强场源瞬变电磁系统的初步研究
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摘要
瞬变电磁法(TEM)作为一种利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的电磁感应方法，它有着频率域电法所不具备的许多优点，但同时由于电磁理论的复杂、对资料解释手段的滞后、对其研究的时间较晚等原因，瞬变电磁法在我国的广泛推广与应用受到了较大的制约。为了把这一有特色的电磁方法在我国得到广泛的推广，国家科技部将强场源瞬变电磁系统的研制与开发列入了“十·五”攻关项目“大型矿山接替资源探查技术与示范”的一个子课题。本论文所进行的研究，就是围绕国家“十·五”科技攻关研究课题而展开的，因此选题具有较强的现实意义和实用价值。
笔者在系统总结了国内外瞬变大地电磁法的现状和发展趋势上，结合强场源瞬变大地电磁系统的研究需要，提出了论文的研究原则及研究目标，并对其展开了系统的研究：
1、强场源瞬变大地电磁系统的发射机的系统设计问题
强场源瞬变大地电磁系统的主要目的就是要加大工作电流，由于电流的增大，不但可以加大其勘探深度，而且可以提高其信噪比和探测精度，这就要改变现行中小电流瞬变电磁系统的硬件设计思路，重新对电路进行设计，选择大功率、耐高压的电子元器件，重新设计发送系统。
2、强场源瞬变大地电磁系统的接收机及数据采集系统设计问题
在加大工作电流的同时，尽量降低系统的最小可分辨信号电平，这就意味着探测深度与精度的相对增大与提高，这对数据采集系统提出了更高的要求，要求数据采集系统动态测量范围大，最小可测电压的能力与信噪比高。
3、数据采集软件、后期处理解释软件的编制及解释精度问题
由于发送电流的加大和最小可测电压的提高，在加大了勘探深度的同时，地质噪声和各种效应的影响将更加明显，从而对解释软件也提出了更高的要求，传统的数据处理解释软件不能满足要求了，因此有必要引入成熟的数学方法：如神经网络等，增加一维、二维的解释精度与速度，并对于特殊三维体作正演计算。
4、通过野外实测剖面的试验，验证强场源瞬变大地电磁系统的适应性和数据处理解释软件的可行性，找出系统研究的不足与存在地问题，提出今后研究的重点。
Transient electromagnetic methods (TEM) is a electromagnetic induction method, which transmit the primary impulse magnetic field to the ground with non-earthing loop or earthing line source, and measure the secondary eddy current during the absence of the primary magnetic field with loop or line source. Although it is more prodominent than frequency electromagnetic methods (FEM) in some aspects, But it hadn't been popularized and applied widely in China for a lot of matters, such as the complexity of the theory of electromagnetic, lag of the ways to interpret for data and so on. For the wide popularity and application of TEM in China, "the perfectness and upgrade of Strong Current Source" is chose as a subtask of study in THE TENTH FIVE PLAN by the department of science and technology. The research is related to the subtask of study, so it has very strong actual significance and practual value.
At first, the author put forth the study principle and aim on the basis of summarized the actuality and trend of development of TEM, then systernically study them.
1. the design on the transmitter of Strong Current Source TEM. Enhancing the current intensity lead not only the increasing of exploration
depth, but also improvement of the Signal-to-Noise, so it plays the most important role in the research of system. Then the way of hardware design need change in the actual TEM system.
2. the design on the receiver of Strong Current Source TEM and the data collection system.
In order to increasing the depth of exploration and enhancing the measure precision, it need to decrease the minimal discriminable voltage, besides increasing the current intensity.
3. the program of interpretation software and precision of interpretation. With the increasing of transmiting current and reducing of the minimal
discriminable voltage, the influence of geological interference becomes more evident, so it is very necessary to introduce feasible mathematical methods to direct and inverse calculation of TEM, such as ANN, GA.
Via an experiment on a known-profile in a copper mine, it is validated that the flexibility of the system and feasibility of the interpretation software. Furthermore, the author advance the emphases of research in future, aim at the lack and problem of the system.
