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.     

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.     

考虑关断时间的地面瞬变电磁三维带地形反演

起伏地形和关断时间对地面瞬变电磁响应影响严重,这给传统基于水平地表模型和理论阶跃波形的瞬变电磁数据解释技术带来很大困难.为此,本文开展考虑起伏地形和关断时间的地面瞬变电磁三维反演算法研究.正演采用基于非结构网格和后退欧拉隐式时间离散格式的时间域有限元算法,快速模拟起伏地表模型瞬变电磁响应.反演采用L-BFGS算法,减少每次反演迭代的计算量.针对发射线圈随地表起伏变化的特点,利用基于偶极子离散的场源处理技术模拟发射源的实际形状,采用瞬时电流脉冲技术实现考虑关断时间的地面瞬变电磁三维正演模拟.我们首先将本文开发的三维反演算法应用于理论模型的反演计算中,检验本文算法的可靠性,并分析地形和关断时间对反演结果的影响特征.在此基础上,进一步将本文算法应用于实测数据反演,验证本文算法的实用性.     

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.     

深海热液硫化物矿体3D瞬变电磁正演

深海热液硫化物矿体瞬变电磁的正演是考虑深海环境的全空间条件下三维体的涡流电磁响应.采用全空间矢量有限元法模拟计算深海热液硫化物矿的三维瞬变电磁响应,对硫化物矿体采用矩形单元模型剖分,应用Galerkin法推导有限元方程,先计算频率域响应,再通过Fourier反变换将其转换至时间域,得出深海热液硫化物矿矿体的瞬变电磁响应.并用双半空间模型的解析解检验了全空间矢量有限元法模拟计算算法和程序的正确性,最后按照等比例缩小电磁物理实验原则,比对数值计算和物理实验结果论证了全空间3D模型数值的正确性.结果表明:对于海水、矿体以及围岩复杂电磁边界,应用全空间矢量有限元法模拟计算深海热液硫化物矿瞬变电磁响应异常与物理模拟结果一致,而且计算方法简单精确,异常幅值明显,边界清晰.     

用交错网格有限差分法计算三维频率域电磁响应

用交错网格有限差分法(SFD)，实现了三维频率域电磁场响应 的数值模拟. 该方法适用于任何方向的磁偶极子源. 经与解析方法、积分方程等 其他方法的计算结果对比表明，交错网格有限差分法结合散度校正和不完全乔累斯基分解预 处理的双共轭梯度迭代方法进行正演计算，速度快、精度高、结果稳定，能适应三维复杂介 质的数值模拟，为三维电磁反演奠定了基础.     

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.     

矩形大定源层状模型瞬变电磁响应计算

针对矩形大定源介绍了一种层状导电模型瞬变电磁响应的快速计算方法.其基本思想是,将大定源回线源用较少的有限大小方形回线叠加.在频率域,该叠加过程导出矩形大定源回线模型响应可以表示为一个标准的Hankel积分,叠加效应仅仅是相应Bessel函数的空间积分过程.瞬变电磁响应可以利用余弦变换由频率域响应获得.均匀半空间模型计算结果和解析解较为吻合,层状模型模拟结果符合物理规律,不同测点位置感应电动势的视电阻率具有很好的一致性.新方法误差只是来源于圆回线对小方形回线的等效误差.与均匀半空间解析结果比较,只用16个方形回线等效,相对误差就可以小于10^-3.     

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明:非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

三维频率域可控源电磁反演研究

对于三维可控源电磁,反演计算效率、张量测量、旁侧效应以及阴影效应是目前研究的热点.本文正演采用基于库仑规范条件的耦合势有限体积算法,反演采用有限内存BFGS(L-BFGS)算法.合成数据反演结果表明:(1)有限内存BFGS法比非线性共轭梯度法,在反演计算效率上具有一定的优势,更适合求解大规模三维可控源电磁反演问题.(2)张量可控源电磁法相对于标量可控源电磁法,前者在模型分辨率上优于后者.(3)在某个区域无法布置测网的情况下,我们可利用旁侧效应在异常体周围布置测网进行三维反演,从而获得真实异常体的信息.同时,为避免阴影效应,我们应在测网外增加可控源电磁控制点,使得三维反演的数据更加完备.     

