起伏地形下偶极-偶极激电测深二维反演软件开发及应用

在有限元点源二维正演模拟中,采用第二类齐次边界条件结合相应的网格剖分技术,并将二维正演模拟程序引入到偶极-偶极激电测深二维反演中,编制相应反演程序并进行集成,形成集数据输入、反演计算、数据成图和结果输出为一体的二维反演软件。通过对起伏地形下的两个理论模型合成数据及一例实测数据的反演,反演结果表明反演软件有效。     

起伏地形大地电磁二维反演

为了适应地形起伏的实际地质情况,开展带地形的最小二乘二维反演研究。鉴于大地电磁（ MT）反演的不适定问题,引入Tikhonov的正则化方法,从而获得关于总目标函数的方程,利用光滑约束最小二乘法求解总目标函数方程。由于正则化因子值与反演精度以及稳定性相关,采用主动约束平衡方法获取最优化的正则化因子,以确保反演精度和稳定性都达到最佳。与此同时,利用电磁场互易定理以节省反演迭代过程求解雅可比矩阵的计算时间。构建了若干地质构造模型进行试算,分别讨论TE、TM模式以及二者联合模式的反演结果,并与前人研究工作对比以说明本文方法的反演效果。     

直流激电测深二维反演的若干问题研究

目前,激电数据的二维反演主要针对高密度激电数据,而对于常规的激电测深则很少涉及.据此,针对常规激电测深二维反演所涉及到的一些技术难点进行探讨.在正演过程中,根据实测数据实现有限元网格自动剖分,并采用双网格系统,用相邻节点电导率双线性连续进行有限元模拟,并对模拟的误差进行校正.在反演过程中,利用互换原理和Broyden的方法计算偏导数矩阵;采用与奇异值分解算法精度相当的共轭梯度算法求解偏导数矩阵方程.最后通过对模拟数据和实测数据进行反演试算,验证本计算方法是可行的.     

起伏地形条件下的磁异常二维聚焦反演及应用

地形对磁异常的反演和解释有很大的影响,特别是磁异常体贴近地表分布时更是如此,为了降低这种影响,笔者推导出了基于有限延深的二度厚板状体的带地形的磁异常正演公式,并提出了一种基于起伏地形的地下网格模型剖分的新方法。同时,聚焦反演对物性体有很强的聚焦效果,如果能够预先判断磁异常主要由地下浅层的强磁性体所引起,则可以考虑采用聚焦反演的方法得到磁性体的位置,显然这种方法非常适合铁矿体的反演。笔者将带地形的二维磁异常正演与聚焦反演结合起来,进行了相应的模型试验,并与水平地形下的聚焦反演及起伏地形下的光滑反演进行对比,验证了这种结合的有效性。最后,将该方法应用于新疆特克斯的磁异常剖面,对该剖面的磁性体分布做出了合理的解释。     

起伏地形下复电阻率法25维反演研究

复电阻率法以岩、矿石的频谱参数特性为勘探依据,多种参数的组合解释能为评价异常源的性质提供更为丰富的信息。但其反演问题一直没有得到较好地解决,已经严重地影响和制约了该方法的应用和发展。本文由频率域电磁场的偏微分方程出发,结合Cole-Cole数学模型进行公式推导,并利用有限单元法实现了复电阻率2.5维正演模拟,能够计算起伏地形条件下包含电磁效应的复电阻率响应。在此基础上,提出了利用多个排列的视电阻率和视相位数据的复电阻率反演方法,并在反演方程中加入了Occam法的光滑模型约束,能够对复电阻率参数直接进行大规模的全区反演,有效减弱了SIP反演中欠定性严重的问题。通过理论模型的反演算例表明,该方法能够快速、准确地反演出二维地质断面上所有单元的4种复电阻率参数,从而验证了该反演算法的正确性与稳定性。     

电偶源频率电磁测深二维层状模型参数化反演

本文在大地电磁测深松弛（ｒａｐｉｄ）反演理论方法的基础上，探讨了电偶源频率电磁测深（赤道装置）阻抗视电阻率的二维反演问题。由二维层状模型反演目标函数的近似简化出发。将全剖面的二维反演约化为沿剖面各测点的逐一测点一维反演，从而构制了一个简易可行的二维层状模型参数化反演方案。反演试验表明，这一反演方法是实用和有效的     