笔者在系统总结了国内外瞬变大地电磁法的现状和发展趋势上，结合强场源瞬变大地电磁系统的研究需要，提出了论文的研究原则及研究目标，并对其展开了系统的研究：
1、强场源瞬变大地电磁系统的发射机的系统设计问题
强场源瞬变大地电磁系统的主要目的就是要加大工作电流，由于电流的增大，不但可以加大其勘探深度，而且可以提高其信噪比和探测精度，这就要改变现行中小电流瞬变电磁系统的硬件设计思路，重新对电路进行设计，选择大功率、耐高压的电子元器件，重新设计发送系统。
2、强场源瞬变大地电磁系统的接收机及数据采集系统设计问题
在加大工作电流的同时，尽量降低系统的最小可分辨信号电平，这就意味着探测深度与精度的相对增大与提高，这对数据采集系统提出了更高的要求，要求数据采集系统动态测量范围大，最小可测电压的能力与信噪比高。
3、数据采集软件、后期处理解释软件的编制及解释精度问题
由于发送电流的加大和最小可测电压的提高，在加大了勘探深度的同时，地质噪声和各种效应的影响将更加明显，从而对解释软件也提出了更高的要求，传统的数据处理解释软件不能满足要求了，因此有必要引入成熟的数学方法：如神经网络等，增加一维、二维的解释精度与速度，并对于特殊三维体作正演计算。
4、通过野外实测剖面的试验，验证强场源瞬变大地电磁系统的适应性和数据处理解释软件的可行性，找出系统研究的不足与存在地问题，提出今后研究的重点。
Transient electromagnetic methods (TEM) is a electromagnetic induction method, which transmit the primary impulse magnetic field to the ground with non-earthing loop or earthing line source, and measure the secondary eddy current during the absence of the primary magnetic field with loop or line source. Although it is more prodominent than frequency electromagnetic methods (FEM) in some aspects, But it hadn't been popularized and applied widely in China for a lot of matters, such as the complexity of the theory of electromagnetic, lag of the ways to interpret for data and so on. For the wide popularity and application of TEM in China, "the perfectness and upgrade of Strong Current Source" is chose as a subtask of study in THE TENTH FIVE PLAN by the department of science and technology. The research is related to the subtask of study, so it has very strong actual significance and practual value.
At first, the author put forth the study principle and aim on the basis of summarized the actuality and trend of development of TEM, then systernically study them.
1. the design on the transmitter of Strong Current Source TEM. Enhancing the current intensity lead not only the increasing of exploration
depth, but also improvement of the Signal-to-Noise, so it plays the most important role in the research of system. Then the way of hardware design need change in the actual TEM system.
2. the design on the receiver of Strong Current Source TEM and the data collection system.
In order to increasing the depth of exploration and enhancing the measure precision, it need to decrease the minimal discriminable voltage, besides increasing the current intensity.
3. the program of interpretation software and precision of interpretation. With the increasing of transmiting current and reducing of the minimal
discriminable voltage, the influence of geological interference becomes more evident, so it is very necessary to introduce feasible mathematical methods to direct and inverse calculation of TEM, such as ANN, GA.
Via an experiment on a known-profile in a copper mine, it is validated that the flexibility of the system and feasibility of the interpretation software. Furthermore, the author advance the emphases of research in future, aim at the lack and problem of the system.
