面向目标自适应有限元法的带地形三维大地电磁各向异性正演模拟

传统三维大地电磁各向异性模拟均是基于规则六面体网格,计算精度有限且较难拟合复杂地质条件.本文采用面向目标自适应非结构矢量有限元法,对三维大地电磁各向异性介质进行模拟.首先从电场双旋度方程出发,利用伽辽金方法建立变分方程;然后利用电流密度连续性条件构建适合大地电磁各向异性问题的加权后验误差估计方法,实现面向目标的网格自适应正演;最后通过典型算例分析各向异性对网格自适应和大地电磁响应的影响特征以及各向异性的识别方法.本文算法能够高精度地拟合起伏地表和任意各向异性介质,适用于分析复杂地电条件大地电磁响应特征,为提高大地电磁资料解释水平提供了理论基础.     

起伏海底地形时间域海洋电磁三维自适应正演模拟

本文基于自适应非结构有限元算法实现海洋电磁起伏海底地形三维正演模拟.通过采用隐式后推欧拉时间离散技术,保证在较大的时间步长条件下获得正确结果.为获得多时间道海洋电磁正演模拟的有效网格,我们采用基于法向电流连续的后验误差估计的自适应方法和网格融合技术;同时为了控制网格数量和保证正演模拟稳定性,我们还在网格融合过程中应用了随机网格挑选技术.对于方程组求解我们使用MUMPUS直接求解器.当时间步长不变时,只需对系数矩阵进行一次分解,大大提高计算速度.将本文计算结果与半空间模型解析解进行对比,验证了本文算法精度.针对海洋电磁半拖曳式和双船拖曳式工作方式,我们通过典型模型的模拟计算,研究海底地形影响及海底高阻层识别特征.     

基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演计算研究

为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础.     

时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究

各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.     

耦合PML边界条件的三维大地电磁二次场有限差分法

本文将大地电磁场分解为一次场和二次场,应用交错网格有限差分法模拟计算大地电磁二次场,并引入各向异性最佳匹配层(PML)吸收边界条件作为二次场边界条件,实现了耦合PML吸收边界条件的三维大地电磁二次场有限差分正演模拟.为了确保正演的稳定性和效率,QMR求解器和磁感应矢量散度校正技术被用于PML吸收边界条件下系数矩阵的快速求解.三维模型正演响应表明,基于二次场的三维大地电磁有限差分算法具有较高的计算精度和可靠性.通过计算分析不同PML吸收因子条件的大地电磁正演结果,显示在适当的吸收因子下,PML吸收边界条件可较大幅度的减小外边界距离,从而有效的压缩模型求解空间,最终提高三维大地电磁正演模拟的效率.     

考虑关断时间的地面瞬变电磁三维带地形反演

起伏地形和关断时间对地面瞬变电磁响应影响严重,这给传统基于水平地表模型和理论阶跃波形的瞬变电磁数据解释技术带来很大困难.为此,本文开展考虑起伏地形和关断时间的地面瞬变电磁三维反演算法研究.正演采用基于非结构网格和后退欧拉隐式时间离散格式的时间域有限元算法,快速模拟起伏地表模型瞬变电磁响应.反演采用L-BFGS算法,减少每次反演迭代的计算量.针对发射线圈随地表起伏变化的特点,利用基于偶极子离散的场源处理技术模拟发射源的实际形状,采用瞬时电流脉冲技术实现考虑关断时间的地面瞬变电磁三维正演模拟.我们首先将本文开发的三维反演算法应用于理论模型的反演计算中,检验本文算法的可靠性,并分析地形和关断时间对反演结果的影响特征.在此基础上,进一步将本文算法应用于实测数据反演,验证本文算法的实用性.     

自适应非结构有限元MT二维起伏地形正反演研究

在山区进行MT勘探时,用规则网格有限元方法模拟起伏地形会受到限制.本文采用非结构三角网格可以有效地模拟任意二维地质结构,如起伏地形、倾斜岩层和多尺度构造等.正演引入自适应有限元方法,其在网格剖分过程中能根据单元误差自动细化网格,保证了正演结果的精度.将自适应有限元与Occam算法结合,且引用并行处理技术提高正反演计算速度.通过对比两个理论模型,讨论了地形对MT正演响应的影响;其次进行了不同地电模型带地形反演展示了本文算法的正确性和适用性;最后将该方法应用于实测MT数据处理,证明了自适应非结构有限元方法是复杂地形下处理MT数据的有力工具.     

