基于并行化直接解法的频率域可控源电磁三维正演

电磁法的三维数值模拟是一个对数值算法和计算机硬件要求都非常高的问题.对常用的微分类方法如有限单元法和有限差分法而言,求解最后所得的大型线性方程组是至关重要的一步,直接影响到正演算法的实用性.如何高效、稳定且准确地解线性方程长期以来一直是被探讨的问题.本文实现了基于线性系统直接求解技术的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演.使用交错网格有限体积法(FV)来离散化关于二次电场的Helmholtz方程;使用直接解法取代传统的迭代解法来求解离散线性系统,即对系统矩阵进行完全LU分解,具体通过调用大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)来实现.基于理论模型做了一系列数值实验,首先证明了直接解法的高精度和稳定性,并考察了其内存需求、计算时间和并行可伸缩性等主要计算性能,最后检验了所开发的算法快速模拟多场源CSEM问题的能力以及对常规海洋和陆地CSEM模拟的有效性.     

基于拟态有限体积法的频率域可控源三维正演计算

大规模地球物理电磁数据的定量解释需要发展高效、稳定的三维正反演算法.本文通过求解离散化的三维电场矢量Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演算法.为模拟具有强电性差异的三维电性介质,该算法采用拟态有限体积法(MFV)对Maxwell方程组进行离散化;另外,为获得稳定、高精度的正演数值结果,采用直接矩阵分解技术来求解离散所得到的大型稀疏线性方程组.对于具有多个发射源的CSEM测量来说,一次矩阵分解结果能够用于同频率下所有场源的正演计算.为降低场源奇异性及边界条件对数值精度的影响,采用虚拟场源校正技术,避免了散射场公式中在构建场源项时所需的大量时间.对于具有多个频率的CSEM的模拟计算,采用分频并行策略来加快三维正演计算.最后,通过与一维层状模型及三维模型的数值结果的对比验证了本文所开发的正演算法对频率域CSEM模拟计算的准确性及有效性,表明该正演算法能够有效应用于三维介质的数值计算.另外,对于多频率CSEM的并行测试结果表明基于分频并行策略的并行计算能够显著地降低正演计算时间.     

多频可控源电磁法三维有理函数Krylov子空间模型降阶正演算法研究

本文采用有理函数Krylov子空间模型降阶算法实现了同时求解多频可控源电磁法三维正演响应的快速计算.首先采用基于Yee氏交错网格的拟态有限体积法实现控制方程的空间离散,将任意频率的电场响应表示为关于频率参数的传递函数.采用有理函数Krylov子空间算法求解该传递函数.针对构建m维有理函数Krylov子空间需要求解m次（几十到上百）关于有理函数极点和离散控制方程系数矩阵的线性方程组的问题,本文提出采用单个重复极点的有理函数Krylov子空间模型降阶算法,结合直接法求解器PARDISO,采用Gram-Schmidt方法,只需要1次系数矩阵分解和m次矩阵回代即可实现有理函数Krylov子空间的构建,极大地减少了计算量.针对最优化有理函数极点选取问题,本文根据传递函数的有理函数Krylov子空间投影算法的误差分析理论,引入关于单个重复极点的收敛率函数,通过求解有理函数的最大收敛率直接给出最优化的单个重复极点公式.最终实现了不同发射频率的可控源电磁法三维正演响应的快速计算.分别计算了典型层状模型多发射频率的CSAMT和海洋CSEM的正演响应,通过与解析解的对比验证了本文算法在多发射频率正演的计算精度和计算效率;并通过一个三维海洋CSEM勘探设计最优化发射频率和接收区域选取的例子进一步说明本文算法的优点.     

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.     

海洋CSEM的共中心点域快速反演

海洋可控源电磁法(CSEM)对海底高阻体的反映比较灵敏,可用于天然气水合物探测资料的定性解释和反演研究.海洋CSEM资料的共中心点(CMP)域转换方式,可在横向上较好地分辨高阻储层.本文提出在CMP域实现一维频率域海洋可控源电磁资料高斯-牛顿反演算法.鉴于一维反演是解释地球物理资料的基础,较于二维和三维反演方法有着更高的计算效率和更低的硬件要求,将二维模型的响应在CMP域单元内表达为一维模型的响应,进而运用一维高斯-牛顿反演解释二维海洋CSEM资料.模型数据试算表明,海洋CSEM的CMP域反演速度较快,能够实现二维CSEM资料的反演解释.     

