重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.     

空间波数混合域三维各向异性强磁性介质磁场数值模拟

各向异性普遍存在于强磁性体矿物中,为研究各向异性强磁性体磁场响应特征,本文提出一种空间波数混合域三维各向异性磁场数值模拟方法.该方法首先将各向异性强磁性体磁位满足的三维偏微分方程进行水平方向二维傅里叶变换,将其降为不同波数之间相互独立的一维常微分方程;然后加载准确的上下边界条件,采用二次插值有限单元法计算一维常微分方程,得到五对角方程,采用追赶法进行高效求解;最后采用迭代法求解场分量,引入紧算子保证迭代稳定收敛;综合傅里叶变换的高效性、一维方程求解的快速性和迭代算法的稳定性,实现各向异性强磁性体磁场的三维高效、高精度数值模拟.设计各向异性椭球模型验证算法的正确性,并分析紧算子对不同各向异性磁化率模型的迭代收敛性;与COMSOL Multiphysics软件对比计算效率,表明相同节点下本文算法效率优于常规三维有限元方法,且计算节点总数越多优势越明显.重点研究各向异性参数改变对VTI、HTI、TTI强磁介质异常场响应的影响.最后采用某磁铁矿DEM高程数据模拟起伏地形对各向异性强磁性体磁异常场幅值和形态的影响,体现出本文算法对各向异性强磁性体大规模复杂地形的适应性.     

任意起伏地形下重力异常三维正演及并行计算

为了进一步提高空间-波数域三维重力异常正演算法的适用范围和计算效率,本文采用任意傅里叶变换算法实现了空间-波数域三维重力异常正演,且在NVIDIA CUDA平台上进行CPU-GPU并行加速.任意傅里叶变换算法的基本思想是将二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换,一维傅里叶变换积分离散为多个单元积分累加和,离散单元中原函数采用二次插值形函数拟合,求出单元积分的解析表达式.相比现有的傅里叶变换算法,新方法具有采样灵活、积分精度高、计算速度快和傅里叶变换的截断效应小等优势.利用空间-波数域算法的高度并行性,采用CPU并行求解常微分方程,GPU并行计算任意傅里叶变换,实现了CPU-GPU并行加速方案,进一步提升了本文算法效率.利用常密度模型,对比数值解和解析解,结果表明本文算法正确;利用变密度模型对比了任意傅里叶变换算法与高斯快速傅里叶变换算法的计算效率与精度,在相近的数值精度下,本文算法波数选取少,效率高;测试CPU-GPU并行效果,结果表明相比CPU串行算法,CPU-GPU并行算法的计算效率大大提升,千万数量级节点数模型正演仅耗时数秒.最后利用实际地形数据进行三维重力异常场数值模拟,证明了...     

复杂地形条件下四面体剖分电阻率三维有限元数值模拟

地形起伏对电阻率影响非常大,复杂地形条件下的电阻率异常解释一直受到很多的关注.本文提出了一种四面体网格交叉剖分方法,剖分的网格相互交错,使剖分的网格具有多样性,能较好地模拟复杂地形情况下的地电模型.同时,从点电源场满足的方程出发,本文推导了三维复杂地形条件下有限元数值模拟算法,并编制了计算程序.算例表明,本方法行之有效,计算精度高.     

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.     

大地电磁二维自适应地形有限元正演模拟

复杂地形对大地电磁测深法(MT)的影响非常大。文中在吸收和修正前人工作基础上,提出了一种自适应地形四边形网格剖分、单元内电磁场双二次插值数值模拟方法,能更好地模拟出复杂地形和场值分布,并推导出复杂地形条件下有限元数值模拟算法、单元辅助场的计算和TM模式视电阻率的局部定义法。模型计算表明,该数值模拟方法计算速度快,有较高的计算精度,能很好地模拟MT复杂地形影响和异常体影响。     

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.     

