瞬变电磁场有限差分与数字滤波双模型三维正演方法

瞬变电磁场数字滤波算法计算时间短,精度高,但难以实现三维正演计算;有限差分算法可以实现三维正演计算,但计算时间长,当模型网格剖分数量不足时计算精度较低.结合三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法各自优势,提出双模型三维正演方法,可以减少计算时间,提高计算精度.首先,给出了瞬变电磁场三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法.然后,通过理论分析和公式推导,提出了通过三维有限差分正演算法计算异常场,通过一维数字滤波算法计算背景场,然后叠加得到总场的双模型方法,并给出了具体计算公式和流程.最后,建立了经典的Newman均匀介质含低阻长方体模型,以及Commer层状介质含垂直接触带模型,分别采用双模型方法和常规三维有限差分算法进行了正演计算,对计算结果进行了对比分析.结果表明:在相同模型网格数量条件下双模型方法计算精度显著高于常规三维有限差分算法;双模型方法可以通过较少的模型网格数量取得高精度的计算结果,从而可以在保证计算精度的前提下显著提高计算效率.     

地震波传播的三维伪谱和高阶有限差分混合方法并行模拟

基于交错网格伪谱法和高阶精度有限差分方法,发展了模拟非均匀介质地震波传播的三维伪谱和有限差分混合算法.该方法在两个水平方向利用交错网格伪谱算子计算空间微分,保留了该方法高效、高精度的优势,在垂直方向采用交错网格高阶精度有限差分算子实现空间微分计算．利用有限差分方法的局部性特征,将三维计算区域在垂直方向上划分为一系列子区域,并分配给不同的处理器,实现了在并行计算机集群上的三维并行计算．通过模拟算例,与离散波数法比较,检验了该算法的精度．为了检验该方法的实用性,在64个处理器上,对三维沉积盆地模型进行了67108864个网格点的并行计算,模拟的波场主频率为1.25Hz,讨论了沉积盆地深度对三维沉积盆地地面运动的影响．      

基于有限内存拟牛顿法的电阻率法三维主轴各向异性反演研究

基于各向同性假设的电阻率法三维正反演方法成熟并得到广泛应用.由于地下介质普遍存在电阻率各向异性,为提高反演精度,各向异性介质的三维正反演问题有待深入研究.本文将三维正演中总场分为一次场和二次场计算,二次场使用非结构网格有限单元法求解,基于有限内存拟牛顿法,系统研究了电阻率法三维主轴各向异性反演.通过设计低阻异常体与双异常体模型,利用地表、地井、井地与井间多种观测方式的合成数据进行了反演试算.反演结果表明：三维主轴各向异性反演能够可靠恢复异常体的位置与形状.与仅在地表采集数据的反演结果对比,地井、井地与井间多种观测数据的加入,反演结果能更好地恢复异常体的各向异性特征.证明了本文基于有限内存拟牛顿法电阻率三维反演方法的可行性与有效性.     

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线.     

塔里木地区勘探地震正演模拟研究

以塔里木前陆盆地地质背景为模型,采用三维任意差分精细积分方法并行算法实现了库车地区三维正演模拟.三维任意差分精细积分方法通过时间域采用局部积分半解析方法求得波动方程的递推算子,与常规的差分法相比计算精度有较大提高;文中计算稳定性根据实际算例进行分析,采用稳定因子约束,得到较好的稳定性;边界条件采用改进的自适应吸收边界,并通过串行程序并行化,大大减少了三维正演模拟的耗时,完成了大数据量三维正演模拟.     

迭代法在三维网络模型最短路径射线追踪中的应用

目前有许多基于二维网格模型的射线追踪算法,但应用与三维网格模型的射线追踪算法较少,主要是因为三维网格射线追踪算法在算法实现、编程以及图形显示方面都有一定难度.本文提出了一种适用于三维网格射线追踪的迭代算法,并应用于几种理论模型,同时实现了三维绘图显示,通过研究证明迭代算法能在一定程度上提高三维网格射线追踪的精度和速度.     

基于多尺度有限元法的频率域航空电磁三维正演研究

正演模拟是电磁数据反演的基础, 其计算速度与精度一直是制约电磁反演的两大核心问题.在三维电磁正反演中, 传统方法通过加密网格或增加插值基函数阶数提高计算精度, 但由此也降低了计算效率, 制约了三维电磁反演的实用化.因此, 如何实现大尺度模型高精度快速正演是目前电磁三维正反演中亟需解决的问题.本文将多尺度有限元法应用到麦克斯韦方程求解中.我们首先在粗网格尺度上构建满足局部特性微分算子的多尺度基函数, 进而在粗网格尺度上对原问题进行求解, 通过建立粗细两套网格间场的映射关系, 在未知数较少的粗网格上实现电磁问题求解之后, 利用粗细两套网格间场的映射关系获取细网格上电磁场响应, 由此可以在保证计算精度前提下快速获取不同尺度电磁场正演响应, 计算速度得到很大提高.此外, 本文还基于八叉树思想进行网格优化, 进一步改善三维正演效率.我们通过对典型地电结构进行多尺度有限元正演模拟并与传统有限元结果对比验证算法的有效性.最后, 我们通过模拟加拿大Voisey's Bay卵形体镍铜硫化矿区航空电磁响应以检验本文算法模拟地下复杂异常体的能力.

