可控源音频大地电磁数据的反演方法

从反演方程、构造目标函数和求解三方面对用于可控源音频大地电磁法(CSAMT)的实用反演方法中的四种进行了描述．水平层状地层CSAMT法资料的直接反演法首次尝试了一维空间的全资料CSAMT反演，效果较好，但该方法尚难应用于2D、3D复杂介质中；奥克姆反演方法既考虑了横向的光滑函数，又考虑了纵向的光滑函数，得到比较光滑的横向、纵向变化的背景电性结果，但有可能把一些小构造光滑掉．快速松驰反演算法和共轭梯度算法由于计算速度快，占内存少而被用于三维反演中，二者相比，快速松驰算法在求解雅可比矩阵时只做一次正演计算，在更新模型时解小型方程组，所以在速度上更胜一筹．在后三种算法中，由于复杂电性结构无解析解，正演计算都采用数值计算．数值计算的可靠性、速度影响着反演算法的有效性，这方面的研究也将是2D、3D复杂电性结构反演的研究方向之一.     

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.     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,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,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

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.     

大地电磁数据的Occam反演改进

Occam 反演以其稳定的收敛性,在大地电磁（MT）数据解释中有广泛的应用。但是其每次迭代均用一维搜索方法求拉格朗日因子μ值,需要许多次正演计算,速度非常慢。在讨论了 Occam 反演中数据拟合差随μ变化的基础上,本文采用了μ值在一定步长下逐次递减的求取方法,每次迭代只需一次正演,极大地提高了计算速度。另外,反演求得光滑模型而非最光滑模型,分辨率更高。理论及实际数据的反演试算均表明,和 Occam 反演相比,反演依然稳定,但速度更快,结果也更真实。     

大地电磁数据的Occam反演改进

Occam 反演以其稳定的收敛性,在大地电磁（MT）数据解释中有广泛的应用。但是其每次迭代均用一维搜索方法求拉格朗日因子μ值,需要许多次正演计算,速度非常慢。在讨论了 Occam 反演中数据拟合差随μ变化的基础上,本文采用了μ值在一定步长下逐次递减的求取方法,每次迭代只需一次正演,极大地提高了计算速度。另外,反演求得光滑模型而非最光滑模型,分辨率更高。理论及实际数据的反演试算均表明,和 Occam 反演相比,反演依然稳定,但速度更快,结果也更真实。     

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.

     

可控源音频大地电磁法在隐伏活动断裂探测中的应用

根据已有地质和地球物理研究结果,北京东部平原地区存在多条第四纪隐伏活动断裂。为了查明该区基岩面的起伏情况、断裂的空间展布以及深部断面的延伸情况,2010年初,在北京顺义区庙卷村和朝阳区孙河地区附近完成了2条可控源音频大地电磁测深剖面。文中介绍了可控源音频大地电磁法(CSAMT)隐伏活动断裂勘探的特点、资料采集过程及数据处理方法,结合区域地质资料对研究区域进行了综合地质解释。结果表明:CSAMT法在隐伏活动断裂探测中能给出工区内断裂的构造位置、倾向、断距以及发育规模,为地质分析工作提供可靠的基础资料。CSAMT法已经成为隐伏活动断裂探测中一种重要的地球物理手段,在城市活动断裂探测中发挥着重要的作用。     

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.

     

SOTEM数据一维OCCAM反演及其应用于三维模型的效果

本文基于垂直磁场分量研究了SOTEM数据的一维OCCAM反演方法,并将其应用于理论三维数据及野外实测数据的反演.对于大部分一维模型,OCCAM反演可取得较好的反演效果,且反演结果不依赖于偏移距;噪声对SOTEM数据的OCCAM反演具有较大影响,但当信号含噪水平不超过5%时,反演结果仍具有较好的准确性;若浅层存在较厚的低阻层,OCCAM反演结果对下部地层的分辨能力下降,仅能获得具有平均效应的电阻率.将一维算法应用于SOTEM三维数据的反演,会产生较大的误差,尤其是在异常体边缘地带影响最为严重.该影响程度与异常体和背景电阻率之间的差异有关,对于大多数电性近似呈连续变化的真实大地而言,一维OCCAM反演算法仍可获得较好的效果.最后通过陕西某煤田深部富水性调查的实测SOTEM数据反演验证了本文的研究成果.

