专利名称：瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法
技术领域：
本发明涉及地球物理勘探领域，特别是涉及瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法。
背景技术：
瞬变电磁(Transient Electromagnetic Method)法，简称 TEM，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。该方法对低阻异常体有更高的灵敏度，它具有携带丰富频谱分量的脉冲波形，一次激发便可覆盖探测所需的频段，大大提高了工作效率。特别是TEM的回线源装置，如大定源回线、中心回线、重叠回线、分离线圈等对施工场地有着极强的适应能力，不仅可以在岩石裸露的山区、城市街道、煤矿工业广场、村庄等处施工，还可以校正可控源音频大地电磁测深、大地电磁测深等频率域方法和直流电法观测数据的静态偏移。TEM方法在金属矿、非金属矿勘探，工程勘探，地热环境勘探等方面得到了比较广泛的应用，在煤田水文地质勘探和高速公路勘探领域中，已经成为首选方法。随着国民经济的飞速发展，对地球物理方法的精度有更高的需求，走精确勘探的道路，无疑是包括瞬变电磁方法在内的所有物探方法的共同方向。但是，TEM探测精度的进一步提高受到场的精确解、更好的视电阻率算法等很多因素的限制，说明已有的电磁探测理论与方法已经不能完全适应实际应用与TEM方法本身发展的需要，在对经典的电磁理论进行深入分析基础上，对电磁探测原理与方法进行突破性的研究是地球物理工作者的主要任务之一。早期的瞬变电磁理论大多从偶极子的假设出发，即将磁性源和电性源看作磁偶极子和电偶极子，分别利用恒定电流场的磁偶极子公式和电偶极子公式，通过比拟的方法得到谐变场的频率域表达式，然后经过i^ourier或Laplace变换得到时间域的解。偶极子假设下的研究成果集中体现在Kaufman等人的经典著作中，对瞬变电磁场的发展起到了重大的作用，为瞬态场的响应特征分析、全期视电阻率研究、波场变换、数值计算等提供了理论基础，并且也确实体现了如磁偶极子装置、电偶极子装置等观测点位于远区场的TEM场的分布情况。但是对于其他类型的装置，如大定源回线装置，在远区、中区和近区都有观测点，偶极子假设对全区探测不能全部成立；对于采用较长发射极距(一般长达l_2km，或更长)的 LOTEM(Long Offset TEM)装置，偶极子假设也不能够完全成立。至于观测点处于近区的重叠回线、中心回线等装置(发射回线边长一般为50m-800m)，虽然在推导解析表达公式时， 未作偶极子处理，但在公式推导中为降低求解难度，将发射回线设定为圆形回线，场点设在圆心。尽管针对野外在矩形(一般为方形)回线中心1/3范围内观测的实际情况，研究了圆回线情况下含双Bessel函数的积分算法，同时通过求出等效半径使矩形与圆形回线的场源强度相等，但是，圆形回线源与实际的矩形回线源产生的场在性态与分布上不是完全等同的。为了获得更精确的场表达式，对于大定源回线、长接地导线源等不能再看作由偶极子激励源产生的场，而是看作由“迭加偶极子”产生的场。最早见于文献的有Poddar (1983年)将回线边分割为小的电流段，以小电流段作为电偶极子沿回线进行线积分，给出了层状大地表面矩形回线源频域场表达式，此后Raiche (1987年)也采用电偶极子线积分的方法，给出了层状大地多边形回线源的瞬变电磁场的算法。Ward和Hohmarm对这些工作进行了发展并系统整理后，发表在Nabighian主编的勘查地球物理电磁法第一卷理论部分中。 在这些问题研究中，对大尺寸激励源的处理方法分为两种一种是把回线的面积看成是无数小垂直磁偶极源的组合，对每个小磁偶极矩产生的场在整个回线面积上进行积分；另一种是取一小段载流导线的边作为电偶极源，然后沿导线积分获得长直电源的场，或者进行环路积分获得回线源的场。通过面积分或线积分求得频域磁场或电场(包括感应电压)，再经逆Laplace变换到时域。如此，使理论分析与实际中应用的场源更为接近。从1990年起到现在，国外瞬变电磁法的研究工作主要集中在3D数值计算方法研究，工程经验总结，成像算法，视电阻率计算等方面。国内也进行了数值计算、成像等方面的研究。在我国，鉴于中心回线装置在国内瞬变电磁勘探中的应用非常普遍；其中，大量引进的V-5、V8、⑶P-32、PROTEM、SIROTEM、PEM等仪器大多配有中心回线装置。近年来，为了解决该装置的边缘效应，得到更好的视电阻率算法，均以Poddar、Raiche、Ward和Hohmann 的大定源回线公式为基础，将中心回线装置与大定源回线装置的视电阻率公式或者说资料解释方法在某种程度上统一了起来。这些研究工作均在偶极子源或者对偶极子进行线/面积分的理论基础上进行的。其中，刘树才等人采用对磁偶极矩在回线上进行面积分的方法， 分析了磁场在直角坐标系中的对称关系，为简化3D正演初始赋值提供基础。