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.     

全波形时间域航空电磁响应三维有限差分数值计算

全波形时域航空电磁测量具有解释精度高、分辨率高等优点,已成为新一代时域航空电磁探测发展的趋势.为此,本文基于无源有限差分法,将发射电流离散为若干梯形脉冲元,将脉冲元在时间上产生的电磁场转换为空间初始场,在差分迭代过程中分时引入差分方程,逐步将有源有限差分方程转换为无源有限差分方程,最终实现了发射电流为任意波形时,全波形时间域航空电磁响应的三维数值计算.计算结果表明:在梯形波发射时,对于典型地电模型的航空时间域电磁响应,计算稳定时间大于10 ms;与积分方程法相比,发射线圈中心点二次场响应平均误差小于1%.任意源三维全波形数值计算的实现为全波形三维反演和仪器设计奠定了基础.     

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分（FDTD）算法

利用三维时域有限差分技术（FDTD）研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域Maxwell方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条件（UPML）被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上,利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法（2E2U）从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后,通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.     

任意广角波动方程深度偏移参数优化分析

强横向变速和陡倾角介质的成像问题是地震偏移成像的难点.本文在频率-空间域利用有限差分高阶分裂法求解任意广角波动方程实现了地震偏移成像.试验表明,参考速度的选取是影响成像精度的关键因素.脉冲响应测试表明通过优化参数任意广角波动方程能够以较低阶的方程获得较大的偏移角度.Marmousi模型数据叠前深度偏移试验表明,该方法能...     

三维VTI介质qP波方程频率空间域有限差分高阶加权算子

波动方程有限差分法是波场模拟的一个重要方法,为解决常规有限差分法存在着数值频散的问题,本文从具有垂直对称轴的三维横向各向同性(VTI)介质频率-空间域qP波动方程出发,在常规差分算子的基础上构造了适合三维VTI介质的频率空间域有限差分优化算子,然后利用最优化理论中的Gauss-Newton法求解了优化算子的系数,使差分方程的相速度与波动方程的相速度尽量吻合,从而在理论上使网格数值频散达到极小,精度对比分析及数值测试表明,有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效地压制了数值频散现象,为三维VTI介质频率一空间域qP波正演模拟研究提供了理论基础.     

基于改进声波方程和MCPML边界的频率域高精度正演模拟

数值频散和边界反射是频率域模拟时需要解决的两个重要问题.然而,受计算效率和分解阻抗矩阵时的内存占用量的制约,提高有限差分算子长度或增加有限差分网格数目均不是提高频率域模拟精度的最优解决方案.本文首先分析了数值频散产生的理论机制,在此基础上,推导了一种“波数补偿”的声波方程表达式来压制数值频散,并给出其物理意义,有效地改善了数值频散问题,提高了模拟精度;在边界问题上,本文采用多轴卷积完全匹配层(MCPML)边界条件代替传统的完全匹配层(PML)边界条件,快速吸收边界内的残余能量,压制边界反射.结合改进声波方程和MCPML边界条件,给出了一种高精度的频率域声波方程有限差分格式.数值模拟结果表明,在不增加计算量和内存占用量的前提下,本文研究的方法、正演精度高、波场模拟清晰、无干扰反射,是一种可靠高效的频率域模拟方法.     

