三维频率域航空电磁反演研究

航空电磁数据的三维解释由于数据量大需要有高效的反演算法作为支撑.本文利用两种目前主流的数值优化技术（非线性共轭梯度和有限内存的BFGS法）实现了三维频率域航空电磁反演,并进一步比较了两种方法的有效性和运算效率.在反演过程中,为了更好地反演异常体的空间位置,模型方差矩阵中的光滑系数在反演起始阶段取值较大;当数据拟合差下降趋于平缓时,再利用较小的光滑因子约束反演过程来实现聚焦和获得精确的反演结果.理论数据反演表明这两种优化策略具有相似的内存需求,但是有限内存的BFGS技术比非线性共轭梯度法在计算时间和模型反演分辨率上具有一定的优越性,因此有限内存BFGS法更适合于求解大规模三维反演问题. 模型试验进一步表明目前主流的迭代法求解技术不适合大规模航空电磁数据反演,未来移动平台多源电磁数据快速正反演可通过引入矩阵分解技术来实现.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.     

人工源极低频电磁法三维LBFGS反演（英文）

人工源极低频电磁法因其具有场源长度大,观测范围广的特点,使得极低频电磁波的传播会受到电离层和位移电流的影响。现阶段针对该方法的三维正反演研究尚处于起步阶段。作为一项探索性的尝试,本文首先给出了电离层、空气以及地下介质耦合情况下一维极低频背景电磁场的计算方案,并对电离层影响下背景电磁波的传播特征进行了分析、总结。通过将之与求解二次电场的交错网格有限差分数值模拟算法整合,实现了人工源极低频电磁法的三维正演。针对人工源极低频探测中可能遇到的近区、过渡区数据反演问题,本文进而采用针对该方法的三维有限内存Broyden-Fletcher-GoldfarbShanno(Limited-memory BFGS,LBFGS)带源反演算法,实现了对全区张量阻抗数据的直接反演。文中详细介绍了目标函数梯度计算这一LBFGS反演中的核心问题。合成数据反演算例结果表明在LBFGS反演中,选择恰当的近似Hessian矩阵能够有效提高反演效率。高低阻异常同时存在下的反演模型响应告诉我们张量阻抗反对角元素对恢复地下电性结构的贡献远大于主对角元素。与常规标量数据反演相比,张量数据反演在异常体的恢复和背景电阻率的控制方面具有明显的优势。     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,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,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

三维主轴各向异性介质中张量CSAMT正反演研究（英文）

相较于常用的标量CSAMT而言,由于使用多发射源,张量可控源音频大地电磁(CSAMT)可以接收到更加丰富的电场与磁场信息。然而,目前大多数关于张量CSAMT的理论、数值模拟算法以及反演研究都是基于远区的测量和地下介质为电阻率各向同性的假设。本文采用三维交错网格有限差分数值模拟算法,研究电阻率主轴各向异性介质与各向同性介质的响应差异,并在此基础上采用有限内存拟牛顿法(LBFGS)实现了三维张量CSAMT主轴各向异性反演。为加速和稳定LBFGS反演算法,本文采用了模型参数转换策略并修改了LBFGS第一次迭代的初始步长与线搜索停止条件。反演试算结果表明,当地质体存在主轴各向异性特征时,三维主轴各向异性的反演能在一定程度上较好的反演出地下构造,而不考虑各向异性效应,直接使用各向同性的三维张量CSAMT反演程序,会使最终的反演结果出现严重的假异常。     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量E_x.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.     

