三维时间域航空电磁任意各向异性正演模拟（英文）

在自然界中地层会呈现出各向异性特征,各向异性介质的研究有助于资料解释和认识地球动力学的过程,但当前数据处理中多数使用各向同性理论解释各向异性构造,因而对电磁资料解释造成了一定的偏差。当前,时间域航空电磁法关于各向异性的解释仍局限于一维情况,且相应的三维数值模拟也正处于研究中,因此本文针对任意各向异性介质中三维时间域航空电磁法进行正演模拟。将各向同性介质的电导率经过坐标旋转后,得到任意各向异性介质的电导率张量,将其引入到麦克斯韦方程组中,采用矢量有限元法的规则网格对求解区域进行剖分,利用直接求解器对总体合成的线性方程组进行求解。通过与解析解对比,验证了算法的精确性和可行性;同时与各向同性情况进行对比,通过响应的分布特征及幅值变化分析任意各向异性对三维时间域航空电磁响应的影响,得出在不同情况下各向异性对时间域航空电磁响应的影响情况存在较大差异。     

起伏海底地形时间域海洋电磁三维自适应正演模拟

本文基于自适应非结构有限元算法实现海洋电磁起伏海底地形三维正演模拟.通过采用隐式后推欧拉时间离散技术,保证在较大的时间步长条件下获得正确结果.为获得多时间道海洋电磁正演模拟的有效网格,我们采用基于法向电流连续的后验误差估计的自适应方法和网格融合技术;同时为了控制网格数量和保证正演模拟稳定性,我们还在网格融合过程中应用了随机网格挑选技术.对于方程组求解我们使用MUMPUS直接求解器.当时间步长不变时,只需对系数矩阵进行一次分解,大大提高计算速度.将本文计算结果与半空间模型解析解进行对比,验证了本文算法精度.针对海洋电磁半拖曳式和双船拖曳式工作方式,我们通过典型模型的模拟计算,研究海底地形影响及海底高阻层识别特征.

     

面向目标自适应三维大地电磁正演模拟

本文将面向目标的自适应算法应用于三维大地电磁数值模拟.使用基于非结构网格的矢量有限单元法对起伏地表大地电磁正演模拟问题进行求解.使用利用垂向电流密度在物性界面上的连续性对后验误差进行估算的算法指导网格优化.由于全局自适应算法针对观测点优化网格的能力较差,本文通过求解正演问题的对偶问题计算后验误差的加权系数,并对相关加权系数进行改进,从而实现了面向目标的自适应算法.与传统基于结构化网格的电磁正演算法相比,采用非结构网格能够更好地拟合起伏地表和地下不规则异常体.由于使用了面向目标的自适应算法,本文能够使用更少的网格达到较高的计算精度.通过对比本文模拟结果与半空间响应和全局自适应算法计算结果,并通过对比使用改进前和改进后加权系数得到的网格剖分结果验证了本文算法的有效性.

     

水平井及斜度井声波测井响应正演模拟研究（英文）

常规声波测井解释方法建立在各向同性地层中的垂直井基础之上,对各向异性地层中的水平井和斜度井并不适用。在水平井和斜度井的钻井过程中,岩屑会溅到井壁并最终在井壁底部形成一层薄岩屑层。同时,高速层和各向异性也可能会影响声波时差的测量。本文采用结合了Hybrid-PML的交错网格时域有限差分方法(SGS-FDTD),研究阵列声波仪器在各向异性介质中的水平井和斜度井条件下,不同因素对测得时差所带来的影响。模拟结果揭示了声波时差在高速层,薄岩屑层,井斜角,层厚,各向异性等不同影响因素下的相应规律。我们发现当波长远小于井壁与高速层的距离时,能够准确测得目的层时差;然而在两者处于同一量级时的近场条件下,几何声学理论不再适用;当井眼底部存在岩屑层时,费马原理依旧适用,对真实时差测量没有影响;在各向异性地层环境下,井斜角的增大使得测得时差由垂直向时差逐渐趋近于水平向时差;对于特定源距的声系,仪器在目的层中所移动的距离超过一定距离时,方可获得薄层时差值。基于不同井斜角和不同各向异性大小均匀TI地层模型的模拟结果,绘制了时差估计图版,可以对任意井斜角和各向异性比的模型进行时差的定量估计。通过对不同声系和不同弹性参数的模拟实验,证明了这种时差估计方法对TI地层中的水平井和斜度井准确有效。     

