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.     

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.     

三维地形直流电阻率有限元法模拟

基于稳定电流场的基本方程、三维区域满足的边值问题以及相应的变分问题,研究了三维起伏地形条件下电阻率的有限单元数值模拟算法. 离散积分区域时,以三棱柱为最小研究单元,推导了含有地形特征信息的三线性插值型函数以及单元刚度矩阵. 采用变带宽、一维数组方式只存储稀疏刚度矩阵中非零元素,能够节约内存. 利用Cholesky分解法只分解一次大型稀疏矩阵,通过回代可以求出方程组的全部解,当求解有多个供电点的测深问题时可以缩短计算时间. 模型计算表明,在水平层状介质模型上,三维计算结果与解析解或二维数值解十分吻合,计算精度满足误差要求. 在二维山脊上的二极剖面或三维山谷上的中间梯度剖面上,其三维计算结果与相应模型的土槽实验结果或边界元法计算结果也非常接近.     

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.     

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.     

空间-波数域三维大地电磁场积分方程法数值模拟

地球物理勘探中, 地下复杂地质体电磁场三维数值模拟计算量大、存储要求高.针对这一问题, 本文提出一种空间-波数域三维电磁场数值模拟方法, 该方法利用电磁场积分方程为卷积的特点, 将积分沿水平方向进行二维傅里叶变换, 将电磁场三维空间域卷积问题转换为不同波数相对独立的多个一维积分问题, 由此计算量和存储需求大大减少, 易于实现并行计算.采用有限单元法中的形函数进行一维数值积分, 一维积分离散为多个单元积分之和, 每个单元采用二次形函数表征电流变化, 可得出单元积分的解析表达式; 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导电率异常, 兼顾计算精度与计算效率, 优势之二是用形函数拟合求得积分的解析解, 计算精度和效率高; 最后引入压缩算子, 采用迭代求得电磁场的数值解.本文方法充分利用不同波数之间一维积分高度并行性、一维形函数积分的高精度及快速傅里叶变换的高效性, 实现电磁场三维高效高精度数值模拟.设计模型将本文方法数值模拟结果和软件INTEM3D的数值模拟结果对比, 验证了方法的正确性; 设计高阻和低阻异常体, 研究了异常电导率与背景电导率差异对迭代收敛速度的影响; 改变计算规模, 随着计算网格增多, 算法耗时与存储呈近似线性增长; 设计复杂模型与目前主流数值模拟方法对比, 本文算法速度快1个数量级以上, 且计算规模越大, 算法效率的优势越明显.研究结果表明, 本文提出的空间-波数域三维电磁场数值模拟方法理论和方法正确, 计算效率高, 对计算机存储要求低, 算法高度并行, 适合任意复杂条件大规模三维电磁场高效、高精度数值模拟.

     

大地电磁局部畸变异常特征三维数值模拟研究

局部畸变问题曾经困扰大地电磁资料反演解释几十年,大地电磁三维数值模拟技术的发展为剖析局部畸变特点和得到可靠的反演成像结果提供了技术基础。本文采用三维数值模拟成像方法对典型三维局部畸变模型进行模拟分析。三维数值模拟结果显示:电场分量垂直电性分界面的极化模式视电阻率曲线(对应二维情况下TM模式)在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移后下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移后上移,这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。三维模型中XY模式、YX模式视电阻率和相位在三维异常体附近的水平变化是呈现近似垂向对称的,该现象与电场垂直跨越电性界面时视电阻率的变化规律是吻合的,当测线分别沿X方向和Y方向展布时,三维情况下的XY和YX模式分别对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对区域构造响应的畸变影响比高阻小异常体要严重。低阻小异常体对二维区域响应的两种极化模式视电阻率和相位都有非常明显的畸变影响,相比较而言对TE模式的畸变要大于TM模式,因此我们在做二维反演解释时,可优先考虑拟合TM模式数据。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应虽然与对应真实二维区域响应的差异比较大,但可以等效于某种二维模型响应,这种由局部畸变造成的假二维响应在实际野外数据的解释中是需要注意的。     

有限差分法计算三维地形影响的电磁感应

用矩形网格的三维有限差分法计算研究地形对大地电磁测量的影响,作了3个数值模型计算:金字塔形模型、近似二维效果的山脊模型和两山峰间的峡谷模型．结果表明,用有限差分法研究三维地形的影响是可行的．      

层状介质中三维大地电磁模拟

本文发展了积分方程法用于层状介质中三维不均匀体的大地电磁模拟算法（简称MT）.分为二个步骤:第一步,异常体用等效的散射电流代替,通过层状介质中的格林函数,建立以散射电流为未知参数的积分方程;第二步,把求得的散射电流乘上相应的格林函数,即得地面上的二次电磁场,由此而计算出各种MT响应. 文中采用了数值滤波与插值、群变换以及格林矩阵带状化三个方面的数值处理方法,提高了计算效率.通过与已发表的三维MT计算结果对比及格林函数互易性检验,表明了该算法的正确性.在此基础上,进行了数值模拟,初步讨论了三维MT曲线的畸变特点.     