引文
[1] 牛之琏．时间域电磁法原理．中南工业大学出版社，1992
[2] 牛之琏．时间域电磁法及其应用．中南工业大学出版社，1989
[3] 方文藻，李予国等．瞬变电磁测深法原理．西北工业大学出版社，1993
[4] 蒋邦远．瞬变电磁法勘探．地质出版社，1998
[5] 朴化荣．电磁测深法原理．地质出版社，1990
[6] A．A．考夫曼，GV凯勒著，王建谋译．地质出版社，1987
[7] 傅良魁．应用地球物理教程—电法 放射性 地热．地质出版社，1990
[8] 杨文采．地球物理反演的理论与方法．地质出版社，1997
[9] 马在田．计算地球物理学概论．同济大学出版社，1997
[10] 王俊军．大地电磁测深边界单元法二维正演：[硕士学位论文]．中南工业大学．1995
[11] 傅茂朝．瞬变电磁后期资料处理方法研究：[硕士学位论文]．中南工业大学．1994
[12] 季铁军．瞬变电磁重叠回线装置下薄板状体异常规律研究：[硕士学位论文]．1994
[13] 陈贵生．瞬变电磁法(TEM)勘察研究：[硕士学位论文]．2001
[14] 鲁来玉．层状介质中的瑞利波和三维电磁模拟研究：[硕士学位论文]．2001
[15] 李庆扬，王能超，易大义．数值分析．华中理工大学出版社．1982
[16] 张保祥，刘春华．瞬变电磁法衰减电压曲线编辑程序简介．物探化探计算技术．2001，23(1)
[17] 宋维琪，仝兆歧．3D瞬变电磁场的有限差分正演计算．石油地球物理勘探．2000，35(6)
[18] 詹艳，赵国泽．PROTEM—37瞬变电磁测深系统及应用实例．地震地质．2001，23(2)
[19] 蒋邦远．磁TEM测深—维反演经验式及应用效果物探与化探．2000，24(2)
[20] 陈军营，林长佑．电偶源频率电磁测深视电阻率多参量联合反演效果检验．西北地震学报．2001，23(3)
[21] 陈明生，闫述．二维地质体的瞬变电磁场响应特征．地震地质．2001，23(2)
[22] 张绍红，赵学军．神经网络非线性煤层属性反演应用研究．煤矿设计．2001(6)
[23] 刘钢．瞬变电磁测量中的激发极化效应．西部探矿工程．2001(6)
[24] 李貅，郭文波．瞬变电磁测深快速拟地震解释方法及应用效果。西安工程学院学报．2001，23(3)
[25] 闫述，陈明生．瞬变电磁场的直接时域数值分析．地球物理学报．2002，45(2)
[26] 张小路．瞬变电磁法局部导体的遗传算法反演．桂林工学院学报．2002，22(4)
[27] 程德福，林君．瞬变电磁法弱信号检测技术研究．吉林大学学报．2002，20(2)
[28] 李创社，张彦鹏．瞬变电磁勘探中的人工神经网络反演法．西安交通大学学报．2001，35(6)
[29] 薛国强，宋建平．用线性规划法求解瞬变电磁场反射系数．西安工程学院学报．2002，24(3)
[30] 陈本池，牟永光．瞬变电磁法资料的快速反演成像技术与软件．物探与化探．2000，24(5)
[31] 陈本池，周凤桐．瞬变电磁场的波场变换研究．物探与化探．1999，23(3)
[32] 陈本池，李金铭．瞬变电磁场的波场变换算法．石油地球物理学报．1999,34(5)
[33] 陈本池，李金铭．瞬变电磁场拟波动方程偏移成像．石油地球物理学报．1999，34(5)
[34] 李金铭，魏文博．固定点源测深法定量解释研究．物探与化探．1997，21(3)
[35] 陈本池，李金铭．起伏地形条件下固定点源测深法定量解释研究．现代地质．1998，12(1)
[36] 唐新功，胡文宝．层状地层中三维薄板的瞬变电磁响应．石油地球物理学报．2000，35(5)
[37] 苏俊宏．电磁场数值方法分析研究．西安工业学院学报．1994，14(3)
[38] Michael S. zhdanov, Weidong li. 2—D finite-difference time domain eletromagnetic migration
[39] 李实，李创社．高性能瞬变电磁仪的研制及应用．物探与化探．2000，24(1)
[40] 李实，李创社．工程勘探瞬变电磁仪关键技术研究．煤田地质与勘探．2001，29(1)
[41] 雷达．基于小波变换的长偏移瞬变电磁数据处理．物探与化探．1996，20(1)
[42] 蔡运胜．脉冲瞬变电磁系统及其应用软件开发．有色金属矿产与勘查．1996，5(4)
