二维大地电磁测深的边界元与有限元耦合模拟

本文介绍了在大地电磁测深问题中边界单元和有限单元耦合模拟的具体过程。通过与解析解、标准大地电磁测深的模型曲线对比,证明了这个耦合方法能够有效地模拟大地电磁场的变化规律。它能够直接计算场的导数,提高辅助场值的计算精度,对保证实测视电阻率曲线解释结果的可靠性是具有重要意义的。此外,它既能灵活地处理地下非均质的电性结构,又能研究半无限空气域内的电场变化,这为解决E极化数值模型的边界选择提供了有效途径     

极光区离子分布函数视线方向上的解析解及其饱和现象

以弛豫碰撞模式下Boltzmann方程的解为基础，从极光区视线方向上离子的非Maxwell一维速度分布函数的Raman等人的积分解出发，导出了一维速度分布函数的解析形式解，给出了它的一些特性，并研究了该分布函数随电场增强而出现的饱和现象，给出了物理解释，计算了几种情况下的饱和电场值．     

极光区离子分布函数视线方向上的解析解及其饱和现象

以弛豫碰撞模式下Boltzmann方程的解为基础,从极光区视线方向上离子的非Maxwell一维速度分布函数的Raman等人的积分解出发,导出了一维速度分布函数的解析形式解,给出了它的一些特性,并研究了该分布函数随电场增强而出现的饱和现象,给出了物理解释,计算了几种情况下的饱和电场值．     

多次透射公式的一种稳定实现措施

基于对双曲偏微分议程数值解稳定性的GKS（Gustafsson,Kreiss and Sundstrom）准则的物理解释，本文提出了在波动模拟中多次透射公式飘移失稳的一个简单措施，并用波源问题和散射问题的数值试验检验了建议的稳定措施的有效性。     

张量感应测井视值解释方法的改进

三轴张量感应测井可探测地层电导率各向异性,Zhdanov et al.利用在横向各向同性均匀介质中测井响应的低频渐近式给出了由张量感应测井响应提取地层各向异性电导率和井孔倾角与方位角信息的解析公式,为张量感应测井资料解释奠定了基础.但是,他们给出的井孔倾角公式存在双值解的不确定性,其各向异性电导率解也不是最佳近似解.本文以更为简洁的推导和分析方法,给出了单值的井孔倾角解以及近似程度更好的各向异性电导率解,并通过数值模拟实例加以说明.本文的结果可为张量感应测井资料的视值解释提供更好的选择.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.

     

弹性各向异性介质岩石体波相速度计算

综述弹性波相速度计算的若干严格数值方法和近似解析方法,对数值算例及对不同方法作了比较.结果显示,不同数值方法得到结果一致,其适用于计算任意复杂各向异性介质岩石的相速度,但不便从物理意义的角度去分析物理参数对速度的影响;而近似解析解虽然精确程度各有不同,但是便于从物理意义的角度去进行速度分析,并在此基础上解析求取群速度这...     

海洋可控源电磁三维非结构矢量有限元数值模拟

本文实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.由于采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,该方法可以模拟复杂电性异常体和海底地形.一维模型的数值模拟结果表明,电场实、虚部均与解析解吻合得相当好,计算误差基本小于1%.二维模型的计算结果与已有的二维自适应非结构有限元模拟结果吻合很好.带地形模型的数值模拟结果显示,海底地形对电场影响很大,有可能掩盖海底油气藏产生的异常.     

二维SH波方程的半解析解及其数值模拟

本文以波动理论为基础, 半解析化求解地震勘探中常用的SH波方程. 获得的主要结果包括: 给出了二维均匀介质中SH波方程的解析解; 利用Cagniard-de Hoop方法详细推导了二维双层介质中SH波方程的解析解, 获得了透射波的解析解表达式. 同时, 基于SH波方程的解析表达式, 给出了包含各种波(如直达波、反射波、首波以及透射波)的解析解和波形图. 对于比较复杂的积分型解析解, 利用数值积分方法给出了数值结果, 并与优化的近似解析离散化方法(ONADM)和4阶Lax-Wendroff修正方法(LWC)的数值结果进行了比较, 以验证解析解的正确性. 本文的研究成果有望在检验波动方程数值新方法的有效性、波传播理论分析等方面得到应用.     

