CSAMT全区电阻率法数值模拟及应用探讨

常规的可控源电磁法理论在计算视电阻率公式上,多半采用其电磁场的渐近特征,难以直接反映全区视电阻率的值,及直观地显现地下介质的地质构造.文中采用水平偶极子激发的电磁场,提出了电场的全区精确表达式,直接计算出大地电阻率.利用汉克尔数值滤波算法和逆样条插值算法对水平层状电磁场进行正演计算,并与计算的卡尼亚视电阻率的对比和野外试验结果表明：该方法的结果在远区等价卡尼亚电阻率,在近区和过渡带则明显地改善了卡尼亚电阻率的非波场区场畸变,从而能更好地接近基底的真电阻率,更形象地反映了地下介质的垂向电性变化.     

时间域瞬变电磁法全区视电阻率的平移算法

深入分析了均匀半空间中瞬变电磁场的解析表达式,发现瞬变响应曲线随地下电导率、发射回线边长与观测时间具有平移伸缩特性,并据此提出了一种新的直接计算全区视电阻率的方法.该法与现有计算全区视电阻率的方法的不同点在于：无需迭代和求解非线性方程,速度快,精度高,算法稳定,且只有惟一解.     

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明：非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.     

隐伏地质构造的大地电磁有限单元法正演模拟

对常见的隐伏地质构造体进行大地电磁场正演模拟,并研究和总结了构造体对大地电磁场的响应特征.由麦克斯韦方程组导出大地电磁场的边界条件,应用有限单元法求解变分问题并得出刚度矩阵,根据线性方程组计算出相应的场值,再由改进的视电阻率定义式求出视电阻率.模拟结果显示:改进的视电阻率定义式相对于传统的Cagniard定义式能有效地提高视电阻率曲线的收敛速度和逼近程度;隐伏地质构造体对大地电磁场的响应具有一定的规律性,通过分析两种极化模式下的正演结果,可以有效地识别地质构造体的存在和分布情况.通过实例分析,得出隐伏地质构造正演模拟与实际观测资料的互相验证关系,为实践应用中的反演工作提供了重要的指导意义.     

正交水平磁偶源的电磁场分布规律

正交水平磁偶源是模拟天然场源的较好人工源,可以方便地实现可控源高频大地电磁张量测量.正交水平磁偶源的电磁场分布规律是野外工作布置的理论基础,为此计算了均匀大地模型正交水平磁偶源的电磁场.计算结果表明:电磁场水平分量在各个象限都有一相对低值带,对应的标量视电阻率形成了畸变带,但张量视电阻率畸变带消失;张量视电阻率曲线形态显示出近区的低阻、过渡区的高阻隆起和远区趋于真值的规律.通过野外试验验证理论计算结果,在无法准确确定地下介质电阻率参数的情况下,以天然电磁场计算的电阻率为参照对比研究了正交水平磁偶源电磁场的分布规律.试验结果表明:正交水平磁偶源与电偶源的电磁场同样的存在近区、过渡区和远区;在远区,正交水平磁偶源与测点的相对位置对张量测量结果几乎没有影响,即在远区可以在任何方位测量;正交水平磁偶源的布置要考虑收发距的影响,保证测量在远区进行.     

复杂地形三维直流电阻率有限元数值模拟

系统地论述了用有限单元法研究复杂地形条件下三维直流电阻率的正演计算技术.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题以及相应的变分问题;然后利用有限单元法求解变分问题,采用四面体单元对研究区域进行剖分,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;最后,考虑到节约计算时间,利用对称超松弛顸条件共轭梯度迭代算法求解大型线性方程组,得到了各节点的电位值,进而计算出地表的视电阻率.通过理论模型的计算检验了算法的可行性之后,给出了几种常见纯地形异常的数值模拟结果和一个组合模型的计算结果,其研究工作为研究三维直流电阻率反演奠定了基础.     

基于自适应有限元的复电阻率法2.5维复杂构造电磁场模拟

复电阻率法在矿产、油气勘探调查中发挥着重要作用.为了认识复杂构造的复电阻率法电磁场的变化规律,本文基于自适应有限元方法,采用非结构化网格,引入Cole-Cole模型,实现了电偶源2.5D复电阻率法电磁场正演,可以模拟复杂地形和地电结构,正演结果更符合野外实际地质情况.通过将本文的计算结果与半空间模型解析解、层状介质和起伏模型结果进行对比,验证了本文算法的正确性.最后,基于复杂地电模型,通过正演模拟,系统分析了地形、激电参数、复杂构造对复电阻率法电磁场的影响特征.