海洋直流电阻率法各向异性正演模拟研究（英文）

受沉积环境影响,海底地层层理发育,各向异性介质更接近于真实海洋地质条件。对海洋各向异性研究可更好认识海底构造特征,有效地进行海底资源勘查。本文从各向异性麦克斯韦电磁方程出发,根据电磁场的无源特征引入标量位函数;利用电场和磁场的连续性分别向海底深部和海水中延拓,并将延拓后的电磁位函数在海底耦合到发射源上,从而实现海底电场和磁场的递推求解。我们首先探索如何利用海洋电阻率法识别和求解海底电各向异性特征。研究发现海底各向异性可从视电阻率测深曲线和海底视电阻率极性图进行求解。进而,我们通过海底各向异性地层中高阻体(油气藏)模型进行正演模拟,发现海洋电法视电阻率在浅水区对地下高阻薄层有明显的异常反应。相比海洋可控源电磁法,海洋直流电法不受空气波影响,在浅海区油气资源勘查有着较好的优势,而前人大多基于各向同性模型进行研究,本文实现一维海洋直流电阻率法各向异性正演模拟,算法计算精度高,能很好的为二维、三维正演模拟提供理论参考。     

大地电磁测深三维正演模拟及异常特征研究

为了实现大地电磁测深三维高效快速正演算法,本文研究了大地电磁测深积分方程三维正演模拟的理论与方法.首先详细地推导了Fredholm型积分方程;然后给出积分方程的离散方法、并矢格林函数积分的求解方法以及大型矩阵方程的存储与求解方法;最后,通过理论地电模型的计算检验了方法和程序编制的正确性,并展示了几种理论地电模型的数值计算结果,分析其异常特征.算例结果表明,该正演算法在CPU主频为1.81GHz、内存为1GB的计算机上能正确地模拟多个异常体的异常特征;地表电性不均匀体会使地表视电阻率曲线产生十分严重的畸变;TE模式相对TM模式纵向分辨率比较好,而TM模式的横向分辨率较好;随着异常体埋深的增加,反映异常的分辨能力进一步降低.     

地—井瞬变电磁三维非结构有限元正演模拟研究（英文）

为分析复杂地电模型条件下地—井瞬变电磁响应特征,本文基于非结构网格矢量有限元法实现了时间域地—井瞬变电磁三维正演模拟。为求解双旋度电场扩散方程,我们使用非结构四面体网格对计算空间进行离散,同时选择无条件稳定的后退欧拉方法进行时间离散。数值实验中我们首先以长导线源为例分析电性源电磁场分量的扩散特征和探测能力;然后重点研究Ex、d By/dt零值带的产生机理及分布规律。目标在于指导实际地—井电磁探测中选择合理的测量区域。最后,我们通过模拟复杂模型的异常特征,分析地—井瞬变电磁法探测典型脉状矿体的可行性,为深部矿产资源探测提供参考。     

基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法（英文）

本文、首先,提出了一种基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法。对于正演,先计算磁偶极子源激发的全空间初始场,然后使用改进的DuFort-Frankel方法和交错网格对麦克斯韦方程组进行时间步进。对于反演,采用基于L2范数的模型正则化方法和最小二乘最优化方法。其次,通过模型算例和现场实例对三维反演方法进行了测试。在模型算例中,低阻三维块体得到了较好的恢复。在现场实例中,三维反演结果与实际地质情况一致。模型算例和现场实例都表明,提出的基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法是可靠的。     

面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元正演

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进行求解.在获得微分方程的解之后,为提高解的准确性,通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化,重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格.对于大规模三维数据,为了使模型空间的并行计算达到均衡负载的效果,我们使用METIS函数库来进行网格计算任务量的划分.最后,通过对比一维解析解与三维自适应矢量有限元计算结果,验证了程序的正确性;通过自适应过程中误差指示子的分布,验证了面向目标自适应的有效性;通过对三维复杂模型进行均衡负载下的并行计算,测试了程序的可扩展性.     

