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瞬变电磁正则化反演法和烟圈反演法的探讨

引言

瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法。它遵

循电磁感应原理，当探测地下良导电地质体时，往地面敷设的发送回线中通以一

定的脉冲电流，在回线中间及周围一定区域内便产生稳定磁场（称一次场或激励

场），如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导

电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε=-dΦ/dt（据法拉第电磁

感应定律），感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳

热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减，图1为探测原理示意图。

图1TEM法工作原理示意图

瞬变电磁法因其分辨率高、信噪比高等优点[1-2]广泛应用于许多工程领域，

尤其在煤矿采空区探测中效果比较明显[3]。瞬变电磁法野外观测到的是感应电

动势，目前几乎所有的数据处理方式都是将感应电动势转换成早期、晚期或全期

视电阻率[4-5]，再在视电阻率基础上进行反演或变换，比如常用的烟圈“”变换[6]。

本文采用陈小斌[7]在大地电磁测深法中使用的自适应正则化反演法（ARIA）直

接对感应电动势进行反演拟合。

一、基本原理

1.1烟圈反演法

烟圈反演是目前瞬变电磁较常用、计算速度最快的一种快算成像方法。当发

送回线中电流突然断开时时，该电流环紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形

状。随着时间推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电

流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列烟圈“”，因此，将涡旋电流向下、向外

扩散的过程形象地称为烟圈“效应”。烟圈反演的计算公式如下：

似电阻率：，式中、为相邻时间道的取样时间，、为视电阻率。不是

经典定义的视电阻率，也非某地层的真电阻率，又有别于反演拟合得出的电阻率，

故称之为似“”电阻率。

视深度：，式中0.441为经验系数。烟圈理论之快速反演是一种近似反演，

它不需要初始地电模型，最终也不提供解释的层状模型，即无法用和直接划分

地层，需从连续变化的值间接划分。

从以上公式可看到，烟圈反演是基于视电阻率的一种变换，其求得的深度和

电阻率均非地层真实的深度和电阻率，该方法类似大地电磁测深法里的Bostick

变换，且视电阻率的求取质量对烟圈反演结果也有很大的影响。

1.2正则化反演法

正则化反演是一种最优化反演方法，通过对采集的感应电动势直接进行反演

拟合，通过不断的正演和模型修正得到最接近地层的电阻率值，也可脱离视电阻

率求取质量带来的影响。

按照正则化反演思路，即要寻求一个模型，它既可以尽量地拟合观测数据，

同时又满足模型目标函数所限定的模型性质。因此正则化反演目标函数可以表示

为

式中为观测数据目标函数，是模型先验约束条件目标函数，为模型向量，

为正则化因子。由下式给出

其中为观测数据与理论响应差，为数据加权矩阵，，为数据标准差。

二、实例分析

2.1理论数据

为了便于比较分析，计算了一个类似积水采空区的H型地电模型（图2b），

从上往下三层电阻率分别为400、20和400Ωm，积水层埋深120m、厚度50m，

采用自适应正则化反演经过10次迭代得到了反演结果。图2a中的大图是由H

模型计算的感应电动势（实线）和反演结果模型响应（虚线）对比曲线，小图是

在反演迭代过程中的观测数据目标函数即拟合差随正则化因子的变化情况。

（a）反演拟合曲线以及拟合差随正则化因子变化情况（b）理论和计算模

型

图2积水采空区理论模型反演结果

可以看出反演稳定收敛，正则化因子在前5次迭代中变化较大，之后趋于稳

定，拟合误差快速减小；感应电动势曲线拟合效果好（第10次迭代的收敛误差

为8.63×10-4），只是在晚期几毫秒以后有微小的偏离。从图2b中的反演模型

对比中可以看到低阻层的反应很好，反演结果是相当可靠的。

2.2某煤矿采空区探测

实测数据来源于一次对某煤矿区的瞬變电磁测深，已