FDTD数值模拟在GPR管线探测中的应用

探地雷达是一种非常重要的管线探测技术,为了提高地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高雷达资料的解释精度.论文从Maxwell两个旋度方程出发,推导了二维TM波的差分方程、CFL数值稳定性条件、频散关系.然后,基于Matlab平台编写了探地雷达正演的FDTD程序,应用该FDTD程序开展了管线探测中探地雷达探测效果分析,包括对管线埋藏深度、管线间距、管线内物质、管线材质等影响因素的数值模拟.通过分析雷达正演剖面特征,可以清晰了解并掌握雷达管线探测与各种影响参数之间的关系,对实际地下管线探测可起到指导作用.最后,将GPR应用于武广高速浏阳河隧道管线探测中,GPR准确地定位了PVC通迅电缆的位置在埋深,为工程施工与处置提供了依据.     

磁异常揭示的峨眉山大火成岩省的深部结构

峨眉山大火成岩省位于中国西南部,在晚二叠纪约260 Ma喷发出巨量的大陆溢流型玄武岩.对于大火成岩省的岩浆喷发,在地下必定有一个相应的大规模岩浆聚集和运移系统.地球物理方法是探测岩石圈内部的有效方式.峨眉山大火成岩省为镁铁质岩浆喷发,由于镁铁质-超镁铁质岩石一般具有强磁性,因此,在喷发结束之后,地下岩浆系统如果被镁铁质岩浆填充,冷却固化成为岩石圈的一部分,很有可能会引起磁异常.本文使用区域磁异常数据来对峨眉山大火成岩省的深部构造进行研究.该区域的磁异常由一系列离散的异常组成,通过3D磁化率反演可以得到磁性体的空间分布.由于磁异常中具有明显的剩磁,直接使用经典的反演方法会有较大误差,我们首先将磁异常转换为弱敏感于磁化方向的磁异常模量,再使用模量数据进行3D反演,得到地下空间内磁异常源的分布.经过分析认为这些离散分布的磁异常源反映了岩石圈内部的镁铁质-超镁铁质侵入体.侵入体的位置可能反映了底侵和内侵的镁铁质岩浆固化形成的侵入体,代表镁铁质岩浆房位置或者岩浆运移的主要通道.     

磁偶极子构造法球形磁性矿体磁异常正演

球形磁性地质体是地质勘探中广泛遇到的基本地质体之一,选择合适的磁异常分析方法对其磁场进行准确正演计算具有重要的意义.为了准确快速地求解球形磁性地质体磁场特征,本文提出了一种基于磁偶极子构造原理求解球形磁性地质体磁场的数值计算方法,对球形磁性地质体按半径由小增大进行多层单元分割,再对每层单元进行块单元分割,将每个块单元视为"磁偶极子",利用基本磁偶极子公式计算了所有块单元在探测平面(线)的磁场大小,同时分析了球体磁场的剖面特征,并将数值解与解析解结果进行了对比和误差分析,最后建立双球组合模型结合Comsol多物理场仿真工具对其仿真对比,验证了磁偶极子构造法求解球体磁场的准确性.研究结果表明:数值解法结果与解析解结果磁异常波动趋势完全一致;不同测点处绝对误差有所差别,但磁异常值均在1 nT以下.本文提出的数值解法无需复杂的数学推导,计算结果稳定可靠.     

基于共形辛Euler算法的非金属地下管道精细化高效探地雷达正演模型

我国城市地下管线种类繁多、规模巨大.近年来,因城市管网家底不清、位置不明导致的管道挖断事故频发.探地雷达(GPR)是目前最为有效的地下设施探测定位设备,通过对探地雷达回波信号进行反演分析,可获取管道埋深、位置等信息.然而,地下管道等地下圆形目标,传统正演模型中阶梯近似方法会产生一定误差.本文结合辛Euler算法与曲面共形技术,建立探地雷达电磁波在含非金属管道地下结构中传播的精细化数值模型,并通过图形处理器(GPU)加速技术进一步提升模型计算效率.数值模拟结果显示,共形网格技术有效降低了由于阶梯近似造成的虚假绕射波,并通过结合GPU并行计算,在不增加网格密度的前提下,实现了对地下管道电磁响应的高效精细化计算.     