三维波动方程时空域混合网格有限差分数值模拟方法

常规高阶和时空域高阶有限差分方法广泛应用于三维标量波动方程的数值模拟,这两种差分方法仅利用笛卡尔坐标系中的坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子,相应的差分离散波动方程本质上仅具有2阶差分精度,模拟精度低.本文将三维笛卡尔坐标系中非坐标轴网格点分为两类:坐标平面内的非坐标轴网格点和坐标平面外的非坐标轴网格点,系统推导出了两类非坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子的方法,进而提出了一种利用坐标轴网格点和非坐标轴网格点共同构建三维Laplace差分算子的混合网格有限差分方法,并利用时空域频散关系和泰勒展开建立差分系数方程,推导出了差分系数的通解.相比常规高阶和时空域高阶差分格式的2阶差分精度,时空域混合网格差分离散波动方程理论上能够达到任意偶数阶差分精度,模拟精度显著提高,同时稳定性更强.频散分析表明:相比常规高阶和时空域高阶差分格式,在计算效率基本相同时,时空域混合网格差分格式能更有效地减小数值频散,减弱数值各向异性,模拟精度更高;在模拟精度基本相当时,混合网格差分格式能采用更大的时间采样间隔,计算效率更高.数值模拟实例进一步验证了混合网格差分格式在提高模拟精度和计算效率方面的先进性,也验证了其普遍适用性.     

三维CSAMT法非结构化网格有限元数值模拟

考虑到可控源音频大地电磁法(CSAMT)电偶极发射源与地下介质的三维结构特点,本文采用非结构化网格剖分技术,开展了三维CSAMT方法有限元数值模拟研究,将三维电磁场的背景场和异常场分别求解,避免了电偶极发射源的奇异性问题,并减小了计算区域.推导了三维异常电场遵循的有限元方程,加入散度条件进行约束以消除电场伪解;对非结构化网格单元采用高斯加权平均算法,得到了精度较高的异常磁场.针对层状介质模型,与积分方程法对比,验证了有限元算法的正确性;计算分析了典型三维地质模型的电磁响应,异常体反映明显.结果表明本文算法正确、可靠,适用于三维地质模型的CSAMT方法正反演研究.     

探地雷达三维高阶时域有限差分法模拟研究

探地雷达数值模拟中,时域有限差分法在时间和空间上一般采用二阶精度的中心差分近似(FDTD(2,2)),其形式简单,但数值色散误差较大,在复杂模型模拟时不能很好地反映模型的精细变化.高阶时域有限差分法能很好地改善数值色散带来的误差,提高模拟精度.本文基于三维高阶时域有限差分法的基本原理实现了探地雷达正演模拟,采用单轴各向异性完全匹配层(UPML)作为吸收边界条件,可以有效地吸收外向传播的电磁波,在大大地提高计算效率的同时,也能很好地改善边界的吸收效果.分析对比正演模拟结果,通过三维高阶时域有限差分正演能获得目标体准确电磁响应信息,并能很好的提高模拟精度.     

基于Lorenz规范条件下磁矢势和标势耦合方程的频率域电磁法三维正演

为了克服空气层和地表耦合以及避免一次场计算,开发适合不同类型场源、不同应用范围的频率域三维正演模拟统一平台,本文从麦克斯韦基本方程出发,推导基于Lorenz规范条件的磁矢势和标势耦合方程;通过将不同类型场源分解成一系列短导线(电性)源组合,采用交错网格采样和有限体积技术对方程进行离散得到对称大型稀疏线性方程组,并采用Jacobi迭代预处理QMR(Quasi-Minimum-Residual,拟最小残差)算法进行求解,我们成功实现不同类型场源、不同应用范围的频率域电磁法三维正演模拟.通过层状模型下大地电磁法以及有限长接地导线和大回线磁性源激发下的电磁场响应模拟,并与一维解析解对比验证算法的有效性.进而,我们利用该算法平台的模拟结果对典型地电模型在不同场源激发下频率域电磁法响应特征进行对比分析.本文算法研究及实现为建立频率域电磁法三维正反演统一框架打下基础.     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特性进行了对比.     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.     

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.     