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.     

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.     

基于二次场的可控源电磁法三维有限元-无限元数值模拟

本文提出了一种新的混合有限元-无限元三维可控源电磁法(CSEM)问题快速高精度正演模拟算法.首先从电场双旋度方程出发,推导了水平电偶极子源的二次场边值问题,采用无限元代替截断边界条件和有限元离散内部计算区域的新策略,达到减小计算区域的目的,基于并行直接求解技术,实现多源CSEM问题的快速精确求解.其次,通过层状解析模型测试,一方面验证了新算法的正确性,另一方面通过与其他三种已知CSEM问题求解策略进行对比,表明了本文提出的基于二次场有限元-无限元算法具有离散区域小、求解速度快和计算精度高等优点.最后,通过3D模型计算,清晰直观地模拟了场源阴影效应,为野外数据的处理与解释提供指导.     

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.     

基于几何多重网格算法的海洋可控源电磁法三轴各向异性介质的三维正演研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)三维正反演理论现如今已经成为地球物理学研究的热点和难点之一,准确、高效、稳定的正演计算是实现快速反演计算的基础.三维正演数值模拟技术的发展已相对成熟,一些学者已将研究如何提高正演计算效率的目光转移到研究如何提高线性方场组的计算速度.为了提高MCSEM的三维正演问题的计算效率,本文首先从频域三维海洋电磁控制方程出发,然后利用Yee氏交错网格有限体积法在三维空间离散方程组,并施以第一类Dirichlet边界条件获得大型稀疏复系数线性方程组,最后引入3种不同几何多重网格迭代算法求解该线性方程组.为了检验GMG算法的正确性,通过建立一维层状油气模型,将3种GMG算法计算结果与Kerry Key等开发的二维开源程序MARE2DEM计算结果进行对比,两种程序求解电场分布的曲线能够很好的吻合,表明GMG算法能正确求解海洋电磁正演问题,且两种程序求解的相对误差数量级在1以下,表明GMG算法具有较高的求解精度.为分析GMG算法的计算效率,我们首先想要模拟出一个更加真实的海洋地下环境,将沉积(背景)层电阻率设计为三轴各向异性,然后在此环境中建立三维海洋油气油气模型,实现MCSEM三维正演计算.通过改变网格数,实施3种GMG迭代算法与GCROT迭代算法求解,结果表明:GMG算法求解三维海洋可控源电磁正演问题算法稳定,计算效率高.GMG算法作为Krylov子空间迭代算法的预条件器求解三维海洋可控源电磁正演问题,不仅能加快求解速度,而且能提高算法的稳定性.     

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.     

Performance Analysis of the χMD Matrix Solver Package for MODFLOW-USG

The χMD matrix solver package is incorporated into USGS groundwater modeling software, such as MODFLOW-NWT, MODFLOW-USG, and MT3D. The solver is used to solve matrices assembled through numerical discretization of the groundwater flow equation, and solute transport equations. χMD has demonstrated its higher robustness, faster execution speed, and more efficient memory usage compared to the existing solvers for many types of groundwater flow problems. χMD uses preconditioned iterative Krylov-subspace methods and consists of preconditioning and acceleration modules. Because the solver package uses a variety of preconditioning features including level-based incomplete lower-upper (ILU) factorization method with a drop tolerance scheme, users must choose optimal preconditioning parameters to improve execution speed and robustness. In order to examine how the preconditioning parameters, ILU factorization level, and drop tolerance values affect the overall performance of the matrix solver, we evaluated five different groundwater model applications using MODFLOW-USG that include different numerical complexities. For those five cases, the number of discretization nodes varied from 10,000 cells to 730,300 cells. From the analysis, we found that the preconditioning parameters greatly affect execution times and memory usage of the preconditioning and acceleration procedures. In addition, a combination of the ILU level between five to seven and the drop tolerance value between 10⁻² and 10⁻³ usually resulted in shorter overall execution time. Our study suggests that the users can elicit higher performance and robustness of the χMD matrix solver using this combination of the parameters and enhance computational efficiency of solving groundwater and solute transport problems.     

