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.     

任意各向异性介质三维非结构谱元法直流电阻率正演模拟研究

各向异性是地电异常解释中不可忽视的因素,广泛存在于裂隙或层理发育的地质环境中.本文针对任意各向异性条件下直流电阻率法三维正演问题进行研究,结合非结构谱元法建立模拟算法,充分利用谱方法的指数收敛性以及非结构有限元对地形和复杂异常体刻画能力,提高计算精度和效率.通过灵活的四面体网格剖分和高阶谱插值,实现了复杂介质任意各向异性模型电阻率响应的高精度数值模拟.我们首先通过层状各向异性模型验证本文非结构谱元法的计算精度,进而我们以半空间中立方体模型为例分析各向异性对电阻率响应的影响特征,并通过计算针对不同各向异性参数的视电阻率极性图,探究地下介质各向异性特征识别方法.最后,我们针对典型的山脊模型计算和分析存在地形效应条件下各向异性电流场分布及视电阻率特征.模型计算结果表明基于四面体网格的谱元法模拟带有复杂地形和异常体的任意各向异性模型具有很高的计算精度.本文的研究成果将在推进电阻率方法用于解决裂隙及层理等环境和工程地质问题中发挥积极作用.     

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.     

面向目标自适应三维大地电磁正演模拟

本文将面向目标的自适应算法应用于三维大地电磁数值模拟.使用基于非结构网格的矢量有限单元法对起伏地表大地电磁正演模拟问题进行求解.使用利用垂向电流密度在物性界面上的连续性对后验误差进行估算的算法指导网格优化.由于全局自适应算法针对观测点优化网格的能力较差,本文通过求解正演问题的对偶问题计算后验误差的加权系数,并对相关加权系数进行改进,从而实现了面向目标的自适应算法.与传统基于结构化网格的电磁正演算法相比,采用非结构网格能够更好地拟合起伏地表和地下不规则异常体.由于使用了面向目标的自适应算法,本文能够使用更少的网格达到较高的计算精度.通过对比本文模拟结果与半空间响应和全局自适应算法计算结果,并通过对比使用改进前和改进后加权系数得到的网格剖分结果验证了本文算法的有效性.     

基于非结构网格的电阻率三维带地形反演

地表起伏地形在野外矿产资源勘察中不可避免,其对直流电阻率法勘探影响巨大.近年来,电阻率三维正演取得诸多进展,特别是应用非结构网格我们能够进行任意复杂地形和几何模型的电阻率三维数值模拟,但面向实际应用的起伏地形下电阻率三维反演依然困难.本文基于非结构化四面体网格,并考虑到应用GPS/GNSS时,区域地球物理调查中可非规则布设测网的实际特点,实现了任意地形(平坦或起伏)条件下、任意布设的偶极-偶极视电阻率数据的不完全Gauss-Newton三维反演.合成数据的反演结果表明了方法的有效性,可应用于复杂野外环境下的三维电法勘探.     

基于非结构化网格的2.5-D直流电阻率自适应有限元数值模拟

2.5-D直流电阻率有限元数值模拟中,模型的剖分及加密主要通过手动实现.另外,采用的单元类型比较规则如矩形单元等,不易实现复杂模型的模拟.为解决上述问题,文中提出了一种自适应有限元算法.算法中采用稳健的后验误差估计来自动预测下一次网格的单元尺寸,直到设定的迭代条件满足为止.另外,采用非结构化三角形单元实现了任意复杂模型的灵活剖分.基于此,利用垂直接触面模型分析和对比了不同自适应策略的效率.通过对比发现,点源附近的单元得到了加密以消除源的奇异性.另外,对于任意一种策略,有限元结果均能最终收敛到精确解.最后,模拟了两个模型：2-D单个异常体模型和2-D地形模型.     

基于非结构网格有限元的三维井地电阻率法任意各向异性正演模拟

地层介质的电各向异性增加了井地电阻率法响应的复杂性,开展基于电各向异性介质模型的井地电阻率法响应规律研究对于正确解释各向异性显著地区的观测数据特征至关重要.针对垂直线源井地电阻率法的任意各向异性响应模拟问题,本文提出了一种基于非结构网格有限元三维正演算法,通过引入3×3的对称正定张量来表征任意各向异性的电导率,采用非结构四面体网格有限元方法来离散电位的边值问题,通过将垂直线源等效为一系列点源问题,进而实现了任意各向异性介质中井地电阻率法的高效数值计算.通过与三个地电模型的解的对比,验证了本文数值解算法的精度和有效性.针对线源远离和垂直穿过异常体的两类模型,分别考察了当围岩或异常体为各向异性介质时的井地视电阻率响应特征.结果表明,对于各向异性地层,围岩和异常体的主轴电阻率值和旋转角均会对井地视电阻率的幅值及分布产生显著的影响.研究结果对于提高井地电阻率法的认识和资料解释水平具有重要的理论和实际意义.     

