基于COMSOL的起伏地形三维大地电磁数值模拟北大核心CSCD

COMSOL是一个多物理场仿真软件,笔者尝试将其应用于大地电磁法的数值模拟,研究起伏地形对大地电磁响应的影响及解决方案。本文由麦克斯韦方程组出发,施加第一类边界条件,将地形起伏数字化为参数化曲面,导入COMSOL进行计算。在对COMSOL的精度进行了验证的基础上,分析不同频点所需内存以及自由度,然后选择合适的频点进行研究。将三维起伏地形的模拟结果与无地形起伏时的结果进行对比,总结出山谷、山峰地形对三维大地电磁响应的影响,发现在XY模式下,地形对视电阻率的影响大于相位,在视电阻率等值线图中能够清晰地看出起伏地形的轮廓,而在YX模式下,地形对相位的影响大于对视电阻率的影响。最后,利用“比值法”进行地形校正,校正前由于起伏地形影响,在异常体附近会出现部分视电阻率数值跳跃现象,通过校正有效抑制了起伏地形对异常体附近视电阻率的影响,校正后的视电阻率曲线整体上移,并且异常体周围的视电阻率值也趋于背景场值,获得了较好的效果。     

航空大地电磁响应特征分析及反演研究

航空大地电磁法以其机动灵活、效率高等优点,适用于在地势崎岖的偏远环境中开展快速普查作业.在航空大地电磁探测中,起伏地形会对倾子响应产生影响,另外由于倾子是无量纲传输函数,只包含电性结构的空间变化信息,而与电阻率的数值水平无关,单独利用倾子数据进行反演时,反演多解性更大.为解决上述问题,首先采用四边形网格模拟地形起伏;其...     

二维局部异常体与起伏地形复杂电磁场的畸变矩阵性质研究

在大地电磁(MT/AMT)中,当浅地表存在小尺度的局部异常体时,在其附近的测点会产生电磁场畸变,导致观测阻抗和区域阻抗之间产生较大的偏差,进而给反演带来困难。阻抗张量分解可以用来减小局部异常体所导致的畸变影响,进而获得更为符合实际情况的区域构造信息,因此对局部异常体和起伏地形所造成的畸变规律的研究,对大地电磁数据处理具有非常重要的意义。这里利用基于非结构化网格的大地电磁正演程序进行正演模拟计算,设计了一个二层介质模型,将其计算结果作为区域电磁场响应信息,同时将存在局部异常体和地形起伏时的计算结果作为观测数据,进而求解电磁场畸变矩阵。通过设置具有电性参数差异的局部异常体以及起伏地形模型,研究其对电磁场所导致的畸变影响。研究结果表明,对于类似模型在研究的频率范围内,具有电阻率差异的局部异常体和地形起伏将会导致电场数据产生较严重的畸变,而磁场在该频段几乎不受畸变影响;在高频段电场畸变矩阵不能简单地认为是实数,其虚部数值较大,畸变矩阵性质更为复杂,且与频率相关。     

起伏地形条件下二维大地电磁各向异性正演

在大地电磁资料处理和解释中,大地电磁的各向异性正演一直是国内、外研究的前沿课题。这里首先从麦克斯韦方程组出发,得出各向异性介质二维大地电磁场的边值问题以及等价的变分问题,进而对计算区域进行完全非结构化三角形剖分,在单元内采用线性插值,将变分方程转化成线性方程组,求解出有限单元法数值解,获得各向异性介质下的电磁场值。讨论了电性主轴与笛卡尔坐标轴之间的夹角以及地形的起伏变化对视电阻率和相位值的影响,结果表明:起伏地形条件下,TE和TM两种极化模式的视电阻率和相位值都会受到影响,且TM模式受地形影响较大;由于介质的各向异性,视电阻率和相位断面图出现明显不同于各向同性的形态,导致横向分界面模糊。     

基于二次场二维起伏地形MT有限元数值模拟

通过计算二次场来进行二维大地电磁数值模拟;导出了二维大地电磁二次场的微分方程,利用有限单元法来解微分方程;对矩形网格进行对角线的二次剖分,更容易且真实地模拟起伏地形。对几个典型模型进行了试算,与前人总场法的计算结果做了比较,两者视电阻率曲线一致,证明本文算法是正确的;通过2个简单的算例说明复杂地表下2种极化模式的MT观测资料都有明显的异常,视电阻率在TM模式下比TE模式更易受地形影响,TE模式下视电阻率曲线形态与地形呈"正相关",TM模式下反之。     

起伏地形下可控源音频大地电磁三维数值模拟

起伏地形对可控源音频大地电磁(CSAMT)响应具有强烈的影响,因此在CSAMT数据处理解释时需要考虑地形。同时,实际的地下地质情况和地表的地形情况通常比较复杂,地质结构和地形大部分情况下都是三维的。在水平地表三维有限差分CSAMT数值模拟算法的基础上,推导了利用地下交错网格采样点处的总磁场计算起伏地形下空气-地下介质分界面处的总电场和总磁场的表达式,从而实现了起伏地形下三维CSAMT数值模拟算法。在算法实现过程中,采用伪δ函数代替麦克斯韦方程中的场源项和直接计算总场的策略,避免了原有的将总场分离成背景场和二次场的策略在复杂地质条件下难以选择合适背景电阻率的问题。为了直接模拟总场,起伏地形下三维CSAMT数值模拟算法给出了新的三维正演方程的边界条件。将模拟水平地表三维异常体和三维山峰地形两个理论模型得到的响应结果与前人算法的计算结果进行对比,验证了所实现算法的正确性和有效性。     

