三维电磁模拟技术及其在频率测深法中应用

利用现有的并矢格林函数和积分方程理论对轴向频率测深三维问题进行正演模拟，并讨论其精度．三维良导体或高阻体的存在对频率测深电场分量Ｅ_ｘ定义的视电阻率响应（振幅、相位）分布特征的影响各有其特殊的规律性．选择测量电极中心作为频率测深三维问题正演计算结果的记录点，既使视电阻率响应在异常体正上方获得最大异常，同时又使正演计算的拟断面图的异常分布与异常体之间有很好的对应关系．     

三维电磁模拟技术及其在频率测深法中应用

利用现有的并矢格林函数和积分方程理论对轴向频率测深三维问题进行正演模拟，并讨论其精度．三维良导体或高阻体的存在对频率测深电场分量Ｅｘ定义的视电阻率响应（振幅、相位）分布特征的影响各有其特殊的规律性．选择测量电极中心作为频率测深三维问题正演计算结果的记录点，既使视电阻率响应在异常体正上方获得最大异常，同时又使正演计算的拟断面图的异常分布与异常体之间有很好的对应关系．     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.     

瞬变电磁测深早期数据的修正

通过时间-频率转换关系,TEM数据可以转换成平面波场测深数据,从而可以对TEM资料进行拟平面波场处理解释.在对瞬变电磁视电阻率数据向平面波场测深视电阻率数据转换时,发现由于瞬变电磁使用晚期计算公式及装置问题,使测深曲线早期数据发生畸变.文中建立了视电阻率曲线进入晚期所满足的关系式,从理论上给出不同情况下瞬变电磁测深视电阻率曲线进入晚期的临界点.以瞬变电磁、大地电磁、CSAMT为例,对大量的模型进行正演计算,对计算结果进行对比分析,建立不同地表电性结构、不同时间延迟情况下,瞬变电磁早期数据误差的校正量板.     

EDA各向异性层状介质MT正演模拟

推导了ＥＤＡ型层状各向异性介质大地电磁测深正演计算公式,对多种模型从不同的频率,测量方向计算了地表视电阻率曲线。结果表明,一般的各向异性介质的地表视电阻率值不仅与测量频率有关,而且与测量方向相对电性主轴的交角有关。     

用正演数值计算方法开展双侧向测井对裂缝的响应研究

采用有限元分析软件ANSYS对裂缝的双侧向测井视电阻率与裂缝孔隙度、泥浆电阻率、裂缝倾角和基岩电阻率的关系进行了计算. 在大量正演数据的基础上得出双侧向测井响应反演公式和裂缝孔隙度计算公式,提出更为精细的裂缝倾角的弹性划分模型,用双侧向视电阻率值近似估算裂缝倾角的方法,提高了利用双侧向测井求裂缝产状与裂缝孔隙度（裂缝宽度）的精度.     

高密度电阻率法逐级反演与实践——以湖南省常德市鼎城区某地质剖面为例

为提高高密度电阻率法的探测精度和效果,在常德市鼎城开发区开展了基于比照印证已有地质钻孔数据进行约束模型的一维到二维的逐级反演试验.文中首先阐述了一维层状模型的正反演解析解的计算方法,并完成了高密度电阻率法二维模型的正演响应公式和基于高斯牛顿法的反演理论推导;其次设计层状模型利用有限单元法进行了正演模拟,从其响应数据中抽取了单点测深数据进行层状反演,并利用一维反演结果结合已有地层电阻率信息构建了二维初始模型进行反演,实现了高密度电阻率法逐级反演的理论研究;最后,选取常德市鼎城区跨越常德—益阳区域构造的高密度电法剖面进行试验,并根据地质情况和钻孔信息对野外采集的连续剖面的每个测点的数据进行了层状划分,构建二维模型对其进行反演,完成了高密度电阻率法逐级反演的应用研究.结果表明:在城市开发区利用逐级反演的思想对高密度电阻率法探测数据进行处理,有助于提高反演精度和地质解释的准确度.     

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.     

电位双二次变化二维地电断面电阻率测深有限元数值模拟

以异常电位为研究对象,给出了一种新的二维地电断面电阻率测深的有限元数值模拟方法.该方法与以往这类方法的主要区别在于,网格单元中的电导率采用双线性插值,电位则用二次函数进行双二次插值,从而使得电位的正演结果以及由电位导出的视电阻率更加符合实际地电场的变化规律;另外,有限元网格单元数也大为减少.对几例模型的试算结果表明,文中提出的计算方法是行之有效的.     

