基于瞬变电磁矩变换的快速三维反演方法

瞬变电磁法的严格三维反演计算复杂、占用资源多,在普通计算机上难以实现.本文引入瞬变电磁矩变换的概念,提出一种快速三维反演方法.该方法基于阻性限制（resistive limit）特性,建立包含异常体的三维大地的一阶矩响应正演算法,根据不同约束条件,选择优化的最速下降法实现瞬变电磁快速三维反演.文中通过含异常体的三维大地正演一阶矩与仿真数据一阶矩的对比,验证了快速三维正演算法的有效性,之后在不同约束条件下,利用优化的最速下降法实现了对含噪声的仿真瞬变电磁数据的快速三维反演.结果表明,该方法能够在普通计算机上短时间内较为准确地反演出地下异常体的体积和位置,在瞬变电磁数据的实时解释工作中具有良好的应用前景.     

圆锥型场源瞬变电磁数据AWPSO算法优化反演

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于神经网络算法Sigmoid函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法.采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验.计算结果表明,新提出的算法具有更高的全局搜索寻优能力和收敛速度快、计算精度高,且不需要给定初始模型;实验结果显示实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,证明该算法能够对瞬变电磁探测数据进行反演计算且精度较高,可以在同类型的浅层探测任务中提供参考.     

地面与半航空瞬变电磁法三维联合反演

半航空瞬变电磁法(SATEM)因其具有工作效率高、探测成本低等优势, 成为了一种发展迅速的新兴地球物理探测技术.基于一维反演的SATEM数据处理方法难以满足复杂地质条件下精细解释的需求.同时, 采用单一的探测方式, 存在探测能力有限、反演多解性强等问题.本文开发了适用于地面瞬变电磁法和SATEM的三维反演及联合反演算法.正演采用基于非结构化四面体网格的矢量有限元法, 可以精确模拟地形和复杂地电结构.反演采用具有较高收敛速度的高斯-牛顿法.通过对理论模型分别进行地面瞬变电磁、半航空瞬变电磁单独反演及其联合反演, 验证了反演算法的有效性.通过对比不同装置的单独反演结果, 以及单独反演与联合反演结果, 分析了不同装置的探测能力, 并展示了联合反演可以有效压制反演多解性、提高反演结果分辨率的优势.

     

全空间条件下矿井瞬变电磁法粒子群优化反演研究

煤矿井下矿井瞬变电磁法(MTEM)探测中,电磁场呈全空间分布,全空间瞬变电磁反演是复杂的非线性问题,目前反演计算中全空间响应主要由半空间响应乘以全空间响应系数来得到,导致反演结果中顶板和底板异常(或前方和后方异常)叠加在一起难以分离,造成分辨率下降.论文提出采用粒子群优化算法(PSO)进行全空间MTEM反演,通过理论分析,在常规的粒子群算法基础上提出了一种新的进化公式改进策略,提高了粒子群算法的寻优能力.基于全空间瞬变电磁场理论,编写了粒子群算法反演程序,进行全空间条件下五层含巷道的复杂模型的反演计算.结合某矿井巷道顶板、底板岩层及断层含水性的探测实例,对实测数据进行反演计算和解释,探测结果得到钻探证实.研究表明,改进的粒子群优化算法对理论模型和实际资料的反演拟合程度较高,实现了矿井顶板、底板视电阻率异常的分离,提高了全空间瞬变电磁勘探资料的解释精度和分辨率.     

瞬变电磁虚拟波场成像方法及其对未爆弹探测的试验研究

未爆弹严重威胁人类的安全,瞬变电磁是一种对其有效的探测方法.探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法,计算了三维数值模型和水槽物理模拟数据的反演结果,取得了良好的成像效果.结合未爆弹探测的工程实例,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法的实用性和有效性进行了验证.研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够解决微小低阻异常体精确定位的难题.     

