释航空瞬变电磁响应中出现多次符号反转的现象。最后本文对航空瞬变电磁激电参数的反演进行研究,采用经典的Occam反演方法,首先介绍Occam反演方法的基本理论,反演过程中对Cole-Cole模型参数进行合理的范围约束,提高了反演的稳定性,也一定程度上降低了反演的多解性。通过对几种典型理论层状极化模型的反演研究,给出本文反演算法的优点及其局限性。综合本文研究成果可为今后的三维航空瞬变电磁激电效应正反演研究工作奠定良好的基础,同时也对进一步认识航空瞬变电磁法中激电效应提供帮助,具有一定的理论研究意义。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】吉林大学

【学位授予年度】2017

【导师姓名】殷长春

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