二维直流电阻率测深曲线的快速反演

本文采用作者提出的一维直流电阻率测深的直接反演公式,结合二维正演和渐近迭代反演,推出了一种二维直流电阻率测深的快速反演方法,经实际应用,效果很好。     

基于二维电测深数据作三维反演的基岩探测

在城市基岩面探测时,受到城市交通、电磁等严重干扰的制约,常选用直流电测深作为主要物探方法。二维电测深剖面沿测线排列电极,采集视电阻率数据后进行二维反演,用所获得剖面方向上的二维电阻率断面图像推断地质体的位置及产状。但由于复杂的实际情况并非适合二维反演条件(走向无限延展并与测线正交),二维反演会产生较大误差。为此,可试用测区多剖面二维电测深数据作三维反演,获得测区三维电阻率立体图像,推断地质体分布的空间形态。在山东某市地质调查中,布设点距50 m、线距为100 m电测深测网,采集二维对称四极测深数据。对该测区二维电极排列建立三维反演数据格式后,进行三维电阻率反演,获得测区三维电阻率图像,推断的基岩面与钻探验证基本一致。     

用剩余信息量最小准则实现直流电测深数据的二维自动反演

自Pelton等发表第一篇直接电测深数据的二维反演文章以来，电测深数据的二维反演解释已广泛应用于资源勘探和环境监测，并取得一定效果。然而，由于该方法中加入了人为确定的平滑约束，其反演解释结果具有很大不确定性，使其在实际生产中普及应用受到限制。因此，如何在现有方法的基础上进一步改进完善成为该方法普及应用的关键。为了使反演解释结果既忠于实测数据，又合理地反映地下介质的变化，作者在本文中讨论了基于最大熵谱原理的剩余信息量最小准则实现电测深数据的二维自动反演。作者在文中还介绍了正演计算和偏导数求取中，提高精度和计算效率的技巧。用三个数值模式算例对本文的自动反演方法进行了验证。数值模拟结果表明，基于剩余信息量电小准则的二维自动反演给出的解释结果基本不受人为因素影响，能反映地下介质电阻率的详细变化。     

起伏地形重磁三维快速正演计算

正演是反演技术的基础,正演速度和求解反演问题的系数矩阵存放一直是起伏地形下重、磁三维反演的关键技术问题。这里提出了一种起伏地形下重磁快速正演计算方法,其计算原理是根据反演在垂向的剖分层数,利用水平地形正演计算形成二个不同大小刻度标尺矩阵,然后在模型空间,使用分段线性插值的方式,直接计算出起伏地形观测点的正演值。该方法的主要特点是在保持很高的计算精度下计算速度可提高二倍,且节省计算内存,适合起伏地形下重磁三维反演技术研究。     

自然邻点插值算法及其在二维不规则数据网格化中的应用

由于观测数据的不足,对不规则散点数据的二维插值在地球物理中应用非常广泛。这里研究并实现了自然邻点二维插值算法,并以一个大地电磁测深反演数据为例,验证了该方法的可行性与效果。实际资料试算与成图结果表明,该方法具有精度高、插值效果好、速度快以及便于模拟地形数据等优点。     

邻近算法在一维大地电磁反演中的应用

总结了大地电磁法( MT)中常用的各种反演算法,并指出其局限性。对邻近算法( NA)加以概述,并将其引入MT反演中。对一维MT合成数据进行反演分析,得到的最大似然模型十分接近理论模型。虽然NA与遗传算法( GA)抗陷入局部极小值的能力大体相等,但NA算法生成的采样点分布密度与误差函数大体一致,因此NA更有利于应用基于积分的参数估值方法。本研究表明,NA收敛速度比GA更快。这说明在一维MT反演中,NA算法比GA算法更具优势。     

大地电磁测深三维反演系统及应用

大地电磁测深是基于电磁感应原理,在地表采集正交的电、磁场来研究地壳乃至上地幔电性结构的地球物理方法,后期衍生出采集高频天然场信号的音频大地电磁测深和采集人工源信号的可控源大地电磁法。此类方法在深部构造研究、矿产资源勘查、油气资源探测等多领域得到了广泛应用。近几年来,虽然其野外工作趋近三维勘探水平,但其采集数据的处理和三维反演研究仍然存在不足,限制了地质解释的准确度和效率。针对这些问题,我们开发了大地电磁测深的三维反演软件系统,系统主要分为静位移校正、三维反演的初始模型构建和三维反演3个模块,有效地解决了数据处理中的静位移问题和数据解释中的三维反演问题,并且其中涉及的很多算法改进了现有技术,在计算精度、计算效率和成本节约方面有很大优势,具有良好的应用前景。     

带地形的ZTEM倾子资料三维正反演研究

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种新型频率域航空天然场源电磁法,该方法采用倾子作为研究参数,可用于起伏地形下的大规模地质勘探.本文在对TEM三维有限差分正演和数据空间OCCAM反演算法研究的基础上,考虑地形起伏的影响,研究了带地形的频率域三维ZTEM正反演算法.首先,对起伏地表下ZTEM正演算法的准确性进行了验证,计算和分析了纯地形的ZTEM三维异常响应特征.其次,通过对山峰和山谷地形下低阻棱柱体合成算例的反演分析,表明带地形的ZTEM数据空间OCCAM反演算法能够获得比较接近真实导电性结构的地电模型,尤其对地下目标体的横向边界具有理想的约束效果.最后,与不带地形的ZTEM反演结果对比,验证了所开发的带地形ZTEM倾子资料反演算法的有效性.     