用改进的光滑约束最小二乘正交分解法实现电阻率三维反演

对三维电阻率反演问题进行了深入研究,提供了一种利用地表观测数据实现三维反演的实用算法.该方法应用有限差分求正演解,并通过对粗糙度矩阵元素进行适当改进,使之适用于各种情况下粗糙度矩阵的求取,进而建立在模型的总粗糙度极小条件下的反演方程.对反演方程采用收敛速度快且稳定的最小二乘正交分解（LSQR）法进行迭代求解,在迭代求解过程中只需利用偏导数矩阵和其转置矩阵乘以一个向量的结果,回避了直接求偏导数矩阵的繁琐计算,节省了内存,加快了反演的计算速度.不同的计算实例表明上述方法是求解大规模三维电阻率反演问题的有效方法.     

积分方程法复杂介质可控源电磁勘探快速正反演研究现状及发展方向

复杂介质可控源电磁勘探数值模拟及反演算法的研究一直是国内外地球物理学者研究的热点。本文对复杂介质可控源电磁勘探快速正反演算法研究进行综述,重点对复杂介质快速正反演算法及应用进行分析,指出高效并行、特殊边界条件或将是其真正实用化的关键,当前仍然是极具挑战的研究方向。着重对未受关注的可控源电磁法复杂介质积分方程法正反演算法及其应用研究,如二维、2.5维快速正反演算法;地面、井筒电磁勘探实例、起伏地形异常场模拟等进行讨论。指出国内积分方程法的研究相对滞后,但应用前景较可观;特别是大尺度隐伏资源勘探领域,高精度、高效电磁勘探正反演需求较迫切。通过体积分方程法快速正反演算例分析,表明该方法可适用于大尺度勘探生产,具有较好实用性。复杂地形模拟,高效正反演算法等是积分方程法实用化的关键。      

New preconditioning strategy for Jacobian-free solvers for variably saturated flows with Richards’ equation

We develop a new approach for solving the nonlinear Richards’ equation arising in variably saturated flow modeling. The growing complexity of geometric models for simulation of subsurface flows leads to the necessity of using unstructured meshes and advanced discretization methods. Typically, a numerical solution is obtained by first discretizing PDEs and then solving the resulting system of nonlinear discrete equations with a Newton-Raphson-type method. Efficiency and robustness of the existing solvers rely on many factors, including an empiric quality control of intermediate iterates, complexity of the employed discretization method and a customized preconditioner. We propose and analyze a new preconditioning strategy that is based on a stable discretization of the continuum Jacobian. We will show with numerical experiments for challenging problems in subsurface hydrology that this new preconditioner improves convergence of the existing Jacobian-free solvers 3-20 times. We also show that the Picard method with this preconditioner becomes a more efficient nonlinear solver than a few widely used Jacobian-free solvers.     

频率域电磁法三维有限元正演线性方程组迭代算法

在三维频率域电磁法的正演模拟方法中,有限元方法具有计算精度高、适应性强的优点,近年来来得到了越来越多的关注.在正演过程中,主要的计算量集中在求解由偏微分方程组离散得到的线性方程组上,因此求解线性方程组关系着正演计算速度以及模拟精度.由于由有限元方法离散得到的复系数线性方程组条件数非常大,使用常规的迭代法和预条件很难收敛.目前大多数的研究工作采用直接解法,需要大量的计算机内存,限制了可求解问题的规模.本文研究了线性方程组的迭代解法,通过将复系数线性方程组转化为其实对称形式,构造分块对角预条件.在应用预条件的过程中,需要求解两个较小的实数方程,通过辅助空间解法求解.本文的算法适用于可控源电磁法和大地电磁法,对一系列的数值算例的模拟结果证明了迭代算法的效率,结果表明迭代算法可以在小于20次迭代内收敛,同时迭代次数与模型电阻率、问题规模和频率无关.