AMT数据地形畸变影响与带地形反演效果研究

在山区进行音频大地电磁测深(AMT)时,电磁场易受地形起伏影响发生畸变。为研究起伏地形对AMT数据的影响,采用WinGlink软件基于有限差分算法的正演模块,建立二维起伏地形和平地地电模型,并对比分析了两个理论模型的正演响应。结果表明:TE模式的视电阻率曲线在高频段受干扰程度相对较大,在低频段影响减小甚至消失;TM模式的视电阻曲线变化正好相反;二者相位受地形影响则较小。对含异常体的带地形地电模型进行正演计算,在正演响应中加入2.5%的随机误差模拟实测数据,利用WinGlink软件基于非线性共轭梯度(NLCG)算法的反演模块,分别进行带地形和不带地形的TE、TM和TE+TM模式的二维反演。各反演结果的对比表明,带地形的二维反演结果明显优于不带地形的反演结果,能够较好地反映出异常体的位置、形态及电阻率值。依据得到的认识,对青海祁连隧道工程的AMT实测数据进行带地形二维反演,取得了理想的应用效果。     

电阻率各向异性介质大地电磁二维非结构有限元数值模拟

介质的各向异性会引起大地电磁观测曲线的畸变,对大地电磁数据解释影响很大。这里从麦克斯韦方程组出发,推导了基于二阶插值基函数的二维大地电磁非结构有限元公式,实现了任意地形起伏条件下任意各向异性二维大地电磁响应的数值模拟。各向异性断层模型的数值模拟结果与解析解吻合一致,复杂各向异性模型的有限元模拟与已有的有限差分计算结果也相符合,验证了算法的正确性。在此基础上探讨了各向异性参数对二维大地电磁响应的影响。     

三维海洋可控源电磁场地形影响分析和校正

利用交错网格有限差分技术实现了频率域海洋可控源电磁三维正演算法,并探讨了海底地形对海洋可控源电磁响应的影响和校正方法及效果。通过与海底二维山峰地形的二维自适应有限元解对比,验证了文中算法的正确性和模拟海底起伏地形的可行性,并分析了海底二维山峰地形对三维油气储层电场响应的影响。关于海底起伏地形对海洋可控源电场响应的影响,采用比较法对其进行了地形校正,结果表明,在深水区比较法可以很好地消除地形影响,恢复海底高阻油气储层的电场响应。     

电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析

电性源短偏移距瞬变电磁法是进行山区矿产资源勘探的一种有效手段,然而地形起伏对观测数据影响严重,给瞬变电磁数据精细化解释带来很大困难。为此,本文基于三维非结构时间域有限元正演模拟方法开展电性源短偏移距瞬变电磁地形影响特征分析。首先利用非结构网格对起伏地形进行精细剖分,结合矢量有限元和后退欧拉离散技术实现复杂地质模型快速正演。然后通过模拟大量典型起伏地表模型,系统分析了三维地形响应的空间分布特征,结果表明地形对电性源短偏移距瞬变电磁响应影响严重,而且影响特征十分复杂。在此基础上,我们进一步分析了复杂地形对地下目标体探测的影响,结果发现复杂地形与地下目标体相互耦合导致无法对地下目标体进行有效分辨,这给地下目标体的准确探测带来了巨大困难。     

对瞬变电磁测深几个问题的思考(五)——地形对TEM资料的影响

通过观测点的地形对瞬变电磁法（TEM）相关资料的影响分析,结果表明其大小不但与地形的变化幅度有关,也与表层电阻率高低、观测延时有关。通过模拟计算与实际应用,验证了地形对TEM资料影响的规律。地形对TEM资料影响的实质是地形起伏促使涡流聚散,致使感应场升高或降低,导致TEM视电阻率变化与地形起伏反向。根据地形对TEM资料影响的规律,可采用适当方法进行地形影响校正。      

点电源下复杂角域地形影响及校正

角域是描绘起伏地形的基本单元,通过角域叠加可以获得复杂纯地形产生的视电阻率异常,进而可以进行地形校正。将简单角域视电阻率畸变进行组合叠加得到复杂角域地形的视电阻率畸变,分析了组合叠加误差,并与ANSYS软件数值模拟结果进行了对比。结果表明,在地形起伏不大的情况下,可以通过组合叠加获得复杂角域地形的视电阻率异常。最后给出了利用组合叠加法获得纯地形影响后应用比较法进行地形改正的模型算例;与水平地形时的结果对比表明,比较法可以削弱地形影响,突出局部地质体的异常。     

