电性任意各向异性且分块连续变化CSAMT三维有限元数值模拟

考虑地球介质电导率任意各向异性且随空间位置连续变化的情况,本文实现了直接求解电磁场的可控源音频大地电磁测深（CSAMT）三维有限元数值模拟.首先给出了电导率任意各向异性介质中CSAMT二次电场满足的控制方程及其相应变分问题,然后采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,在网格单元中对任意各向异性电导率进行线性插值,解决了实际工作中岩矿石电导率各向异性且连续变化的情况,将变分问题转化为线性代数方程组的求解.电导率各向异性且连续变化一维模型三维有限元数值模拟结果与电导率各向异性且分层均匀渐进模型解析解结果对比验证了方法的有效性;三维地电模型电导率随位置线性变化且各向同性、主轴各向异性、方位各向异性和倾斜各向异性的数值模拟结果表明,电导率各向异性且连续变化对CSAMT视电阻率和相位数据均有明显的影响.     

基于二次场电导率分块连续变化的三维可控源电磁有限元数值模拟

从电偶源三维地电断面可控源电磁法的二次电场边值问题及其变分问题出发,采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,并且在单元分析中同时对电导率及二次电场进行三线性插值,实现电导率分块连续变化情况下,基于二次场的可控源电磁三维有限元数值模拟.这个新的可控源电磁三维正演方法可以模拟实际勘探中地下任意形状及电性参数连续变化的复杂模型.理论模型的计算结果表明,均匀大地计算的视电阻率误差和相位误差分别为0.002%和0.0005°.分层连续变化模型的有限元计算结果表明,其与对应的分层均匀模型解析结果有明显差异.三维异常体组合模型以及倾斜异常体等复杂模型的有限元计算结果也有效地反映了异常形态.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.     

电导率连续变化2.5维直流电阻率法有限元数值模拟

在阮百尧、徐世浙(1998,2001)工作基础上,给出四边形内三角网格单元剖分,电导率连续变化2.5维直流电阻率数值模拟方法.在二维起伏地形情况下,有限单元设计为四边形内剖分四个三角网格单元,单元内的电位值和电导率设计为线性变化,将研究区域远边界的第三类边界条件简化为第二类齐次边界条件,重新给出一组适用性较好的Fourier反变换系数,并采用分离式Cholesky分解法快速求解线性方程组.通过对3个地电模型的计算与对比分析,其结果与解析法的均方根误差小于0.2%,计算速度比较常规方法提高了5倍,能有效模拟起伏地形和复杂形态的地电体模型.     

三维地电模型数值模拟中视电阻率真假异常特征分析

本文概要介绍了三维数值模拟中双网格系统的剖分方法,并通过几种典型模型的有限单元法三维数值模拟计算（网格单元电导率分块均匀、电位三线性变化）,充分揭示了对称四极电阻率测深法三维地电模型视电阻率真假异常的分布规律,分析了产生真假异常的原因,并研究了真异常的形态与引起真异常的地质体位置的关系。     

边界元法在地电预报地震中的研究与应用

在以往地电预报地震研究及电法勘探研究中，二维、三维点电源层状横向非均匀介质条件下的数值模拟方法存在着不少困难问题。利用边界单元法可使得该类二、三维问题中难处理的问题变得较为简单易行。本文综合分析叙述了边界元法在这类地电断面结构下的理论研究及其在地电预报地震中的应用情况。探讨了地电学在地震预报研究中的理论及实际应用前景。     

视电阻率年变的定量计算

本文定量分析地温、地下水位变化对视电阻率的影响。首先建立与地温、地下水位变化相应的地电断面,这种断面的电性不是分层均匀的,然后用有限单元法计算视电阻率。计算结果表明,对与临沂地电台相近的地电断面,地下水位的变化对视电阻年变的影响大于地温年变的影响,前者约为后者的两倍。基岩对年变大小有强烈的控制作用,基岩浅,年变明显,基岩深,年变大为减弱。      

考虑海底地形的三维频率域可控源电磁响应有限体积法模拟

为了提高海洋可控源电磁的地形响应模拟精度,探讨了三维交错网格剖分有限体积法求解频率域电磁场解的数值方法.在似稳场近似条件下,推导了有限差分法和有限体积法低频电磁场控制方程的离散表达式.通过对离散表达式的分析比较表明,有限体积法较之有限差分具有更高的计算精度,同时也具有与有限差分相当的计算效率.对含地形界面网格单元电导率采用加权平均处理,通过与二维有限元程序的计算结果对比,验证了该方法可以有效提高有限体积法对地形变化的模拟精度.应用有限体积法计算了一个三维带地形储层模型的可控源电磁响应,分析表明地形变化对电场分量影响明显,磁场分量对地形变化不敏感.     

