复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.

     

复杂介质有限元法2.5维可控源音频大地电磁法数值模拟

利用有限元2.5维可控源音频大地电磁法（简称CSAMT）数值模拟方法,对100Ωm均匀半空间介质中有限长度的电偶极源产生的电场、磁场及视电阻率、相位特征进行了数值模拟,研究了场的空间变化规律. 在一个象限中,场的特征存在双叶现象,当收发距大于4个趋肤深度时,电阻率较接近介质真实的电阻率,这些结果为观测系统和收发距的选择提供了依据. 波数域场的特征表明,低波数对源的贡献占较大的比例. 有限元法2.5维CSAMT数值模拟的优势在于能较准确地获得复杂介质结构的波场特征. 本文结合直立异常体、倾斜异常体及断陷模型对CSAMT电阻率、相位剖面特征及频率曲线特征的可靠性进行了研究. 数值模拟结果直观地给出了异常体的剖面异常形态. 通过对比研究异常体的剖面异常形态和半空间场的特征进一步说明本文方法和软件在模拟复杂介质结构场特征时是可靠的. 这为认识观测数据,指导反演解释提供了较好的依据.     

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.     

利用积分方程法的大地电磁三维正演

利用积分方程法实现了均匀导电半空间三维大地电磁响应的数值模拟。求取张量格林函数积分时,采用二次剖分算法解决计算中奇异值问题,对于含有贝塞尔函数的积分项,利用结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,确保了张量格林函数的正确计算并提高了计算精度。最后通过数值模拟结果的对比及模型试算验证了算法的正确性,所实现的三维大地电磁数值模拟算法为理论研究三维地电构造的大地电磁响应的分布规律提供了有效的工具,也为研究三维反演算法奠定了基础。     

三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究

由于海底介质受沉积环境的影响,层理发育呈现明显各向异性特征.对于海洋可控源电磁法各向异性的研究以往主要局限于一维和二维模型,为更深入了解复杂情况下海底各向异性对海洋可控源电磁响应的影响规律,本文开展三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究.采用交错网格有限差分技术,通过对任意各向异性介质电导率张量实行体积和空间电流密度平均,完成海洋可控源电磁二次散射电场的离散化,成功实现任意各向异性介质中海洋可控源电磁正演模拟.通过对几种典型各向异性电性模型条件下海洋电磁电场多分量响应及分布特征和各向同性情况的对比分析,总结电各向异性对海洋电磁响应的影响规律和识别方法.本文算法研究及算例可为海洋可控源电磁数据精细化处理解释提供技术支撑.     

任意各向异性介质中三维可控源音频大地电磁正演模拟

在一些地层层理发育的地区,地下介质存在显著的电各向异性,此时基于各向同性模型解释含各向异性效应的可控源音频大地电磁（CSAMT）测深观测数据会导致错误的结果.本文通过引入3×3的对称正定张量表征电导率各向异性,采用非结构四面体网格和矢量有限元方法离散电场满足的矢量Helmholtz方程,并将电磁场源等效为系列电偶极子,实现任意各向异性介质中CSAMT高效数值模拟.本文首先通过层状各向异性模型检验三维有限元算法的精度和有效性,进一步建立三维地电模型研究异常体各向异性和围岩各向异性对CSAMT响应的影响,最后使用视电阻率极性图来识别各向异性电导率主轴方向.数值模拟结果表明,各向异性电导率对CSAMT视电阻率幅值及分布规律都有很大影响,视电阻率极性图能够很好地识别各向异性主轴方向.

     

陆地可控源电磁法三维勘探的激电效应影响研究

可控源电磁法(CSEM)的正演模拟与反演解释中常忽略激电介质的影响.本文基于电磁三维正反演开源平台ModEM,分别开展了陆地CSEM三维正反演以及考虑激电介质的陆地CSEM三维正演研究,并与一维模型解析解对比验证了三维计算的准确性.数值模拟结果显示,模型含激电效应与不含激电效应的电场E_x频率响应差异明显,激电效应会导致电场E_x幅值减小、相位增加,且对E_x的影响程度与激电异常体的频谱特性及观测的收发距均相关.合成数据的陆地CSEM反演结果显示,数据中含激电效应会使得反演出的异常体在深度、规模和电阻率值上都与真实异常体存在较大偏差,忽略观测数据中的激电效应会明显影响观测的准确性.本文研究表明当陆地CSEM三维观测资料中包含激电效应时,有必要考虑其影响.     