李桐林等人将电偶极子积分转变为求和，降低了求解难度、减小了计算量，获得了任意形状回线源瞬变电磁全区视电阻率公式。翁爱华等人也利用了电偶极子求和的方法，获得了矩形回线的全区视电阻率公式。这些研究为瞬变电磁方法向精确勘探方向的发展起到了十分积极的作用。与直接的偶极子假设相比，上述长接地导线和大定回线源的迭加偶极子假设更接近实际使用的发射源，但是这种处理方法还不彻底。以偶极子场为被积函数的面积分和线积分，不能恢复偶极子近似时二项展开式中被略去的高阶项，积分起到的作用仅能较精确地给出大尺度激励源本身的强度，不能给出所产生的场的精确分布，不能很好地反映位于近区的中心回线测点，和大定源回线处于中、近区测点的电磁场响应特征。对于LOTEM勘探，即使传统上认为是远区观测的，由于受激励源功率的限制，并不能保证各测道都处于远区场，也需要适合全区的瞬变电磁理论公式作为资料处理和解释的基础。况且垂直电偶极子源的近场观测作为一种新的勘探手段，也已被提了出来。偶极子近似引起的误差对数值计算也有影响，Wang和Hohmarm在3D时域有限差分模拟中，未见明显的场源效应，究其原因与使用了磁偶极子源作为初始条件有关。综上所述，瞬变电磁勘探存在的主要理论问题是在采用瞬变电磁测深数据的过程中，首先在频率域推导，然后再转到时间域；在从频率域推导到转到时间域的过程中，会引起误差。总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够找到一种方法，能够替代采用瞬变电磁测深数据的传统方法，减少传统方法中的从频率域推导到时间域的过程中引起的误差
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法，采用基于时变点电荷的瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法替代了传统的基于偶极子的瞬变电磁测深数据的处理方法，可以减少传统方法中的从频率域推导到转到时间域的过程中引起的误差，突显时间域电磁场的因有特性，大大提高瞬变电磁法的勘探精度。为了解决上述问题，本发明公开了瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法，包括以时变点电荷为基本微元，对大定源回线及长接地导线解析式进行推导，获得大定源回线及长接地导线解析解。优选的，所述对大定源回线及长接地导线解析式进行推导的步骤，包括针对时变点电荷微元，在时域内采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷在时域中的电场或磁场的解；对时变点电荷微元在时域中的电场或磁场的解进行验证，获得验证结果。优选的，所述对时变点电荷，在时域内，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟的步骤，包括针对时变点电荷，依据时变点电荷的球对称性，获得D’ Alembert方程；将D’ Alembert方程的通解与静电场点电荷的电位进行比拟，获得时变点电荷载流微元的标量电位；依据时变点电荷载流微元的标量电位推迟势，获得时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势；依据时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势，进行辅助函数的选择，获得时变点电荷载流微元的辅助函数；依据时变点电荷载流微元的辅助函数，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值；其中，所述时变点电荷载流微元的标量电位为推迟势。优选的，所述时变点电荷载流微元的辅助函数通过选择适合点电荷微元的推迟位，进行辅助函数的选择。优选的，所述采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值的步骤，包括通过变量代换法及时间比拟法的方式，获得时变点电荷源时域波动方程的 D’ Alembert解及热传导方程的解；通过线积分的方式，获得大定源回线或长接地导线在自由空间中的通解；在地、空边界以及各地层的边界上，依据电磁场边界条件，确定辅助函数的边界条件并解析出待定系数；依据辅助函数与电场或磁场的函数关系，解析出电场或磁场的场量；依据电场及磁场的函数关系，由已知的电场或磁场的场量，解析得到与已知的电场或磁场对应的未知的磁场或电场的场量。优选的，所述通过变量代换法及时间比拟法的方式，获得时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert解及热传导方程的解的步骤，包括通过变量代换的方式，将辅助函数的波动方程转换成对应的D’ Alembert方程；
