空间波数混合域磁异常场积分解三维数值模拟

本文提出一种空间波数混合域磁异常场三维数值模拟方法.该方法利用磁位三维空间域积分为卷积的特点,沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的垂向一维积分问题.保留垂向为空间域,优势之一在于便于浅层单元剖分可适当加密,随着深度增加,单元剖分适当稀疏,可以准确模拟任意复杂地形和磁性体的磁异常,兼顾了计算精度与计算效率;优势之二在于一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征磁化强度,可得出单元积分的解析表达式,计算精度高、效率高.该方法充分利用一维形函数积分的高效和高精度、快速傅里叶变换的高效性及算法高度并行性,实现了磁异常场高效、高精度的数值模拟.设计棱柱体模型,将模型解析解与空间波数混合域法的数值解对比,结果表明该方法计算精度高、效率高.设计了组合棱柱体复杂模型,对比分析了标准FFT扩边法与Gauss-FFT法的计算精度与计算效率,总结了标准FFT的扩边系数选取策略.针对任意复杂地形条件下的磁异常模拟问题,本文提出一种适用于起伏地形条件下的磁异常场快速计算方法,并对其有效性进行了验证.     

复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.     

基于自适应多层快速多极算法的大规模磁法正演模拟

提出了一种基于非结构化四面体以及带地形模型的自适应多层快速多极大规模磁法快速正演算法.该算法弥补了传统积分方法采用FFT加速计算时不能采用非结构化网格的缺陷;同时采用自适应快速多极算法突破积分求和方法求解大规模磁法问题耗时长的突出问题.首先,采用非结构化的四面体网格剖分技术能够更好的模拟复杂模型以及带地形模型,实现磁法模型的高精度模拟;其次,采用一种自适应多层快速多极(AMFM)算法实现大规模磁法正演求解.通过将计算区域划分为近区和远区,对近区采用解析计算高精度求解,对远区采用自适应多层快速多极算法进行加速计算,假设有M个观测点,N个四面体源单元,可将计算复杂度由传统积分求和法的O(MN)减少到O(Mlog N).本文设计了组合体模型以及安徽怀宁地区的实际地形模型,模型计算结果体现了采用该方法进行大规模复杂模型三维磁法正演模拟的高效性和准确性.     

用边界单元法模拟二维地形对大地电磁场的影响

本文用边界单元法模拟二维地形对大地电磁场的影响.首先用格林公式将二维大地电磁的边值问题转变成积分方程,然后用边界单元法解积分方程,得到地形上的大地电磁场和它的法向导数,由此可计算电阻率.与有限单元法相比,本方法剖分后的地形与实际地形的拟合程度高,向计算机输入原始数据的工作简单,可以在微机上计算地形引起的视电阻率.本方法适合于在野外生产现场进行大地电磁法的地形改正.计算表明,地形对H_x型波的影响比对E_x型波严重得多;随着周期的增长,地形对H_x型波的影响变得稳定.     

重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.     

磁偶极子构造法球形磁性矿体磁异常正演

球形磁性地质体是地质勘探中广泛遇到的基本地质体之一,选择合适的磁异常分析方法对其磁场进行准确正演计算具有重要的意义.为了准确快速地求解球形磁性地质体磁场特征,本文提出了一种基于磁偶极子构造原理求解球形磁性地质体磁场的数值计算方法,对球形磁性地质体按半径由小增大进行多层单元分割,再对每层单元进行块单元分割,将每个块单元视为"磁偶极子",利用基本磁偶极子公式计算了所有块单元在探测平面(线)的磁场大小,同时分析了球体磁场的剖面特征,并将数值解与解析解结果进行了对比和误差分析,最后建立双球组合模型结合Comsol多物理场仿真工具对其仿真对比,验证了磁偶极子构造法求解球体磁场的准确性.研究结果表明:数值解法结果与解析解结果磁异常波动趋势完全一致;不同测点处绝对误差有所差别,但磁异常值均在1 nT以下.本文提出的数值解法无需复杂的数学推导,计算结果稳定可靠.     

复杂地形三维直流电阻率有限元数值模拟

系统地论述了用有限单元法研究复杂地形条件下三维直流电阻率的正演计算技术.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题以及相应的变分问题;然后利用有限单元法求解变分问题,采用四面体单元对研究区域进行剖分,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;最后,考虑到节约计算时间,利用对称超松弛顸条件共轭梯度迭代算法求解大型线性方程组,得到了各节点的电位值,进而计算出地表的视电阻率.通过理论模型的计算检验了算法的可行性之后,给出了几种常见纯地形异常的数值模拟结果和一个组合模型的计算结果,其研究工作为研究三维直流电阻率反演奠定了基础.     