海洋天然气水合物可控源电磁法的响应特征:一维正演模拟

We discuss the feasibility of using controlled-source electromagnetic （CSEM） in the frequency domain for prospecting marine gas hydrates. Based on the Ocean Drilling Program （ODP） Leg 164 log data, we have established several 1-D resistivity models which have different gas hydrate concentrations. Meanwhile, we analyzed the electromagnetic response of marine gas hydrates in the frequency domain based on these models. We also studied the relationship between electrical field magnitude or phase and parameters such as receiver-transmitter distance and frequency. Our numerical modeling results provide us with a quantitative reference for exploration and resource evaluation of marine gas hydrates.     

三维弹性波正演模拟中的混合吸收边界条件（英文）

地震波场数值模拟中不可避免地会出现边界反射,一般采用吸收边界条件以压制人工边界反射。目前常用的分裂式完全匹配层(PML)边界条件需要在边界处进行特殊处理,尤其是在三维情况下需要将变量分裂为三个分量,增加了数值模拟的计算时间和内存占用量。与分裂式PML吸收边界条件相比,混合吸收边界条件(HABC)具有易于实现、计算量小和吸收效果好等优点,可以提高三维波动方程数值模拟的计算效率。本文将基于一阶Higdon单程波方程的混合吸收边界条件从二维计算域发展到三维,提出了适用于三维弹性波数值模拟的混合吸收边界条件。均匀模型以及复杂模型的三维数值模拟结果表明,混合吸收边界条件与传统的完全匹配层边界条件相比,具有效率高、吸收效果好的优势。     

基于区域分解法的海洋可控源电磁三维正演模拟研究

为准确刻画复杂海底地质结构中电磁场变化特征,有效处理大规模海洋可控源电磁三维正演模拟问题,本文将基于矢量有限元的 FETI-DP(Dual-Primal Finite-Element Tearing and Interconnecting)区域分解法引入到海洋电磁三维正演模拟中 该方法首先利用非结构四面体网格对海洋地电...     

基于矢量有限元法的三维张量CSAMT正演模拟（英文）

标量CSAMT只适合一维及测量方向与构造方向垂直的二维情况,对于复杂的三维地电结构,CSAMT需采用张量测量。本文试图采用矢量有限元法实现三维张量CSAMT的正演模拟。为了验证算法的正确性,本文在层状介质中计算了三维CSAMT远区的电场,磁场及阻抗张量,并且与层状介质中的理论解进行了比较,接着还模拟了均匀半空间中含有三维异常体的模型,并且分析了四个阻抗张量、视电阻率及阻抗相位的响应特征。得出如下结论:采用矢量有限元法来模拟三维张量CSAMT,其电磁场及阻抗张量的实虚部计算精度都比较高,并且该方法本身满足电场法向不连续,不用进行散度校正。     

三维声波方程优化有限差分正演（英文）

传统上,有限差分的差分系数一般可以通过泰勒级数展开法或优化方法来极小化频散误差得到。基于泰勒级数展开的差分法在有限的波数范围内精度较高,但在这个范围之外会产生较强的数值频散;基于最小二乘的优化有限差分法能在更大的波数范围内达到较高的精度,并可以在较小的计算需求内获得全局最优解。本文将基于最小二乘的优化有限差分法从二维正演模拟推广到三维,形成了计算效率高、高精度范围宽、适合并行计算的三维声波优化有限差分方法。频散分析及正演模拟表明本文发展的有限差分方法可以很好地压制数值频散。最后,将本文发展的有限差分方法应用到三维逆时偏移的震源波场延拓和检波点波场延拓中,并结合有效边界存储策略与checkpointing技术在GPU集群上实现三维逆时偏移以提高计算效率、减少存储量。三维逆时偏移试算结果表明本文三维优化有限差分方法与传统的有限差分法相比可以获得更高精度的偏移成像结果。     