数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响

本文基于考虑人工场源辐射的可控源地面电磁勘探三维数值模拟技术,以目前常用的标量可控源音频大地电磁勘探测量方式为依据,讨论地面可控源三维电磁勘探中,为达到最佳的探测效果,如何选择合适的反演数据类型.地面可控源数据的三维反演采用有限内存拟牛顿方法.反演过程中,三维可控源频率域响应数值计算采用交错网格有限差分法,求解基于二次电场的Helmholtz方程.发射装置采用长度为1000m的有限长直导线源,测量频率为10Hz;测点个数200个,分布在10条剖面上.在异常体分布区分别观测(1)电场Ex分量的振幅和相位,(2)Ex振幅,(3)Ex与Ey分量的振幅和相位,(4)Ex与Hy的振幅和相位.反演的数据类型分别为上述4种数据以及导出的阻抗Zxy振幅和相位.反演模型由30×30×20个网格组成,测区内水平方向大小为50m×50m,垂直方向厚度为50m,最后5层厚度倍增.反演都从均匀半空间开始,迭代120次结束.数值模拟结果发现,(1)单个电场分量Ex,其相位信息对异常体信息提取非常重要,若只反演该电场振幅,深部电阻率分辨率低;(2)观测正交电场的效果比单个电场分量效果好,其浅部异常的边缘效应明显减弱,深部异常形态完整;(3)同时观测正交的电场和磁场,反演效果与只观测电场振幅和相位的相当;(4)从阻抗数据反演得到的异常位置和电阻率分布均有较大的改善,反演模型分辨率最好.因此,在理论上,建议在野外数据采集时,最好测量正交电磁场;次之,同时测量正交的电场;最次的,可以只观测电场Ex的振幅和相位,亦可取得较足够的信息.但如果只能获得电场的振幅信息,反演结果的深部将出现较大的不确定性.     

基于高斯牛顿法的频率域可控源电磁三维反演研究

三维反演解释是电磁法勘探发展的重要趋势,而如何提高三维反演的可靠性、稳定性和计算效率是算法开发者们目前的研究重点.本文实现了一种频率域可控源电磁(CSEM)三维反演算法.其中正演基于拟态有限体积法离散化,利用直接矩阵分解技术来求解大型线性系统方程,不仅准确、稳定,而且特别有利于含有大量发射场源位置的CSEM勘探情况;对目标函数的最优化采用高斯牛顿法(GN),具有近似二次的收敛性;使用预条件共轭梯度法(PCG)求解每次GN迭代所得到的法方程,避免了显式求解和存储灵敏度矩阵,减小了计算量.以上这些方法的结合应用,使得本文的三维反演算法准确、稳定且高效.通过陆地和海洋CSEM勘探场景中的典型理论模型的反演测试,验证了本文算法的有效性.     

基于非结构网格剖分的海洋可控源电磁三维正则化反演研究

为更好地处理与解释复杂海底地形条件下测得的海洋可控源电磁数据,本文提出了一种基于非结构网格剖分的频率域海洋可控源电磁数据三维正则化反演方法.该方法首先对海洋地电模型以非结构四面体单元进行离散,然后基于矢量有限元方法获得海洋可控源电磁响应和灵敏度信息,最后采用共轭梯度法求解高斯-牛顿反演方程计算模型修正量.为提高反演的稳定性,通过在反演过程中采用对数转换方法实现反演模型参数的上下限约束.本文分别测试了单测线水平海底地形反演算例和面积性测量的起伏海底地形反演算例.反演结果表明,本文提出的频率域海洋可控源电磁三维反演能够准确地恢复高阻储油层的位置和电阻率信息,且计算效率较高,可用于实测海洋电磁资料的处理与解释.     

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.     

南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验

为了测试我国自主设计与研发的海洋可控源电磁仪器性能及其在水合物探测中的适用性,本文从海洋可控源电磁法基本原理出发,首先根据试验海域水合物地质特征,建立简化地电模型开展理论研究,确定海洋可控源电磁试验的技术方案;利用研发的海洋可控源电磁仪器,在南海天然气水合物远景区开展探测试验,首次获得了我国深水海域的海洋可控源电磁数据.通过对采集数据进行处理与反演,获得了试验剖面的海底电性结构模型,揭示了4号测点下方存在一个50m厚的高阻层,其电阻率为25Ωm、顶部埋深为181m,为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料.研究结果表明,自主研发的海洋可控源电磁仪器性能达到了预期的设计指标,这标志着我国海洋可控源电磁探测技术向实用化进程迈出了重要一步.     