通过变量代换的方式，将辅助函数的扩散方程转换成对应的热传导方程；通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的D’ Alembert方程，获得时变点电荷源时域波动方程的D，Alembert解；通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的热传导方程，获得时变点电荷源时域波动方程的热传导解。优选的，瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法还包括针对时域电源，采用变量代换法，结合在加入场中以有限速度传播的时间项的方法，获得用于分析场区的场量及视电阻率函数积分形式的闭合表达式。优选的，所述对获得时变点电荷在时域中的电磁或磁场的解进行验证，获得验证结果的步骤，包括在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert与时变点电荷源时域扩散方程相互验证；在均勻半空间模型中，层状大地解析式的解与大地闭合解析式的解的相互验证；时变点电荷的时域推导公式与偶极子的推导公式的验证；将时域有限差分数值与直接时域数值作比较，确定时变点电荷的时域公式的正确性及优越性；将时变点电荷的时域公式获得的响应特征、场区性质、场源效应、视电阻率算法的数值，进行野外实验，与相应的野外实验获得的结果作比较，获得验证结果。优选的，所述在不同时间段的交集区间，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert 与时变点电荷源时域扩散方程相互验证的步骤，包括在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert验证时变点电荷源时域扩散方程，获得验证结果；在时间的交集段，时变点电荷源时域扩散方程验证时变点电荷源时域波动方程 D，Alembert，获得验证结果。优选的，所述时变点电荷的时域推导公式与偶极子的推导公式的验证的步骤，包括针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、远场区推导公式；针对偶极子，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子远场区的推导公式；比较时变点电荷的时变点电荷的时域、远场区推导公式与偶极子远场区的推导公式；依据上述比较结果，确定获得时变点电荷的时域、远场区推导公式为正确的公式；当确定获得的时变点电荷的时域、远场区推导公式后，针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；针对偶极子，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子过渡区或近场区的推导公式；比较时变点电荷的时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式与偶极子的过渡区或近场区的推导公式；依据上述比较结果，确定时变点电荷的时域公式的精度；依据上述时变点电荷的时域公式的精度，确定上述时变点电荷的时域公式的改进方法，获得修正的时变点电荷的时域公式；其中，时变点电荷的时域推导公式包括时变点电荷的时域、远场区推导公式，时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；偶极子的推导公式包括偶极子远场区的推导公式，偶极子过渡区或近场区的推导公式。与现有技术相比，本发明具有以下优点首先，本发明以时变点电荷为基本微元，不再经过Rmrier或Laplace变换，直接在时间域中推导层状介质表面上大回线源和长接地导线源的瞬变电磁场解析式，以时变点电荷假设代替偶极子假设，将时变点电荷解直接“比拟”到时域场中，给出了时间域瞬变电磁场的推迟矢量位函数和时变点电荷微元假设下的精确解。其次，本发明对经典电磁场理论中的偶极子微元假设进行改进，借鉴电磁场微波天线中的先进理论，以时变点电荷为基本微元，建立时变点电荷假设下的瞬变电磁场理论。再者，本发明可以获得更精确的地下目标体的位置、大小和形状的信息，对于研究精细地质结构具有重要的实际意义。另外，本发明理论上，借助于天线微波理论发展起来的载流微元假设，为电磁法勘探的理论发展提供新的突破点，做出原创性的贡献；提升了我国地球科学研究的国际地位。与此同时，本发明由于所提出的方法技术的探测效果是探测精度高。所以，本发明形成了新的全区探测与数据处理解释体系，应用本发明申请提出方法可以获得更精确的地下目标体的位置、大小和形状的信息，对于研究精细地质结构有重要意义，同时可以为研究深部矿床和油气藏的地球物理响应。另外，本发明不仅对瞬变电磁勘探方法的发展，而且对于电磁学的发展都将做出有益的贡献。研究成果将突破长期沿用的偶极子理论，用真正的微元代替偶极子微元，减小非偶极子和时域频域转换误差，以便更好地反映全场区的电磁特性。总之，本发明提供了瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法，能够替代采用瞬变电磁测深数据的传统方法，从而减少传统方法中的从频率域推导到转到时间域的过程中引起的误差。