基于对数目标函数的跨孔雷达频域波形反演

波形反演在探地雷达领域的应用已有十余年历史,但绝大部分算例属于时间域波形反演.频率域波形反演由于能够灵活地选择迭代频率并可以使用不同类型的目标函数,因而更加多样化.本文的频率域波形反演基于时间域有限差分(FDTD)法,采用对数目标函数,可在每一次迭代过程中同时或者单独反演介电常数和电导率.文中详细推导了频率域波形反演的理论公式,给出对数目标函数下的梯度表达式,并使用离散傅氏变换(DFT)实现数据的时频变换,能够有效地减少大模型反演的内存需求.在后向残场源的时频域转换过程中,提出仅使用以当前频点为中心的一个窄带数据,可以消除高频无用信号的干扰,获得可靠的反演结果.为加速收敛,采用每迭代十次则反演频率跳跃一定频带宽度的反演策略.实验证明适当的频率跳跃能够在不降低分辨率的基础上有效地提高反演效率.通过两组不同情形下合成数据反演的分析对比,证明基于对数目标函数的波形反演结果准确可靠.最后,将该方法应用到一组实际数据,得到较好的反演结果.     

无人机频率域半航空电磁法三维反演

当前无人机频率域半航空电磁方法(SAEM)成为地球物理勘探中的新兴技术,该方法通过空中无人飞行器测量地面上单个或多个可控源的垂直磁场.本文为无人机频率域SAEM开发了三维反演程序,正演采用交错网格有限差分.由于无人机采集的数据量巨大,因此使用了有限内存拟牛顿法(LBFGS)实现快速的三维反演,以避免计算和存储巨大的灵敏度矩阵.为了提升无人机频率域SAEM的三维反演效果,本文进一步实现了无人机频率域SAEM与大地电磁(MT)的三维联合反演,并对联合反演实施了地震结构约束,结构约束采用交叉梯度法实现.MT可以增加勘探深度,而结构约束可以提高电磁法反演的分辨率.最后通过建立四个理论模型,证明了本文程序的有效性.     

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.     

基于MPI并行算法的电阻率法多种装置数据的三维联合反演

由于地表电阻率法受到浅地表局部异常体的干扰,反演精度受到影响,井中装置数据资料参与反演虽然可以减小浅地表局部异常体的干扰,但是由于钻井位置的局限性,数据量得不到保障,也会导致反演精度降低.为此,本文开发了一套结合地表、地-井、井-地和井-井装置数据的三维联合反演算法.首先,利用有限差分法实现正演模拟,采用非线性共轭梯度法（NLCG）恢复电阻率结构;其次,调用Message Passing Interface（MPI）函数库加速正演模拟和灵敏度矩阵运算,当开辟12个进程时,反演程序获得最大加速比4.51;最后,通过合成数据和实测数据算例证明该反演算法的有效性,也证实了多种装置组合数据体反演结果明显优于单一地表装置数据体反演结果.     

Deep exploration using long-offset transient electromagnetics: interpretation of field data in time and frequency domain

In the framework of the Deep Electromagnetic Soundings for Mineral Exploration project, we conducted ground-based long-offset transient-electromagnetic measurements in a former mining area in eastern Thuringia, Germany. The large-scale survey resulted in an extensive dataset acquired with multiple high-power transmitters and a high number of electric and magnetic field receivers. The recorded data exhibit a high data quality over several decades of time and orders of magnitude. Although the obtained subsurface models indicate a strong multi-dimensional subsurface with variations in resistivity over three orders of magnitude, the electrical field step-on transients are well fitted using a conventional one-dimensional inversion. Due to superimposed induced polarization effects, the transient step-off data are not interpretable with conventional electromagnetic inversion. For further interpretation in one and two dimensions, a new approach to evaluate the long-offset transient-electromagnetic data in frequency domain is realized. We present a detailed workflow for data processing in both domains and give an overview of technical obstructions that can occur in one domain or the other. The derived one-dimensional inversion models of frequency-domain data show strong multi-dimensional effects and are well comparable with the conventional time domain inversion results. To adequately interpret the data, a 2.5D frequency-domain inversion using the open source algorithm MARE2DEM (Modeling with Adaptively Refined Elements for 2-D EM) is carried out. The inversion leads to a consistent subsurface model with shallow and deep conductive structures, which are confirmed by geology and additional geophysical surveys.