井间电磁场的一维、二维联合反演方法

提出了针对轴对称二维井间模型的一维、二维联合反演方法.该方法基于纵向成层背景地层的Green函数,以一维反演结果作为联合反演的迭代初始值,同时反演一维背景地层和二维异常剖面的电导率.采用递推技术计算Green函数的系数,可以很方便地同时得到Green函数对空间坐标的积分和对背景层电导率的微分,大大加快了计算雅可比矩阵〖WTHX〗M〖WTBZ〗的速度并使计算方便、准确.反演实例说明了该方法的有效性.反演实例还显示,背景层电导率较二维成像剖面的电导率收敛速度要快,测量数据的精度对二维剖面电导率成像质量的影响大于对背景层电导率分布的影响.     

二维电阻率成像研究

电阻率成像中最关键的问题就是获得雅可比偏导数矩阵。本文从二维微分方程的积分解出发推导了一种新的电阻率成像的雅可比偏导数矩阵,同时形成了成像方程。用内外迭代相结合的高斯塞德儿迭代方法解成像方程可以得到电阻率的分布图像。数值模拟结果表明该方法是有效和可靠的,尤其值得注意的是积分法电阻率成像方法初始模型可以采用均匀模型,减小了对初始模型的依赖。对用其它方法难以获得好的成像结果的单一高阻体,积分法也得到了较好的成像结果。河南商丘某野外资料结果表明,成像结果和实际地质情况吻合较好。     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法(BICG)计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次“拟正演”问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于“拟正演”问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化

基于光滑约束的最小二乘法是三维电阻率反演的主要方法,但该方法在某些情况下存在着多解性较强的问题,且普遍耗时较长,严重制约了三维反演方法的推广与发展.为改善上述问题,将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中,有效地改善了反演结果的精度,降低了反演的多解性问题.为了解决耗时较长的问题,基于预条件共轭梯度(PCG)算法和Cholesky分解法的特点提出了一套优化三维电阻率反演计算效率的计算方案.在该方案中,Cholesky分解法被用来求解敏感度矩阵计算中的多个点源场的正演问题,Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解,然后对不同的右端向量进行回代即可.将预条件共轭梯度法引入到三维电阻率反演方程的求解中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,其具有求逆方便、无需内存空间的特点,有效地加快了收敛速度.对合成数据以及实测数据的反演算例表明,借助不等式约束和反演效率优化方案,最小二乘反演方法可得到较为精确的反演结果,有效地提高了反演计算效率,具有良好的推广前景.     

时间域全波场各向异性弹性参数反演

从各向异性弹性波的有限元正演方程出发 ,导出了反问题中时间域雅可比矩阵求解的计算公式 .它具有与时间域有限元正演方程相同的表达形式 ,故可通过有限元正演计算来获得雅可比矩阵 .研究了有限元正演算法的效率和精度、吸收边界条件等方面的问题 ,以提高反演系统的效率和精度 .在此基础上 ,实现了叠前全波场各向异性弹性参数反演 .计算表明 ,在初始模型偏离真实模型较大的情况下 ,层状模型和横向不均匀模型的反演结果均能准确地收敛到真实模型上 .     

电测深曲线二维反演技术及应用

本文对应用有限元及阻尼最小二乘法进行电测深二维反演解释技术做了进一步的研究。在区域网格剖分方法、有限元系数矩阵的合成、雅可比矩阵的计算及法方程的解法等方面进行了改进。由此在微机和工作站上设计了程序软件，经过对理论电测深曲线及实测电测深曲线进行的二维反演解释，结果表明，在微机和工作站上实现的二维反演解释软件可以用于实际测深资料的解释。     

层状介质的声波波动方程反演

基于广义反射透射系数矩阵正演方法 ,讨论了层状介质的声波波动方程反问题 .推导出波数频率域中的雅可比矩阵的解析表达式 ,其计算在正演过程中求出 .采用最小二方法可得到层介质参数 .数值结果表明反演方法的正确有效性 .     