     

环工作面三维直流电阻率法研究及应用

本文在矿井直流电法理论基础上,推导环工作面三维直流电法测量深度公式,得到环工作面三维直流电法记录点坐标位置.基于以上理论,建立了环工作面三维直流电法异常体模型,分析了环工作面三维直流电法二极装置、三极装置、四极装置异常体响应特征,得出环工作面三维直流电法各装置敏感度低的主要原因是缺少必要的数据采集点.为了提高环工作面三维直流电法分辨率,最大限度增加工作面内侧的采集数据点.基于以上原因本文提出了对角偶极装置采集模式及多装置的数据叠加反演处理方法,以增加工作面内采集数据点,提高三维勘探的精度.本文通过某矿8802工作面底板富水性探查实例,说明该方法的有效性.     

基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁三维正演模拟

高效、高精度电磁三维数值模拟是制约大规模电磁数据精细化三维反演成像、人机交互定量解释的核心问题.针对一问题,本文提出一种基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁场三维数值模拟方法.该方法利用沿水平方向的二维傅里叶变换将空间域矢量位和标量位耦合偏微分方程组转换为波数之间相互独立的常微分耦合方程组,将一个大规模三维问题分解为多个一维小问题,具有高度并行性,由此大大减少了计算量和存储量;保留垂向为空间域,浅层网格剖分适当加密,深层网格剖分适当稀疏,有效兼顾了计算精度与计算效率;采用有限单元法求解不同波数的常微分方程,充分利用追赶法求解定带宽线性方程组的高效性进一步提高数值模拟效率.在模型算例中,设计棱柱体模型验证了本文方法的正确性、计算精度和计算效率.数值试验结果表明本文方法具有数值精度高、并行度高、占用内存小、计算效率高的特性,比传统有限单元法三维数值模拟方法计算效率高1~2个数量级,且网格剖分规模越大,该方法计算效率优势越明显.

     

CSAMT三维单分量有限元正演

CSAMT的工作装置和部分探测目标体的三维特性,决定了对CSAMT方法进行三维研究的必要性.在对三维三分量CSAMT方法有限元分析初探的基础上,应用了边界场值不为零的第一类边界条件,并将三维三分量的有限元分析退化为三维单分量来研究.研究结果表明:通过应用边界场值已知的第一类边界条件,缩小了研究范围,提高了计算精度;通过减少研究的分量,使计算速度大大提高;模型的模拟结果很好地说明了电磁场在地下传播中所具有的穿透性和体积效应.以上结果表明本文所用的边界条件有效,三维单分量的研究使计算时间大大减少,从而使本文发展的三维单分量电磁场有限元正演应用于电性介质接近于均匀的三维反演成为可能.     

基于拟态有限体积法的频率域可控源三维正演计算

大规模地球物理电磁数据的定量解释需要发展高效、稳定的三维正反演算法.本文通过求解离散化的三维电场矢量Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的频率域可控源电磁（CSEM）三维正演算法.为模拟具有强电性差异的三维电性介质,该算法采用拟态有限体积法（MFV）对Maxwell方程组进行离散化;另外,为获得稳定、高精度的正演数值结果,采用直接矩阵分解技术来求解离散所得到的大型稀疏线性方程组.对于具有多个发射源的CSEM测量来说,一次矩阵分解结果能够用于同频率下所有场源的正演计算.为降低场源奇异性及边界条件对数值精度的影响,采用虚拟场源校正技术,避免了散射场公式中在构建场源项时所需的大量时间.对于具有多个频率的CSEM的模拟计算,采用分频并行策略来加快三维正演计算.最后,通过与一维层状模型及三维模型的数值结果的对比验证了本文所开发的正演算法对频率域CSEM模拟计算的准确性及有效性,表明该正演算法能够有效应用于三维介质的数值计算.另外,对于多频率CSEM的并行测试结果表明基于分频并行策略的并行计算能够显著地降低正演计算时间.     