二维接触问题的互补算法及工程应用

接触问题是一种常见的非线性问题,如何能够很好地模拟接触面的变形及受力特性,以及实现对变形体间的接触问题的真实模拟是该领域研究的难点问题。基于二维接触问题的实际物理意义,分别在法向和切向建立等价的互补模型。用非线性互补函数（NCP）中的Fischer-Burmeister（FB）函数将互补函数模型转化为非光滑方程组表达,用常规的Newton法求解。同时,基于高斯积分法可以用较少的积分点达到较高的精度,为了进一步提高求解精度,改善不连续的通病,对面-面接触模型在高斯点上对接触面进行处理,可通过调节积分点数目对求解精度进行控制,方法易于理解,实现方便。在此基础上建立二维接触有限元模型,通过一系列工程算例验证该方法的可行性与有效性。结果表明,与ABAQUS有限元的计算结果相比,该方法有着较高的精度,更真实地反映问题的实际。     

岩体结构面面密度的数字化统计方法及其应用

岩体结构面密度是结构面三维网络模拟的基本参数,一般是在现场通过测窗法人工记录、统计计算得到,效率较低,易出错。为此,提出了一种可以由计算机完成结构面面密度统计估算的数字化方法。该方法主要包括三个步骤:建立结构面迹线及露头面三维数字模型(简称迹线三维模型);自动布置数字化矩形及圆形测窗;基于数字化测窗自动计算结构面面密度。将其应用于甘肃北山调查区域,验证了Mauldon估算理论的准确性,发现以双参数负指数分布函数拟合面密度分布一般具有良好的效果。实践证明,该数字化统计方法可高效准确地完成大量结构面面密度的统计工作,有很好的应用前景。     

具有复杂计算域和地形的潮汐流动数值模拟

采用无结构网格上的Roe型二阶精度迎风型FVM格式的有限体积方法对具有复杂计算域和地形的胜利油田海域的潮汐流动进行数值模拟。为保证Roe格式能够应用于复杂地形条件下的计算,采用Ropers格式来解决通量梯度项与源项的平衡问题,对摩擦力源项采用分步法求解以增加格式的稳定性。应用此方法对地形复杂的胜利油田海域进行了实际模拟,数值计算结果和实测结果吻合较好。     

Inversion of quasi-3D DC resistivity imaging data using artificial neural networks

The objective of this paper is to investigate the applicability of artificial neural networks in inverting quasi-3D DC resistivity imaging data. An electrical resistivity imaging survey was carried out along seven parallel lines using a dipole-dipole array to confirm the validation of the results of an inversion using an artificial neural network technique. The model used to produce synthetic data to train the artificial neural network was a homogeneous medium of 100Ωm resistivity with an embedded anomalous body of 1000Ωm resistivity. The network was trained using 21 datasets (comprising 12159 data points) and tested on another 11 synthetic datasets (comprising 6369 data points) and on real field data. Another 24 test datasets (comprising 13896 data points) consisting of different resistivities for the background and the anomalous bodies were used in order to test the interpolation and extrapolation of network properties. Different learning paradigms were tried in the training process of the neural network, with the resilient propagation paradigm being the most efficient. The number of nodes, hidden layers, and efficient values for learning rate and momentum coefficient have been studied. Although a significant correlation between results of the neural network and the conventional robust inversion technique was found, the ANN results show more details of the subsurface structure, and the RMS misfits for the results of the neural network are less than seen with conventional methods. The interpreted results show that the trained network was able to invert quasi-3D electrical resistivity imaging data obtained by dipole-dipole configuration both rapidly and accurately.     

Inversion of potential field data

The problem of inversion of potential field data is a challenging one because of the difficulty in obtaining a unique solution. This paper identifies various types of nonuniqueness and argues that it is neither possible nor necessary to remove all categories of nonuniqueness. Some types of nonuniqueness are due to human limitations and choice and these would always persist. Listing all the solutions, imposing additional constraints on the acceptable solutions, a priori idealization, use of a priori or supplementary information, characterizing what is common to all the solutions, obtaining extremal solutions, seeking a distribution of all possible solutions, etc. are various responses in the face of nonuniqueness. It is shown that merely the form of nonuniqueness is changed by all these techniques. Some algorithms, which should be used to obtain the global minimum of the objective function are discussed. The conceptual commonality underlying seemingly different approaches and the possibility of nonunique interpretations of the same numerical results due to different axiomatic contexts are both elucidated.