基于有限差分正演的带地形三维大地电磁反演方法

本研究实现了一套基于有限差分（FD）方法的大地电磁测深数据带地形三维反演算法及代码.其中,在大地电磁场正演数值模拟方面,开发了起伏地形条件下基于交错网格剖分、有限差分方法的大地电磁测深三维正演代码;在满足平面波场假设的前提下,使用长方体网格剖分模拟三维起伏地形,实现了带地形三维正演计算;并设计理论模型进行试算,经试算结果与前人的有限元法计算结果对比,验证了所研发的带地形三维正演计算的正确性与可靠性.在反演方面,本研究基于非线性共轭梯度方法编写了大地电磁测深带地形三维反演代码,试验了不同的共轭梯度搜索因子β,避免了目标函数对海森矩阵（参数二次导数矩阵）的显式计算和存储,初步实现了大地电磁资料的带地形三维反演.最后,对一系列理论模型进行正演计算,利用其生成的合成数据模拟实测数据进行反演,并与现有的不带地形大地电磁测深三维反演结果比较,检验了所研发的带地形三维反演计算的可靠性与稳定性.     

大地电磁三维正演并行算法研究

大地电磁法三维正演算法计算量大,用传统的串行程序计算相当耗时。而三维正演是逐个频率按顺序计算的,并行性好,适合并行运算。结合MPI自身的优越性,在深入分析大地电磁三维正演串行程序实现流程的基础上,确定了并行计算的思路,实现了三维正演的并行计算。通过三个理论模型对实现的三维正演并行程序进行了试算,分析对比了在多种情况下程序的执行效率。测试结果表明,所实现的三维正演并行程序运行结果正确,效率提高明显。此思路可为解决其它地球物理超大计算量问题所借鉴。     

任意各向异性介质中三维可控源音频大地电磁正演模拟

在一些地层层理发育的地区,地下介质存在显著的电各向异性,此时基于各向同性模型解释含各向异性效应的可控源音频大地电磁（CSAMT）测深观测数据会导致错误的结果.本文通过引入3×3的对称正定张量表征电导率各向异性,采用非结构四面体网格和矢量有限元方法离散电场满足的矢量Helmholtz方程,并将电磁场源等效为系列电偶极子,实现任意各向异性介质中CSAMT高效数值模拟.本文首先通过层状各向异性模型检验三维有限元算法的精度和有效性,进一步建立三维地电模型研究异常体各向异性和围岩各向异性对CSAMT响应的影响,最后使用视电阻率极性图来识别各向异性电导率主轴方向.数值模拟结果表明,各向异性电导率对CSAMT视电阻率幅值及分布规律都有很大影响,视电阻率极性图能够很好地识别各向异性主轴方向.

     

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.     

基于几何多重网格预条件技术的三维大地电磁高效正演模拟

几何多重网格法(GMG)将细网格上的大型稀疏矩阵的求解转化为较粗网格上的更容易求解的问题, 从而快速求解大型稀疏方程组.但是由于大地电磁法(MT)正演模拟中涉及双旋度算子, 传统GMG无法有效平滑高频误差导致其收敛慢甚至发散.为此, 我们引入了四色分块高斯赛德尔法(GS)作为平滑算法, 该算法局部满足电流散度为零的条件, 无需额外的散度校正且具有高度并行性, 可以显著提高GMG的收敛效率.但是随着系数矩阵各向异性(比如电导率的强烈变化等)增加, GMG收敛速度会变慢.Krylov子空间求解法如稳定双共轭梯度法(BiCGstab)可以改善这种收敛变慢的问题.因此, 在本文中针对交错网格有限差分法(FDM)提出了一种结合四色分块GS平滑算法GMG和BiCGstab的MT高效正演模拟方法.在该方法中, 将四色分块GS平滑算法GMG作为BiCGstab求解器的预条件技术, 从而显著提高正演效率.我们设计了一个层状电阻率模型, 通过与其解析解对比验证本文所提算法的正确性.然后设计了一个双异常体电阻率模型和一个Dublin模型1(DTM1), 基于BiCGstab, 对比了GMG预条件技术与其他传统预条件技术的数值表现, 如超松弛预条件技术(SSOR)、分块不完全LU分解预条件技术(block ILU)和高斯赛德尔预条件技术(GS).结果显示本文提出的算法在迭代次数, 计算时间和稳定性方面都远远优于传统预条件技术.对于所有例子, GMG预条件技术均能在10次以内达到收敛, 计算时间比传统预条件技术减少70%以上, 显示了本方法的稳定性和高效性.