复杂三维介质的大地电磁正演模拟

存在多个三维且不规则异常体的复杂模型,与实际地质模型更为接近,用有限单元法数值模拟计算无疑具有明显优势.但由于刚度系数矩阵为大型、不定且严重病态的,因此普遍存在求解效率低的问题.在引入不完全LU分解改善其条件数后,分析、比较了几种流行的Krylov子空间方法:CGS、BICG和BICGSTAB,得出BICGSTAB具有收敛平滑、求解速度快等优点,更适合于求解大地电磁三维有限单元法正演中的线性方程组问题.通过与一维模型解析计算结果的对比以及COMMEMI-3D模型的正演计算结果,验证了算法和编制程序的有效性,为后续构建大地电磁三维反演提供基础.     

大地电磁三维正演并行算法研究

大地电磁法三维正演算法计算量大,用传统的串行程序计算相当耗时。而三维正演是逐个频率按顺序计算的,并行性好,适合并行运算。结合MPI自身的优越性,在深入分析大地电磁三维正演串行程序实现流程的基础上,确定了并行计算的思路,实现了三维正演的并行计算。通过三个理论模型对实现的三维正演并行程序进行了试算,分析对比了在多种情况下程序的执行效率。测试结果表明,所实现的三维正演并行程序运行结果正确,效率提高明显。此思路可为解决其它地球物理超大计算量问题所借鉴。     

考虑动电效应的基坑渗漏电场三维正演及响应特征分析（英文）

针对传统的地面直流电法对基坑连续墙渗漏探测精度差、抗干扰能力低以及渗漏电场响应特征分布不清等问题,本文将渗漏通道内由于动电效应形成的电场和传导电流形成的稳定电场进行耦合建立了渗漏电场的响应机制及基本方程;构建了一种井-地联合观测的渗漏电场检测装置,该装置在辅助井和降水井内供电,基坑内地面快速测量电场分布特征,从而实现渗漏点的快速定位;然后利用有限元-无限元耦合法求解电场方程实现基坑渗漏模型三维正演模拟,并对检测装置的影响因素和不同渗漏通道的基坑模型进行数值模拟。结果表明：本文提出井-地联合观测装置可快速揭示渗漏引起的电位异常,动电效应产生的电场有效加强了渗漏处渗漏电场信号,从而提高了探测精度及探测效率。     

脉冲源时间域电磁响应三维正演计算

为了应用时间域电磁法进行深部勘探,需要计算大尺度模型的晚时时域响应.本文将待求解的电磁响应分解为一次场和二次场之和,实现了波形为拟高斯脉冲的大功率脉冲源激励的一次场的计算.对于三维异常体产生的二次场,采用基于非均匀步长交错网格的时域有限差分(FDTD)和非等时步长的迭代算法求解,在层状介质模型的上阶跃响应计算结果对比以及与积分方程计算的瞬断响应结果对比验证基础上,实现了大功率脉冲源激励下晚时时域电磁响应的计算.通过设计一个简单异常体的三维模型,采用电偶极源脉冲电流激发,计算的时间域响应很好的揭示了大功率脉冲源激励的场在地中随时间扩散,以及三维异常体产生的异常场并二次扩散的过程.     

基于谱元法的频率域三维海洋可控源电磁正演模拟

高精度、快速有效的正演模拟算法是三维电磁正反演的前提.为了提高海洋电磁三维数值模拟的精度和效率,本文提出利用基于Gauss-Lobatto-Chebyshev（GLC）基函数的谱元法进行海洋可控源三维电磁正演模拟.谱元法结合有限元法和谱方法的优点.我们通过应用伽辽金加权残差法离散二次电场矢量亥姆赫兹方程,在单元内选择混合阶GLC多项式的张量积作为高阶矢量插值基函数,在求解大型稀疏线性方程组时利用直接求解器进行快速求解,从而实现了三维海洋可控源电磁快速高精度正演模拟.一维和三维模型正演结果验证了本文算法的有效性和准确性.典型模型的数值结果表明谱元法是一种有效的三维海洋可控源电磁正演数值方法,能在稀疏网格剖分情况下获得精确的海洋电磁正演模拟响应.     

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。