[43] 豆会平，魏启．脉冲瞬变电磁仪的发展状况及对策．石油仪器．2000，8
[44] 杨华，胡文宝．时间域电磁场偏移成像方法研究．现代地质．1999，13(4)
[45] 方根显．水域上进行瞬变电磁测深方法效果的探讨．物探与化探．1999，23(6)
[46] 张秋瑞，贾琇明．瞬变测深视电阻率曲线的正演计算及其初步解释．华北地质矿产杂志．1998，13(3)
[47] 陈明生．瞬变场的反演解释．煤田地质与勘探．2000，28(1)
[48] 曹建章，宋建平．瞬变电磁测量中的自适应滤波方法．煤田地质与勘探．1997，12
[49] 曹建章，陈明新．瞬变电磁测量中抗工频干扰问题的研究．2000，6
[50] 李实，宋建平．瞬变电磁仪中几种干扰的消除方法．西安交通大学学0．2001，35(4)．
[51] 何展翔，罗延钟．西方地面瞬变电磁法理论的发展现状
[52] 李汝传，王书民．用混合算法计算电偶源瞬变电磁响应．物探与化探．2002，26(3)
[53] 杨辉，戴世坤．综合地球物理联合反演综述．地球物理学进展．2002，17(2)
[54] 敬荣中．基于模糊神经网络理论的非线性联合反演研究：[博士学位论文]．中南大学．2002
[55] 朱德兵．应用BP网络作TEM一维反演．桂林工学院学报．1997，17(3)
[56] 杨文采．神经网络算法在地球物理反演中的应用．石油物探．1995，34(2)
[57] 蔡永香，肖慈珣．应用神经网络识别地层特性．测井技术．1994(6)
[58] 宋维琪，董长安．模糊模式识别在瞬变电磁测资料解释中的应用．石油地球物理勘探．1999，34(5)
[59] Nabighian M.N. etal., Electromagnetic methods in applied geophysics-Theory Volume Ⅰ, Society of exploration Geophysicists, 1988
[60] Spies B. R. and Parke P. D., Limitations of larger-loop transient electromagnetic survers in conductive terrains, Geophysics, VOL. 49, NO 7, 1984
[2] 牛之琏．时间域电磁法及其应用．中南工业大学出版社，1989
[3] 方文藻，李予国等．瞬变电磁测深法原理．西北工业大学出版社，1993
[4] 蒋邦远．瞬变电磁法勘探．地质出版社，1998
[5] 朴化荣．电磁测深法原理．地质出版社，1990
[6] A．A．考夫曼，GV凯勒著，王建谋译．地质出版社，1987
[7] 傅良魁．应用地球物理教程—电法 放射性 地热．地质出版社，1990
[8] 杨文采．地球物理反演的理论与方法．地质出版社，1997
[9] 马在田．计算地球物理学概论．同济大学出版社，1997
[10] 王俊军．大地电磁测深边界单元法二维正演：[硕士学位论文]．中南工业大学．1995
[11] 傅茂朝．瞬变电磁后期资料处理方法研究：[硕士学位论文]．中南工业大学．1994
[12] 季铁军．瞬变电磁重叠回线装置下薄板状体异常规律研究：[硕士学位论文]．1994
[13] 陈贵生．瞬变电磁法(TEM)勘察研究：[硕士学位论文]．2001
[14] 鲁来玉．层状介质中的瑞利波和三维电磁模拟研究：[硕士学位论文]．2001
[15] 李庆扬，王能超，易大义．数值分析．华中理工大学出版社．1982
[16] 张保祥，刘春华．瞬变电磁法衰减电压曲线编辑程序简介．物探化探计算技术．2001，23(1)
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[20] 陈军营，林长佑．电偶源频率电磁测深视电阻率多参量联合反演效果检验．西北地震学报．2001，23(3)
[21] 陈明生，闫述．二维地质体的瞬变电磁场响应特征．地震地质．2001，23(2)
[22] 张绍红，赵学军．神经网络非线性煤层属性反演应用研究．煤矿设计．2001(6)
[23] 刘钢．瞬变电磁测量中的激发极化效应．西部探矿工程．2001(6)
[24] 李貅，郭文波．瞬变电磁测深快速拟地震解释方法及应用效果。西安工程学院学报．2001，23(3)