基于自适应多层快速多极算法的大规模磁法正演模拟

提出了一种基于非结构化四面体以及带地形模型的自适应多层快速多极大规模磁法快速正演算法.该算法弥补了传统积分方法采用FFT加速计算时不能采用非结构化网格的缺陷;同时采用自适应快速多极算法突破积分求和方法求解大规模磁法问题耗时长的突出问题.首先,采用非结构化的四面体网格剖分技术能够更好的模拟复杂模型以及带地形模型,实现磁法模型的高精度模拟;其次,采用一种自适应多层快速多极(AMFM)算法实现大规模磁法正演求解.通过将计算区域划分为近区和远区,对近区采用解析计算高精度求解,对远区采用自适应多层快速多极算法进行加速计算,假设有M个观测点,N个四面体源单元,可将计算复杂度由传统积分求和法的O(MN)减少到O(Mlog N).本文设计了组合体模型以及安徽怀宁地区的实际地形模型,模型计算结果体现了采用该方法进行大规模复杂模型三维磁法正演模拟的高效性和准确性.     

瞬变电磁法正演计算进展

详细介绍了瞬变电磁法正演计算的方法、现状和发展趋势.瞬变电磁法一维正演计算需要将电磁场从频率域转换至时间域,转换方法有三种,分别是Gaver-Stehfest算法、余弦变换和Guptasarma算法.在这三种方法中,使用较多的是Gaver-Stehfest算法和余弦变换,Gaver-Stehfest算法速度较快,但精度不及余弦变换.瞬变电磁法的数值模拟主要集中于2.5维和三维,使用的数值计算方法有积分方程法、有限差分法、有限单元法和SLDM法.积分方程法主要在三维数值模拟中使用,现已很少使用;有限差分法和有限单元法是目前瞬变电磁法2.5维和三维数值模拟的主要方法;SLDM法主要应用于三维数值模拟.我国瞬变电磁法正演计算成果主要集中在回线源激发的瞬变电磁场一维数值计算和利用有限单元法进行2.5维和三维数值模拟.瞬变电磁法正演计算的发展趋势有:数值算法的改进、提高计算效率和研究地形对瞬变电磁场的影响规律.     

复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

基于抛物线密度模型的频率域三维界面反演及其在川滇地区的应用

密度界面反演作为了解地球内部结构的一种重要方法,长期以来都是重力学研究的主要内容.本文结合抛物线密度模型及频率域算法的优点,将抛物线密度函数应用于Parker-Oldenburg算法,经过理论推导得到了抛物线密度模型的频率域公式,从而建立了基于抛物线密度模型的三维密度界面重力异常正反演的算法和流程.理论模型数据试验表明本方法快速、有效,适用于大多数浅部比深部增加更快的实际地壳密度.研究中还利用该方法对川滇地区重力异常进行了反演,获得了该区的莫霍面深度分布,并与接收函数研究结果进行对比分析,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.     

磁化强度矢量反演新方法及其在卡拉塔格铜多金属矿床找矿中的应用

磁异常的反演是地球物理勘探的重要手段,三维磁化率反演是磁异常定量解释中的一种重要方法.由于剩磁的存在使得磁化方向与地磁场方向产生偏差,从而影响了磁异常反演与解释的精度.本文基于磁异常模量反演和磁化强度矢量反演方法得到了一种新的磁化强度矢量反演方法.与以往的磁化强度矢量反演方法相比,该方法以磁异常模量反演得到的磁化率模型为约束,采用Lp范数正则化方法求解,提高了磁化强度矢量反演的精度和效率.本文通过模拟试验的反演计算,验证了这种磁化强度矢量反演方法的有效性.最后,将本文方法应用于新疆东天山卡拉塔格地区航磁数据的解释,获得了地下空间不同磁性差异的磁性体的空间分布特征,为进一步分析研究区隐伏矿床提供了重要信息.     

基于BTTB矩阵的快速高精度三维磁场正演

本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重合.改进的算法具有以下三个特点:(1)采用无解析奇点的解析解公式计算磁异常,保证计算精度.(2)通...     

