学术研究报告：从感应源时域电磁数据中恢复分布式激发极化信息
作者及发表信息
本研究由加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）地球、海洋与大气科学系的Seogi Kang和Douglas W. Oldenburg合作完成，发表于Geophysical Journal International（2016年7月，卷207，页174–196）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于地球物理勘探中的激发极化（Induced Polarization, IP）与时域电磁（Time-Domain Electromagnetic, TDEM）交叉领域。传统IP勘探多采用接地电极（galvanic source），而感应源（inductive source，如航空电磁系统）因非稳态电场特性，其IP信号解析面临挑战。研究旨在开发一种从感应源TDEM数据中提取三维IP信息的方法，以填补矿物勘探、环境工程等领域的技术空白。
科学问题
感应源IP（ISIP）的电场在介质中无法达到稳态，导致极化电流的时间依赖性复杂化。传统基于稳态电场的IP反演方法（如EIP）无法直接适用，需解决以下问题：
1. 如何分离电磁（EM）与IP耦合效应？
2. 如何建立线性化模型关联IP数据与伪电荷率（pseudo-chargeability）？
3. 如何从多时间通道数据中恢复Cole-Cole参数（如时间常数τ、电荷率η）？
研究方法与流程
研究分为三大核心步骤，结合数值模拟与反演算法验证其可行性。
1. 背景电导率模型估计
- 目标：获取三维背景电导率（σ∞），作为后续IP信号分离与敏感度计算的基础。
- 方法：
- 优先反演早期时间通道数据（IP效应可忽略），通过TDEM反演获得σ∞。
- 使用开源软件SimPEG（基于Python的地球物理模拟与反演框架）实现三维反演。
2. EM-IP解耦与数据生成
- 原理：观测数据（d）可分解为背景EM响应（df）与IP响应（dip），即dip = d − df。
- 关键操作：
- 通过正演模拟计算df（假设介质无极化效应），从观测数据中减去df以提取dip。
- 验证解耦效果：在导电模型中，IP信号表现为负瞬变（negative transients），尤其在6.7 ms后占主导（图4）。
3. 线性化反演与Cole-Cole参数提取
- 伪电荷率定义：
- 极化电流（jpol）与参考电流（jref = σ∞Eref）的比值：η̃(t) = −jpol(t)/jref。
- 参考电场（Eref）取峰值电场方向，以统一多发射源的时变效应。
- 线性化模型：
- 通过Biot-Savart定律建立dip与η̃(t)的线性关系（公式39），忽略涡流贡献（验证显示误差<30%）。
- 引入深度加权（depth weighting）解决航空数据垂向分辨率不足的问题（图14）。
- 多时间通道反演：
- 分别反演各时间通道的η̃(t)，拟合Cole-Cole模型（公式1）提取τ和η，假设频率依赖性c=1。
主要结果
EM-IP解耦有效性
- 在导电模型（σ2 = 0.1 S/m）中，早期时间（0.86 ms）的dip通过减法凸显负信号（图5），而晚期（6.7 ms）观测数据自身已显示IP特征。
- 电阻模型（σ2 = 10−5 S/m）因背景电流微弱，IP信号难以识别（图4c）。
极化电流与线性化验证
- 极化电流方向与参考电流相反（图7），支持线性化假设。
- 忽略涡流导致的误差在导电模型中为33%（图13），但整体趋势一致。
三维反演性能
- 水平定位准确，但垂向几何需深度加权修正（图14）。
- 错误σ∞（如±50%偏差）会引入伪影，但正约束可抑制假负值（图16d）。
Cole-Cole参数恢复
- 时间常数τ恢复精度高（0.0046 s vs 真实值0.005 s），但电荷率η被低估（0.09 vs 0.2）（图19）。
结论与价值
科学意义
- 首次提出感应源TDEM数据的全三维IP反演框架，解决了非稳态电场下的IP信号建模难题。
- 通过EM-IP解耦与线性化Biot-Savart核函数，为航空电磁数据（如VTEM）的矿物勘探提供新工具。
应用前景
- 可识别硫化物或斑岩矿床的电荷性目标，尤其在覆盖层导电时优于传统MIP（Magnetic IP）方法。
- 对多发射源-接收器配置（如大回线TDEM）具有普适性。
研究亮点
- 创新方法：提出“有效伪电荷率”概念，统一多发射源的时间依赖性。
- 技术验证：通过极化电流分解（图9）和Bi