基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演计算研究

为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础.     

耦合PML边界条件的三维大地电磁二次场有限差分法

本文将大地电磁场分解为一次场和二次场,应用交错网格有限差分法模拟计算大地电磁二次场,并引入各向异性最佳匹配层（PML）吸收边界条件作为二次场边界条件,实现了耦合PML吸收边界条件的三维大地电磁二次场有限差分正演模拟.为了确保正演的稳定性和效率,QMR求解器和磁感应矢量散度校正技术被用于PML吸收边界条件下系数矩阵的快速求解.三维模型正演响应表明,基于二次场的三维大地电磁有限差分算法具有较高的计算精度和可靠性.通过计算分析不同PML吸收因子条件的大地电磁正演结果,显示在适当的吸收因子下,PML吸收边界条件可较大幅度的减小外边界距离,从而有效的压缩模型求解空间,最终提高三维大地电磁正演模拟的效率.

     

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.     

基于几何多重网格算法的海洋可控源电磁法三轴各向异性介质的三维正演研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)三维正反演理论现如今已经成为地球物理学研究的热点和难点之一,准确、高效、稳定的正演计算是实现快速反演计算的基础.三维正演数值模拟技术的发展已相对成熟,一些学者已将研究如何提高正演计算效率的目光转移到研究如何提高线性方场组的计算速度.为了提高MCSEM的三维正演问题的计算效率,本文首先从频域三维海洋电磁控制方程出发,然后利用Yee氏交错网格有限体积法在三维空间离散方程组,并施以第一类Dirichlet边界条件获得大型稀疏复系数线性方程组,最后引入3种不同几何多重网格迭代算法求解该线性方程组.为了检验GMG算法的正确性,通过建立一维层状油气模型,将3种GMG算法计算结果与Kerry Key等开发的二维开源程序MARE2DEM计算结果进行对比,两种程序求解电场分布的曲线能够很好的吻合,表明GMG算法能正确求解海洋电磁正演问题,且两种程序求解的相对误差数量级在1以下,表明GMG算法具有较高的求解精度.为分析GMG算法的计算效率,我们首先想要模拟出一个更加真实的海洋地下环境,将沉积(背景)层电阻率设计为三轴各向异性,然后在此环境中建立三维海洋油气油气模型,实现MCSEM三维正演计算.通过改变网格数,实施3种GMG迭代算法与GCROT迭代算法求解,结果表明:GMG算法求解三维海洋可控源电磁正演问题算法稳定,计算效率高.GMG算法作为Krylov子空间迭代算法的预条件器求解三维海洋可控源电磁正演问题,不仅能加快求解速度,而且能提高算法的稳定性.     

用交错网格有限差分法计算三维频率域电磁响应

用交错网格有限差分法(SFD),实现了三维频率域电磁场响应 的数值模拟. 该方法适用于任何方向的磁偶极子源. 经与解析方法、积分方程等 其他方法的计算结果对比表明,交错网格有限差分法结合散度校正和不完全乔累斯基分解预 处理的双共轭梯度迭代方法进行正演计算,速度快、精度高、结果稳定,能适应三维复杂介 质的数值模拟,为三维电磁反演奠定了基础.     

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.     

三维CSAMT法非结构化网格有限元数值模拟

考虑到可控源音频大地电磁法（CSAMT）电偶极发射源与地下介质的三维结构特点,本文采用非结构化网格剖分技术,开展了三维CSAMT方法有限元数值模拟研究,将三维电磁场的背景场和异常场分别求解,避免了电偶极发射源的奇异性问题,并减小了计算区域.推导了三维异常电场遵循的有限元方程,加入散度条件进行约束以消除电场伪解;对非结构化网格单元采用高斯加权平均算法,得到了精度较高的异常磁场.针对层状介质模型,与积分方程法对比,验证了有限元算法的正确性;计算分析了典型三维地质模型的电磁响应,异常体反映明显.结果表明本文算法正确、可靠,适用于三维地质模型的CSAMT方法正反演研究.

     

基于自适应有限元正演的大地电磁法三维反演算法研究

目前大地电磁法三维反演大多基于有限差分正演.反演使用规则六面体网格无法有效模拟复杂地形, 同时正反演网格同套存在严重影响反演可靠性的问题.针对上述两个问题, 本文利用自适应有限元算法, 开发了基于非规则六面体的高精度大地电磁三维正演方法; 反演中, 使用独立的反演网格和正演网格来提高正演计算精度和反演可靠性.这一思路既保证了正演响应和灵敏度矩阵计算的精确性, 又降低了因反演参数过多造成的不唯一性.最后, 通过算例验证了正演算法的精确性和反演算法对地形处理的有效性.