海岸效应对近海地区大地电磁测深数据畸变作用研究

在近海地区采集的大地电磁测深数据通常受到海岸效应的影响,使得大地电磁测深数据发生畸变,因而很难利用大地电磁测深资料较为可靠地获得地下深部的电性结构.本文通过正演模拟方法,分析和总结海水深度变化和海底地形变化对近海地区大地电磁测深数据的畸变影响.当测区与海岸线的距离小于目标频率的大地电磁场趋肤深度时,高导海洋的存在会严重影响测区内电磁场的分布.由于海岸效应的影响,大地电磁测深视电阻率曲线和相位曲线均会发生不同程度的畸变,在低频部分,这种畸变作用尤为明显.大地电磁测深一维Occam反演方法和二维非线性共轭梯度反演方法,对近海地区浅部地层具有较好的反演效果.随着海水深度的增加和海底地形的复杂变化,两种反演方法均会出现不同程度的假异常,为地质解释工作造成了影响.近渤海地区的实测大地电磁测深数据在低频部分可能受到海岸效应的影响而导致视电阻率曲线的严重畸变.     

球坐标系下三维大地电磁正演研究

大地电磁正演理论研究热点一直以来主要集中在如何提高计算效率和精度,但在剖面足够长、探测深度足够大的情况下,传统的笛卡尔坐标系数值模拟方式难以准确拟合地球曲率形态.本文研究了基于球坐标系的三维大地电磁正演,推导了交错网格有限差分三维正演公式,与一维解析解和三维标准模型测试对比,验证了正演算法的正确性.通过理论模型计算,对比分析球坐标和笛卡尔坐标系正演结果表明：球坐标系模拟更合理,避免了传统笛卡尔坐标拉伸投影所引入的误差,可代替目前的笛卡尔坐标模拟方法.基于球坐标和笛卡尔坐标系的三维大地电磁正演响应值随着频率变低差异越明显.球坐标和笛卡尔坐标计算结果差异度与频率、模型结构和电阻率有关.本文模型计算结果在数万秒周期处已出现接近10%的差异,对于较大尺度的长周期大地电磁,地球曲率的影响不能忽略.     

基于非结构双网格的2D RMT双参数同步反演研究

Radio-magnetotelluric(RMT)是以无线电发射机为信号源的一种地球物理勘探方法,近年来被广泛应用于数米至数十米内的近地表工程和环境地球物理勘探.目前,各类电磁资料的反演均是以寻求满足目标拟合差的地下介质电阻率分布为目的.然而,对于勘探频率为10~300kHz的RMT数据,由介电常数所引起的波动场在总场中的比例可达20%以上,在这种情况下,忽略介电常数,仅通过电阻率参数的反演来进行数据拟合势必降低反演资料解释的准确性.为解决这一问题,本文研究了基于电阻率-介电常数的双参数同步反演算法.构建了一个全新的双参数目标函数,并推导了双参数反演迭代方程组;通过灵敏度分析,研究了电阻率和介电常数对正演响应的影响,并据此提出相对电导率的概念,统一了反演参数的灵敏度;通过理论模型分析了参考频率、双参数正则化因子对反演结果的影响,并给出了一般性的参数优选方案.此外,为了能够灵活处理复杂地形,本文采用非结构的正反演双网格进行模型离散,并通过局部加密技术保证反演的速度和精度.最后,对一带地形的理论模型分别进行了单参数和双参数反演,结果表明单参数反演无法正确反映出地电信息,而双参数反演能够准确得到异常的分布,验证了本文所开发的双参数反演程序的有效性.     

1D and 2D Cole-Cole-inversion of time-domain induced-polarization data

A new method for the 2D inversion of induced polarization (IP) data in the time domain has been developed. The entire IP transients were observed and inverted into 2D Cole-Cole earth models, including resistivity, chargeability, relaxation time and the frequency constant. Firstly, a modified 1D time-domain electromagnetic algorithm was used to calculate the response of a layered polarizable ground. The transient signals were then inverted using the Marquardt method to derive the Cole-Cole parameters of each layer. However, model calculations showed that the EM effects could be neglected for the time range (>1 ms) and for the transmitter–receiver distances (<50 m) used in this study. Therefore, the induction effects were not considered for the solution of the 2D inverse problem and a DC solution was applied. An approximative forward algorithm was introduced in order to calculate the IP transients directly in the time domain and in order to speed up the inverse procedure. The approximation is highly accurate, and this is demonstrated by comparing the approximations with their exact solutions up to 3D. The inverse algorithm presented consists of two steps. The transient voltages of an array data set were inverted separately into a two-dimensional resistivity model for each time channel. The time-dependent resistivity of each cell was then interpreted as the response of a homogeneous half-space. In the 2D inversion algorithm, a 3D DC algorithm was used as a forward operator. The method only requires a standard 2D DC inversion and a homogenous half-space Cole-Cole inversion. The developed algorithm has been successfully applied to synthetic data sets and to a field data set obtained from a waste site situated close to Düren in Germany.     