     

层状各向异性介质海洋可控源电磁场灵敏度计算及特征分析

海洋可控源电磁（CSEM）方法已广泛应用于地质构造研究以及海底资源探测,但其在各向异性地层中的分辨能力依然不明确.灵敏度分析是一种分析电磁场对探测目标分辨能力的有效方法,传统的地球物理反演方法也需要精确计算电磁场关于地下介质电阻率的灵敏度.在模拟和解释海洋CSEM资料时,地球物理数值模拟常在笛卡尔直角坐标系下进行,且通常假定发射源为理想的水平电偶极源.然而,在实际的海洋可控源电磁勘探作业中,由于海水运动等影响,发射源可能会发生旋转和倾斜等.复杂姿态的电偶极源可通过计算并矢量叠加三个正交方向发射源分量的电磁场以获得总电磁场,因此需三个正交方向电偶源电磁场的计算方法.本文推导了笛卡尔直角坐标系下,电阻率垂直各向异性介质中三个正交方向电偶极源电磁场表达式,并详细导出了电磁场分量关于各向异性电导率的灵敏度解析表达式.通过与各向同性算法对比,验证了本文所提出灵敏度计算方法的正确性;模拟了不同方向电偶源情况下地电模型的灵敏度并分析其特征.计算结果表明,薄层将显著影响地下介质各向异性电阻率的灵敏度分布,垂直电偶源对海底地层各向异性电阻率的分辨能力高于水平电偶源,通过反演各向异性率间接恢复低灵敏度的各向异性电阻率值是一个可行的反演策略.

     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.     

A new method of migration imaging for MT data

Introduction The migrationof electromagnetic field is like that of elastic wave in seismic prospecting, butthere are some differences between them (Lee et al, 1989). The elastic wave field satisfies thegeneral wave equation, while the electromagnetic field in our study satisfies the diffusion equation.Both the electromagnetic field and the elastic wave field have a similar mechanism. The imagingfunction named map can characterize the interface of different mediums (MA, 1989), that is …     

过套管地层电阻率曲线环境影响校正方法研究

过套管电阻率测井是在金属套管井中测量地层电阻率的一种电法测井技术,其测量结果受套管、层厚/围岩、水泥环等井眼环境因素的影响,所以在进行过套管电阻率测井资料解释时必须进行测井环境影响因素校正.本文在论述过套管电阻率测井原理的基础上,针对大庆油田引进的俄罗斯过套管电阻率测井仪器ECOS,分别考察了层厚/围岩、水泥环对测量结果的响应规律,利用正演模拟方法研制完成了层厚/围岩影响校正图版以及水泥环影响校正图版.在计算机上实现了层厚/围岩、水泥环影响校正的算法,并利用模型算例和测井实例验证了本文方法的合理性.该方法能够减少水泥环的影响,提高层厚小于1.0 m薄层电阻率的测量精度,为过套管电阻率测井资料正确解释提供了保障.     

多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义

本文针对多辐射场源地空瞬变电磁法理论, 建立了相应的多分量全域视电阻率定义方法.分析了利用磁场强度进行多辐射场源地空系统全域视电阻率定义的优点, 针对磁场强度的各个分量, 提出了各自的全域视电阻率算法, 实现了多分量、全时域、全空域视电阻率计算, 并分析了偏移距对全域视电阻率的影响.通过调整源的相对位置及电流方向等参数, 多辐射源瞬变电磁地空系统不仅可以加强不同分量信号强度, 削弱随机干扰, 还可更好地分辨地下异常体的位置.通过对所设计模型的处理, 证实了多辐射场源地空系统多分量全域视电阻率算法的有效性, 也验证了多辐射场源地空系统的优势.     

基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演

超高密度电法是一种新的地球物理探测技术,它通过多通道数据采集和多装置数据联合反演,极大地提高了电法勘探的成像精度.本文提出一种主成分-正则化极限学习机(PC-RELM)非线性反演方法,该方法针对超高密度电法所获取的高维勘探数据进行反演建模,通过随机设定隐层参数来简化模型的学习过程,通过主成分分析方法来进行高维数据降维,最后引入正则化因子提高反演模型的泛化能力.论文给出了超高密度电法的原理、样本构造方法和非线性反演流程,使用交叉验证方法获得了优化的隐节点数目和正则化参数,构造了优化的反演模型.通过两个经典的超高密度模型的反演结果表明,该方法能够较好地解决超高密度电法反演的高维数据非线性建模问题,能够弥补单一装置数据反演的不足,同时相较其他的非线性反演方法(ELM, BPNN和GRNN)具有更加准确的反演结果.     

A NUMERICAL DIRECT INTERPRETATION METHOD OF RESISTIVITY SOUNDINGS USING THE PEKERIS MODEL*

A numerical method is presented for direct interpretation of resistivity sounding measurements. The early part of the resistivity transform curve derived from field observations by standard methods is approximated by a two-layer curve. The resistivity of the first layer is determined from the arithmetic mean of the successive computations which are carried on each of three successive discrete values of the resistivity transform curve. Using this mean value of the resistivity, the thickness of the first layer is computed from the sample values in pairs of the resistivity transform curve. After these determinations, the top layer is removed by Pekeris's reduction equation. The parameters of the second layer are obtained from the discrete values of the reduced transform curve (which corresponds to the second part of the resistivity transform curve) by the same procedure as described for the first layer. The same computational scheme is repeated until the parameters of all intermediate layers are obtained. The resistivity of the substratum is determined from the reduction equation.     