层状介质中三维大地电磁模拟

本文发展了积分方程法用于层状介质中三维不均匀体的大地电磁模拟算法（简称MT）.分为二个步骤:第一步,异常体用等效的散射电流代替,通过层状介质中的格林函数,建立以散射电流为未知参数的积分方程;第二步,把求得的散射电流乘上相应的格林函数,即得地面上的二次电磁场,由此而计算出各种MT响应. 文中采用了数值滤波与插值、群变换以及格林矩阵带状化三个方面的数值处理方法,提高了计算效率.通过与已发表的三维MT计算结果对比及格林函数互易性检验,表明了该算法的正确性.在此基础上,进行了数值模拟,初步讨论了三维MT曲线的畸变特点.     

地形对大地电磁测探（MTS）资料的影响

地形影响是山区ＭＴＳ工作的主要问题之一，对此做了理论分析并用均匀半空间表面二维地形模型进行了数值模拟，结果表明，地形影响不仅与ＭＴＳ资料的种类极化模式，场源电磁波周期及测点位置有关，而且不依赖于不同地形形态和尺度，此外，还根据悬崖模型计算，给出了关于地形影响范围的估计。     

地形对大地电磁测深(MTS)资料的影响

地形影响是山区ＭＴＳ工作的主要问题之一，对此做了理论分析并用均匀半空间表面二维地形模型进行了数值模拟。结果表明，地形影响不仅与ＭＴＳ资料的种类、极化模式、场源电磁波周期及测点位置有关，而且还依赖于不同的地形形态和尺度。此外，还根据悬崖模型计算，给出了关于地形影响范围的估     

大回线源内三维地形对电磁响应影响研究

我国地质地形条件复杂多样,地形效应研究与影响校正是电磁勘探数据处理与解释中的重要问题,忽略地形影响将造成数据解释的较大误差.为了避免复杂的地形效应,实际勘探中尽量将发射源与接收点布置在地形平缓处,但源内仍然可能存在水坑、空洞等小型地形对电磁响应造成一定影响.本文基于有限元法实现了频域、时间域电磁法三维数值模拟,构建了大回线源内含凹陷地形的多种勘探场景,分析了地形尺寸、填充介质变化对电磁响应的影响规律.文中通过与均匀半空间解析解、前人的块状高导体模型的数值结果对比,验证了基于有限元法的频域、时域电磁法三维正演的正确性和精度.在矩形回线源内构造了不同尺寸的凹陷区域,将凹陷区域填充空气、雨水介质模拟空洞和水坑,以均匀半空间响应为参考,定量考察了空洞、水坑对电磁响应的影响程度.研究表明,回线源内地形对电磁响应的影响主要反映在较高频段和时间域早期,水坑对电磁响应的影响显著高于空洞,在实际勘探中,应尽量避开水坑,而存在较小空洞时,可忽略地形效应.     

基于非正交网格的带地形三维瞬变电磁场模拟

本文采用非正交网格时间域有限差分（FDTD）算法开展带地形瞬变电磁场的正演研究,并提出了一种采用非等权投影的改进非正交网格算法,提高了带地形瞬变电磁场三维正演算法的精度.对不同地形模型的数值模拟结果表明,地形的深度、宽度以及地形与源的相对位置等都可能对瞬变电磁场产生影响.     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

数值模拟在地球动力学中的研究进展

本文主要针对有限单元法,对近10几年来数值模拟在地球动力学中的应用和发展作了回顾,分为构造应力场模拟;地幔热对流模拟;板块碰撞模拟;岩石圈流变学模拟;以及地震机制与预测模拟等部分.简单阐述了当前地球动力学数值模拟的发展趋势并论述了其面临的主要问题.     

大陆碰撞动力学的三维数值模拟

用三维有限单元模型模拟了印度—亚洲大陆碰撞在板内的力学效应。结果表明,印度板块北东方向的推挤力作用在亚洲大陆内造成逆断层和走滑断层型的应力状态,以及北西走向的平行的弧形应力等值线。岩石圈下伏岩层的塑性变形导致地壳变形范围扩大,垂直位移的水平梯度减小,应力传递的水平距离显著增加。在相对坚硬的地盾型构造区边缘,出现应力梯度较高的特征。对比了刚体水平挤入和低角度俯冲这两种大陆聚合模型,计算结果表明低角度俯冲是较合理的模型     

三维动态地形中瀑布的设计与实现

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起伏地形下线源频率域电磁场二维正演模拟

为了研究地形对线源频率域电磁测深测量结果的影响,本文介绍了起伏地形下的线源频率域电磁场的二维正演模拟方法.在正演模拟过程中采用有限单元法,首先为了模拟起伏地形,用三角形单元对研究区域进行网格剖分;然后再对每个单元进行线性插值、积分、总体合成;最后通过求解线性方程组得出地表的电磁响应.文章最后给出了山谷与山脊模型的数值模...     

华北地区三维构造应力场

根据最新的地质构造、地球物理、原地应力测量以及震源机制解资料,建立了华北地区三维构造应力场模型;对华北地区构造应力场的三维图象进行了模拟计算;分析研究了区域构造应力场的总体特征和局部分区特性;并讨论了华北构造块体的动力边界条件、活动断裂构造和地壳物性分区等因素对华北构造应力场的控制和影响．