     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法（BICG）计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,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,进而将PARDISO的快速正演方案应用于"拟正演"问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

球坐标系下三维大地电磁正演研究

大地电磁正演理论研究热点一直以来主要集中在如何提高计算效率和精度,但在剖面足够长、探测深度足够大的情况下,传统的笛卡尔坐标系数值模拟方式难以准确拟合地球曲率形态.本文研究了基于球坐标系的三维大地电磁正演,推导了交错网格有限差分三维正演公式,与一维解析解和三维标准模型测试对比,验证了正演算法的正确性.通过理论模型计算,对比分析球坐标和笛卡尔坐标系正演结果表明：球坐标系模拟更合理,避免了传统笛卡尔坐标拉伸投影所引入的误差,可代替目前的笛卡尔坐标模拟方法.基于球坐标和笛卡尔坐标系的三维大地电磁正演响应值随着频率变低差异越明显.球坐标和笛卡尔坐标计算结果差异度与频率、模型结构和电阻率有关.本文模型计算结果在数万秒周期处已出现接近10%的差异,对于较大尺度的长周期大地电磁,地球曲率的影响不能忽略.

     

基于有限体积法的二维大地电磁各向异性数值模拟

为了计算带任意地形的各向异性介质中二维大地电磁响应,本文在非结构化网格的基础上,采用有限体积法,开发了二维大地电磁各向异性正演模拟的新算法.首先,从Maxwell方程出发,推导二维各向异性介质中大地电磁场的边值问题;然后,采用三角网格自动生成技术对求解区域进行非结构化网格剖分,进而构建节点中心控制体积单元,利用有限体积方法,得到求解边值问题的大型稀疏线性方程组;最后,利用Pardiso精确地计算了大地电磁响应值.三个各向异性模型的计算结果表明,本文开发的有限体积算法,不仅能够高精度求解带任意地形的大地电磁电导率各向异性问题,而且对于同一模型,该方法的计算消耗和精度都与有限单元法相当.因此,有限体积法是处理电磁法各向异性问题的一种有效方法.

     

基于成像域射线束建模的剩余静校正方法研究及应用

由信噪比极低的资料生成的剩余静校正模型,其信噪比通常也较低,导致剩余静校正效果不理想,因此提高模型的信噪比,在提高资料处理品质中有着极其重要的意义.文章提出了一种基于成像域射线束建模的剩余静校正的方法.该方法是采用成像域射线束建模对数据进行分解和重构,并且根据不同的分解级数和分解尺度,分解和重构成不同成分的数据,该方法在重构的过程中加入倾角场的约束,能有效保护高陡构造.成像域射线束建模得到的第一级分量为数据的主要成分,构造保真,信噪比高,把该分量作为外部模型,进行外部模型剩余静校正.把本文方法在低信噪比资料进行应用,提高低信噪比资料的剩余静校正效果,有效的改善了资料处理成果的品质.     

Electromagnetic divergence correction for 3D anisotropic EM modeling

Until now, the application of divergence correction has been focusing on the electromagnetic (EM) isotropic modeling. However, in regions where the earth demonstrates strong electrical anisotropy due to lamina or faults saturated with water, the traditional divergence corrections may not be working for EM modeling. In this paper, based on the divergence-free property of the current density, we propose a divergence correction technique to speed up the EM modeling process for a 3D arbitrarily anisotropic earth. The volume current density weighting method is adopted for the discretization of divergence correction, so it can be applied to non-uniform grid model. By enforcing the constraints associated with the divergence-free property, the quasi-minimal residual (QMR) iterations and the total computational time for the EM modeling are largely reduced. Furthermore, we discuss how to divide the QMR process into sections and the influence of the number of iterations and the normalized residual on the solution process. We take a helicopter-borne EM system over a 3D earth with arbitrarily electrical anisotropy as an example to examine the effectiveness of our anisotropic divergence correction technique on the EM modelings.     

海底大地电磁数据采集器

进行海底大地电磁数据采集，需借助于专用的水下探测设备 . 虽然大地电磁测深法无论是仪器或是测量手段在陆地上的应用已较为成熟，但把该方法移 植到海洋中，还需解决一些与海洋探测有关的工程技术问题. 主要包括：水下电场信号的提 取，海底环境的监测，仪器在非实时监控运行中的纠错对策以及测量部件的密封承压等等 . 在研制海底大地电磁数据采集器的过程中，采用先进的材料工艺，高精度的电子线路，可 靠的软件编程以及牢固的器件安装结构，有效地解决了上述技术问题. 用所研制的仪器首次 在我国海域进行了探测试验.     