点源场井-地电位测量三维有限元模拟

井地电法是深部地质矿产勘查的重要方法之一,研究高效率、高精度、适用于起伏地形等复杂条件下的正演模拟算法具有理论和实际意义.本文研究了点源场井地电位测量的三维有限元正演模拟,采用与井轴一致倾斜的计算区域,使剖分单元随地形起伏,用预处理共轭梯度法求解线性方程组,利用行压缩存储和改进的行压缩存储方式来存储刚度矩阵和预处理矩阵,实现了起伏地形和倾斜井情形下的正演计算.此外,本文利用仿射坐标变换技术,给出了平行五面体单元精确的单元积分公式,这种处理技术同样可推广应用于其他平行多面体单元的单元分析,相比于采用等参变换和高斯数值积分,能极大地提高计算效率.文中构建了一些模型算例,其计算结果验证了程序的可靠性和高效性.     

位场数据解释的Theta-Depth法

Theta图是利用位场(重磁)数据识别边界的常用方法,其表达式为重磁异常水平变化与垂直变化的比值函数.该方法计算浅源地质体边界的效果较好,而由于深源位场数据在换算过程中会产生趋同效应,在深源地质体识别应用中计算结果不准确,为此,本文提出Theta-Depth法并进行地质体埋深的计算.首先给出直接利用Theta图像进行场源体深度估算的方法,然后推导出基于Theta导数的线性方程来自动估算场源位置参数,本文方法可有效地利用Theta图像的特征为约束条件来提高反演结果的精度.理论模型试验证明本文提出的Theta-Depth法能有效地计算出场源体位置和深度.将该方法应用于满都拉地区实测磁数据的解释,帮助圈定了矿脉的分布.     

磁源体参数反演的快速局部波数法

现有磁异常解释的局部波数法在计算地质体位置时大多是通过复杂的方程求解来完成,且需已知地质体构造指数信息,构造指数是描述地质体类型的参数,在实际数据解释中是难以确定的,因此现有方法计算结果的精度较低。本文提出磁异常解释的快速局部波数法,定义水平与垂直局部波数的平方和为和局部波数,利用和局部波数与其它局部波数的线性组合直接、快速地实现地质体位置参数和属性参数(构造指数)的计算,无需任何先验信息及方程求解运算。通过理论模型试验证明快速局部波数法能准确地完成磁异常的解释,且受背景异常和倾斜磁化干扰较小。将快速局部波数法应用于实际磁数据的解释,获得了地质体的位置和构造指数。     

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.     

不规则回线瞬变电磁法一维烟圈反演研究

瞬变电磁法中最常用矩形或圆形回线,但有时由于地形限制,只能使用不规则回线发射和接收.如果仍用现有的常规回线理论进行处理解释,得到的结果会存在很大的偏差.本文首先进行了不规则回线瞬变电磁法一维正演理论研究,基于电偶极子源的频率域响应公式,通过沿回线积分和时频转换,推导出不规则回线源在水平层状介质中的时间域响应公式.采用欧拉算法、高斯积分和快速汉克尔变换,计算不规则回线内任意一点处的磁场响应.利用改进的二分搜索法计算全区视电阻率,并在此基础上利用烟圈法反演电阻率和深度.通过四个典型地电模型的正反演计算,表明烟圈法反演能够有效反映地电模型的大致形态,可以用于不规则回线瞬变电磁数据的快速反演解释.     

二度地形对电阻率法的影响

一、引言地形对电阻率法勘探有极大影响。研究地形影响的方法有二:理论计算和模型实验。例如,强图里什维利利用复变函数计算了截面呈三角形、梯形、牛圆形等二度地形对均匀电场的影响,其结果可用来对这种地形的中间梯度曲线进行地形校正。     

三维直流电场数值模拟的拟解析近似法:张量近似

拟解析近似方法是一种解决电磁场散射问题的快速求解积分方程的近似方法,它绕开了传统数值方法中的求解大型代数方程组或大型矩阵问题,适用于强散射和大扰动问题.本文应用孙建国提出的求解异常电场积分方程的张量拟解析近似理论公式,研究用其求解直流电场积分方程.利用接近实际的地电模型对异常电场进行模拟,研究了均匀场中异常球体的张量拟解析近似解;并对均匀场中的立方体异常体进行了数值计算.效果良好并具有很高的计算速度.研究结果为三维直流电场快速正反演模拟打下基础.     