地质雷达探测地下管线分类判别方法研究

随着城市化建设步伐加快,如何快速准确地确定地下管线的埋设情况及管道材质种类成为工程地质勘探重要的研究课题.本文通过时域有限差分法(FDTD),对地质雷达探测地下管线的成像进行正演模拟,分析了介电常数影响下金属管线与非金属管线的成像特征.在此基础上,进一步分析了地层与不同介电常数管线分界处的波幅特征,研究了不同介电常数情况下管-土分界面的波幅规律.在相同埋藏条件下,把不同目标体(管道)分界点的波幅与特定材质管道(介电常数为1)分界点的波幅A1的比值定义为相对波幅.根据相对波幅大小,可以分类判别地下管线材质,对于金属管线而言,相对波幅大于1.5,而对于非金属管线,相对波幅小于1.据此,提出了地质雷达探测地下管线时对金属材料与非金属材料地下管线进行分类判别的一种方法,并通过现场试验验证了该方法的有效性.     

坑道直流电阻率法超前探测研究

坑道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布.以无限大板状体为例求解全空间电场分布,提出探厚比概念以讨论超前探测极限问题.通过对比全空间与坑道内超前探测异常形态可知,坑道空腔只会影响极距较小时的视电阻率幅值,不会掩盖迎头前方地质体的异常响应.大量模型计算结果表明,电阻率异常极值位置与板状体位置之间的差异在5～10倍之间,且同时受到异常体厚度、电性以及板状体倾角的影响.仅利用电阻率极值位置准确解释超前探测异常的难度较大.     

沙堆内小型管线的探地雷达模型实验研究

地质雷达作为一种新的探测技术,广泛应用于城市管线探测、特别是非金属管道(直径Φ为150～400 mm)探测,取得了良好的效果,但是对小口径管道的探测研究不多.本实验是对埋于中等湿度、均匀介质沙堆内的Φ为40～150 mm的管线不同组合模型,进行900 M、600 M、200 M雷达反射波图像观测,探讨单管、双管、三管的图像特征,研究探地雷达图像的影响因素.研究结果显示:雷达探测的实际分辨率达不到理论分辨率;高频率天线图像精细,适合探测浅小的管线;管道充填水后,多次波明显增强;路面街砖会削弱雷达的管线异常信号,出现类似倾斜岩层等干扰信号;利用多次反射波可求得管径.本实验有助于我们在城市地下管线探测中能够快速准确地识别各类地下异常体的探地雷达图像.     

基于剩余异常相关成像的重磁物性反演方法

将场源区剖分成长方体单元,通过采集的重磁数据反演出这些单元的密度或者磁化率变化,勾画出场源的分布图像,这种方式是重磁三维反演的重要方向.重磁相关成像通过计算测量的重磁异常与地下各点在测区上的重磁异常的归一化相关,显示出异常地质体的空间赋存状态和等效剩余重磁物性.该方法计算速度快,方法简单、稳定,但是反演的结果只是在-1到+1之间的等效物性,不能够直接反演剩余密度或者磁化率,并且无法引入已知的地质约束.本文通过对物性模型的正演和实测结果的残差进行相关成像,迭代更新物性模型实现对物性参数的反演过程.模型实验证明该方法相对相关成像不仅能提高分辨率,还能够得到真正的物性参数.     

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.     

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.     