电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限元数值模拟

在吸收并修正部分前人工作的基础上，给出了电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限单元法正演算法. 在该算法中，（1）采用在矩形网格中进一步三角细化的剖分方式，同时考虑到矩形单元中心节点的性质，求解线性方程组前用高斯消元法消除矩形网格中心节点上的待求未知量，这样一方面较准确地模拟出任意二维复杂地电断面，另一方面又大大地节省了计算量；（2） 采用计算二次场的算法，事先仅需获得电场和磁场沿地电构造走向方向两个分量的一次场，故而不但计算精度较高，而且不明显增加计算量. 最后，对几例典型模型进行正演，并与解析解对比，验证了本文方法的有效性.     

电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限元数值模拟

在吸收并修正部分前人工作的基础上，给出了电导率分块均匀的瞬变电磁25维有限单元法正演算法. 在该算法中，（1）采用在矩形网格中进一步三角细化的剖分方式，同时考虑到矩形单元中心节点的性质，求解线性方程组前用高斯消元法消除矩形网格中心节点上的待求未知量，这样一方面较准确地模拟出任意二维复杂地电断面，另一方面又大大地节省了计算量；（2） 采用计算二次场的算法，事先仅需获得电场和磁场沿地电构造走向方向两个分量的一次场，故而不但计算精度较高，而且不明显增加计算量. 最后，对几例典型模型进行正演，并与解析解对比，验证了本文方法的有效性.     

频率域激电有限元数值模拟

在三维地电条件下,应用有限元方法模拟了不同频率谐变电流激发下的地表激电响应,首先根据麦克斯韦方程推导出谐变电磁场复电位的波动方程,利用广义变分原理得到复电位波动方程及其边界条件下边值问题等价的变分问题.尔后将区域剖分离散化,在单元中进行插值,得到一组线性方程组,通过合理存储刚度矩阵、解方程组,得到各个结点上的复电位值,最后得到表征频率域激电响应的幅频率等参数.模拟结果表明该方法合理正确.     

电导率分段线性变化的水平层的点电源电场的数值解

首先给出柱坐标系中电导率分段线性变化的水平层的点源电场的二维边值问题,然后用变分法将边值问题转变为变分问题。用有限单元法解变分问题,将区域剖分成矩形单元,在单元中进行双线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组。解方程组,得各节点的电位值,由此可计算地表的视电阻率。 算例表明,本方法计算结果与精确解十分符合。本文还举了一个定量分析视电阻率年变化的例子。 本方法占用计算机内存约100K数量级。在MV/6000超小型计算机上计算一条电测深曲线的时间为几十秒钟。     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.     

电性参数分块连续变化二维MT有限元数值模拟

为了易于模拟野外复杂地形和地下任意形状地电体模型,将有限元单元网格设计为三角单元;并考虑到野外实际勘探中,地球介质的电性参数均是连续变化的情况,单元内的场值和电性参数被设计为双线性变化;推导出二维起伏地形条件下大地电磁法有限元数值模拟算法;根据单元节点主场值和线性插值形函数间的关系,计算出单元节点的辅助场值;在二维起伏地形情况下,定义TE、TM模式视电阻率和阻抗相位.4个模型的计算的结果与解析法的均方根误差小于1%,地形模拟与前人的计算结果相符,模拟倾斜界面异常体,能有效的反映出其异常形态.     

二维各向异性地电断面大地电磁场的有限元法解法

假定各向异性主轴之一与层面垂直,另一主轴与构造走向平行,本文给出这种条件下,二维各向异性地电断面的大地电磁场的变分方程。用有限单元法解变分方程。对区域进行三角单元剖分,在单元内进行二次函数插值,将变分方程转变为线性代数方程组。解方程组得各节点的场值,并可计算场的导数。由这些值可计算地表的视电阻率。 算例表明,对于H_x型波(x平行构造走向),各向异性体与各向同性体的大地电磁场有很大区别。      

基于自适应有限元的复电阻率法2.5维复杂构造电磁场模拟

复电阻率法在矿产、油气勘探调查中发挥着重要作用.为了认识复杂构造的复电阻率法电磁场的变化规律,本文基于自适应有限元方法,采用非结构化网格,引入Cole-Cole模型,实现了电偶源2.5D复电阻率法电磁场正演,可以模拟复杂地形和地电结构,正演结果更符合野外实际地质情况.通过将本文的计算结果与半空间模型解析解、层状介质和起伏模型结果进行对比,验证了本文算法的正确性.最后,基于复杂地电模型,通过正演模拟,系统分析了地形、激电参数、复杂构造对复电阻率法电磁场的影响特征.     

二维层状介质点电源边界单元解

本文用付氏变换将点源二维地电断面的三维边值问题变成二维边值问题,然后讨论了边界元法在解决层状介质中存在二维柱体时点源场视电阻率计算问题中的应用。由于选取的基本解避免了对水平层状界面的积分计算,从而大大减少了边界剖分节点数。在计算中设法略去了对边界上位场法向导数的求解,使未知量大为减少,从而便利了求解二维边值问题,并由付氏反变换求得三维空间中的位。本方法所需计算机内存少,原始数据的输入简单,且有较高的计算精度。     

三维陆地可控源电磁法有限元模型降阶快速正演

三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法（3DFEM）进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现"凹陷",与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性.