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.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.     

基于改进的接收点插值算法的频率域海洋可控源电磁法2.5维正演

在海洋可控源电磁法勘探中,接收站常置于海底.在进行海洋电磁场模拟时,由于海水和海底介质存在显著电性差异,这给海底接收点处场值的求取带来困难.本文提出一种新的接收点插值算法,该算法考虑到海底电场法向分量不连续性问题,用法向电流分量进行插值以准确求取海底任意接收点处电磁场值.本文利用交错网格有限差分法实现了二维介质中频率域海洋可控源法(CSEM)正演.对构造走向做傅里叶变换,将三维电磁模拟问题转换为波数域2.5维问题,即三维场源激励下针对二维地电模型的电磁模拟问题.使用交错网格有限差分法,基于一次场/二次场分离方法导出波数域二次电场离散形式,并进一步求得波数域电磁场.采用本文提出的改进的插值算法可求得海底任意接收点处波数域电磁场,采用傅里叶逆变换对波数域电磁场进行积分可得到接收点处空间域电磁场.模型算例表明,与常规的线性插值和严格插值算法相比,本文提出的改进的插值算法具有更高的精度.     

井间电磁场时域有限差分数值模拟

为进一步了解井间地下介质结构及其电性特征,本文用时域有限差分方法(FDTD),实现了井间电磁场响应的数值模拟.激发源是探测深度相对磁偶极子更大一些的电偶极子,首先选择一个位于井轴上的垂直电偶极子作为场源,并假设参与计算的介质相对于发射井井轴是轴向对称的,这样可将研究区域作为二维问题处理.推导了二维井间电磁波传播时域差分公式.该方法适用于任何方向入射的电偶极子源,尤其善于解决频域差分方法所难以描述的宽频脉冲.给出了井间金属圆柱和矿体圆柱数值模拟2个例子,结果表明,时域有限差分方法能有效的模拟井间地下介质中电磁波的传播,揭示电磁波传播规律.该方法速度快、精度高、结果稳定,适合用于井间电磁场反演成像的正演响应计算.     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特性进行了对比.     

瞬变电磁法2.5维有限元数值模拟研究

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高精度采用了基于二次插值的高阶有限元的算法,即单元网格插值为二次函数,同时推导出了经有限元离散后的泛函问题;在求解时间域电磁响应采用了正余弦变换的数字滤波算法.通过基本模型的正演,验证了算法的可行性.同时,也对比了基于G-S变换的线性有限元算法的数值结果,结果表明,本文采用的算法精度更高,层状模型最大延迟采样时间提高到了100 ms以上.     

可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟

本文实现了可控源电磁(CSEM)场三维自适应矢量有限元正演算法,该算法采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,能够真实模拟地形起伏和复杂电性异常体.采用一次场和二次场分离的方式计算电磁场响应,能够有效解决有限元模拟中的源点奇异性,提高场源附近电磁场数值精度,其中一次场利用CSEM一维正演算法解析求得,二次场采用矢量有限元方法求得.并利用基于后验误差估计的自适应网格细化算法指导网格细化,以减少人为设计网格导致的误差.通过一维和三维模型的数值模拟,验证了本文算法的有效性:一维模型有限元解与解析解吻合得很好,电磁场振幅相对误差在1%左右,相位差整体小于1°;三维模型有限元解与有限体积解吻合得也很好.模拟了一个含三维倾斜板状异常体的可控源电磁响应,表明了本文算法模拟复杂地电结构电磁场的能力和有效性.     

基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁三维正演模拟

高效、高精度电磁三维数值模拟是制约大规模电磁数据精细化三维反演成像、人机交互定量解释的核心问题.针对一问题,本文提出一种基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁场三维数值模拟方法.该方法利用沿水平方向的二维傅里叶变换将空间域矢量位和标量位耦合偏微分方程组转换为波数之间相互独立的常微分耦合方程组,将一个大规模三维问题分解为...     