时间域全波场各向异性性参数反演

从各向异性弹性波的有限元正演方程出发，导出了反问题中时间域雅可比矩阵求解的计算公式。它具有与时间域有限元正演方程相同的表达形式，故可通过有限元正演计算来获得雅可比矩阵。研究了有限元正演算法的效率和精度、吸收边界条件等的问题，以提高反演系统的效率和精度。在此基础上，实现了叠前全波场各向异性弹性参数反演。计算表明，在初始模型偏离真实模型较大的情况下，层状模型和横向不均匀模型的反演结果均能准确地收敛到真实模型上。     

三维井间电磁场的正反演计算

提出了一种计算体积分方程的方法－改进型局域非线性迭代（MLNI），并用其对三维井间电磁场进行反演计算，该方法将井间大尺度散射体分为近场和远场区域两部分，它们的位置和尺寸均随场点位置的变化而改变，采用局域非线性近似计算近场区域的影响，将远场区域的影响作为外部激励源，采用迭代方法计算，该方法具有计算速度快，所需内存量少，收敛性好的优点，在反演中采用基于MLNI的非线性反演方法，利用这种方法可以将成像区域集中于一定范围内而不是整个三维空间，该反演方法由于考虑到了雅可比矩阵元素的非线性项，因而与传统的Born迭代反演方法相比更为精确和稳定，考虑到信息量和计算机内存的限制，第1次成像采用双重体元分割法进行较粗略的成像，然后缩小成像范围进行第2次较精确的成像，数值计算结果表明，MLNI是一种有效的计算井间大尺度异常体散射场的方法，将该方法用于反演过程能够得到较高分辨率的三维井间电导率图像。     

3D Marchenko applications: implementation and examples

We implement the 3D Marchenko equations to retrieve responses to virtual sources inside the subsurface. For this, we require reflection data at the surface of the Earth that contain no free-surface multiples and are densely sampled in space. The required 3D reflection data volume is very large and solving the Marchenko equations requires a significant amount of computational cost. To limit the cost, we apply floating point compression to the reflection data to reduce their volume and the loading time from disk. We apply the Marchenko implementation to numerical reflection data to retrieve accurate Green's functions inside the medium and use these reflection data to apply imaging. This requires the simulation of many virtual source points, which we circumvent using virtual plane-wave sources instead of virtual point sources. Through this method, we retrieve the angle-dependent response of a source from a depth level rather than of a point. We use these responses to obtain angle-dependent structural images of the subsurface, free of contamination from wrongly imaged internal multiples. These images have less lateral resolution than those obtained using virtual point sources, but are more efficiently retrieved.     

三维三分量CSAMT法有限元正演模拟研究初探

首先从麦克斯韦方程出发,用伽里金方法推导了三维三分量CSAMT法的有限元方程.在研究过程中,认识到加入散度条件的必要性,在公式中强加了散度条件,提高了解的完备性.其次将成功应用于二维线源频率域电磁法有限元模拟中的两种技术推广到三维中,一是边界条件统一采用一阶吸收边界,使线源产生的电磁波在边界上按波的传播规律被吸收,以降低平面波假设造成的影响;二是总体系数矩阵的存储,用两个二维数组分别记录总体系数矩阵的非零元素及其在总体结点编号中所处的位置,使总体系数矩阵的存储量达到最小的同时,物理意义明确,迭代求解时迅速简便.最后用均匀半空间模型进行了验证.     

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.     

2.5D forward modeling and inversion of frequency-domain airborne electromagnetic data

Frequency-domain airborne electromagnetics is a proven geophysical exploration method. Presently, the interpretation is mainly based on resistivity—depth imaging and one-dimensional layered inversion; nevertheless, it is difficult to obtain satisfactory results for two- or three-dimensional complex earth structures using 1D methods. 3D forward modeling and inversion can be used but are hampered by computational limitations because of the large number of data. Thus, we developed a 2.5D frequency-domain airborne electromagnetic forward modeling and inversion algorithm. To eliminate the source singularities in the numerical simulations, we split the fields into primary and secondary fields. The primary fields are calculated using homogeneous or layered models with analytical solutions, and the secondary (scattered) fields are solved by the finite-element method. The linear system of equations is solved by using the large-scale sparse matrix parallel direct solver, which greatly improves the computational efficiency. The inversion algorithm was based on damping least-squares and singular value decomposition and combined the pseudo forward modeling and reciprocity principle to compute the Jacobian matrix. Synthetic and field data were used to test the effectiveness of the proposed method.     