海水-地下水交换过程电阻率层析成像法监测效果模拟分析

近岸地下河口是海水-地下水交换的重要场所,对海岸带地下水环境产生重要影响.电阻率层析成像法作为一种实时、快速、高效的原位监测方法,能够刻画、描述潮汐过程不同阶段海水-地下水相互作用过程.为了探讨电阻率层析成像法对海水-地下水交换过程的探测效果,根据典型近岸地下河口水文地质模型和研究团队前期研究成果,构建潮汐过程不同阶段地层电阻率模型,模拟潮汐过程不同极距、不同探测装置条件下的理论探测效果.研究结果表明,使用ERT进行海水-地下水交换过程研究时,采用偶极装置取得的探测效果优于施伦贝格装置;目标异常体的尺寸与电极极距的比值越大,ERT探测效果越好.在本研究中,当目标异常体厚度-极距比大于等于0.55时,能够划分目标异常体的分布范围;当厚度-极距比大于等于1.1时,取得较好探测效果;当该比值继续增大时,探测效果变化并不明显.     

有限长圆柱体磁异常场全空间正演方法

在经典位场理论中,许多简单形体位场异常难以通过积分得到全空间的解析式.圆柱体是一类很重要的理论模型体,常用于模拟圆柱状地质体或非地质体(如管线),但目前还不能用解析公式正演有限长圆柱体在三维空间里的磁异常,而多是采用近似简化为有限长磁偶极子或线模型代替.对于有限长圆柱体,特别是半径相对于上顶埋深较大时,这种近似的误差不可忽略.本文利用共轭复数变量替换法,推导出有限长圆柱体在全空间的引力位一阶、二阶导数,利用Poisson关系得到磁异常正演公式,进而利用有限长圆柱体磁异常正演公式求解管状体的磁异常,得到不同磁化方向、不同大小的管线产生的磁场的特征,并将其推广到截面为椭圆的情况.最后通过模拟计算定量给出了将圆柱体近似为线模型的条件.     

磁总场异常垂直梯度三维相关成像

本文提出了磁总场异常垂直梯度三维相关成像方法,用于成像地下等效磁源分布.它首先将地下待成像空间划分为三维规则网格,然后直接计算每个网格节点磁偶板子在观测面理论磁总场异常垂直梯度与实测磁总场异常垂直梯度的互相关,其相关系数值表征等效磁偶极子分布(即磁偶极子发生的概率).理论长方体组合模型数据和实际某矿区磁测资料试验结果表明本文方法计算得到的相关系数值能基本反映地下的磁源分布,且分辨率明显高于磁总场异常三维相关成像的分辨率,也高于基于熵滤波分离异常的磁总场异常三维相关成像的分辨率.     

地下隐蔽水库的高密度电法探测研究

地下空间开发过程中,要尽量避开地下已建成的建筑物和市政设施,然而由于各种原因造成地下已建成的建筑物、市政设施等具体位置不明确,形成为地下空间开发过程中的障碍物,对设计和施工造成不利影响.高密度电法具有成本低,效率高,信息丰富,解释方便等特点,威为解决这些地下障碍物问题的物探方法之一.为了探测在地铁选线过程中遇到的地下隐蔽水库,选用了高密度电法进行探测,并且依据调研到的资料建立了正演模型.模拟结果表明高密度电法可以圈定地下隐蔽水库的边界范围.最终的探测结果和正演结果基本一致.这说明在地下空间开发过程中采用高密度电法探测地下隐蔽水库具有可行性,探测的结果能为设计和施工提供参考依据.同时,在探测实施时根据已知条件进行正演模拟有助于解译高密度电法实测结果.     

基于自适应多层快速多极算法的大规模磁法正演模拟

提出了一种基于非结构化四面体以及带地形模型的自适应多层快速多极大规模磁法快速正演算法.该算法弥补了传统积分方法采用FFT加速计算时不能采用非结构化网格的缺陷;同时采用自适应快速多极算法突破积分求和方法求解大规模磁法问题耗时长的突出问题.首先,采用非结构化的四面体网格剖分技术能够更好的模拟复杂模型以及带地形模型,实现磁法模型的高精度模拟;其次,采用一种自适应多层快速多极(AMFM)算法实现大规模磁法正演求解.通过将计算区域划分为近区和远区,对近区采用解析计算高精度求解,对远区采用自适应多层快速多极算法进行加速计算,假设有M个观测点,N个四面体源单元,可将计算复杂度由传统积分求和法的O(MN)减少到O(Mlog N).本文设计了组合体模型以及安徽怀宁地区的实际地形模型,模型计算结果体现了采用该方法进行大规模复杂模型三维磁法正演模拟的高效性和准确性.     