图1是本发明瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法实施例的流程图；图2是本发明实施例中的瞬变电磁法原理示意图；图3是本发明实施例中的回线源直接偶极子原理示意图；图4是本发明实施例中的大回线源迭加偶极子原理示意图；图5是本发明实施例中的以磁偶极子及电流环为例，与磁偶极子的近似解误差有关的讨论示意图6是本发明实施例中的以载流直导线和电偶极子为例，与磁偶极子的近似解误差有关的讨论示意图；图7是本发明实施例中的偶极子尺寸变化及点电荷的变化示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。本发明的核心构思之一在于，提供了瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法， 具体可以包括以时变点电荷为基本微元，对大定源回线及长接地导线解析式进行推导，获得大定源回线及长接地导线解析解。本发明所采用的方法相对于传统的采用瞬变电磁测深数据的方法来说，可以减少传统方法中的从频率域推导到转到时间域的过程中所引起的误差。参照图1，示出了本发明瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法实施例的流程图，具体可以包括步骤101、以时变点电荷为基本微元，对大定源回线及长接地导线解析式进行推导，获得大定源回线及长接地导线解析解。参照图2，示出了本发明实施例中的瞬变电磁法原理示意图。其中，图2A为电磁场感应涡流场产生过程的示意图；图2B为发射信号与接收信号关系的示意图。瞬变电磁场法(Transient Electromagnetic Field，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它是利用阶跃波电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。从图2A可以看出电磁场感应涡流场产生的过程；从图2B可以看出发射信号与接收信号的关系。参照图3，示出了本发明实施例中的回线源直接偶极子原理示意图。从图3中，可以看出回线源直接偶极子的原理。所述回线源直接偶极子的原理为将磁性源和电性源看做磁偶极子和电偶极子， 分别利用恒定电流场的磁偶极子公式和电偶极子公式，通过比拟的方法得到谐变场的频率域表达式，然后经过Rmrier或Laplace变换得到时间域的解。偶极子假设下的研究成果集中体现在Kaufman等人的经典著作中，对瞬变电磁场的发展起到了重大的作用，为瞬态场的响应特征分析、全期视电阻率研究、波场变换、数值计算等提供了理论基础，并且也确实体现了如磁偶极子装置、电偶极子装置等观测点位于远区场的TEM场的分布情况。但是对于其他类型的装置，如大定源回线装置，在远区、中区和近区都有观测点，偶极子假设对全区探测不能全部成立；对于采用较长发射极距(一般长达l-2km，或更长)的LOTEM(Long Offset TEM)装置，偶极子假设也不能够完全成立。至于观测点处于近区的重叠回线、中心回线等装置(发射回线边长一般为50m-800m)，虽然在推导解析表达公式时，未作偶极子处理，但在公式推导中为降低求解难度，将发射回线设定为圆形回线，场点设在圆心。尽管针对野外在矩形(一般为方形)回线中心1/3范围内观测的实际情况，研究了圆回线情况下含双Bessel函数的积分算法，同时通过求出等效半径使矩形与圆形回线的场源强度相等，但是，圆形回线源与实际的矩形回线源产生的场在性态与分布上不是完全等同的。参照图4，示出了本发明实施例中的大回线源迭加偶极子原理示意图。从图4中，可以看出大回线源迭加偶极子的原理。为了进一步提高中心回线瞬变电磁勘探精度，Ward和Hohmarm首次提出将矩形回线分割为无数个小矩形面元，采取迭加偶极子的方式，这就是所述的大回线源迭加偶极子。所述大回线源迭加偶极子的原理为以小矩形面元作为磁偶极子沿回线面积进行面积分，以求得较为精确的解。Poddar的作法是将回线边分割为小的电流段，以小电流段作为电偶极子沿回线进行线积分，求得频域场表达式。利用了电偶极子叠加的方法，获得了矩形回线的全区视电阻率公式。这些研究，为瞬变电磁方法向精确勘探方向的发展起到了十分积极的作用。在本发明的一种优选实施例中，所述步骤101，具体可以包括子步骤111、针对时变点电荷，在时域内，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷在时域中的电场或磁场的场量值；子步骤121、对所述获得时变点电荷在时域中的电磁或磁场的解进行验证，获得验证结果。