带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质正演研究

目前,对于可控源电磁法各向异性介质2.5维问题,主要采用一次场、二次场分离的方法消除场源奇异性并降低截断边界对计算区域的影响.该方法数值计算精度高,但是很难适用于复杂地形条件下的数值模拟.针对复杂地形问题,基于总场的有限元方法表现出一定的优越性,然而,这种方法存在场源奇异性问题和截断边界问题.本文采用基于总场计算的方法对带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质进行模拟研究,推导了考虑电导率和介电常数各向异性的2.5维控制方程;引入网格加密-收缩算法降低场源奇异性的影响范围,提升数值计算效率;引入行波分解边界条件降低截断边界的影响;提出任意采样反傅里叶变换方法,快速、高精度地计算出空间域电磁场分量.理论模型数值算例中:首先,验证了本文算法的有效性;其次,对任意各向异性倾角产生的可控源电磁响应规律进行研究;最后,采用山丘模型对各向异性介质电磁场的响应规律进行了模拟和分析.     

瞬变电磁法全空间三维伪谱法模拟

本文根据均匀介质中时间域麦克斯韦方程组,应用伪谱法模拟三维全空间瞬变电磁场的扩散.将电磁场的六分量整理成统一的方程,通过初值条件替代源项将源响应问题转化为初值问题.使用快速傅里叶变换近似空间偏导数,应用切比雪夫多项式近似演化算子来求解方程.通过与全空间均匀介质瞬态线源响应的解析解的比较,验证伪谱法的有效性.计算和分析不同时刻全空间均匀介质中高阻体和低阻体的响应,说明瞬变电磁法对高阻体灵敏度不高,但能较好的分辨低阻体的特点,并反映出时间域伪谱法的优点,即可以连续地计算出电磁场扩散及与低阻体的响应过程.最后讨论伪谱法未来可能应用于矿井瞬变电磁和海底瞬变电磁等领域.     

虚拟波动域三维海洋可控源电磁场正演模拟

本文基于对应原理将似稳态条件下频率域电磁场扩散方程转换成虚拟波动域电磁场波动方程,采用高阶时域有限差分进行求解,引入复频移完全匹配层吸收边界条件,降低了内存需求,提高了计算效率,并在虚拟波动域用伪δ函数离散电偶极源,实现了虚拟波动域任意取向电偶极源三维海洋可控源电磁场高阶时域有限差分正演算法.通过与拟解析解和频率域三维可控源电磁场数值模拟结果的对比,验证了本文算法的正确性和高效性,且探讨了网格参数和边界条件对不同频率电磁场模拟结果的影响.     

可控源电磁三维频率域有限元模拟

本文采用电磁场的磁矢量位和电标量势,将Maxwell方程组化为位势的类似于Helmholtz型方程,并引入罚项及稳定化方法克服了电磁三维有限元算法中的伪解及数值不稳定性;采用人工边界把计算区域局域化,将均匀半空间中水平电偶极子源产生的位势值作为人工边界上的第一类边界条件以表示源的作用,减少了实际的计算区域.理论模型和复杂模型的计算结果均表明,可控源电磁三维有限元数值模拟给出了稳定、可靠的电磁场分布.     

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.     

均匀半空间瞬变电磁场直接时域响应数值分析

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导出了上半空间一次有源波动场和反射波的时域解析式和下半空间二次无源波动场的时域解析式,结合均匀半空间瞬变电磁场的边界条件给出了均匀半空间瞬变电磁场的直接时域解析式,进而利用第一型曲线积分,通过沿回线源叠加推导出圆回线源在瞬变电磁场中的直接时域解析式.然后在半空间表面上,与传统的电偶极源假设下的表达式作了比较.数值结果表明两者在远源区的计算结果相差甚微,而近源区则存在很大误差.本文利用真正点元（点电荷）严密推导给出的均匀半空间表面上瞬变电磁场的直接时域解析式适用于全场区探测,克服了偶极子假设下只适用远场区的不足,为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供了新的理论基础.     