Three-dimensional finite-element modelling of magnetotelluric data with a divergence correction

A finite-element method for computing the electric field in a 3-D conductivity model of the Earth for plane wave sources, thus enabling magnetotelluric responses to be calculated, is presented. The method incorporates in the iterative solution of the electric-field system of equations the divergence correction technique introduced for finite-difference solutions by Smith (1996). The correction technique accelerates the development of the discontinuity of the normal component of the approximate electric field across conductivity discontinuities. The convergence rate of the iterative solution is improved significantly, especially for low frequencies. The correction technique involves computing the divergence of the current density for the approximate electric field, computing the static potential whose source is this divergence of the current density, and ‘correcting’ the approximate electric field by subtracting from it the gradient of the potential. This is repeated at regular intervals during the iterative solution of the electric-field system of equations. For the method presented here, the Earth model is discretised using a rectilinear mesh comprising uniform cells. Edge-element basis functions are used to approximate the electric field and nodal basis functions are used to approximate the correction potential. The Galerkin method is used to derive the systems of equations for the approximate electric field and correction potential from the respective differential equations. A bi-conjugate gradient solver was found to be adequate for the system of equations for the correction potential; a generalised minimum residual solver was found to be better for the electric-field system of equations. The method is illustrated using the COMMEMI 3D-1A and 3D-2A models.     

基于二次场方法的并行三维大地电磁正反演研究

快速且高精度的三维大地电磁法正反演是目前研究的热点.由于大地电磁法场源的平面波特性,以往的正演方法大多采用直接求解总场的方法,在边界强加二维边界条件.本文提出了一种基于二次场方法的三维大地电磁法正演算法,将平面波在层状背景模型中的响应作为场源项,得到二次场满足的偏微分方程,并利用交错网格有限差分法求取二次场.与其他学者的基于总场方法的结果的对比证明了本文采用方法的正确性.在基于二次场的正演算法基础上,实现了基于L-BFGS的三维反演方法,并对公开的数据集进行了反演.另外,针对大地电磁法的多频率观测特性,采用了基于MPI的分频并行策略对程序进行并行化,可达到接近线性的加速比.

     

提高浅层地震反射静校正精度的一种方法与数值模拟

浅层地震反射法是一种常用的勘探方法.在浅层地震资料处理中,静校正的精度直接影响速度反演的结果和叠加剖面的质量,在地形平缓时,固定基准面静校正可以满足勘探精度的要求,但在复杂地形条件下,其存在较大误差,即使采用浮动基准面,仍会由于地表一致性假设而残余静校正量,不能消除地形起伏引起的影响,为了提高浅层地震反射静校正的精度必须在常规静校正后进行一次剩余静校正,本文给出起伏地形条件下,滑动基准面(过共中心点的水平面即为该共中心点的滑动基准面)的剩余静校正量,该校正量与炮检距、反射层埋深、地层波速以及炮点和接收点高程有关,适用于单一介质和层状介质情况,本文通过对典型地形起伏的3个水平均匀层状介质理论地质模型的速度谱计算和分析,阐明在复杂地形条件下,应用本文提出的剩余静校正方法可以消除地形起伏的影响,提高静校正精度,在此基础上做动校正可以得到高质量的水平叠加剖面.     

起伏地形下各向异性的2D大地电磁无网格法数值模拟

作为一种基于节点的计算方法,无网格法具有构造高阶导数方便,自适应分析便利的优点,特别适合复杂地质构造的数值模拟.本文针对实际地球物理勘探中存在的起伏地形和各向异性的地电结构,提出用无网格法来模拟大地电磁响应,采用复合二次径向基函数构造了形函数,推导了大地电磁无网格法等价线性方程组,研究了系数矩阵的压缩存储方法以及大型稀疏复线性方程组快速求解算法,实现了起伏地形下各向异性的2D大地电磁高精度数值模拟.基于层状模型验证了算法的正确性,计算结果表明：无论是TM模式还是TE模式,计算相对误差均小于1%;通过对地垒和地堑模型的模拟,得出了起伏地形对视电阻率和相位的影响规律;对起伏地形下含有不同各向异性系数异常体的模型进行了数值模拟,为开展复杂地质结构的电磁场特征研究以及地形校正奠定了理论基础.随着计算科学的快速发展,无网格法必将成为新的高精度电磁场数值模拟方法.