电磁波法探测地下异常体的数值模型和实验模型

本文研究均匀有耗媒质全空间及半空间中三维异常体散射的数值模型和实验模型。用矩量法解体积分方程,导出自小块积分的简单准确的计算公式,说明非自小块积分以及索末菲积分的简化计算方法。给出两个利用金属镜象板的水池测试装置,说明与测试方法有关的若干主要问题。计算结果与测量结果基本吻合。     

大地电磁二维自适应地形有限元正演模拟

复杂地形对大地电磁测深法(MT)的影响非常大。文中在吸收和修正前人工作基础上,提出了一种自适应地形四边形网格剖分、单元内电磁场双二次插值数值模拟方法,能更好地模拟出复杂地形和场值分布,并推导出复杂地形条件下有限元数值模拟算法、单元辅助场的计算和TM模式视电阻率的局部定义法。模型计算表明,该数值模拟方法计算速度快,有较高的计算精度,能很好地模拟MT复杂地形影响和异常体影响。     

利用积分方程法的大地电磁三维正演

利用积分方程法实现了均匀导电半空间三维大地电磁响应的数值模拟。求取张量格林函数积分时,采用二次剖分算法解决计算中奇异值问题,对于含有贝塞尔函数的积分项,利用结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,确保了张量格林函数的正确计算并提高了计算精度。最后通过数值模拟结果的对比及模型试算验证了算法的正确性,所实现的三维大地电磁数值模拟算法为理论研究三维地电构造的大地电磁响应的分布规律提供了有效的工具,也为研究三维反演算法奠定了基础。     

基于局部加密非结构网格的海洋可控源电磁法三维有限元正演

本文基于非结构网格实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演模拟.该算法采用完全非结构网格剖分,可以模拟任意起伏地形和复杂地电模型.为了避免场源的奇异性,采用一次场/二次场分解算法,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维解析公式得到.为了提高算法的精度和效率,采用对测点附近单元和异常体区域进行体积约束加密的方法,实现了非结构网格的局部加密.一、二维模型计算和分析表明,本文采用的局部加密方法能够明显地改善算法的精度,最大相对误差基本在1%以内.对三维模型计算及对比分析,说明了该算法对三维可控源电磁正演的实用性.复杂海底地形模型的正演模拟表明,海底地形对电磁场的影响很大,在进行海洋可控源电磁资料解释时,地形的影响有必要考虑在内.     

基于有限体积法的二维大地电磁各向异性数值模拟

为了计算带任意地形的各向异性介质中二维大地电磁响应,本文在非结构化网格的基础上,采用有限体积法,开发了二维大地电磁各向异性正演模拟的新算法.首先,从Maxwell方程出发,推导二维各向异性介质中大地电磁场的边值问题;然后,采用三角网格自动生成技术对求解区域进行非结构化网格剖分,进而构建节点中心控制体积单元,利用有限体积方法,得到求解边值问题的大型稀疏线性方程组;最后,利用Pardiso精确地计算了大地电磁响应值.三个各向异性模型的计算结果表明,本文开发的有限体积算法,不仅能够高精度求解带任意地形的大地电磁电导率各向异性问题,而且对于同一模型,该方法的计算消耗和精度都与有限单元法相当.因此,有限体积法是处理电磁法各向异性问题的一种有效方法.     

归一化总水平导数法在位场数据解释中的应用

本文提出归一化总水平导数法,通过对总水平导数进行空间归一化计算实现了异常体水平位置和深度的估计,此外还推导出基于归一化总水平导数的欧拉反褶积法来估算地下地质体的空间位置,两种方法反演结果的相互验证可有效地提高反演结果的可信度.理论模型试验证明空间归一化总水平导数法和归一化总水平导数欧拉反褶积法均能有效地完成异常体的水平位置和深度的估计,所获得的位置参数与理论值相一致.在利用归一化总水平导数法进行磁异常解释时,对数据进行化磁极计算可得到更加准确的结果.将其应用于实际航磁数据的解释,获得了岩脉的大致分布特征.