在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤111具体可以包括子步骤Al、针对时变点电荷，依据时变点电荷的球对称性，获得D’Alembert方程；子步骤A2、将D'Alembert方程的通解与静电场点电荷的电位进行比拟，获得时变点电荷载流微元的标量电位；子步骤A3、依据时变点电荷载流微元的标量电位推迟势，获得时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势；子步骤A4、依据时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势，进行辅助函数的选择， 获得时变点电荷载流微元的辅助函数；子步骤A5、依据时变点电荷载流微元的辅助函数，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值。其中，所述时变点电荷载流微元的标量电位为推迟势。所述时变点电荷载流微元的辅助函数通过选择适合点电荷微元的推迟位，进行辅助函数的选择。而且所述时变点电荷载流微元的辅助函数不能通过选择仅适合偶极子微元计算的Hertz位或khelkunoff位，进行辅助函数的选择。在本发明的另一种优选实施例中，所述采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值的步骤具体可以包括子步骤Bi、通过变量代换法及时间比拟法的方式，获得时变点电荷源时域波动方程的D’ Alembert解及热传导方程的解；子步骤B2、通过线积分的方式，获得大定源回线或长接地导线在自由空间中的通解；子步骤B3、在地、空边界以及各地层的边界上，依据电磁场边界条件，确定辅助函数的边界条件并解析出待定系数；
子步骤B4、依据辅助函数与电场或磁场的函数关系，解析出电场或磁场的场量；子步骤B5、依据电场及磁场的函数关系，由已知的电场或磁场的场量，解析得到与已知的电场或磁场对应的未知的磁场或电场的场量。在本发明的另一种优选实施例中，所述子步骤Bl的步骤具体可以包括子步骤Cl、通过变量代换的方式，将辅助函数的波动方程转换成对应的 D' Alembert 方程；子步骤C2、通过变量代换的方式，将辅助函数的扩散方程转换成对应的热传导方程；子步骤C3、通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的D’ Alembert方程，获得时变点电荷源时域波动方程的D’ Alembert解；子步骤C4、通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的热传导方程，获得时变点电荷源时域波动方程的热传导解。其中，针对时域电源，采用变量代换法，结合在加入场中以有限速度传播的时间项的方法，获得用于分析场区场量及视电阻率函数积分形式的闭合表达式。在本发明的一种优选实施例中，所述子步骤121，具体可以包括子步骤Dl、在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’Alembert与时变点电荷源时域扩散方程相互验证；子步骤D2、在均勻半空间模型中，层状大地解析式的解与大地闭合解析式的解的相互验证；子步骤D3、时变点电荷的时域推导公式与偶极子的推导公式的验证；子步骤D4、将时域有限差分数值与直接时域数值作比较，确定时变点电荷的时域公式的正确性；子步骤D5、将时变点电荷的时域公式获得的响应特征、场区性质、场源效应、视电阻率算法的数值，进行野外实验，与相应的野外实验获得的结果作比较，获得验证结果。在本发明的一种优选实施例中，所述子步骤D1，具体可以包括子步骤El、在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert验证时变点电荷源时域扩散方程，获得验证结果；子步骤E2、在时间的交集段，时变点电荷源时域扩散方程验证时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert,获得验证结果。在本发明的一种优选实施例中，所述子步骤D3，具体可以包括子步骤F1、针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、远场区推导公式；子步骤F2、针对偶极子，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子远场区的推导公式；子步骤F3、比较时变点电荷的时变点电荷的时域、远场区推导公式与偶极子远场区的推导公式；子步骤F4、依据上述比较结果，确定获得时变点电荷的时域、远场区推导公式为正确的公式；
