三维瞬变电磁近似反演

根据烟圈理论,将发射源在地球中感应的电流线看成是随时间向下扩散的烟圈,称之为发射源象．将源象在地表的磁场和源附近测得的响应磁场相对比,确定源象深度,由此用三次样条插值法求出源象扩散速度,并与均匀半空间中烟圈向下扩散的速度进行对比,从而近似估算出随深度变化的电阻率．本文主要讨论圆形回线发射源情形,编制出相应的近似反演程序,并对一维层状理论模型和实测资料进行反演试验．     

定源回线瞬变电磁法在煤矿富水区调查中的应用

瞬变电磁法(TEM)广泛的应用于煤矿富水区勘探.本文基于富水地层的电阻率相对不含水地层呈现低阻的地球物理前提,利用定源回线瞬变电磁法对鄂尔多斯盆地某煤矿进行富水区勘探.分别抽取了底板平面、地板平面上延50米和下延50米的视电阻率平面等值线图,进行断面图和平面图的共同解释,依据电阻率的高低分析富水异常区的分布规律.推测工区底板上覆地层的富水区面积小于下伏地层的富水区面积,富水区的走向大致呈南西、北南方向,随着层位深度的加大,富水区的连通性变好.推测勘探区的西北部有大片的富水区,在勘探区的西南部存在两处较小的富水区域.     

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.     

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.     

瞬变电磁数据L-PSO反演方法

本文针对粒子群优化算法(PSO)搜索步长短的问题,提出将Lévy flight搜索策略引入其中.利用Lévy flight兼具短距离搜索与偶尔长距离游走的特点,在不降低PSO算法收敛效率的情况下赋予其大步长游走能力,提高了PSO算法搜索全局最优的能力,极大增加了PSO算法飞出局部最优的概率.最后本文将L-PSO算法应用于实际资料的反演中,结果表明L-PSO算法适用于瞬变电磁法的一维反演.

     

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.

     

回线源瞬变电磁法的三维正演研究

本文利用矢量有限元法对回线源激发的瞬变电磁场进行了三维数值模拟.根据瞬变电磁场扩散的“烟圈”原理,H型和K型地电模型可近似看作埋置于均匀半空间中的水平板状体地电模型,称为准H型或准K型地电模型.在准H型地电模型中,采用了3种不同的网格剖分方案;从方案1至方案3,水平低阻板状体范围不断扩大,逐渐接近于H型地电模型.中心回线瞬变电磁法的数值模拟结果表明:在12.8 ms以内,不同网格剖分方案矢量有限元法解与一维解析解相对误差均在5％以内;在19.2 ms时,三种网格剖分方案的相对误差依次为12％、5％和2％左右.再利用准H型和准K型地电模型对大回线源激发瞬变电磁场的数值结果进行了验证,结果表明:两种地电模型矢量有限元法解均满足精度要求,但准K型地电模型数值精度更高.最后对直立低阻薄板地电模型进行了数值模拟,取得了与物理模拟一致的感应电动势曲线形状.     

大地电磁三维反演方法综述

大地电磁测深（MT）资料的三维正、反演问题,已成为国际地球内部电磁感应领域研究的前沿课题.文中从算法思想方面简要地介绍了当前国内外MT三维反演的几种主要方法,探讨了今后MT三维反演研究的方向.     

瞬变电磁法三维模型数据的一维反演效果研究

目前国内瞬变电磁数据处理与解释主要停留在一维阶段,但实际数据均来自地下三维结构.针对这一现状,本文采用三维有限差分正演程序生成三维模型的瞬变电磁数据,然后利用Levenberg-Marquardt(LM)方法对数据进行一维反演,以探讨三维模型数据的一维反演效果.大定源回线数据的一维反演结果表明,当水平尺度足够大时,在测点范围内能获取异常体的准确信息,而随着异常体水平尺度的减小,所获取的异常响应会逐渐减小,测点范围内的异常体结构恢复程度也会逐渐降低,尤其当异常体水平尺度明显小于大定源尺度时,所获得的异常响应比较微弱,且单纯增加异常体的垂直尺度并不能增强异常响应.而由异常体三维效应引起的反向异常则会随着异常体水平尺度的减小而先增大,而后随着总体异常响应的减小而减小.中心回线与大定源回线一维反演结果对比表明,中心回线反演可能得到更强烈的异常响应,但对于削弱三维异常体所引起的反向异常可能没有效果,反而可能在获取更强异常响应的同时进一步放大这种反向异常.要使一维LM方法获取与真实异常体比较接近而反向异常比较弱的一维反演结果,可能需要异常体水平尺度相对异常体垂直尺度、异常体的埋深、发射线框的尺寸均比较大.     

