航空瞬变电磁三维成像解释方法研究

【摘要】：航空瞬变电磁法(Airborne Transient Electromagnetic简称ATEM)因其具有勘查效率高、探测成本低、通行性好、一次勘探覆盖面积广等显著优点,在全球范围内得到了广泛的关注,特别是加拿大、澳大利亚等发达国家应用广泛。由于航空瞬变电磁装置进行扫面测量、一次覆盖面积广,拥有海量观测数据,为数据的进一步解释带来了极大困难,急需一种快速、有效的资料处理解释方法。本文在此基础上从定性解释与定量解释两方面给出一套快速、高效的成像解释方法,为航空瞬变电磁有效解释提供了新的解决思路。对于电法勘探而言,视电阻率参数仍然是目前广泛应用的参数,通过引入适当的视电阻率定义可以使视电阻率曲线能够很好地反映出地下电性介质的变化情况。这种方式简便并且直观,适用于ATEM数据的定性解释。目前所定义的视电阻率受接收点位置及早晚期近似条件的限制,并不能真实有效的反映出地下电性的分布情况,造成后期资料解释的误差;并且航空电磁数据量巨大,传统迭代方法计算速度慢,制约了ATEM的解释效率。因此,本文在分析大回线源非中心点处响应特征的基础之上,基于磁感应强度响应采用改进的平移算法给出了一种适用于地面系统及航空系统的全域视电阻率定义方法,该方法无需迭代,计算速度极快,实现了真正意义上全时域、全空域的视电阻率定义方法。直升机吊舱式的航空电磁系统具有机动灵活的特点,能够有效的应用于地质地形条件复杂的地区。但是现阶段对于航空瞬变电磁法的研究主要基于平坦地形的理想情况,对于地形效应的研究较少,然而实际应用中地形的影响不可避免,不考虑地形影响直接计算将导致结果偏离实际并造成资料解释的误差。本文利用三维时域有限差分算法对于三维地表起伏模型进行了大量正演计算,并以实际地质资料为基础,构建起伏地形条件下包含多个异常体的三维复杂模型,通过对复杂三维地形模型的ATEM瞬变响应计算,对地形效应的影响有了更加直观的认知。最后,通过大量模型考察了地形的尺寸参数、电性参数、飞行轨迹与飞行高度等因素变化对于ATEM数据的影响情况,对于判识地形效应并进一步进行地形校正及反演解释提供了重要的理论基础。目前,ATEM的解释主要以多测道曲线及一维成像或反演解释为主,由于ATEM计算量与数据量巨大,三维反演十分困难,实现三维ATEM高分辨率的成像研究将是ATEM系统反演解释的重点。本文将拟地震解释技术引入到ATEM资料解释处理当中,将满足扩散方程的ATEM数据转换到波场,采用地震勘探的成熟技术进行资料处理,能够大大提高ATEM勘探的几何分辨率。然而,由于波场反变换是一个典型的不适定问题,变换矩阵具有非常大的条件数。因此,本文通过采用预条件技术降低条件数,并在此基础上讨论波场变换的预条件正则化方法、小波变换方法和奇异值分解方法的计算效果。然后引入一种分辨率高、稳定性好的波场反变换优化算法--多次扫时变换技术。最后利用变换后得到的虚拟波场数据进行克希霍夫偏移成像,获得地下电性分界面的几何形态。依据航空瞬变电磁装置的特点,借鉴合成孔径雷达思想,引入合成孔径成像算法,可有效利用ATEM数据间的关联性,实现ATEM数据快速实时成像。为了进一步获得更好的成像效果与更优的分辨率,对合成孔径算法中的关键技术进行研究,给出最佳孔径尺寸的求取方法,并利用数值拟合方法给出最佳孔径尺寸求取的经验公式,根据经验公式即可直接确定最佳孔径尺寸的大小。最后,利用多个模型示例证实合成孔径成像方法能够有效圈定异常范围、提高横向与纵向的目标分辨率,并且该方法不受海量航空数据的影响,计算速度快、可用于实时成像。本文从定性解释与定量解释两个方面给出了一套适用于航空瞬变电磁系统的高分辨率、快速成像方法,以上研究成果进一步提高了航空瞬变电磁法的解释精度,为丰富航空瞬变电磁解释方法、提高勘探效率提供了重要的理论依据,并且对于航空瞬变电磁方法的有效推广提供了有利条件。