子步骤F5、当确定获得的时变点电荷的时域、远场区推导公式后，针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；子步骤F6、针对偶极子，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子过渡区或近场区的推导公式；子步骤F7、比较时变点电荷的时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式与偶极子的过渡区或近场区的推导公式；子步骤F8、依据上述比较结果，确定时变点电荷的时域公式的精度；子步骤F9、依据上述时变点电荷的时域公式的精度，确定上述时变点电荷的时域公式的改进方法，获得修正的时变点电荷的时域公式；其中，时变点电荷的时域推导公式包括时变点电荷的时域、远场区推导公式，时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；偶极子的推导公式包括偶极子远场区的推导公式，偶极子过渡区或近场区的推导公式。下面具体介绍本发明实施例中由偶极子假设引起的瞬变电磁场误差分析情况。首先，在回线源解析式中求解中的位函数与偶极子。在线性、分区均勻、导电的非磁性大地中，有准静态条件下的Maxwell方程V XE = - ω μ0Η(1)VXH = J' +σ E(2)▽ · E = 0(3)V . H = 0(4)式中，H为磁场强度，单位A/m;E为电场强度，单位V/m ；J'为源电流密度，单位A/m2; P为电荷密度，单位C/m3;y(l、〒分别为磁导率和电导率，单位分别为H/m和F/m。对公式(1)、(2)分别求旋度，相互代入，并考虑(3)、(4)式后，再利用矢量恒等式 ν X V XA =VV-A-V2A后，有电场和磁场的扩散方程V 2E-I ω μ0σΕ = ω U0J'(5)V2H-i ω μ0σΗ = -ν XJ'(6)众所周知，电磁场的求解是非常困难的问题，为此引入了位函数，如矢量位、标量位，赫兹位，德拜位，谢昆诺夫位等。Lorentz规范下的矢量位A、标量位Φ有如下的齐次扩散方程
权利要求
1.瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法，其特征在于，包括以时变点电荷为基本微元，对大定源回线及长接地导线解析式进行推导，获得大定源回线及长接地导线解析解。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对大定源回线及长接地导线解析式进行推导的步骤，包括针对时变点电荷微元，在时域内采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷在时域中的电场或磁场的解；对时变点电荷微元在时域中的电场或磁场的解进行验证，获得验证结果。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对时变点电荷，在时域内，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟的步骤，包括针对时变点电荷，依据时变点电荷的球对称性，获得D’ Alembert方程； 将D’ Alembert方程的通解与静电场点电荷的电位进行比拟，获得时变点电荷载流微元的标量电位；依据时变点电荷载流微元的标量电位推迟势，获得时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势；依据时变点电荷载流微元的矢量磁位的推迟势，进行辅助函数的选择，获得时变点电荷载流微元的辅助函数；依据时变点电荷载流微元的辅助函数，采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值；其中，所述时变点电荷载流微元的标量电位为推迟势。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述时变点电荷载流微元的辅助函数通过选择适合点电荷微元的推迟位，进行辅助函数的选择。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用时变点电荷载流微元比拟法进行比拟，获得时变点电荷的电场或磁场的场量值的步骤，包括通过变量代换法及时间比拟法的方式，获得时变点电荷源时域波动方程的D’Alembert 解及热传导方程的解；通过线积分的方式，获得大定源回线或长接地导线在自由空间中的通解； 在地、空边界以及各地层的边界上，依据电磁场边界条件，确定辅助函数的边界条件并解析出待定系数；依据辅助函数与电场或磁场的函数关系，解析出电场或磁场的场量； 依据电场及磁场的函数关系，由已知的电场或磁场的场量，解析得到与已知的电场或磁场对应的未知的磁场或电场的场量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过变量代换法及时间比拟法的方式， 获得时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert解及热传导方程的解的步骤，包括通过变量代换的方式，将辅助函数的波动方程转换成对应的D’ Alembert方程； 通过变量代换的方式，将辅助函数的扩散方程转换成对应的热传导方程； 通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的D’ Alembert方程，获得时变点电荷源时域波动方程的D，Alembert解；通过时间比拟法的方式，解析时变点电荷源的热传导方程，获得时变点电荷源时域波动方程的热传导解。