带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质正演研究

目前,对于可控源电磁法各向异性介质2.5维问题,主要采用一次场、二次场分离的方法消除场源奇异性并降低截断边界对计算区域的影响.该方法数值计算精度高,但是很难适用于复杂地形条件下的数值模拟.针对复杂地形问题,基于总场的有限元方法表现出一定的优越性,然而,这种方法存在场源奇异性问题和截断边界问题.本文采用基于总场计算的方法对带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质进行模拟研究,推导了考虑电导率和介电常数各向异性的2.5维控制方程;引入网格加密-收缩算法降低场源奇异性的影响范围,提升数值计算效率;引入行波分解边界条件降低截断边界的影响;提出任意采样反傅里叶变换方法,快速、高精度地计算出空间域电磁场分量.理论模型数值算例中：首先,验证了本文算法的有效性;其次,对任意各向异性倾角产生的可控源电磁响应规律进行研究;最后,采用山丘模型对各向异性介质电磁场的响应规律进行了模拟和分析.

     

海洋天然气水合物可控源电磁法的响应特征:一维正演模拟

We discuss the feasibility of using controlled-source electromagnetic （CSEM） in the frequency domain for prospecting marine gas hydrates. Based on the Ocean Drilling Program （ODP） Leg 164 log data, we have established several 1-D resistivity models which have different gas hydrate concentrations. Meanwhile, we analyzed the electromagnetic response of marine gas hydrates in the frequency domain based on these models. We also studied the relationship between electrical field magnitude or phase and parameters such as receiver-transmitter distance and frequency. Our numerical modeling results provide us with a quantitative reference for exploration and resource evaluation of marine gas hydrates.     

可控源音频大地电磁测深法勘查深度研究

可控源音频大地电磁测深法的勘查深度问题在理论研究和实际工作中都得到了广泛的关注,本文分析了水平层状大地电磁正反演方法的基本原理,说明了可控源音频大地电磁测深法在深部勘查方面具有可靠性.通过建立两个三层地电模型,并对吉林某地区的CSAMT实测数据进行了带源反演成像,与已知钻井资料对比分析表明,可控源音频大地电磁测深法对地下1000~2000 m深度的反演较为准确,能够反映地下电性的垂向变化.     

瞬态弹性波散射的变换域积分方程法

针对瞬态弹性波散射的问题,从弹性动力学问题的积分表示定理出发,采用Laplace变换的方法,得到了变换域内均质体位移场的积分方程表示;在此基础上推导了适合瞬态弹性波对异质体散射求解的变换域位移场积分方程。     

Modelling Rupture Dynamics of a Planar Fault in 3-D Half Space by Boundary Integral Equation Method: An Overview

In this article, we first reviewed the method of boundary integral equation (BIEM) for modelling rupture dynamics of a planar fault embedded in a 3-D elastic half space developed recently (ZHANG and CHEN, 2005a,b). By incorporating the half-space Green's function, we successfully extended the BIEM, which is a powerful tool to study earthquake rupture dynamics on complicated fault systems but limited to full-space model to date, to half-space model. In order to effectively compute the singular integrals in the kernels of the fundamental boundary integral equation, we proposed a regularization procedure consisting of the generalized Apsel-Luco correction and the Karami-Derakhshan algorithm to remove all the singularities, and developed an adaptive integration scheme to efficiently deal with those nonsingular while slowly convergent integrals. The new BIEM provides a powerful tool for investigating the physics of earthquake dynamics. We then applied the new BIEM to investigate the influences of geometrical and physical parameters, such as the dip angle (δ) and depth (h) of the fault, radius of the nucleation region (R_asp), slip-weakening distance (D_c), and stress inside (T_i) and outside (T_e) the nucleation region, on the dynamic rupture processes on the fault embedded in a 3-D half space, and found that (1) overall pattern of the rupture depends on whether the fault runs up to the free surface or not, especially for strike-slip, (2) although final slip distribution is influenced by the dip angle of the fault, the dip angle plays a less important role in the major feature of the rupture progress, (3) different value of h, δ, R_asp, T_e, T_i and D_c may influence the balance of energy and thus the acceleration time of the rupture, but the final rupture speed is not controlled by these parameters.     