Forward modeling and inversion of tensor CSAMT in 3D anisotropic media

Tensor controlled-source audio-frequency magnetotellurics (CSAMT) can yield information about electric and magnetic fields owing to its multi-transmitter configuration compared with the common scalar CSAMT. The most current theories, numerical simulations, and inversion of tensor CSAMT are based on far-field measurements and the assumption that underground media have isotropic resistivity. We adopt a three-dimensional (3D) staggered-grid finite difference numerical simulation method to analyze the resistivity in axial anisotropic and isotropic media. We further adopt the limited-memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno (LBFGS) method to perform 3D tensor CSAMT axial anisotropic inversion. The inversion results suggest that when the underground structure is anisotropic, the isotropic inversion will introduce errors to the interpretation.     

地面矩形大定源电磁法频率域三维非线性共轭梯度反演

本文实现了地面矩形大定源三维频率域反演.矩形大定源三维模型响应计算采用交错网格有限差分技术.正演的微分方程为异常电场满足的非齐次Helmholtz方程,方程右手边源项中的大定源产生的背景格林函数由虚界面法结合虚框法计算.频率域三维反演采用非线性共轭梯度反演技术.反演的数据类型为垂直磁场的频率域响应Hz的实部和虚部分量.数值结果表明,(1)三维模型正演模拟数值结果与前人一致,为三维反演奠定基础;(2)针对两个三维导电模型,分别进行了三维反演数值试算.反演结果可以清晰恢复出异常体的电阻率和位置信息,表明地面矩形大定源三维频率域非线性共轭梯度反演具有可行性.本文研究的意义在于,在电磁响应时频转换技术的基础上,如果将野外实测的瞬变电磁数据变换为对应的频率响应,则结合本文提出的三维反演技术,可以为矩形大定源瞬变电磁数据的三维解释提供一个新的思路.     

Use of four-electrode arrays in three-dimensional electrical resistivity imaging survey

The objective of this paper is to investigate the applicability of four-electrode arrays in 3D electrical resistivity imaging survey. A 3D resistivity imaging survey was carried out along fourteen parallel lines using dipole-dipole, Wenner-Schlumberger, and Wenner arrays with 2 m minimum electrode spacings. Roll-along measurements using a line spacing of 1 m were carried out covering a grid of 20 × 14 electrodes. The 3D least squares algorithm, based on the robust inversion method, was used in the inversion of the 3D apparent resistivity data sets. The results show that the 3D electrical resistivity imaging survey using the Wenner-Schlumberger and the dipole-dipole arrays, or the Wenner and the dipole-dipole arrays, in combination with an appropriate 3D inversion method, can be highly useful when the site conditions do not allow using the pole-pole or pole-dipole arrays.     

3D LBFGS inversion of controlled source extremely low frequency electromagnetic data

The controlled source extremely low frequency (CSELF) electromagnetic method is characterized by extremely long and powerful sources and a huge measurement range. Its electromagnetic field can therefore be affected by the ionosphere and displacement current. Research on 3D forward modeling and inversion of CSELF electromagnetic data is currently in its infancy. This paper makes exploratory attempts to firstly calculate the 1D extremely low frequency electromagnetic field under ionosphere-air-earth coupling circumstances, and secondly analyze the propagation characteristics of the background electromagnetic field. The 3D staggered-grid finite difference scheme for solving for the secondary electric field is adopted and incorporated with the 1D modeling algorithm to complete 3D forward modeling. Considering that surveys can be carried out in the near field and transition zone for lower frequencies, the 3D Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (LBFGS) inversion of CSELF electromagnetic data is presented (in which the sources, or primary fields, are included), with the aim of directly inverting the impedance data, regardless of where it is acquired. Derivation of the objective functional gradient is the core component in the inversion. Synthetic tests indicate that the well-chosen approximation to the Hessian can significantly speed up the inversion. The model responses corresponding to the coexistence of conductive and resistive blocks show that the off-diagonal components of tensor impedance are much more sensitive to the resistivity variation than the diagonal components. In comparison with conventional scalar inversion, tensor inversion is superior in the recoveries of electric anomalies and background resistivity.