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括针对时域电源，采用变量代换法，结合在加入场中以有限速度传播的时间项的方法，获得用于分析场区的场量及视电阻率函数积分形式的闭合表达式。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对获得时变点电荷在时域中的电磁或磁场的解进行验证，获得验证结果的步骤，包括在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert与时变点电荷源时域扩散方程相互验证；在均勻半空间模型中，层状大地解析式的解与大地闭合解析式的解的相互验证； 时变点电荷的时域推导公式与偶极子的推导公式的验证；将时域有限差分数值与直接时域数值作比较，确定时变点电荷的时域公式的正确性及优越性；将时变点电荷的时域公式获得的响应特征、场区性质、场源效应、视电阻率算法的数值，进行野外实验，与相应的野外实验获得的结果作比较，获得验证结果。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在不同时间段的交集区间，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert与时变点电荷源时域扩散方程相互验证的步骤，包括在时间的交集段，时变点电荷源时域波动方程D’ Alembert验证时变点电荷源时域扩散方程，获得验证结果；在时间的交集段，时变点电荷源时域扩散方程验证时变点电荷源时域波动方程 D，Alembert，获得验证结果。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述时变点电荷的时域推导公式与偶极子的推导公式的验证的步骤，包括针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、远场区推导公式；针对偶极子，在相同尺寸激励源的远场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子远场区的推导公式；比较时变点电荷的时变点电荷的时域、远场区推导公式与偶极子远场区的推导公式； 依据上述比较结果，确定获得时变点电荷的时域、远场区推导公式为正确的公式； 当确定获得的时变点电荷的时域、远场区推导公式后，针对时变点电荷，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，依据时域推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；针对偶极子，在相同尺寸激励源的过渡区或近场区的情况下，推导水平分层大地表面上大定源回线公式及长接地导线源公式，获得偶极子过渡区或近场区的推导公式；比较时变点电荷的时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式与偶极子的过渡区或近场区的推导公式；依据上述比较结果，确定时变点电荷的时域公式的精度；依据上述时变点电荷的时域公式的精度，确定上述时变点电荷的时域公式的改进方法，获得修正的时变点电荷的时域公式；其中，时变点电荷的时域推导公式包括时变点电荷的时域、远场区推导公式，时变点电荷的时域、过渡区或近场区的推导公式；偶极子的推导公式包括偶极子远场区的推导公式，偶极子过渡区或近场区的推导公式。
全文摘要
本发明提供了瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法，包括以时变点电荷为基本微元，对大定源回线及长接地导线解析式进行推导，获得大定源回线及长接地导线解析解。本发明采用基于时变点电荷的瞬变电磁测深数据的直接时间域处理方法替代了传统的基于偶极子的瞬变电磁测深数据的处理方法，可以减少传统方法中的从频率域推导到转到时间域的过程中引起的误差，突显时间域电磁场的因有特性，大大提高瞬变电磁法的勘探精度。
文档编号G01V3/38GK102419456SQ20111018101
公开日2012年4月18日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者周楠楠, 薛囯强, 闫述 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所