电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像

电性源地空瞬变电磁法具有工作效率高、勘探深度大、采集信号信噪比高、适用于地形地质条件复杂地区等优点.但是,到目前为止,由于尚未建立起该方法的解释系统,大大制约了该方法的发展.本文旨在建立起完整的地空电磁探测系统,丰富整个探测系统的理论.本文围绕地空瞬变电磁法全域视电阻率定义、瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像、逆合成孔径成像方法三个科学问题进行了系统研究.提出了用磁场强度定义全域视电阻率的迭代算法,理论模型试验结果表明计算出的视电阻率曲线首支趋于第一层电阻率,尾支趋于最后一层电阻率,实现了全空域、全时域视电阻率的计算;在先前研究的基础上,实现了适合电性源地空装置的瞬变电磁虚拟波场的克希霍夫偏移成像;采用相关迭加技术,实现孔径内多测点数据合成,将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖的逆合成孔径处理方法.层状模型试验表明:(1)全域视电阻率能够光滑、完整、渐变地反映出模型的电性信息变化;(2)当改变三层模型中间层电阻率时,全域视电阻率曲线随着参数的改变分异明显,对电性层的识别容易且直观;(3)由于在电阻率计算中同时考虑了接收机高度、偏移距、时间等各参数的影响,全域视电阻率可实现全空域、全时域的视电阻率计算.含水采空区的复杂模型算例表明:(1)根据不同测线的全域视电阻率结果可以看出,在靠近采空区的位置,全域视电阻率断面可以清晰地反映出采空区的空间位置,随着测线离采空区越来越远,采空区异常越来越弱直至消失;(2)波场变换和偏移成像的结果显示存在两个电性差异较大的界面,上界面指示地表,由于空气和大地之间的电性差异较大,故该界面波场信号反映强烈,遍布整个区域,下界面异常信号则主要集中在中部,向外逐渐减弱,指示采空区;(3)逆合成孔径成像结果表明地表界面在合成前后没有变化,而采空区异常合成后范围明显变小,且异常边界清晰,指示的采空区位置与模型吻合很好.本文借助于逆合成孔径雷达成像的基本思想,建立了一套电性源瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法.基于反函数思想结合迭代算法提出的电性源地空瞬变电磁法的全域视电阻率定义方法,实现了全空域、全时域的视电阻率计算;借鉴瞬变电磁拟地震偏移成像算法,实现了瞬变场的三维成像;借鉴逆合成孔径雷达的思想,提出电性源瞬变电磁地空逆合成孔径算法,进一步提高了成像的分辨率.采空区模型算例表明相关叠加合成确实具有增强有用信号、提高信噪比、提高分辨率的诸多优点,证实了瞬变电磁地空逆合成孔径成像方法的有效性.     

A SIMPLE METHOD OF INTERPRETATION OF RESISTIVITY SOUNDING DATA USING EXPONENTIAL APPROXIMATION OF THE KERNEL FUNCTION*

A simple unified equation of apparent resistivity for a general four-electrode array is developed. The main idea is the analytical integration of the Stefanescu expression for potential over a layered earth by writing an exponential approximation for the kernel function. Finally a matrix equation is developed to estimate the kernel function from observed apparent resistivity values. The general equation automatically reduces to the particular configuration once the electrode separations are modified suitably. Examples for Schlumberger and Wenner configurations are numerically calculated to estimate the precision of the method. Good results in a short execution time are obtained, irrespective of the shape of the apparent resistivity curve. Finally, the full interpretation of one theoretical resistivity curve and two field resistivity curves is demonstrated. The more stable ridge-regression estimation method is used in the identification of layer parameters from the kernel function.     

电性源瞬变电磁有限差分偏移成像方法

目前,瞬变电磁数据的主要处理结果是给出地下介质的（视）电阻率信息,较难给出清晰的地质界面信息.本文基于有限差分偏移成像原理,实现了电性源瞬变电磁虚拟波场的偏移成像技术.根据瞬变电磁扩散场与虚拟波场之间的数学关系,本文使用精细积分法对第一类Fredholm积分方程求解,然后消除直达波,得到只含有地层反射波的虚拟波场.在此基础上,本文从时间域波动方程出发,对上行波的一级近似方程反向外推,得到时间-空间域二维与三维的波场递推公式.通过求解地下空间的波场,并使用反褶积方法削弱虚拟波场的波形展宽效应,从而提高对地质界面的纵向分辨率,获得较为准确的地质界面信息.本文分别采用均匀半空间模型、D型模型、HK型模型以及两层含水采空区模型对本文方法进行验证,并对实测数据进行处理,偏移成像的结果与地质资料相吻合,说明瞬变电磁有限差分偏移成像方法在识别电性界面以及地层特征方面具有可行性.