利用活断层探测资料构建银川探测区地下三维结构模型

在收集与整理前人资料的基础上,“银川市活断层探测与地震危险性评价”项目对银川隐伏断层、芦花台隐伏断层等断层开展了多学科的联合探测。文中对如何以银川市活断层探测成果资料构建银川活断层探测区地下三维构造模型的方法进行了探索,总结出的步骤是:收集活断层地震探测资料并进行数据预处理;在地震解释软件中进行断层及层位的解释,绘制层面构造图并输出断层及层位数据,也可在该软件中进一步完成三维可视化建模;在三维建模软件GOCAD中加载基础数据、层面及断层数据,进行断层面及层面修正构建与展示三维模型。鉴于地震探测资料的不规范会增加地震数据解释工作的难度并影响到解释精度,建议:规范原始探测数据的归档要求,在每条活断层的探测区上增加1条联络测线,在可能的情况下采用石油单位的区域时深转换关系,提高地震剖面的解释精度     

三维地质建模与可视化方法研究

设计了超体元实体模型、断层数学模型及褶皱几何模型, 以表达复杂地质构造的空间几何形态; 建立了面向应用的三维地质建模的体系结构, 提出以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念, 丰富和发展了三维地质建模的理论与方法. 根据这一理论方法, 提出基于特征的驾驭式可视化设计思路, 通过将数据库、图形库、知识库与三维动态模拟的系统集成, 直观、形象、准确地把握空间地质数据的局部特征与整体构架.     

基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法（英文）

本文、首先,提出了一种基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法。对于正演,先计算磁偶极子源激发的全空间初始场,然后使用改进的DuFort-Frankel方法和交错网格对麦克斯韦方程组进行时间步进。对于反演,采用基于L2范数的模型正则化方法和最小二乘最优化方法。其次,通过模型算例和现场实例对三维反演方法进行了测试。在模型算例中,低阻三维块体得到了较好的恢复。在现场实例中,三维反演结果与实际地质情况一致。模型算例和现场实例都表明,提出的基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法是可靠的。     

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.     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

可控源电磁场三维自适应矢量有限元正演模拟

本文实现了可控源电磁（CSEM）场三维自适应矢量有限元正演算法,该算法采用非结构四面体单元进行三维网格剖分,能够真实模拟地形起伏和复杂电性异常体.采用一次场和二次场分离的方式计算电磁场响应,能够有效解决有限元模拟中的源点奇异性,提高场源附近电磁场数值精度,其中一次场利用CSEM一维正演算法解析求得,二次场采用矢量有限元方法求得.并利用基于后验误差估计的自适应网格细化算法指导网格细化,以减少人为设计网格导致的误差.通过一维和三维模型的数值模拟,验证了本文算法的有效性：一维模型有限元解与解析解吻合得很好,电磁场振幅相对误差在1%左右,相位差整体小于1°;三维模型有限元解与有限体积解吻合得也很好.模拟了一个含三维倾斜板状异常体的可控源电磁响应,表明了本文算法模拟复杂地电结构电磁场的能力和有效性.

     

砂土液化大变形本构模型的三维化及其数值实现

基于砂土液化大变形机理和适用于二维条件的边界面弹塑性本构模型,发展了符合三维应力空间中边界面和剪胀面上的应力映射规则,建立了三维应力空间中砂土液化大变形本构模型.针对模型特点采用半显式的Cutting Plane算法进行应力积分,并采用Pegasus求根算法根据映射规则计算边界面上的应力映射点,在OpenSees开源有限元平台上实现了三维模型的数值化.结合完全耦合的u-p格式有限元单元,对饱和砂土不排水循环扭剪试验进行了模拟,并进行了一个真三维倾斜地基的动力反应分析.计算结果表明模型和所采用的数值算法具有很好的模拟和分析三维条件下砂土液化后大变形的能力.     

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.

     

基于Lorenz规范的空间-波数域大地电磁三维正演

大地电磁勘探方法由于其成本低、施工简单、探测深度广等优点,广泛应用于矿产资源普查、油气勘探和深部构造研究等领域.如何提高大规模三维大地电磁数值模拟的精度和效率一直是研究热点.本文基于空间-波数域方法,实现了基于Lorenz规范的空间-波数域三维大地电磁数值模拟.基于二次场计算原理,引入Lorenz规范,将Maxwell方程组转化为关于二次场矢量位的亥姆霍兹方程;利用水平方向二维傅里叶变换,将空间域三维偏微分方程转换为多个波数下相互独立的常微分方程,方程采用二次插值有限单元法计算,得到定带宽线性方程组,方程计算量小、并行性好,采用追赶法求解,提高了算法效率;引入压缩算子,用迭代法逐次逼近真实解.充分利用了空间-波数域方法数值精度高、内存需求少、效率高的特点.设计棱柱体模型验证了算法的正确性、分析了算法的收敛性,说明算法对不同频率、不同电导率对比度模型均具有很好的适应性.利用Dublin（DTM1）模型进行三维大地电磁数值模拟,结果表明：在满足精度要求的前提下,空间-波数域算法比空间域算法占用内存少、耗时短;相比基于Coulomb规范的空间-波数域算法,基于Lorenz规范的空间-波数域方法耗时更短、占用内存更少,效率提高至少3倍以上,体现了新方法的优势.