利用多通道瞬变电磁法识别深部矿体——以内蒙兴安盟铅锌银矿为例

多通道瞬变电磁法由于采用伪随机编码发射、最佳匹配相干解码技术,所以相比于传统时间域电磁方法勘探深度大且抗干扰能力强,是目前地面资源勘查领域的研究热点.针对内蒙兴安盟某铅锌银矿埋藏深度大等特点,首先根据矿区资料建立一维以及二维模型,数值计算脉冲响应并分析其特征,说明多通道瞬变电磁对于大埋深低阻异常体有良好的反映,随后通过多通道瞬变电磁技术对矿区进行实例勘查,数据处理过程中利用了反卷积的方法提取大地脉冲响应,根据轴向大地脉冲响应的峰值时刻计算视电阻率,通过对视电阻率进行全波形反演得到解释剖面,与测区钻孔资料对比分析证明,多通道瞬变电磁法是反映深部低阻异常体的有效手段.

     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.

     

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.     

地面磁共振与瞬变电磁橫向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法(Laterally Constrained Inversion,简称LCI),重点引入外推积分法(quadrature with extrapolation,简称QWE),解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

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.     

采集参数对音频大地电磁法二维非线性共轭梯度反演结果的影响研究

非线性共轭梯度(NLCG)算法广泛应用于音频大地电磁法(AMT)二维反演中,并且取得了良好效果.本文以Rodi(2001)提出的大地电磁法二维NLCG反演理论和算法为基础,开展AMT野外数据采集参数(测线长度、点距、频点数)对二维反演效果的影响研究.通过低阻理论模型的试验结果表明:野外数据采集参数的选择应该以探测目标体的规模、深度以及背景电阻率为依据,测线长度应大于目标体宽度和探测深度的两倍以上,异常体上方测点数及探测深度范围内的频点数至少大于三个.     

航空瞬变电磁法一维正反演研究

优化了航空瞬变电磁法一维正演算法,采用新的汉克尔变换系数,理论上提高了正演的精度.提出了航空瞬变电磁法一维反演算法——模型交替调整反演算法,阐述了该算法的原理和计算方法,编写出反演程序,以已知模型正演响应作为实测数据,对若干典型模型进行了反演计算,取得了较理想的反演效果,与Zohdy法相比,该方法有更高的精度.     

起伏地形下大地电磁L-BFGS三维反演方法

为推进大地电磁三维反演的实用化,本文实现了基于L-BFGS算法的带地形大地电磁三维反演.首先推导了大地电磁法三维反演的Tikhonov正则化目标函数以及Hessian矩阵逆矩阵近似表达式和计算方法,然后设计了一种既能保证空气电阻率固定不变又能保证模型平滑约束的协方差矩阵统一表达式,解决带地形反演问题.在反演算法中采用正则化因子冷却法以及基于Wolf条件的步长搜索策略,提升了反演的稳定性.利用开发的算法对多个带地形地电模型（山峰地形下的单个异常模型、峰-谷地形下的棋盘模型）的合成数据进行了三维反演,并与已有大地电磁三维反演程序（ModEM）进行对比,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了华南某山区大地电磁实测数据,得到该区三维电性结构,揭示了研究区以高阻介质为基底,中间以低阻不整合面和相对低阻介质连续分布,浅部覆盖高阻介质的电性结构特征,进一步验证了本文算法的实用性.

     

龙门山断裂带南段地壳电性特征: 来自速度结构约束下大地电磁反演的证据

龙门山断裂带区域内大震频发、构造运动活跃, 其地史演化与隆升动力学机制一直未有定论.2013年4月20日雅安大地震后, 于小金至雅安段布设了一条垂直于龙门山构造带长约200 km的大地电磁剖面.为了克服龙门山地形起伏影响, 同时增强大地电磁反演的垂向分辨率, 本文采用宽角折/反射地震走时反演获得的速度模型作为结构约束, 通过交叉梯度项引入大地电磁非线性共轭梯度二维反演, 实现了考虑地形的速度结构约束大地电磁二维算法.设计地堑-地垒模型进行合成数据反演试算, 结果显示基于速度结构约束的带地形二维大地电磁反演算法能够减少由地形影响引起的假异常, 同时对异常体边界轮廓的刻画更加清晰.实测数据未加地震资料约束的大地电磁二维反演结果, 具有明显"低-高-低"的宏观电性特征, 与前人结果基本吻合.本文将新算法应用于实测数据反演的结果表明: 松潘—甘孜地块下方包含两部分低阻异常带, 并有相互连通趋势.西侧低阻体埋深更深, 分布于15~45 km范围内, 顶部有通道延伸至地表; 东侧低阻体相对变浅, 向东逐渐延伸至高阻异常体之上, 具有向扬子地体逆冲推覆的趋势.龙门山构造带薄皮盖层下方大规模高阻异常体厚约50 km, 以Moho面为底界, 且呈现北西倾向的特征, 与人工地震资料推测的龙门山三条主断裂的深部延伸的产状一致.     