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[26] 张小路．瞬变电磁法局部导体的遗传算法反演．桂林工学院学报．2002，22(4)
[27] 程德福，林君．瞬变电磁法弱信号检测技术研究．吉林大学学报．2002，20(2)
[28] 李创社，张彦鹏．瞬变电磁勘探中的人工神经网络反演法．西安交通大学学报．2001，35(6)
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[30] 陈本池，牟永光．瞬变电磁法资料的快速反演成像技术与软件．物探与化探．2000，24(5)
[31] 陈本池，周凤桐．瞬变电磁场的波场变换研究．物探与化探．1999，23(3)
[32] 陈本池，李金铭．瞬变电磁场的波场变换算法．石油地球物理学报．1999,34(5)
[33] 陈本池，李金铭．瞬变电磁场拟波动方程偏移成像．石油地球物理学报．1999，34(5)
[34] 李金铭，魏文博．固定点源测深法定量解释研究．物探与化探．1997，21(3)
[35] 陈本池，李金铭．起伏地形条件下固定点源测深法定量解释研究．现代地质．1998，12(1)
[36] 唐新功，胡文宝．层状地层中三维薄板的瞬变电磁响应．石油地球物理学报．2000，35(5)
[37] 苏俊宏．电磁场数值方法分析研究．西安工业学院学报．1994，14(3)
[38] Michael S. zhdanov, Weidong li. 2—D finite-difference time domain eletromagnetic migration
[39] 李实，李创社．高性能瞬变电磁仪的研制及应用．物探与化探．2000，24(1)
[40] 李实，李创社．工程勘探瞬变电磁仪关键技术研究．煤田地质与勘探．2001，29(1)
[41] 雷达．基于小波变换的长偏移瞬变电磁数据处理．物探与化探．1996，20(1)
[42] 蔡运胜．脉冲瞬变电磁系统及其应用软件开发．有色金属矿产与勘查．1996，5(4)
[43] 豆会平，魏启．脉冲瞬变电磁仪的发展状况及对策．石油仪器．2000，8
[44] 杨华，胡文宝．时间域电磁场偏移成像方法研究．现代地质．1999，13(4)
[45] 方根显．水域上进行瞬变电磁测深方法效果的探讨．物探与化探．1999，23(6)
[46] 张秋瑞，贾琇明．瞬变测深视电阻率曲线的正演计算及其初步解释．华北地质矿产杂志．1998，13(3)
[47] 陈明生．瞬变场的反演解释．煤田地质与勘探．2000，28(1)
[48] 曹建章，宋建平．瞬变电磁测量中的自适应滤波方法．煤田地质与勘探．1997，12
[49] 曹建章，陈明新．瞬变电磁测量中抗工频干扰问题的研究．2000，6
[50] 李实，宋建平．瞬变电磁仪中几种干扰的消除方法．西安交通大学学0．2001，35(4)．
[51] 何展翔，罗延钟．西方地面瞬变电磁法理论的发展现状
[52] 李汝传，王书民．用混合算法计算电偶源瞬变电磁响应．物探与化探．2002，26(3)
[53] 杨辉，戴世坤．综合地球物理联合反演综述．地球物理学进展．2002，17(2)
[54] 敬荣中．基于模糊神经网络理论的非线性联合反演研究：[博士学位论文]．中南大学．2002
[55] 朱德兵．应用BP网络作TEM一维反演．桂林工学院学报．1997，17(3)
[56] 杨文采．神经网络算法在地球物理反演中的应用．石油物探．1995，34(2)
[57] 蔡永香，肖慈珣．应用神经网络识别地层特性．测井技术．1994(6)
[58] 宋维琪，董长安．模糊模式识别在瞬变电磁测资料解释中的应用．石油地球物理勘探．1999，34(5)
[59] Nabighian M.N. etal., Electromagnetic methods in applied geophysics-Theory Volume Ⅰ, Society of exploration Geophysicists, 1988
[60] Spies B. R. and Parke P. D., Limitations of larger-loop transient electromagnetic survers in conductive terrains, Geophysics, VOL. 49, NO 7, 1984