三维直流电场数值模拟的拟解析近似法:张量近似

拟解析近似方法是一种解决电磁场散射问题的快速求解积分方程的近似方法,它绕开了传统数值方法中的求解大型代数方程组或大型矩阵问题,适用于强散射和大扰动问题.本文应用孙建国提出的求解异常电场积分方程的张量拟解析近似理论公式,研究用其求解直流电场积分方程.利用接近实际的地电模型对异常电场进行模拟,研究了均匀场中异常球体的张量拟解析近似解;并对均匀场中的立方体异常体进行了数值计算.效果良好并具有很高的计算速度.研究结果为三维直流电场快速正反演模拟打下基础.     

基于电场总场矢量有限元法的接地长导线源三维正演

电磁场数值模拟的背景场/异常场算法是三维正演的有效策略之一,优点为采用解析法计算电磁场背景场代替场源项、克服了场源奇异性,缺点为不适用于发射源布置于起伏地表或背景模型复杂的情形.总场算法是直接对电磁场总场开展数值模拟,其难点是有效加载场源、保证近区与过渡区数值解精度.本文以水平电偶源形式分段加载接地长导线源,并以电场总场Helmholtz方程为矢量有限元法控制方程,实现了基于非结构化四面体网格剖分的接地长导线源频率域电磁法三维正演.通过与均匀全空间中水平电偶源产生的电场解析解对比,验证了本文算法的正确性,并分析了四面体外接圆半径与其最短棱边的最大比值和四面体二面角最小值对数值解精度的影响规律.通过与块状高导体地电模型的积分方程法、有限体积法和基于磁矢量势Helmholtz方程的有限元法数值解对比,进一步验证了本文算法正确性,同时说明了非结构化四面体网格能够更加精细地剖分电性异常体,利于获得精确数值解.     

陆地可控源电磁法三维勘探的激电效应影响研究

可控源电磁法(CSEM)的正演模拟与反演解释中常忽略激电介质的影响.本文基于电磁三维正反演开源平台ModEM,分别开展了陆地CSEM三维正反演以及考虑激电介质的陆地CSEM三维正演研究,并与一维模型解析解对比验证了三维计算的准确性.数值模拟结果显示,模型含激电效应与不含激电效应的电场E_x频率响应差异明显,激电效应会导致电场E_x幅值减小、相位增加,且对E_x的影响程度与激电异常体的频谱特性及观测的收发距均相关.合成数据的陆地CSEM反演结果显示,数据中含激电效应会使得反演出的异常体在深度、规模和电阻率值上都与真实异常体存在较大偏差,忽略观测数据中的激电效应会明显影响观测的准确性.本文研究表明当陆地CSEM三维观测资料中包含激电效应时,有必要考虑其影响.     

三维正交各向异性孔隙介质震电波场数值模拟研究

各向异性等介质物性参数会对震电波场的传播产生影响.为了定量研究介质物性参数对震电波场传播的影响, 本文首先研究了三维正交各向异性介质的震电耦合方程, 然后采用时域有限差分方法模拟了爆炸源在该介质中的震电响应.在数值模拟中, 首先计算地震波场, 然后把地震波场作为输入来计算伴随电场.为了验证数值算法的精度, 我们将数值结果与从Pride方程获得的解析解进行了对比, 结果表明数值解可以很好地近似解析解.我们设计了几种各向异性模型, 分析了介质物性参数对震电波场的影响, 结果表明爆炸源在各向异性孔隙介质中会产生四种地震波, 分别是快慢纵波和两个可分离的横波.产生的地震波都会在均匀各向异性孔隙介质中产生伴随电场.弯曲度对慢纵波的传播有影响, 当弯曲度为各向异性时, 慢纵波的波场快照为椭圆形, 当弯曲度为各向同性时, 慢纵波的波场快照为圆形.

     

活动断层水平位移监测数据数值分析模型

提供了一个解释活动断裂带水平运动特征的数值分析模型.它是以 Crouch(1976)关于无限大弹性体上存在一个位移间断的解析解为基础,充分利用大地测量和地质调查等资料,通过边界元方法构成的.在模型上实验的结果,表明用活动断裂带上的位移矢量捕捉地震前兆信息,必须紧密与地质调查相结合,否则不可能得到正确结论.该模型适用于分析走滑型断裂带,但是对于类似的情况,也可得到有参考价值的成果.     