任意四边形剖分二维MT有限元正演模拟

为了模拟实际的起伏地形,在前人研究的基础上,单元网格设计为任意四边形网格,单元内的场值双线性变化,采用了高斯数值积分法计算单元系数矩阵,并给出二维大地电场的辅助场表达式。通过模型算例表明,模拟结果与解析解的均方误差在1%以内,地形模型与前人的模拟结果相吻合。分析对比了两个不同坡度模型对视电阻率和相位的影响。采用任意四边形网格剖分法,降低了编程难度,可以方便地适应野外地形的起伏变化。     

一种适用于电磁法数值模拟的二维建模与网格剖分方法

为满足电磁法二维数值模拟解释对交互建模与可视化网格剖分的需求,利用计算机图形学、人机交互、拓扑关系学等技术,设计了基于测线、测点等信息的二维矢量建模、四边形和三角形网格剖分方法与流程,并开发形成了软件模块。该方法与软件可提供起伏地形下大地电磁、可控源音频大地电磁法二维数值模拟的三角形、四边形网格(下边界随地形变化或平地形)剖分实用化工具。将该方法应用到多种模型试验中,取得了良好的建模与网格剖分效果。     

起伏地形条件下固定点源测深法定量解释研究

采用有限元法对起伏地形下存在不均匀极化体时的多种地电断面进行了固定点源测深的正演数值模拟计算;提出并实现了在起伏地形下利用固定点源测深法资料作相对强度断面图、确定极化体空间位置的方法;通过对不同条件下数值模拟结果的定量解释计算和分析,证明了该方法的有效性;初步总结出了地形对定量解释结果的影响规律。     

基于对偶加权后验误差估计的2.5维直流电阻率自适应有限元正演

采用易于模拟复杂地形起伏和倾斜界面的非结构三角单元剖分网格,并利用对偶加权后验误差估计指导网格自动细化过程,实现了2.5维直流电阻率法自适应有限元数值模拟。在实例模型分析中,分别计算了层状模型和垂直岩脉模型的直流电阻率响应,并与其解析解进行了比较。对比结果表明,该算法所得数值解精度很高,解的相对误差小于0.5%。最后,计算了起伏地形2.5维地电模型视电阻率异常,并利用比较法进行了地形改正。地形改正结果与水平地形时的结果对比表明,比较法可以较好地消除地形影响,突出局部地质体异常。     

航空伽马能谱测量地形影响改正实现方法

航空伽马能谱测量受地形因素影响较大,采用常规高度改正方法对复杂地形条件下的航空伽马能谱数据进行改正,会造成结果失真。笔者结合航测动态测量特点,论述了利用航测过程中获得的地形数据,对作用带内的地形进行细化,应用点状辐射体辐射场理论,采用地形校正系数对航空伽马能谱数据进行地形影响改正的具体实现方法;通过实测的航空伽马能谱数据对该方法进行检验,并与地面异常查证的结果对比,表明该地形改正方法效果较好,基本能消除地形起伏对测量结果产生的影响。     

频域航空电磁法地形影响及校正研究

为研究起伏地形对航空电磁响应的影响,利用二维频域交错网格有限差分方法( FDFD) 计算模型中电磁场分布情况,并且用不完全乔里斯基预处理的双共轭梯度法求解大型稀疏复线性代数方程组。设计山脊和山谷两种起伏地形,同时改变坡度大小,比较不同坡度对电磁响应的影响程度。在此基础之上,提出线性校正方法,该方法具有简单快速的优点,弥补了耗时巨大的带地形的反演方法的不足。任意地形下的地形校正后的结果表明,该方法可以准确指示地下异常的存在。     

起伏地表复电阻率法有限元数值模拟及异常特征

为了解起伏地表对复电阻率法数据的影响,发展了起伏地表条件下复电阻率法2.5维有限元数值模拟方法。经数值模拟结果与解析解对比表明,该模拟方法在计算精度上得到了较满意的结果;几种常见纯地形异常的数值结果表明:起伏地形对复电阻率法数据的畸变特征与地形坡度大小以及地形分布范围有很强的相关性,坡度越大,地形影响越为剧烈;坡度角为45°的山脊地形、山谷地形和斜坡地形所引起的复电阻率法实分量异常分别达到背景值的21.2倍、3.9倍和3.4倍,虚分量异常分别达到背景值的2.3倍、2.2倍和2.1倍,振幅异常分别达到背景值的21.2倍、3.9倍和3.4倍;而相位受地形影响非常微弱。这些工作为复电阻率法的地形改正和反演奠定了基础。     

河床地形影响潜流交换作用的数值分析

选取对潜流交换具有重要影响的河床地形作为主要研究内容,采用数值模拟(MODFLOW程序)的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下,潜流交换量的空间分布以及地下水流场的演变机制。结果表明:在河床地形起伏不均的情况下,潜流交换量更易发生在河道的深水区域;地下水流向受河床地形影响较小;近河床界面处的地下水流速受地形起伏影响剧烈,深水区域的地下水流速远大于浅水区地下水流速;通过与现场试验结果对比分析,得出河床地形起伏是引起潜流带渗透系数非均质现象的重要原因之一。