基于有限体积法的二维大地电磁各向异性数值模拟

为了计算带任意地形的各向异性介质中二维大地电磁响应,本文在非结构化网格的基础上,采用有限体积法,开发了二维大地电磁各向异性正演模拟的新算法.首先,从Maxwell方程出发,推导二维各向异性介质中大地电磁场的边值问题;然后,采用三角网格自动生成技术对求解区域进行非结构化网格剖分,进而构建节点中心控制体积单元,利用有限体积方法,得到求解边值问题的大型稀疏线性方程组;最后,利用Pardiso精确地计算了大地电磁响应值.三个各向异性模型的计算结果表明,本文开发的有限体积算法,不仅能够高精度求解带任意地形的大地电磁电导率各向异性问题,而且对于同一模型,该方法的计算消耗和精度都与有限单元法相当.因此,有限体积法是处理电磁法各向异性问题的一种有效方法.     

基于多重网格的Helmholtz方程解算及简单地质模型的大地电磁正演模拟

为了提高大地电磁正演模拟的计算效率,开展了基于多重网格算法的Helmholtz方程解算研究;对比Gauss-Seidel、Richardson迭代算法的收敛性,在达到同样的误差限值下,多重网格算法仅需十余次套迭代即可满足误差精度要求,而GaussSeidel和Richardson算法分别需要近500次和5000次迭代;多重网格算法的收敛速度极快,多重网格算法的收敛速度比一般数值算法快近3个数量级;由于其是一种基于套迭代技术,该方法完成一次循环的迭代效率明显比一般数值算法低;多重网格算法极快的收敛速度为将其用于提高大地电磁正演模拟效率提供了可能.     

基于有限差分正演的带地形三维大地电磁反演方法

本研究实现了一套基于有限差分（FD）方法的大地电磁测深数据带地形三维反演算法及代码.其中,在大地电磁场正演数值模拟方面,开发了起伏地形条件下基于交错网格剖分、有限差分方法的大地电磁测深三维正演代码;在满足平面波场假设的前提下,使用长方体网格剖分模拟三维起伏地形,实现了带地形三维正演计算;并设计理论模型进行试算,经试算结果与前人的有限元法计算结果对比,验证了所研发的带地形三维正演计算的正确性与可靠性.在反演方面,本研究基于非线性共轭梯度方法编写了大地电磁测深带地形三维反演代码,试验了不同的共轭梯度搜索因子β,避免了目标函数对海森矩阵（参数二次导数矩阵）的显式计算和存储,初步实现了大地电磁资料的带地形三维反演.最后,对一系列理论模型进行正演计算,利用其生成的合成数据模拟实测数据进行反演,并与现有的不带地形大地电磁测深三维反演结果比较,检验了所研发的带地形三维反演计算的可靠性与稳定性.     

3D forward modeling and response analysis for marine CSEMs towed by two ships

A dual-ship-towed marine electromagnetic (EM) system is a new marine exploration technology recently being developed in China. Compared with traditional marine EM systems, the new system tows the transmitters and receivers using two ships, rendering it unnecessary to position EM receivers at the seafloor in advance. This makes the system more flexible, allowing for different configurations (e.g., in-line, broadside, and azimuthal and concentric scanning) that can produce more detailed underwater structural information. We develop a three-dimensional goal-oriented adaptive forward modeling method for the new marine EM system and analyze the responses for four survey configurations. Oceanbottom topography has a strong effect on the marine EM responses; thus, we develop a forward modeling algorithm based on the finite-element method and unstructured grids. To satisfy the requirements for modeling the moving transmitters of a dual-ship-towed EM system, we use a single mesh for each of the transmitter locations. This mitigates the mesh complexity by refining the grids near the transmitters and minimizes the computational cost. To generate a rational mesh while maintaining the accuracy for single transmitter, we develop a goal-oriented adaptive method with separate mesh refinements for areas around the transmitting source and those far away. To test the modeling algorithm and accuracy, we compare the EM responses calculated by the proposed algorithm and semi-analytical results and from published sources. Furthermore, by analyzing the EM responses for four survey configurations, we are confirm that compared with traditional marine EM systems with only in-line array, a dual-ship-towed marine system can collect more data.     

