瞬变电磁扩散场到虚拟波场的精细积分变换算法

现有的瞬变电磁解释与反演方法主要对电阻率参数进行解释,较难给出准确的地质构造信息.为了能够较多获得地质构造信息,可将瞬变电磁扩散场信号转换为虚拟波场信号,提高瞬变电磁法的分辨率.本文采用精细积分法,实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的转换.将一个高度病态的线性方程组转换成求积分的过程,大大降低了解决病态问题的难度.积分步长以2的指数增加,在保证精度的前提下,具有极高的计算效率;设置合理的终止迭代条件,进一步提高本文方法的适用性.对典型地电模型的计算,表明本文方法具有较高的精度;减小两个波峰之间的距离,证明了本文方法具有较好的分辨能力;对含有噪声信号的扩散场进行波场反变换,证明了本文方法具有较好的抗噪性.最后计算三维模型和实测数据的虚拟波场,可以很好地反映出三维地质体的界面信息,证明本文方法稳定、可靠,可以对地下地质目标体的界面进行有效识别.本文方法相比预条件正则化共轭梯度法(PRCG),在计算效率方面提升了 4倍左右;本文方法的相对误差在5％以内,而PRCG的最大相对误差可达40％～50％,精度最高可提升10倍;在分辨率与稳定性方面,也表现出较好的效果.     

双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法

采用模拟离散的有限体积法实现了双轴各向异性地层回线源瞬变电磁三维正演.首先引入内积定义，采用自然边界条件，将瞬变电磁法的控制方程转化为弱形式表示.将计算区域划分为一系列的控制体积单元，采用交错网格对控制方程进行模拟有限体积空间离散，包括旋度算子离散和空间内积离散.基于斯托克斯定理的旋度积分定义公式实现旋度算子离散.中点平均实现电导率双轴各向异性的空间内积离散，从而得到离散化的控制方程.时间步迭代采用无条件稳定的欧拉后向差分格式.并通过均匀全空间中稳定电流回线源的磁场解析表达式得到回线源初始时刻的电磁场分布.为了同时保证计算精度和效率，本文采用分段等间隔的时间步迭代，利用直接法求解器PARDISO实现其快速求解.最后通过对比层状模型和各向异性半空间模型的正演计算结果，验证了本文算法的计算精度和计算效率；计算三维双轴各向异性模型的正演响应可知，水平方向电导率变化对电磁响应产生显著影响，而垂直方向的电导率变化对电磁响应几乎没有影响.产生这一现象的主要原因是回线源产生的感应电流主要是水平方向的，因此响应主要受到水平方向电导率的影响，垂直方向的电导率影响很小.     

基于非结构网格三维有限元堤坝隐患时移特征分析

土石堤坝的内部隐患是造成堤坝事故的主要因素,严重威胁到坝体的安全和稳定。由于堤坝隐患会随时间发生形态与尺寸的改变,表现出明显的电性结构变化,因此通过时移电阻率成像方法可以实现对土石堤坝的实时监测,进而达到堤坝隐患快速预警的目的。目前的时移电法堤坝隐患监测技术主要基于一维或二维介质模型,无法准确描述三维堤坝结构的时移电性变化特征,为此,基于高密度直流电阻率法探测理论,利用三维非结构有限元数值模拟正演方法,精细模拟典型堤坝隐患模型直流电场的时移变化特征,分析响应变化规律。数值模拟结果表明,时移监测结果对堤坝隐患变化趋势具有良好的反映,堤坝隐患尺寸、位置和形态的改变能够引起监测异常幅值和位置的规律性变化。本文的研究成果可为堤坝隐患时移监测异常识别和灾害预警提供理论指导。     

树网格离散优化三维瞬变电磁有限体积正演算法

三维瞬变电磁正演算法作为研究处理与解释方法的重要基础,如何加速计算过程,减少计算机内存消耗尤为重要.为此,本文采用有限体积算法在八叉树(octree)网格上对时间域Maxwell方程组进行空间离散,相比于交错六面体网格,octree网格在局部区域网格细度相同的条件下可以显著减少细化区域外的网格数量,对复杂几何体边界的模拟更加灵活,而相比于非结构四面体网格,octree网格单元位置排列更加规律.通过octree网格离散三维正演模型使计算网格规模显著降低,减少了待求解方程的未知数,降低了物理内存消耗.空间离散后,瞬变电磁正演响应可以表示为关于初始磁场的矩阵指数函数,采用位移逆Krylov子空间模型降阶算法实现瞬变电磁场的求解,只需对系数矩阵进行一次矩阵分解和多次回代即可获得一系列时间序列的瞬变电磁场正演结果.本文算法在空间离散和方程求解两方面优化三维瞬变电磁正演过程,数值算例结果验证了本文算法的精度和高效性.     

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.     

海洋可控源电磁法几类偶极源探测海底高阻薄层的分辨率分析

针对海洋可控源中几类典型偶极源发射装置,建立各向异性地层高阻油气藏模型,采用基于格林函数的海洋一维地层解析方法,借助电磁场的互易性质,计算得到不同偶极源激发的电磁响应曲线。分析了不同偶极源的电磁响应特征,比较了各电磁场分量振幅和相位归一化曲线幅值。结果表明:垂直电偶极子源的各场的振幅归一化曲线对异常的反应最大,水平电偶极源对高阻层的分辨率高于垂直磁偶极源,水平电偶极源的轴向观测模式和水平磁偶极子源的赤道观测模式均有较好的分辨率,这两种模式下测量的与测线平行的电场和与测线垂直的磁场的分辨率最佳,且存在着最佳收发距,相位也有着近似相同的变化规律。      

电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析

电性源短偏移距瞬变电磁法是进行山区矿产资源勘探的一种有效手段,然而地形起伏对观测数据影响严重,给瞬变电磁数据精细化解释带来很大困难。为此,本文基于三维非结构时间域有限元正演模拟方法开展电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析。首先利用非结构网格对起伏地形进行精细剖分,结合矢量有限元和后退欧拉离散技术实现复杂地质模型快速正演。然后通过模拟大量典型起伏地表模型,系统分析了三维地形响应的空间分布特征,结果表明地形对电性源短偏移距瞬变电磁响应影响严重,而且影响特征十分复杂。在此基础上,我们进一步分析了复杂地形对地下目标体探测的影响,结果发现复杂地形与地下目标体相互耦合导致无法对地下目标体进行有效分辨,这给地下目标体的准确探测带来了巨大困难。     

电性源瞬变电磁有限差分偏移成像方法

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的(视)电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细积分法对第一类Fredholm积分方程求解,然后消除直达波,得到只含有地层反射波的虚拟波场.在此基础上,本文从时间域波动方程出发,对上行波的一级近似方程反向外推,得到时间-空间域二维与三维的波场递推公式.通过求解地下空间的波场,并使用反褶积方法削弱虚拟波场的波形展宽效应,从而提高对地质界面的纵向分辨率,获得较为准确的地质界面信息.本文分别采用均匀半空间模型、D型模型、HK型模型以及两层含水采空区模型对本文方法进行验证,并对实测数据进行处理,偏移成像的结果与地质资料相吻合,说明瞬变电磁有限差分偏移成像方法在识别电性界面以及地层特征方面具有可行性.     

考虑发射波形的瞬变电磁三维模型降阶快速正演算法

瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-ti...     

时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究

各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.