雷暴下地面自然尖端电晕放电离子时空演化的数值模拟

为了对雷暴云下近地面的电特性进行分析，本文建立了模拟自然尖端所产生的电晕离子演化的一维数值模式。以地面电场为基础，考虑到地面电晕离子的演化，成功地计算了从地面至８００ｍ的空中电场及电荷、电流的时空演变，发现地面电晕离子可解释除雷暴云电荷影响外的空中电场和地面电场的差异，空间电场比地面电场更能反应雷暴电荷所产生的电场。空间电荷层可延伸到８００ｍ的高度上，且电荷密度可高达０．２５ｎＣ／ｍ^３，６００ｍ高度上的传导电流密度可达０．１ｎＡ／ｍ^２。     

沙尘暴电效应的实验观测研究

利用国内大型风沙物理风洞实验模拟沙尘暴电现象,研究风沙起电机理,结果表 明,不同风速下不同沙粒会产生不同极性的电场强度和电位效应,风沙电随风速增大而增强 ,且随沙粒度增大而减小. 在沙漠区的16m,8m,4m和1m高度上观测到27次不同沙尘暴天气 过程的电场和风速随时间变化. 结果表明, 在晴天4个高度上的电场均为小正电场值,电场 随高度降低而减小,最大电场强度在5kV/m以下,日风速变化对各层电场起伏没有较大影响 . 有沙尘天气,各高度上的电场强度随风速变化而变化. 16m高度上电场均为负值,平均值 为 -20kV/m;中层8m 电场一般为较高正电场值,达到10～40kV/m,与16m高度上电场呈反相 关;下层1m 电场值变化一般很小,在1kV/m以下. 在强沙尘暴天气4个高度上的电场均为负 电值,电场值随高度降低而减小,16m高度上最大平均电场强度达到-200kV/m以上,瞬时值 超过 -2500kV/m,与晴天电场矢量相反.     

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.     

基于精细积分法的三维弹性波数值模拟(英文)

波动方程有限差分法是地震数值模拟中的一种重要的方法,对理解和分析地震传播规律、分析地震属性和解释地震资料有着非常重要的意义。但是有限差分法由于其离散化的思想,产生了不稳定性。精细积分法在有限差分法的基础上,在时间域采用解析解的表达形式,在空间域保留任意差分格式,发展成为半解析的数值方法。本文结合并发展了以往学者的成果,推导了任意精细积分法的三维弹性波正演模拟计算公式,并对其稳定性进行了数值分析。在计算实例中,实现了精细积分法二维和三维弹性波模型的地震正演模拟,对计算结果的分析表明,精细积分法反射信号走时准确,稳定性好,弹性波场相较于声波波场,弹性波波场成分更为丰富,包含了更多波型成分(PP-和PS-反射波、透射波和绕射波),这对实际地震资料的解释和储层分析有重要的意义。实践证明,该方法可直接应用到弹性波的地质模型的数值模拟中。     

非均匀半无限介质中振荡电偶极子地表电场的数值模拟

以数值模拟方法对层状介质中振荡电偶极子电场进行了研究，结果表明：（1）在典型层状介质结构下，地表不可能观测到此种信号源产生的电场信息。（2）有断层存在时地表偶极子电场值可增大2－3个最级。在常见的地壳电性结构中，地表可得到零点几至几毫伏每公里的异常；在特殊电性结构中可达上百毫伏每公里，电场强度的最大点并不在震中，而是在断层带上，这表明地下介质的不均匀性一方面有利于地电异常的观测，另一方面也是引起地表电场异常出现复杂性的原因。     

电性任意各向异性且分块连续变化CSAMT三维有限元数值模拟

考虑地球介质电导率任意各向异性且随空间位置连续变化的情况,本文实现了直接求解电磁场的可控源音频大地电磁测深（CSAMT）三维有限元数值模拟.首先给出了电导率任意各向异性介质中CSAMT二次电场满足的控制方程及其相应变分问题,然后采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,在网格单元中对任意各向异性电导率进行线性插值,解决了实际工作中岩矿石电导率各向异性且连续变化的情况,将变分问题转化为线性代数方程组的求解.电导率各向异性且连续变化一维模型三维有限元数值模拟结果与电导率各向异性且分层均匀渐进模型解析解结果对比验证了方法的有效性;三维地电模型电导率随位置线性变化且各向同性、主轴各向异性、方位各向异性和倾斜各向异性的数值模拟结果表明,电导率各向异性且连续变化对CSAMT视电阻率和相位数据均有明显的影响.