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.     

电阻率任意各向异性三维有限元快速正演

电阻率各向异性由于其可能导致观测数据解释的很大偏差,受到越来越多的关注.由于其复杂性,三维各向异性研究国内尚未开展.本文先推导了各向异性介质中直流电法满足的控制方程并建立其变分问题,然后用有限元方法将问题转化为求解二次场电位的大型线性方程组,结合系数矩阵一维压缩存储技术和解大型线性方程组的对称超松弛预条件共轭梯度(SSOR-PCG)迭代算法,大大提高了计算速度,减少了内存需求.本文提出的算法可以任意调整介质的电阻率取向,从而实现了直流电阻率三维任意各向异性的有限元快速、精确正演计算.模型计算结果表明,各向异性介质响应相对于各向同性介质有明显差异,其介质取向对于视电阻率观测有明显影响.     

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.     

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.     

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.     

Three-dimensional imaging of subsurface structures using resistivity data

We have developed a three-dimensional inverse scheme for carrying out DC resistivity surveys, incorporating complicated topography as well as arbitrary electrode arrays. The algorithm is based on the finite-element approximation to the forward problem, so that the effect of topographic variation on the resistivity data is effectively evaluated and incorporated in the inversion. Furthermore, we have enhanced the resolving power of the inversion using the active constraint balancing method. Numerical verifications show that a correct earth image can be derived even when complicated topographic variation exists. By inverting the real field data acquired at a site for an underground sewage disposal plant, we obtained a reasonable image of the subsurface structures, which correlates well with the surface geology and drill log data.     

Forward modeling of marine DC resistivity method for a layered anisotropic earth

Since the ocean bottom is a sedimentary environment wherein stratification is well developed, the use of an anisotropic model is best for studying its geology. Beginning with Maxwell’s equations for an anisotropic model, we introduce scalar potentials based on the divergence-free characteristic of the electric and magnetic (EM) fields. We then continue the EM fields down into the deep earth and upward into the seawater and couple them at the ocean bottom to the transmitting source. By studying both the DC apparent resistivity curves and their polar plots, we can resolve the anisotropy of the ocean bottom. Forward modeling of a high-resistivity thin layer in an anisotropic half-space demonstrates that the marine DC resistivity method in shallow water is very sensitive to the resistive reservoir but is not influenced by airwaves. As such, it is very suitable for oil and gas exploration in shallowwater areas but, to date, most modeling algorithms for studying marine DC resistivity are based on isotropic models. In this paper, we investigate one-dimensional anisotropic forward modeling for marine DC resistivity method, prove the algorithm to have high accuracy, and thus provide a theoretical basis for 2D and 3D forward modeling.     

起伏地形下各向异性的2D大地电磁无网格法数值模拟

作为一种基于节点的计算方法,无网格法具有构造高阶导数方便,自适应分析便利的优点,特别适合复杂地质构造的数值模拟.本文针对实际地球物理勘探中存在的起伏地形和各向异性的地电结构,提出用无网格法来模拟大地电磁响应,采用复合二次径向基函数构造了形函数,推导了大地电磁无网格法等价线性方程组,研究了系数矩阵的压缩存储方法以及大型稀疏复线性方程组快速求解算法,实现了起伏地形下各向异性的2D大地电磁高精度数值模拟.基于层状模型验证了算法的正确性,计算结果表明:无论是TM模式还是TE模式,计算相对误差均小于1%;通过对地垒和地堑模型的模拟,得出了起伏地形对视电阻率和相位的影响规律;对起伏地形下含有不同各向异性系数异常体的模型进行了数值模拟,为开展复杂地质结构的电磁场特征研究以及地形校正奠定了理论基础.随着计算科学的快速发展,无网格法必将成为新的高精度电磁场数值模拟方法.     

各向异性层状介质中视电阻率与磁场响应研究

针对任意各向异性地层,利用极向型和环向型标量位函数,导出相应的直流电视电阻率和磁电阻率的磁场响应关系.计算了各向异性地层的直流电视电阻率和磁电阻率响应特征,重点分析了电阻率测深方法与磁电阻率探测方法对地下各向异性介质的探测能力.文中采用状态矩阵的分析方法,首先采用极向型和环向型标量位构造了各向异性层状介质电场与磁场的通解,利用各层界面电场、磁场的连续性及地面激励源的耦合条件,推导了不同层之间电磁场的状态矩阵,建立了空间电场与磁场的递归计算关系.其次,针对递归计算中指数项数值计算的不稳定性,借用状态矩阵的性质,导出了将不稳定指数计算项转化为稳定的指数项的转换关系.针对横向各向同性(TI)介质中极向位与环向位解耦的特点,导出了电磁场的直接积分解.最后,采用解析解验证了算法的正确性,给出了多层各向异性地层模型的视电阻率和磁场响应曲线,分析了直流电法探测裂缝性地层、估计裂缝分布性状的可能性.