瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术：原理、算法与应用探究.docxVIP

瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术：原理、算法与应用探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着社会经济的快速发展，对各类资源的需求日益增长，同时工程建设规模不断扩大，地质勘探在资源勘查、工程建设以及地质灾害预防等方面发挥着愈发重要的作用。瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，TEM）作为一种重要的地球物理勘探方法，在近几十年得到了广泛的应用和深入的研究。

瞬变电磁法的发展历程颇为悠久。早在20世纪30年代，将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想就已被提出。最早的时域电磁法在西方称为Eltran法，基于L.W.Blan在1933年获得的发明专利，利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场，通过电偶极测量电场。而在前苏联，A.P.Kraev于1937年提出瞬变电磁测深法。到了20世纪50-60年代，前苏联成功建立了瞬变电磁法解释理论与野外施工方法技术，并完成了一维正反演，还成功发现了奥伦堡地轴上的大油田，在理论研究方面走在世界前列。同一时期，西方也在积极探索瞬变电磁法，1951年J.R.Wait提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体。此后，在20世纪70-80年代，前苏联在二三维正演方面开展了大量工作，西方的短偏移法处于研究试验阶段，长偏移法在部分领域得到应用，如在地热调查和地壳结构调查中。我国于70年代初开始研究TEM，长春地质学院、中南工业大学等单位先后研制电磁系统，开展理论和方法技术研究，主要采用近区方式的中心回线法和重叠回线法工作，取得众多有价值成果及大量成功应用实例，期间还诞生了多部相关著作，如朴化荣的《电磁测深法原理》、牛之链的《脉冲瞬变电磁法原理》及方文藻的《瞬变电磁测深法原理》等。近年来，瞬变电磁法的理论与应用研究愈发活跃，特别是在工程勘察领域。

瞬变电磁法的基本原理基于电磁感应定律。通过不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次电磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流。在一次脉冲磁场的间隙期间，涡流电流产生的二次磁场不会随一次场消失而立即消失，而是有一个瞬变过程。利用线圈或接地电极观测二次磁场，并研究其与时间的变化关系，进而确定地下导体的电性分布结构及空间形态。这种方法具有诸多优点，例如施工效率高，能进行纯二次场观测，对低阻体敏感，这使得它在煤田水文地质勘探中成为首选方法；在高阻围岩中寻找低阻地质体时灵敏度极高，且不受地形影响；采用同点组合观测，与探测目标耦合效果最佳，异常响应强，形态简单，分辨能力强；可以同时完成剖面测量和测深工作，提供更丰富的有用信息。正因如此，瞬变电磁法在深部地质构造研究、工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等众多领域都得到了广泛应用。

然而，随着勘探精度要求的不断提高，传统瞬变电磁法逐渐暴露出一些局限性。在复杂地质条件下，对于一些小尺度、低对比度的地质目标体，其成像精度和分辨率难以满足需求，导致对地下地质结构的准确识别和解释存在困难。为了克服这些问题，研究人员不断探索新的技术和方法，瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术应运而生。

虚拟波场高分辨成像技术通过对瞬变电磁信号进行特殊处理和分析，能够从波场的角度拓展和丰富瞬变电磁场的内涵，使从实测资料中提取出常规瞬变电磁法难以获取的、对地下目标体成像更有利的信息成为可能。该技术对提升勘探精度和分辨率具有至关重要的意义。在矿产资源勘探中，能够更精确地确定矿体的位置、形态和规模，提高找矿成功率，降低勘探成本。在工程地质勘查里，可以更准确地探测到岩溶、滑坡、采空区等不良地质体的位置和范围，为工程设计和施工提供更可靠的地质资料，保障工程的安全与稳定。在水文地质调查方面，有助于更清晰地查明地下水的分布情况、含水层的结构以及水力联系，为水资源的合理开发和利用提供科学依据。因此，开展瞬变电磁虚拟波场高分辨成像技术研究，对于推动地球物理勘探技术的发展，满足资源勘查、工程建设等领域对高精度地质信息的需求，具有十分重要的理论和实际应用价值。

1.2瞬变电磁法概述

瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，TEM），又称时间域电磁法（Timedomainelectromagneticmethods），是一种基于电磁感应定律的地球物理勘探方法。其基本原理是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次电磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流。在一次脉冲磁场的间隙期间，由于热损耗，涡流电流产生的二次磁场不会随一次场消失而立即消失，而是会有一个逐渐衰减的瞬变过程。通过利用线圈或接地电极观测二次磁场，并研究其随时间的变化关系，进而可以确定地下导体的电性分布结构及空间形态。

在实际工作中，瞬变电磁法的工作方式较为