井间电磁法综述

地面电磁法在实际工作中在很大程度上受到了探测深度和分辨率的限制.为了克服这些缺点,出现了井间电磁法.井间电磁法指的是在两个(或多个)钻孔中分别发射或接收电磁波信号,利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法.由于发射机和接收机可以分别放置在很深钻孔中,其具有大透距、大探测深度的特点,因而广泛应用于工程环境物探、矿产勘查、石油勘探等中.针对不同的应用,产生了各具特点的一些特殊方法,包括井间无线电波成像、跨孔雷达、井间电磁成像.井间无线电波成像仪目前只测量电场强度数据,工作频率低,一般是单频的电磁波,频率范围通常在1 kHz至10 MHz.由于缺少走时数据修正射线路径,井间无线电波成像主要是进行基于直射线追踪的衰减层析成像.井间无线电波成像既可用于工程与环境地球物理也可用于找矿.跨孔雷达是钻孔雷达的一种探测方式,用高频电磁脉冲探测两个井孔间介电常数和电导率的变化.跨孔雷达层析成像也叫地质雷达CT,既可进行走时成像,还可进行衰减成像.一般来说,地质雷达CT的电磁波工作频率较高,中心频率通常在10 MHz和1 GHz之间,因此在分辨率指标上占有优势,跨孔雷达主要用于工程与环境地球物理.井间电磁成像采用更低的频率,测量复电磁信号,适合油气储集层监测,是一种地球物理前沿技术.经过在多个试验区初步试验表明,井间电磁成像是油藏研究的有效手段,可用于分析剩余油分布,寻找油气富集区,进而达到提高钻探高效井成功率和提高采收率的目的.本文详细介绍对比了这三种方法在理论和实践中的一些特点,并对未来的发展进行了展望.     

Numerical modelling of resolution and sensitivity of ERT in horizontal boreholes

Resistivity in horizontal boreholes can give useful detailed information about the geological conditions for construction in rock, i.e. in front of a tunnel bore machine. This paper is an attempt to identify a suitable methodology for an effective measuring routine for this type of geophysical measurements under actual construction site conditions.Prior to any measurements numerical modelling was done in order to evaluate the resolution of different electrode arrays. Four different arrays were tested; dipole–pole, cross-hole dipole–dipole, cross-hole pole–tripole and multiple gradient array. Additionally the resolution of a combination of cross-hole dipole–dipole and multiple gradient was assessed. The 2D sensitivity patterns for various arrangements of the cross-hole dipole–dipole and multiple gradient array were examined. The sensitivity towards inaccurate borehole geometry and the influence of water in the boreholes were also investigated. Based on the model study the cross-hole dipole–dipole array, multiple gradient array and a combination of these were found to give the best result and therefore were used for test measurements in horizontal boreholes. The boreholes were 28.5 m long and drilled 6.5 m apart. Prototypes of semi-rigid borehole cables made it possible to insert multi electrode cables in an efficient way, allowing fast measurement routines. These measurements were then studied to determine their accuracy and applicability. The results showed a high resistivity rock mass at the site. A transition from high resistivity to slightly lower resistivity coincides well with a change in lithology from gneiss-granite to gneiss. It is likely that the shotcrete on the tunnel wall is seen as a low resistivity zone.The measurements are a valuable tool, but further development of the cables and streamlining of measuring routines have to be performed before the resistivity tomography can be used routinely in pilot holes during construction in rocks.     

不规则形状垂直井孔中波传播的2.5维边界元模拟

本文给出了求解声波测井工作中具有任意形状的垂直井孔中波传播的波数域边界元公式。我们将问题看成是垂向均匀的二维介质,并沿垂直方向变换到离散波数域。通过与有限差分计算的频散曲线的比较验证了算法和程序的正确性。边界元方法可以处理任意形状的边界,作为初步应用,我们研究了垂向裂纹对井孔中波传播的影响。     

二维水平电偶极变频测深阻抗视电阻率的有限元正演计算

在二维地电断面情况下,电偶源变频测深阻抗视电阻率的有限元计算,存在着两个困难:一个是对源的处理;另一个是边界条件的确定。本文提出了解决这两个问题的方法,构成了含源波动方程的边值问题,用有限元法求出了相应的电磁场分量,从而计算出二维地电断面的阻抗视电阻率。对各种地电断面计算的结果表明,计算方法是正确的,可对实际地电断面进行有限元模拟,求得其电磁响应。