3D anisotropic modeling and identification for airborne EM systems based on the spectral-element method

The airborne electromagnetic (AEM) method has a high sampling rate and survey flexibility. However, traditional numerical modeling approaches must use high-resolution physical grids to guarantee modeling accuracy, especially for complex geological structures such as anisotropic earth. This can lead to huge computational costs. To solve this problem, we propose a spectral-element (SE) method for 3D AEM anisotropic modeling, which combines the advantages of spectral and finite-element methods. Thus, the SE method has accuracy as high as that of the spectral method and the ability to model complex geology inherited from the finite-element method. The SE method can improve the modeling accuracy within discrete grids and reduce the dependence of modeling results on the grids. This helps achieve high-accuracy anisotropic AEM modeling. We first introduced a rotating tensor of anisotropic conductivity to Maxwell’s equations and described the electrical field via SE basis functions based on GLL interpolation polynomials. We used the Galerkin weighted residual method to establish the linear equation system for the SE method, and we took a vertical magnetic dipole as the transmission source for our AEM modeling. We then applied fourth-order SE calculations with coarse physical grids to check the accuracy of our modeling results against a 1D semi-analytical solution for an anisotropic half-space model and verified the high accuracy of the SE. Moreover, we conducted AEM modeling for different anisotropic 3D abnormal bodies using two physical grid scales and three orders of SE to obtain the convergence conditions for different anisotropic abnormal bodies. Finally, we studied the identification of anisotropy for single anisotropic abnormal bodies, anisotropic surrounding rock, and single anisotropic abnormal body embedded in an anisotropic surrounding rock. This approach will play a key role in the inversion and interpretation of AEM data collected in regions with anisotropic geology.     

基于谱元法的频率域三维海洋可控源电磁正演模拟

高精度、快速有效的正演模拟算法是三维电磁正反演的前提.为了提高海洋电磁三维数值模拟的精度和效率,本文提出利用基于Gauss-Lobatto-Chebyshev（GLC）基函数的谱元法进行海洋可控源三维电磁正演模拟.谱元法结合有限元法和谱方法的优点.我们通过应用伽辽金加权残差法离散二次电场矢量亥姆赫兹方程,在单元内选择混合阶GLC多项式的张量积作为高阶矢量插值基函数,在求解大型稀疏线性方程组时利用直接求解器进行快速求解,从而实现了三维海洋可控源电磁快速高精度正演模拟.一维和三维模型正演结果验证了本文算法的有效性和准确性.典型模型的数值结果表明谱元法是一种有效的三维海洋可控源电磁正演数值方法,能在稀疏网格剖分情况下获得精确的海洋电磁正演模拟响应.     

面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元正演

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进行求解.在获得微分方程的解之后,为提高解的准确性,通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化,重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格.对于大规模三维数据,为了使模型空间的并行计算达到均衡负载的效果,我们使用METIS函数库来进行网格计算任务量的划分.最后,通过对比一维解析解与三维自适应矢量有限元计算结果,验证了程序的正确性;通过自适应过程中误差指示子的分布,验证了面向目标自适应的有效性;通过对三维复杂模型进行均衡负载下的并行计算,测试了程序的可扩展性.     

起伏地表频域/时域航空电磁系统三维正演模拟研究

由于航空电磁系统具有工作频率低、时间延迟短等特点,地形对航空电磁响应有很大影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.本文将基于非结构化网格的矢量有限元法应用于模拟起伏地表条件下频域/时域(FD/TD)三维航空电磁系统响应.该方法由于采用非结构网格,与传统的结构化网格电磁正演算法相比,能更好地拟合地形和地下不规则异常体,提高对不规则地形和地下介质航空电磁响应的计算精度.通过将计算结果与半空间模型的半解析解及已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.通过对典型山峰和山谷地形航空电磁响应分析对比,总结了地形对航空电磁响应的影响特征.研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.     

基于电流密度连续性条件的直流电阻率各向异性问题自适应有限元模拟

直流电阻率法被广泛应用在工程和环境及水文地球物理、野外采矿、地热探测等领域.地下岩石常具有层理面和裂缝等具有方向依赖性的结构,岩石电导率常常呈现各向异性特征,因此研究复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演算法具有迫切的理论和学术需求.本文利用面向目标的自适应有限元算法和非结构化网格相结合的方式,解决了带地形任意复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演这一难题.有别于前人的研究成果,本文提出了一种特别的二次虚拟场算法实现带源的任意起伏地形问题模拟;另外,本文第一次基于电流密度连续性条件构建适合直流电阻率各向异性问题的后验误差估计算法,有效地驱动面向目标有限元网格自适应加密过程.最后,通过三组电阻率各向异性模型验证本文提出算法的正确性和适应性,测试结果表明：对于任意复杂直流电阻率各向异性问题,本文提出的算法具有精度高、适应性强等特点;另外,我们还发现电流密度连续性条件可用于设计直流电阻率问题的有效后验误差估计算法.