     

3D LBFGS inversion of controlled source extremely low frequency electromagnetic data

The controlled source extremely low frequency (CSELF) electromagnetic method is characterized by extremely long and powerful sources and a huge measurement range. Its electromagnetic field can therefore be affected by the ionosphere and displacement current. Research on 3D forward modeling and inversion of CSELF electromagnetic data is currently in its infancy. This paper makes exploratory attempts to firstly calculate the 1D extremely low frequency electromagnetic field under ionosphere-air-earth coupling circumstances, and secondly analyze the propagation characteristics of the background electromagnetic field. The 3D staggered-grid finite difference scheme for solving for the secondary electric field is adopted and incorporated with the 1D modeling algorithm to complete 3D forward modeling. Considering that surveys can be carried out in the near field and transition zone for lower frequencies, the 3D Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (LBFGS) inversion of CSELF electromagnetic data is presented (in which the sources, or primary fields, are included), with the aim of directly inverting the impedance data, regardless of where it is acquired. Derivation of the objective functional gradient is the core component in the inversion. Synthetic tests indicate that the well-chosen approximation to the Hessian can significantly speed up the inversion. The model responses corresponding to the coexistence of conductive and resistive blocks show that the off-diagonal components of tensor impedance are much more sensitive to the resistivity variation than the diagonal components. In comparison with conventional scalar inversion, tensor inversion is superior in the recoveries of electric anomalies and background resistivity.     

3D Step-by-step inversion strategy for audio magnetotellurics data based on unstructured mesh

A three-dimensional (3D) step-by-step inversion strategy for audio magnetotellurics(AMT) is investigated in this study.The objective function is minimized by it...     

2.5维复电阻率反演及其应用试验

自复电阻率法被提出以来,其区分矿与非矿方面的潜力就引起了人们的广泛关注,但反演问题一直没有得到较好的解决,已经严重影响和制约了该方法的应用和发展.对此,本文提出并实现了利用多个排列视电阻率和视相位数据的2.5维SIP联合反演方法.算法利用最小二乘原理构建了反演目标函数,为提高反演的稳定性,在反演方程中加入了Occam法的光滑模型约束.通过借助电场的偏导数形式,推导出了灵敏度矩阵的解析表达式,并应用互换定理对其进行精确求取.反演算法充分利用了电磁感应和激电效应中的异常信息,能够同时反演出二维地质断面上所有单元的四种复电阻率参数.最后,利用该反演程序对安徽某地区的SIP实测数据进行了反演成像,通过与已知钻井资料及CSAMT反演结果的对比分析表明,该反演算法具有良好的应用效果.     

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.

     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量Ex.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.     

一种并行的大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法

本文改进并验证了大地电磁测深数据的三维反演算法和并行计算程序,程序对计算机物理内存和CPU速度及数量要求较低,使普通家用机进行三维反演计算成为可能.本文在Newman和Alumbaugh(2000)提出的三维非线性共轭梯度算法和Rodi和Mackie(2001)给出的大地电磁场二维NLCG反演预处理方法的基础上实现了大地电磁场NLCG三维反演算法,改进了的预处理方法,将反演计算对初始模型的依赖性降到最低,并且通过理论模型验证了程序的正确性,并根据日本KAYABE地区实测数据的反演结果验证了算法的实用性.     

2.5D forward modeling and inversion of frequency-domain airborne electromagnetic data

Frequency-domain airborne electromagnetics is a proven geophysical exploration method. Presently, the interpretation is mainly based on resistivity—depth imaging and one-dimensional layered inversion; nevertheless, it is difficult to obtain satisfactory results for two- or three-dimensional complex earth structures using 1D methods. 3D forward modeling and inversion can be used but are hampered by computational limitations because of the large number of data. Thus, we developed a 2.5D frequency-domain airborne electromagnetic forward modeling and inversion algorithm. To eliminate the source singularities in the numerical simulations, we split the fields into primary and secondary fields. The primary fields are calculated using homogeneous or layered models with analytical solutions, and the secondary (scattered) fields are solved by the finite-element method. The linear system of equations is solved by using the large-scale sparse matrix parallel direct solver, which greatly improves the computational efficiency. The inversion algorithm was based on damping least-squares and singular value decomposition and combined the pseudo forward modeling and reciprocity principle to compute the Jacobian matrix. Synthetic and field data were used to test the effectiveness of the proposed method.