双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法

采用模拟离散的有限体积法实现了双轴各向异性地层回线源瞬变电磁三维正演.首先引入内积定义,采用自然边界条件,将瞬变电磁法的控制方程转化为弱形式表示.将计算区域划分为一系列的控制体积单元,采用交错网格对控制方程进行模拟有限体积空间离散,包括旋度算子离散和空间内积离散.基于斯托克斯定理的旋度积分定义公式实现旋度算子离散.中点平均实现电导率双轴各向异性的空间内积离散,从而得到离散化的控制方程.时间步迭代采用无条件稳定的欧拉后向差分格式.并通过均匀全空间中稳定电流回线源的磁场解析表达式得到回线源初始时刻的电磁场分布.为了同时保证计算精度和效率,本文采用分段等间隔的时间步迭代,利用直接法求解器PARDISO实现其快速求解.最后通过对比层状模型和各向异性半空间模型的正演计算结果,验证了本文算法的计算精度和计算效率;计算三维双轴各向异性模型的正演响应可知,水平方向电导率变化对电磁响应产生显著影响,而垂直方向的电导率变化对电磁响应几乎没有影响.产生这一现象的主要原因是回线源产生的感应电流主要是水平方向的,因此响应主要受到水平方向电导率的影响,垂直方向的电导率影响很小.     

复杂介质有限元法2.5维可控源音频大地电磁法数值模拟

利用有限元2.5维可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）数值模拟方法,对100Ωm均匀半空间介质中有限长度的电偶极源产生的电场、磁场及视电阻率、相位特征进行了数值模拟,研究了场的空间变化规律. 在一个象限中,场的特征存在双叶现象,当收发距大于4个趋肤深度时,电阻率较接近介质真实的电阻率,这些结果为观测系统和收发距的选择提供了依据. 波数域场的特征表明,低波数对源的贡献占较大的比例. 有限元法2.5维CSAMT数值模拟的优势在于能较准确地获得复杂介质结构的波场特征. 本文结合直立异常体、倾斜异常体及断陷模型对CSAMT电阻率、相位剖面特征及频率曲线特征的可靠性进行了研究. 数值模拟结果直观地给出了异常体的剖面异常形态. 通过对比研究异常体的剖面异常形态和半空间场的特征进一步说明本文方法和软件在模拟复杂介质结构场特征时是可靠的. 这为认识观测数据,指导反演解释提供了较好的依据.     

基于加权平均导数的频率-空间域正演模拟及GPU实现

传统基于旋转坐标系的频率-空间域正演模拟方法仅适用于方形网格,而实际生产中矩形网格广泛存在,本文提出一种适用性广的正演差分算子,不仅适用于方形网格而且适用于矩形网格.通过综合运用平均导数法、加速项加权平均、模拟退火法压制频散和减少单个波长所需网格点数,从而提高算法精度和减少计算量.在该方法的基础上采用不完全LU分解作为求解Helmholtz方程的预条件,并利用图形处理器加速计算速度,很大程度上提高了频率域正演的效率.     

基于变换光学有限差分探地雷达数值模拟研究

在采用有限差分方法开展探地雷达复杂目标体精细结构模拟时,为了提高计算精度,常采用非均匀网格对目标区域划分小尺寸的网格,以压制离散网格频散现象和保证有限差分方法的稳定性.常规非均匀网格和自适应亚网格技术在网格剖分数量和粗细网格边界处理上难以达到计算效率和计算精度的均衡.本文根据隐形斗篷(invisible cloak)理论,将基于变换光学(Transformation optics)理论应用于有限差分探地雷达数值计算中.该理论的主要思想是基于目标参数变化而保持电磁场的传播不变性,在坐标变换后,Maxwell方程的形式可以维持不变,而使得相对介电常数与磁导率的表达式变得复杂.通过这种方式可以虚拟地扩大目标体所占的网格节点数,减少背景介质区域的网格数,不增加模型空间的网格总数.另外,这种网格划分方式不但提高了计算效率,同时也可以克服亚网格技术边界反射误差的影响.本文推导实现了基于变换光学的二维有限差分方法,通过典型探地雷达模型测试,对比分析了该方法与常规有限差分、变网格有限差分和自适应亚网格有限差分的优缺点.计算结果验证了基于变换光学的有限差分可用于探地雷达目标精细结构模拟,具有较高的计算精度和计算效率.