用积分方程法研究源与勘探区之间的三维体对CSAMT观测曲线的影响

在可控源音频大地电磁法野外作业中,源和勘探区间的距离可达几公里,为了了解源和勘探区间的异常体对勘探区内异常响应的影响,我们用三维压缩积分方程法做了数值模拟研究.首先对勘探区目标体进行了数值模拟,发现在高频时,观测到的异常中心位于目标体的正上方,随着频率降低,出现异常中心向远离源的方向略有移动的现象,所以对三维异常体最好用3D软件来解释.然后,对源和勘探区间存在三维异常体的情况进行了数值模拟与分析讨论.模拟结果表明只有当三维异常体达到较大的规模时,才会对目标体上方的观测曲线造成影响,否则其电阻率的变化及埋深的变化对观测曲线的影响较小,可以忽略.当异常体在源方向有延伸时,观测曲线受到的干扰最大,沿垂直源布设的方向延伸时引起的干扰中等,垂直地面向下延伸引起的干扰最小.     

井间电磁波CT技术及其在岩溶勘察中的应用

井间电磁波层析成像技术是将医学CT应用于地球物理学中的一项新技术,它主要依据电磁波在不同介质中传播时的吸收差异,重建井间介质吸收系数的分布图像,形象及直观地展现研究区域的地质结构。本文详细地研究了井间电磁波层析成像技术的基本原理,对具有高低吸收电磁异常体的理论模型,根据一定的观测系统对电磁波的场强进行了数值模拟,并采用SIRT反演技术对吸收异常体的图像进行了重建;同时将该方法应用于广西某地拟建桥址的岩溶勘查之中,取得了良好的应用效果。     

Boundary integral equations for dynamic rupture propagation on vertical complex fault system in half-space:Theory

The boundary integral equation method(BIEM)is now widely used in numerical studies on earthquake rupture dynamics,and is proved to be a powerful tool to deal with problems on complex fault system.However,since this method heavily lies on the specific forms of Green's function and only the Green's function in full-space has a closed analytic expression,it is usually limited to a full-space medium.In this study,as a first step to extend this method to an arbitrary complex fault system in half-space,the boundary integral equations(BIEs)for dynamic strike-slip on vertical complex fault system in half-space are derived based on exact Green's function for isotropic and homogeneous half-space.Effect of the geometry of the complex fault system are dealt with carefully.Final BIEs is composed of two parts:contribution from full-space,which has been thoroughly investigated by Aochi and his co-workers by using the Green's function for full-space,and that from free surface,which is studied in detail in this study.     

大型积分方程降阶解法与重力资料曲面延拓

分析了等效源曲面延拓方法积分方程核函数的自相似性、冗余性,根据Fredholm积分方程核函数特征,提出了一种小波余弦非线性阈值压缩算法,实现了大型Fredholm积分方程的降阶,使得Bhattacharyya等（1977年）提出的等效源曲面延拓方法能够处理大面积、大数据量的资料. 理论模型结果表明,当压缩比为40.5%时硬阈值压缩方法的曲面延拓可以达到很高的精度,当压缩比为81.1%时, 硬阈值压缩方法精度降低,而采用我们提出的余弦非线性阈值可以明显提高曲面延拓的精度. 将硬阈值、软阈值和非线性阈值压缩三种不同方法用于川东北气田MT－1线资料的处理,当压缩比达79%时,三种不同方法曲化平结果都可以达到很好的效果,但非线性阈值压缩的曲化平结果失真最小,它能够客观地反映杨家河局部隆起,为在该区寻找与油气有关的局部构造提供重要依据.