DIRECT CURRENT ELECTRIC POTENTIAL FIELD ASSOCIATED WITH TWO SPHERICAL CONDUCTORS IN A WHOLE-SPACE1

Bispherical coordinates are used to derive an exact mathematical solution for the potential field generated by direct current electric conduction in an earth model consisting of two spherical inclusions in a uniform whole-space. The solution takes the form of a spherical harmonic expansion in bispherical coordinates; coefficients in the expansion are obtained by solving sets of linear equations. Rapid forward modelling of numerous interesting situations in d.c. resistivity prospecting is facilitated by the generality and computational efficiency inherent to this new solution. For example, the accuracy of image (or superposition) methods for calculating potential solutions can be quantified. Similarly, the ability of d.c. conduction methods to resolve two distinct bounded bodies in three-dimensional space can be examined by repeatedly calculating the secondary potential or apparent resistivity response of an earth model as a selected parameter is varied. Synthetic mise à la masse, crosshole, or areal potential data sets can be generated for subsequent use in inversion studies. Improvements in solution technique derived here also apply to a simpler model consisting of a single sphere buried in a half-space.     

起伏地形下CSAMT二维正反演研究与应用

CSAMT在山区金属矿勘查中,采用各种滤波和相位积分之类的处理方法,校正因地形起伏和局部电性不均匀引起的静态效应,往往难保奏效,开发消除静态效应的新方法是提高CSAMT资料处理与解释水平和方法应用效果的重要研究课题. 本文以如何消除地形影响为重点,对起伏地形下CSAMT二维大地三维源地电模型,采用加权余弦数值积分法,进行波数域电磁场二维有限单元法正演. 为模拟复杂地形地电模型,选取交叉对称网格三角形剖分法,实现了在国内常用赤道电偶极装置的CSAMT二维正演计算;在二维正演的基础上,开发了基于奥克姆反演法的CSAMT二维反演技术,研制出一套起伏地形下CSAMT二维正反演处理与解释方法技术系统. 通过理论模型试算和实测数据处理证实,本系统能有效地削减起伏地形影响. 在找矿应用中,该系统反演的电阻率断面,极大地消除了起伏地形影响和静态效应,突显出清晰的控矿构造和矿体的异常,取得了重要成效.     

COMPARISON OF FIVE LEAST-SQUARES INVERSION TECHNIQUES IN RESISTIVITY SOUNDING*

A brief history of the development of the inverse problem in resistivity sounding is presented with the development of the equations governing the least-squares inverse. Five algorithms for finding the minimum of the least-square problem are described and their speed of convergence is compared on data from two planar earth models. Of the five algorithms studied, the ridge-regression algorithm required the fewest numbers of forward problem evaluations to reach a desired minimum. Solution space statistics, including (1) parameter-standard errors, (2) parameter correlation coefficients, (3) model parameter eigenvectors, and (4) data eigenvectors are discussed. The type of weighting applied to the data affects these statistical parameters. Weighting the data by taking log₁₀ of the observed and calculated values is comparable to weighting by the inverse of a constant data error. The most reliable parameter standard errors are obtained by weighting by the inverse of observed data errors. All other solution statistics, such as dataparameter eigenvector pairs, have more physical significance when inverse data error weighting is used.     

A SIMPLE METHOD OF INTERPRETATION OF RESISTIVITY SOUNDING DATA USING EXPONENTIAL APPROXIMATION OF THE KERNEL FUNCTION*

A simple unified equation of apparent resistivity for a general four-electrode array is developed. The main idea is the analytical integration of the Stefanescu expression for potential over a layered earth by writing an exponential approximation for the kernel function. Finally a matrix equation is developed to estimate the kernel function from observed apparent resistivity values. The general equation automatically reduces to the particular configuration once the electrode separations are modified suitably. Examples for Schlumberger and Wenner configurations are numerically calculated to estimate the precision of the method. Good results in a short execution time are obtained, irrespective of the shape of the apparent resistivity curve. Finally, the full interpretation of one theoretical resistivity curve and two field resistivity curves is demonstrated. The more stable ridge-regression estimation method is used in the identification of layer parameters from the kernel function.     

大同地电阻率NS测向异常分析

2014年大同地震台地电阻率NS测向出现年变畸变现象,经现场调查,发现测区有铁丝网干扰。利用NS测向电测深曲线,以水平层状模型反演测区电性结构,计算各层介质影响系数,结果发现,浅层介质影响系数为正,合理解释了大同地电阻率NS测向"夏低冬高"的年变现象。在此基础上,应用有限元数值分析和三维影响系数分布,判定测区内铁丝网对地电阻率观测的影响,分析认为,当前存在的趋势异常变化为地电阻率干扰。     

地电阻率年变化与气象因素及水位的关系

为了消除d_s 观测资料中的年周期变化,对宝坻、塘沽地震台的地电阻率观测资料与台站附近地区的气压、气温、相对湿度、水位及海水水位的同期资料进行了相关处理分析, 并对地电阻率年周期变化产生的原因进行了分析,认为产生地电阻率与气象要素年周期变化的外因是同一源场作用的结果。 而地电阻率变化的内因,则是基于地下咸水层厚度的改变及地壳应力场的变化。 采用最小二乘法由气象参量和水位变化拟合出地电阻率模型值, 并计算出观测值与拟合值的残差,以消除电阻率观测资料中的年周期变化。结果表明, 近年来华北地区发生的 6级左右地震前,在宝坻、塘沽地震台的观测资料中均存在明显的短期前兆异常。