直流电阻率法高阻管道漏点位置的探测与分析

近年来,城区供水管道发生破裂的现象屡见不鲜,给居民生活造成了极大的影响,解决城市管道漏水问题迫在眉睫.文章采用异常响应更为稳定、解释方便、低成本的直流电阻率法,基于直流电阻探测方法原理,提出利用电位异常方法探测管道漏点位置技术.首先利用数值模拟方法研究了高阻管道漏点电位异常响应,采用有限差分技术,将漏点位置设为源点,分别计算表面位置沿x方向和y方向电位差,数值模拟结果表明,该方法可以有效地定位漏点位置.利用物理实验对理论数值模拟结果进行验证,在实验过程中,分别在地表面沿管道方向以及垂直管道方向进行电位差测量,物理模拟结果与数值模拟结果相吻合,表明该方法合理有效.与其他管道探测相比,直流电位方法原理简单,抗干扰能力强,异常响应特征明显.     

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.     

2013年3月3日洱源MS5.5地震前 地磁谐波振幅比异常研究

本文首先使用滇西北地磁台阵8个测点2012年6月1日—2013年5月31日记录的短周期地磁数据, 计算得到各测点的谐波振幅比时间序列变化曲线. 该曲线显示: 各测点的谐波振幅比Y_ZHy和Y_HD在2013年3月3日普洱M_S5.5地震前均呈显著高值, 发震前则刚好是由高转低再上升的一个转折点; 而谐波振幅比Y_ZHx没有出现类似的异常变化. 其次通过对台阵区地下电导率结构的定性分析, 对该计算结果予以解释. 对于地磁短周期垂直分量反相现象和威斯矢量分布的分析结果表明, 地下存在着近似南北走向的电导率异常带. 由于台阵区域Y_ZHy和Y_HD的异常变化代表南北向地下电导率变化和地下电导率不均匀, 因此谐波振幅比的变化与电导率异常带的分布一致, 表明谐波振幅比的变化与地下电性结构密切相关.      

钻井-地表电极联合电阻率观测装置的异常特征研究

本文利用有限单元法对多种钻井-地表电极联合电阻率观测装置在球体、直立板和水平板体等典型地质体模型上的异常响应进行正演计算,并分析其异常特征和分布规律.计算结果表明利用井中和地表电极的联合观测方式进行地下介质探测,可在兼顾地质体的水平分辨能力的同时,提高电阻率测深在垂向上分辨率.就水平分辨率而言,四极（偶极）装置对地质体的水平定位能力最强,井-地三极装置次之,地-井三极的分辨能力最差.就垂向分辨能力来说,各种观测装置的分辨率相差不大.     

基于MLS形函数处理边界的电阻率法有限单元正演模拟

电阻率法有限单元正演模拟中,采用第三类边界条件时为保证精度仍要求较大范围的计算域.无单元法为地球物理领域的新兴正演模拟方法,其计算效率低,但其中采用的移动最小二乘(MLS)形函数相比于有限单元法形函数具有良好的连续性,模拟精度高.本文将MLS形函数应用于电阻率法有限单元2.5维正演的第三类边界条件处理,提出电阻率法有限单元-移动最小二乘(FEM-MLS)耦合正演方法.通过不同正演方法的模型算例模拟结果对比,验证了本文算法的有效性,并讨论了各个参数选择对模拟结果的影响.本文数值模拟结果表明采用第三类边界条件时,在同等计算精度前提下,FEM-MLS耦合法相比于有限单元法可进一步缩小计算域并提高了计算效率,相比于采用较大计算域满足边界条件的有限单元法计算效率提高了约一倍,相比于采用相同小范围计算域的有限单元法平均精度提高了约一倍.