横向同性地层中井间电磁响应的三维频域耦合势正演模拟研究

本文针对电导率横向同性地层中三轴发射-接收线圈系的井间电磁响应,开展三维正演算法及模拟研究.首先将发射线圈简化为三轴正交磁偶极子源.为克服低频电磁产生的数值迭代收敛缓慢问题,利用低感应数预处理方法将频域Maxwell方程组转化为基于矢势与标势的Helmholtz方程.采用非等间距的Yee氏交错网格、电导率的体积加权平均技术以及积分形式的有限差分格式实现对控制方程的离散化.借助于不完全LU分解预处理的稳定双共轭梯度法计算井间电磁响应的数值解,并通过与有限元软件COMSOL的数值结果对比验证本文模型与算法的有效性.数值计算结果表明：在横向同性地层的垂直井模型中,测井响应横向分量xx和yy能反映出地层电导率各向异性信息,但横向探测能力较差.轴向分量zz虽只反映地层水平电阻率信息,但具有较好的横向探测能力,且对地层中异常体非常敏感,而交叉分量xz、zx则具备较强的层边界识别能力.     

海洋可控源电磁三维非结构矢量有限元数值模拟

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型的计算结果与已有的二维自适应非结构有限元模拟结果吻合很好.带地形模型的数值模拟结果显示,海底地形对电场影响很大,有可能掩盖海底油气藏产生的异常.     

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件，将上半空间（空气）和下半空间（地下介质）两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中，假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算，每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程，这些线性方程组成了对角占优的线性方程组，可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.     

计算层状介质中电磁场的层矩阵法

现有人工源频率域电磁法的研究大多仅针对某种具体的方法,而较少将问题综合起来分析.本文综合多种方法的共同点提出了层矩阵法,它采取了源置于层间的模型进行公式的推导,理论上可以计算任意层状介质中任意位置的任意场源在空间中任意位置产生的场强,可适用于多种电磁法的正演模拟计算.层矩阵法的核心是对空间域的变量x, y, z中的x和y变量进行傅氏变换后转换到波数域k_x和k_y中,在波数域利用边界条件,用层矩阵建立起各层的关系后计算得到各层的波数域电磁场值,然后经过二维反傅氏变换最终得到空间域中任意位置的场值.因为文中定义的层矩阵是建立层关系的关键,所以称此方法为层矩阵法.本文以水平电偶源为例独立推导了层状介质中人工源频率域电磁场解的理论公式.为了验证方法的正确性,文中建立了多种模型,利用自行编排的程序将层矩阵法与现有文献的各种解析公式的解进行了对比,结果表明本文提出的层矩阵法是灵活的、可靠的.     

均匀半空间瞬变电磁场直接时域响应数值分析

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导出了上半空间一次有源波动场和反射波的时域解析式和下半空间二次无源波动场的时域解析式,结合均匀半空间瞬变电磁场的边界条件给出了均匀半空间瞬变电磁场的直接时域解析式,进而利用第一型曲线积分,通过沿回线源叠加推导出圆回线源在瞬变电磁场中的直接时域解析式.然后在半空间表面上,与传统的电偶极源假设下的表达式作了比较.数值结果表明两者在远源区的计算结果相差甚微,而近源区则存在很大误差.本文利用真正点元（点电荷）严密推导给出的均匀半空间表面上瞬变电磁场的直接时域解析式适用于全场区探测,克服了偶极子假设下只适用远场区的不足,为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供了新的理论基础.     

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

三维频率域可控源电磁反演研究

对于三维可控源电磁,反演计算效率、张量测量、旁侧效应以及阴影效应是目前研究的热点.本文正演采用基于库仑规范条件的耦合势有限体积算法,反演采用有限内存BFGS(L-BFGS)算法.合成数据反演结果表明:(1)有限内存BFGS法比非线性共轭梯度法,在反演计算效率上具有一定的优势,更适合求解大规模三维可控源电磁反演问题.(2)张量可控源电磁法相对于标量可控源电磁法,前者在模型分辨率上优于后者.(3)在某个区域无法布置测网的情况下,我们可利用旁侧效应在异常体周围布置测网进行三维反演,从而获得真实异常体的信息.同时,为避免阴影效应,我们应在测网外增加可控源电磁控制点,使得三维反演的数据更加完备.