Monitoring subsurface changes over time with cross-well electromagnetic tomographyt1

A fast imaging technique is developed to deduce the spatial conductivity distribution in the earth from low-frequency (> 1 MHz) cross-well electromagnetic measurements. A sinusoidally oscillating, vertically orientated, magnetic dipole employed as a source, and it is assumed that the scattering bodies are azimuthally symmetric about the source dipole axis. The use of this model geometry reduces the 3D vector problem to a more manageable 2D scalar form. Additional efficiency is obtained by using the Born series approximation which is derived from nonlinear integral equations that account for the scattered magnetic fields generated by inhomogeneities embedded in a layered earth. Stabilization of the inversion problem is accomplished through the use of bounding constraints and a regularization method which results in a smooth model that fits the data to the desired noise level. The applicability of cross-well electromagnetics for imaging and monitoring changes caused by subsurface processes has been tested by simulating plumes of conductive fluid with 2D models. The images that result from inverting these synthetic data indicate that the vertical resolution of the method is better than the horizontal, increasing the noise decreases the image resolution, and incorporating a priori knowledge in the form of positivity constraints improves the results. Although higher operating frequencies are usually associated with better resolution, frequencies as low as 100 Hz can produce acceptable images in simulated oilfield environments. The imaging scheme has been applied to data collected during a salt-water injection experiment at the Richmond Field Station test site in Richmond, California. Both the data and the resulting images clearly reveal the presence of the plume and indicate that it is migrating towards the north-northwest rather than spreading symmetrically about the injection well. Applying the imaging code to synthetic data generated by a 3D sheet model verifies the interpretation of these results.     

An efficient numerical model for multicomponent compressible flow in fractured porous media

An efficient and accurate numerical model for multicomponent compressible single-phase flow in fractured media is presented. The discrete-fracture approach is used to model the fractures where the fracture entities are described explicitly in the computational domain. We use the concept of cross flow equilibrium in the fractures. This will allow large matrix elements in the neighborhood of the fractures and considerable speed up of the algorithm. We use an implicit finite volume (FV) scheme to solve the species mass balance equation in the fractures. This step avoids the use of Courant–Freidricks–Levy (CFL) condition and contributes to significant speed up of the code. The hybrid mixed finite element method (MFE) is used to solve for the velocity in both the matrix and the fractures coupled with the discontinuous Galerkin (DG) method to solve the species transport equations in the matrix. Four numerical examples are presented to demonstrate the robustness and efficiency of the proposed model. We show that the combination of the fracture cross-flow equilibrium and the implicit composition calculation in the fractures increase the computational speed 20–130 times in 2D. In 3D, one may expect even a higher computational efficiency.     

高精度频率域弹性波方程有限差分方法及波场模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,但常规的有限差分法本身存在着数值频散问题,会降低波场模拟的精度与分辨率,为了克服常规差分算子的数值频散,本文采用25点优化差分算子,再根据最优化理论求取的优化系数,建立了频率空间域中弹性波波动方程的差分格式;为了消除边界反射,引入最佳匹配层,构造了各向同性介质中弹性波方程在不同边界和角点处的边界条件. 最后由弹性波波动方程和边界条件,通过频率域有限差分法,分别利用不同震源对弹性波在均匀各向同性介质、层状介质及凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点道集,为下一步的研究工作（如成像、反演）提供了研究基础.     

层状各向异性介质转换波克希霍夫叠前时间偏移

在克希霍夫叠前时间偏移处理中,地震波走时的计算方法是决定大偏移距地震资料成像品质的重要因素.在常规的三维转换波各向异性叠前时间偏移公式中,走时的计算是基于等效单层各向异性介质的非双曲线方法.用这种方法处理的成像道集,在偏移/深度比超过一定阈值后,成像道集中的反射同相轴将出现过偏现象,这种偏移不平的同相轴将影响偏移叠加的最佳响应,使得偏移成像波组呈低频化特征,最终降低三维转换波偏移成像质量.我们采用层状介质的走时计算方法代替常规算法,并且利用了常规方法的转换波各向异性偏移速度模型.基于层状介质的算法能够提高大偏移距转换波走时计算精度,克服中浅地层大偏移距远道成像道集中反射同相轴逐渐上翘的问题.两个地区的三维转换波资料处理结果证实,基于层状各向异性介质的转换波克希霍夫叠前时间偏移方法,明显改善了反射成像剖面的连续性和分辨率,提高成像剖面构造的可解释性.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移（LSRTM）的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.