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...     

核磁共振与瞬变电磁三维联合解释方法

传统核磁共振地下含水量解释多采用基于均匀半空间或层状导电模型的一维反演, 分层给出地下含水信息.然而, 这些方法忽略了地下复杂电阻率分布信息对结果的影响, 也不能很好地反映局部三维含水构造.本文从三维电介质中核磁共振响应的正演理论出发, 提出首先利用瞬变电磁数据进行基于等效导电平面法的快速电阻率成像, 然后将成像结果作为核磁共振三维反演的电性模型, 进行联合解释.激发磁场的分布采用有限元法直接求解, 通过引入伪δ源实现电流源的加载, 并强加散度条件排除了三维磁场模拟中"弱解"的影响.针对核磁共振灵敏度矩阵的病态性和数据中存在的干扰信号, 提出考虑罚项的非线性拟合目标函数, 利用线性化方法进行核磁共振反演.模型数据表明该方法能较准确反映地下三维含水构造, 实测算例进一步证明了方法的有效性.本研究将促使核磁共振方法在岩溶、裂隙水、孤立水体等复杂水文地质条件及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

电性源地-井瞬变电磁法三分量响应特征分析

地-井瞬变电磁法是在地面发射,井(钻孔)中接收的装置形式,能够利用已有钻孔使接收探头深入地下更加接近矿体,获得更加可靠的目标体信息.文中针对复杂地形地区矿区深部找矿面临的实际问题,提出了电性源地-井瞬变电磁法的思路,并以FDTD正演模拟来研究均匀半空间瞬变场的空间分布以及一维、三维模型钻孔中的三分量瞬变响应特征,以期获得理论模型三分量响应特征规律,为实际勘查提供参考.理论模型计算结果表明,电性源地-井TEM方法三分量瞬变响应曲线对于电性界面、异常体具有良好的反应.     

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。     

地球物理三维电磁反演方法研究动态

正1研究现状地球物理电磁数据三维反演具有非线性、欠定和大尺度等特点,是非常难求解的最优化问题.过去20年,随着数值方法不断成熟和计算设备快速发展,地球物理电磁三维反演技术取得了巨大进步,多个基于正则化思想的三维电磁反演代码被成功开发并广泛应用于生产和科学研究.电磁数据三维反演的发展主要围绕以下几个方面.     

瞬变电磁长短时记忆网络深度学习实时反演方法

瞬变电磁一维反演方法对初始模型依赖大,对异常体边界反映不清晰,计算速度也难以达到实时化水平.为此,本文开展基于深度学习的瞬变电磁实时反演方法研究,提出在非观测时间段进行反演训练,而在观测时间段进行实时精细成像的瞬变电磁长短时记忆网络反演策略.以正演模拟获得的海量采样时间-视电阻率为输入数据,基于长短时记忆网络构造Seq2seq编码器-解码器模型,并针对瞬变电磁反演的问题特性,对decoder的结构进行适应性更改,同时加入Bahdanau Attention机制突出重点信息作用,获得深度-电阻率输出数据.将该反演网络应用于随机生成的数万组以上三层和五层地电模型,测试组三大衡量指标标准差均小于10%,验证了本文算法的可靠性,在此基础上,构建了接近实际的两组含局部异常体模型,将该反演网络进一步用于三维数值模拟数据,取得了对异常体边界反映清晰的成像结果,且计算速度均小于1 s.

