吉林大学学报(地球科学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (5): 1573-1581.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20220244

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基于Debye模型的时间域航空电磁激电效应正演模拟

张鑫崇,殷长春   

  1. 吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026
  • 出版日期:2023-09-26 发布日期:2023-10-31
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(42030806,42074120,42174167)


Forward Modeling of Airborne Electromagnetic  Induced Polarization Effect in Time-Domain Based on Debye Model

Zhang Xinchong, Yin Changchun   

  1. College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China

  • Online:2023-09-26 Published:2023-10-31
  • Supported by:
    Supported by the National Natural Science Foundation of China (42030806, 42074120, 42174167)

摘要:

时间域航空电磁法是一种高效的地球物理勘查方法。由于激电效应的存在,晚期道电磁数据经常会出现符号反转现象。此时,传统的不考虑激电效应的成像和反演方法无法恢复地下真实电性结构,因此需要开发含激电效应的电磁正反演模拟技术。本文提出了一种基于非结构有限元的时间域航空电磁激电效应三维正演算法。为描述介质的激电效应,引入Debye模型,利用频时转换将其变成时间域导数形式,进而采用无条件稳定的二阶后推欧拉方法进行时间离散。之后,采用基于非结构四面体网格的矢量有限元法,对麦克斯韦方程进行空间离散,实现含激电效应的时间域航空电磁正演问题求解。通过与均匀半空间模型的一维半解析解进行对比,验证了该算法的准确性。最后,计算了半空间和三维地质体具有不同极化条件时的电磁响应,发现可以根据航空电磁响应曲线的衰减特征,有效识别围岩及异常体的极化特征。此外,激电参数对时间域航空电磁系统的影响特征研究表明,地质体电阻率越高或者充电率越强,极化效应影响越严重。


关键词: 时间域航空电磁, 激电效应, 三维正演, Debye模型

Abstract:

The time-domain airborne electromagnetic (AEM) method is an efficient geophysical exploration technique. Yet, due to the presence of the induced polarization (IP) effect, electromagnetic (EM) data from late-time channels often exhibit a phenomenon known as sign reversal. The traditional imaging and inversion methods without considering the IP effect cannot recover the real electrical structure of the underground, so it is necessary to develop the EM forward and reverse modeling technology with IP effect. This study introduces a three-dimensional (3D) forward algorithm for AEM with IP effect in the time-domain built upon the unstructured finite-element method. To capture the IP effect within the medium, we use the Debye model, transforming it into a derivative form in the time-domain through frequency-time conversion. For temporal discretization, an unconditionally stable second-order backward Euler's scheme is applied. Maxwell’s equations are discretized in space using a vector finite element method based on an unstructured tetrahedral mesh. The algorithm's accuracy is verified through a comparison with the 1D semi-analytical solution of the uniform half-space model. We compute EM responses for both a half-space and 3D geological formations under various polarization conditions. We observe that the polarization characteristics of surrounding rocks and anomalous bodies can be effectively identified according to the attenuation characteristics of the AEM response curves. In addition, by studying the characteristics of the influence of IP parameters on the time-domain AEM system, we show that the larger the resistivity of the geological body or the larger the chargeability, the stronger the IP effect.


Key words: time-domain airborne electromagnetic, induced polarization , effect, 3D forward modeling, Debye model

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[1] 邵逸飞, 龚启舟, 许权 张越, 王言章, 王世隆. 基于八叉树网格的时间域航空电磁深切割地形三维正演模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(6): 2120-2131.
[2] 龙刚, 沈金松, 苏朝阳, 冉尚. 电各向异性海底多金属硫化矿地层时域电磁响应模拟与特征分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(1): 274-288.
[3] 雷松达, 王显祥, 刘遂明. 复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁法三维响应特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(3): 1016-1030.
[4] 王新宇, 严良俊, 毛玉蓉, 黄鑫, 谢兴兵, 周磊 .

起伏地形条件下长偏移距瞬变电磁三维正演 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(3): 754-765.

[5] 李建平, 翁爱华, 李世文, 李大俊, 李斯睿, 杨悦, 唐裕, 张艳辉. 基于球坐标系下有限差分的地磁测深三维正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(2): 411-419.
[6] 殷长春, 卢永超, 刘云鹤, 张博, 齐彦福, 蔡晶. 多重网格准线性近似技术在三维航空电磁正演模拟中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(1): 252-260.
[7] 陈辉, 尹敏, 殷长春, 邓居智. 大地电磁三维正演聚集多重网格算法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(1): 261-270.
[8] 李大俊, 翁爱华, 杨悦, 李斯睿, 李建平, 李世文. 地-井瞬变电磁三维交错网格有限差分正演及响应特性[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(5): 1552-1561.
[9] 陈帅, 李桐林, 张镕哲. 考虑激发极化效应的瞬变电磁一维Occam反演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(4): 1278-1285.
[10] 贲放, 刘云鹤, 黄威, 徐驰. 各向异性介质中的浅海海洋可控源电磁响应特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(2): 581-593.
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[1] 尤敏鑫,刘建民. 同位素地球化学在峨眉山大火成岩省研究中的应用现状与进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(4): 1231 -1243 .
[2] 杨春梅, 李洪奇,陆大卫,张方礼,高 原,邵英超. 不同驱替方式下岩石电阻率与饱和度的关系[J]. J4, 2005, 35(05): 667 -671 .
[3] 祝洪臣,张炯飞,权 恒. 大兴安岭中生代两期成岩成矿作用的元素、同位素特征及其形成环境[J]. J4, 2005, 35(04): 436 -0442 .
[4] 朱建伟, 赵刚, 刘博, 郭巍, 成俊. 油页岩测井识别技术及应用[J]. J4, 2012, 42(2): 289 -295 .
[5] 陈力,梁海安,张文娟,荣帆. 模糊数学方法在城市工程地质环境区划中的应用--以抚顺市城区为例[J]. J4, 2008, 38(5): 837 -0840 .
[6] 高桂梅,苏 克,王文颖,甘树才,刘招君. 吉林省桦甸油页岩中稀土元素和微量元素的研究[J]. J4, 2006, 36(6): 974 -0979 .
[7] 吴孔运,蒋忠诚,叶 晔. 不同植物群落对灰岩试块溶蚀速率的影响[J]. J4, 2007, 37(5): 967 -0971 .
[8] 周彦章,迟宝明,刘中培. 山东夏甸金矿床充水机理构造控制模式[J]. J4, 2008, 38(2): 255 -0260 .
[9] 张渊,刘连登,孙景贵,陈国华,张洪喜,闫复传,杨开春. 胶东西北部黄埠岭金矿床两期次叠加成矿[J]. J4, 2008, 38(1): 21 -0026 .
[10] 鲁程鹏, 束龙仓, 苑利波, 张蓉蓉, 黄币娟, 王彬彬. 基于示踪试验求解岩溶含水层水文地质参数[J]. J4, 2009, 39(4): 717 -721 .