基于不同稳定泛函约束的大地电磁极值边界反演研究及其在高放废物处置库选址中的应用（英文）

通常基于不同稳定泛函的反演对目标体边界的刻画存在着差异,尤其对复杂地质构造。为此,本文提出了面向电性边界识别的基于不同稳定泛函的极值边界反演算法。首先选择最平滑、最小支撑两种稳定泛函研究自适应正则化反演算法对不同稳定泛函的适用性,然后通过引入极值边界反演算法,研发基于不同稳定泛函的电性边界识别技术。研究结果表明:自适应正则化反演方法适用于不同的稳定泛函,而且对初始模型的依赖性较低;极值边界反演算法得到的光滑和聚焦上下界并集的比值可以作为划分电性界面的有效依据。在此基础上,本文以内蒙古塔木素地区高放废物粘土岩处置库场址预选为例,将本文提出的反演算法应用于该区的大地电磁测深(MT)数据反演,利用光滑反演了解区域构造,利用聚焦反演了解局部细节,并结合地表地质和钻孔资料,基于地下地质体的电性边界的识别,圈定了目标层的厚度,得到的目标层的厚度满足高放废物处置库选址的要求。     

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.     

瞬变电磁法对隐伏岩溶探测的影响因素研究

发育于地下灰岩地区中的隐伏岩溶给隧道、桥梁以及高速公路等工程的建设与运行带来了极大的安全隐患.城市中常见的路面塌陷情况,多数也是由于岩溶发育导致.利用岩溶与其周围灰岩之间的物性差异,多种地球物理探测方法对隐伏岩溶结构进行有效探测.瞬变电磁法由于其探测效率较高、勘探成本低且对低阻异常体灵敏等特点,近年来在地下隐伏岩溶探测...     

瞬变电磁场的直接时域数值分析

为了深入了解瞬变电磁场的勘探原理,直接在时间域对负阶跃脉冲激发的二维瞬态场进行了数值分析.采用的方法是从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,源作为初始条件加入,利用准静态近似处理空中边界,然后进行时间的逐步递推,由此展现瞬变电磁场在地下扩散随时间发展的全过程.通过模拟计算不同时刻瞬态电场在地下的分布形态及地面上感生电动势相应的变化,揭示了低阻异常体对感应涡流的聚集作用,低阻覆盖层对瞬变场扩散的减速作用,及瞬变场的延时效应.因此,瞬变电磁法对低阻体是敏感的,有上覆低阻层时探测同样的深度需要较长的时间,而延时效应瞬变场的晚期时段可反映埋藏较浅的异常体.     

瞬变电磁场的直接时域数值分析

为了深入了解瞬变电磁场的勘探原理,直接在时间域对负阶跃脉冲激发的二维瞬态场进行了数值分析.采用的方法是从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,源作为初始条件加入,利用准静态近似处理空中边界,然后进行时间的逐步递推,由此展现瞬变电磁场在地下扩散随时间发展的全过程.通过模拟计算不同时刻瞬态电场在地下的分布形态及地面上感生电动势相应的变化,揭示了低阻异常体对感应涡流的聚集作用,低阻覆盖层对瞬变场扩散的减速作用,及瞬变场的延时效应.因此,瞬变电磁法对低阻体是敏感的,有上覆低阻层时探测同样的深度需要较长的时间,而延时效应瞬变场的晚期时段可反映埋藏较浅的异常体.     

基于L1范数的瞬变电磁非线性反演

瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理.