     

复杂三维介质的大地电磁正演模拟

存在多个三维且不规则异常体的复杂模型,与实际地质模型更为接近,用有限单元法数值模拟计算无疑具有明显优势.但由于刚度系数矩阵为大型、不定且严重病态的,因此普遍存在求解效率低的问题.在引入不完全LU分解改善其条件数后,分析、比较了几种流行的Krylov子空间方法:CGS、BICG和BICGSTAB,得出BICGSTAB具有收敛平滑、求解速度快等优点,更适合于求解大地电磁三维有限单元法正演中的线性方程组问题.通过与一维模型解析计算结果的对比以及COMMEMI-3D模型的正演计算结果,验证了算法和编制程序的有效性,为后续构建大地电磁三维反演提供基础.     

基于空气地球分离策略的大地电磁三维正演

大地电磁正演常采用电场双旋度方程,由于工作频率低、空气电导率为零,电场双旋度方程含有空解空间,导致离散化的线性方程组严重病态、具有高的条件数.为降低大地电磁场双旋度正演方程的病态性,本文提出了一种基于空气与地球分离策略的大地电磁混合正演公式.首先,在空气层中将双旋度算子转换为Laplace算子,在地下利用电导率大于零的特征保留双旋度算子,建立空气与地下分离的混合公式系统,以便实现混合公式系统对应的离散化线性方程组条件数的大幅度降低.然后,在空气与地下分界面上,施加电磁场的切向与法向连续性条件实现空气与地下区域的耦合与信息交换,以保证电磁场分布的唯一性.再则,利用非结构化四面体网格离散技术来高精度模拟任意起伏地形和复杂地下三维地电结构,并结合节点有限元与棱边有限元法,高精度求解该混合公式系统.最后,利用国际标准大地电磁测试模型来验证该空气与地球分离算法的正确性,并展示其有效降低原有电场双旋度方程的病态性的能力.本文提出的空气与地球分离思想为寻求大地电磁最优化控制方程开启了新的求解思路,预计会产生更多、性能更佳的大地电磁混合公式,以便服务于大地电磁正反演技术的快速发展.

     

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.     

大规模三维大地电磁各向异性正演的非均匀网格外推多重网格法

大地电磁正演线性方程组求解的主要加速手段有并行技术和多重网格技术.传统的几何多重网格（GMG）方法依赖于均匀嵌套的正交网格,处理带跃变系数的问题时存在一定缺陷,且对各向异性问题需采用半粗化、线/面磨光等策略特殊处理,限制了GMG方法的应用.本文提出一种基于非均匀网格的外推瀑布式多重网格方法（EXCMG）,快速求解三维大地电磁各向异性有限元正演形成的大型复线性方程组.首先,对库仑规范下电磁耦合势满足的向量Helmholtz方程,由Galerkin加权余量法推导有限元离散系统,得到大规模、稀疏、复线性方程组.然后,从最密的非均匀正交网格出发,逐层粗化得到一系列嵌套网格;借助Richardson外推及Lagrange二次插值技术,设计非均匀正交网格下全新的多网格延拓算子;利用前两层网格上的数值解,构造下层密网上有限元解的高精度逼近,作为多网格磨光算子——复数域不完全LU分解预处理稳定双共轭梯度算法（BiCGStab）的迭代初值,加速收敛.最后,通过典型地电模型验证算法的精度和效率.数值实验表明,本文提出的算法适用于较宽频带,加速效果明显,相较于预条件BiCGStab方法,求解效率提升数十倍.本文算法能够求解上亿自由度的超大规模、强各向异性问题,且求解问题的规模越大,算法效率优势越明显.EXCMG算法有望在其他地球物理领域得到应用.