     

直升机航空瞬变电磁自适应正则化一维反演方法研究

本文以中心回线式直升机航空瞬变电磁法为例对时间域航空电磁资料的一维反演算法进行理论研究.由于时间域航空电磁反演问题是典型的不适定问题,多解性严重且稳定性能较差.为此,论文使用Tikhonov正则化反演方法进行一维解释,可以得到用最光滑模型、最平坦模型和最小构造模型约束条件下的反演结果,而正则化因子是根据各次迭代的数据目...     

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.

     

基于电场Helmholtz方程的回线源瞬变电磁法三维正演

正演是电磁法勘探野外工作参数选取、室内资料处理与解释的基础,精确、稳定、高效的三维正演算法尤为重要.本文采取先求解拉普拉斯域电场、再由Gaver-Stehfest算法获得时间域磁场的思路,基于电场异常场Helmholtz方程实现了交错网格有限差分法和有限体积法对回线源瞬变电磁法的三维正演.通过对比低阻块状体的积分方程法、时域有限差分法、矢量有限单元法和SLDM法的数值解,验证了交错网格有限差分法和有限体积法的正确性.由于交错网格有限差分法、有限体积法和基于矩形块单元的矢量有限单元法将待求电场均定义在矩形块单元棱边上,因此三种数值算法可采用相同方法进行电场待求量编码、计算背景场和后处理.然而,与矢量有限单元法相比,交错网格有限差分法和有限体积法的系数矩阵更加稀疏,求解效率更高.通过对水平低阻板状体三维模型的数值模拟,我们发现本研究中交错网格有限差分法比有限体积法精度更高;再利用一维解析法求解相应三层层状地电模型的感应电动势,我们还发现两种数值算法和一维解析法计算的感应电动势等值线形状吻合程度高,只是数值范围略有差异.     

瞬变电磁法同一回线和“8”字形回线对比研究

对同一回线和"8"字形回线进行实验对比研究.采用控制变量法对两种装置进行了多方面实验对比,并在同一实际工作区域运用同一回线和"8"字形回线进行实地测量,分析数据质量,对比解释成果.比较二者在地面瞬变电磁勘探应用中的优劣.得到结论:1)"8"字形回线比同一回线有更好的信噪比.2)"8"字形回线装置在抗干扰能力优于同一回线装置,晚期信号的稳定性优于同一回线装置.3)关断时间相同的情况下,同一回线比"8"字形回线有更好的分辨能力,能获得更加丰富的浅层地质信息.4)在信号的灵敏度反应方面,"8"字形回线不如同一回线装置.5)在深大断裂构造或者目标体跟围岩电阻率差距较大的地区可以采用"8"字形回线.     

瞬变电磁三维FDTD正演多分辨网格方法

瞬变电磁三维时域有限差分（FDTD）正演的网格剖分受最小网格尺寸、时间步长、边界条件、目标尺寸、模型尺寸等的影响,结构化网格一直存在最小网格尺寸受限于异常目标尺寸的矛盾;尽管非均匀网格能够在保证模型尺寸的前提下尽可能的降低网格数量,但由于Yee网格结构的限制,非均匀网格不能无限制的扩大单一方向的尺寸,这是为了避免边界网格区域出现长宽比过大的畸形网格,影响计算精度甚至导致结果发散.在非均匀网格剖分的基础上,本文提出了瞬变电磁三维FDTD正演的多尺度网格方法,即首先使用较大尺寸的粗网格进行第一次剖分,然后在希望加密的区域进行二次剖分,使计算域中包含粗、细两套网格.尽管细网格包含在粗网格内部,但其具有Yee网格的全部属性,因而可以在网格中设置不同的电性参数模拟不同形状的目标.基于Maxwell方程组推导了细网格内电场和磁场的迭代公式,基于泰勒展开给出了设置粗、细网格后产生的内部边界条件,使电磁场的传播在粗、细网格和时间步进上得到统一.采用均匀半空间中包含三维低阻异常的经典模型和三维接触带复杂模型进行精度验证,发现多分辨网格方法计算结果满足精度要求.使用"L"型异常模型计算采用多分辨网格方法和不采用多分辨网格的传统FDTD方法对比计算效率,发现多分辨网格算法能够显著提高计算效率,并能够保证计算精度.