     

大地电磁法三维交错采样有限差分数值模拟

系统地论述了大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟算法实现过程中交错网格剖分、积分公式离散化、边界条件、方程组求解、三维张量阻抗的计算等内容. 由于提出了简洁的边界条件，采用了解大型系数矩阵方程组的双共轭梯度稳定解法，所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法具有迭代收敛稳定、计算精度高、速度快等特点. 通过两个理论模型的计算结果检验了算法的正确性和计算精度. 所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法为研究三维反演问题奠定了基础.     

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.     

基于模型空间压缩的大地电磁三维反演研究

本文提出了一种基于模型空间压缩技术的大地电磁三维反演方法.该方法在传统大地电磁三维反演理论的基础上,通过小波变换将待反演的空间域模型参数映射到小波域进行反演,获得小波域更新模型后再通过小波逆变换得到空间域反演模型.由于小波变换具有压缩特性和多尺度分辨能力,本文反演方法可在一定程度上提高反演分辨率.为了提高反演效率,我们针对基于L1范数的模型约束求解不易收敛的反演问题,提出了一种基于模型粗糙度的简单有效的预条件处理技术.为验证本文算法的有效性,本文首先对经典的"棋盘"模型进行三维反演测试.反演结果表明本文算法的反演效率与传统方法相当,但对于深部异常体具有更好的分辨能力.最后,我们通过对实测数据反演进一步验证本文算法的有效性.     

基于MNS技术的三维大地电磁场正演模拟方法研究

目前大地电磁三维正演模拟的主要问题是计算效率偏低.Pankratov等提出了一种精确的、稳定的和宽频的三维电磁场正演计算方法,并成功应用于大地电磁场正演模拟中.该方法使用体积积分方程法,利用改进的Neumann序列(MNS)技术来求解Maxwell方程,成功地避免了解大型的线性方程组.在本文中针对这一主要问题尝试引入了广义双共轭梯度法来迭代求改进的Neumann序列中的解,与传统的迭代方法相比可以提高迭代的效率.同时使用了将格林函数分解为两部分在波数域求解,这样比常规的利用快速汉克尔变换求解效率更高.最后试验了两个模型,并与三维交错网格有限差分法计算结果相比较,证明该方法的正确与有效,并且通过具体计算表明该方法在精度保证的条件下计算速度上具有明显的优势.     

基于BTTB矩阵的快速高精度三维磁场正演

本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重合.改进的算法具有以下三个特点：（1）采用无解析奇点的解析解公式计算磁异常,保证计算精度.（2）通过构造特殊的分块托普利兹（BTTB,Block-Toeplitz Toeplitz-Block）矩阵,利用其结构特性压缩核矩阵,并且用预先计算并存储中间变量,优化计算核矩阵的过程以提高计算效率.（3）基于BTTB矩阵的特殊性质,将核矩阵与磁化率向量的乘积转化为二维离散卷积的形式,因此能利用快速傅里叶变换进一步提高计算效率.模型实验显示,当剖分个数较多时,改进的快速正演算法比传统解析解方法快约5个数量级,比现有的8点高斯-快速傅立叶变换（Gauss-FFT）正演算法快约两个数量级,而且绝对误差极小（最大约为10^-6 nT）,同时将反演时核矩阵的内存占用降低约5个数量级,证明了该正演算法具有高精度、高效率、低存储量的优点.最后设计了一个合成模型实验,将改进后的快速正演算法运用到磁异常ΔT反演中,反演所得三维磁化率与真实模型特征一致,且大幅降低反演计算时间和内存占用,验证了快速正演算法的实用性.