时间域航空电磁三维并行反演研究（英文）

为提高复杂条件下时间域航空电磁数据解释精度,本文开展了时间域航空电磁三维并行反演算法研究。该算法中的三维正演是基于有限差分技术,并采用"移动脚印"技术来减小实际计算模型尺寸;三维反演基于Gauss-Newton反演方法,并采用显式灵敏度矩阵计算技术减少反演过程中的正演次数。为提高三维反演的效率,本文基于OpenMP并行库实现了三维反演的并行化。从理论和实测数据的三维并行反演结果可以看出本文的并行化策略明显地提高了三维反演的速度,能够胜任大数据量时间域航空电磁实测资料三维反演解释任务。     

地震监测人工源极低频电磁技术(CSELF)新试验

2009年利用大功率人工源极低频电磁技术(CSELF)在位于华北、华南、东北、西北和西南的12个地震台站和几个流动观测点进行了连续30天新的观测试验.结果表明,利用CSELF技术可以在1700 km之外测量到人工源电磁场信号,计算得到的电、磁场功率谱密度和视电阻率与天然源信号相比,抗干扰能力更强,观测信号更稳定,特别有利于识别和捕捉地震等诱发的电磁异常现象,在地震预测监测中具有很大的研究应用潜力.试验还发现,各地震台站和流动测点观测的CSELF信号的强度,与台站或者测量的电、磁场分量相对于发射源的距离、方位有明显的关系;发现在离开发射源的相对近区,场强随距离的衰减,比在相对远区更快;发现接收磁场信号比电场信号较易获得更高信噪比的数据.     

低频缺失情况下的弹性波包络反演（英文）

多分量地震数据中低频缺失是弹性波全波形反演中的一大难题,低频的缺失导致全波形反演无法有效恢复介质的长波长成分进而使反演陷入局部极值。为此,本文提出了反演介质纵横波速度长波长分量的弹性波包络反演方法。该方法利用包络算子具有的解调多分量数据中隐含的低频信息的能力,构造多分量地震数据的包络目标函数进行反演,用以恢复地下介质纵横波速度的长波长成分。一系列数值试验表明,即使在多分量地震数据中缺失低频信息、并且初始模型缺少先验信息的情况下,这种弹性波包络反演方法能够有效降低波形反演的非线性,可以为后续的常规弹性波全波形反演或者深度偏移提供足够精确的初始模型,且该方法对横波速度长波长分量的重建尤为有效。Mamousi-2模型的高精度纵横波速度的反演结果表明,利用该方法反演的纵横波速度作为常规弹性波全波形反演的初始模型,可以显著提高反演结果的精度。此外,本文对弹性波包络反演方法的适用性也进行了初步的研究与讨论。     

三维频率域可控源电磁反演研究

对于三维可控源电磁,反演计算效率、张量测量、旁侧效应以及阴影效应是目前研究的热点.本文正演采用基于库仑规范条件的耦合势有限体积算法,反演采用有限内存BFGS(L-BFGS)算法.合成数据反演结果表明:(1)有限内存BFGS法比非线性共轭梯度法,在反演计算效率上具有一定的优势,更适合求解大规模三维可控源电磁反演问题.(2)张量可控源电磁法相对于标量可控源电磁法,前者在模型分辨率上优于后者.(3)在某个区域无法布置测网的情况下,我们可利用旁侧效应在异常体周围布置测网进行三维反演,从而获得真实异常体的信息.同时,为避免阴影效应,我们应在测网外增加可控源电磁控制点,使得三维反演的数据更加完备.     

大地电磁法三维快速松弛反演

实现大地电磁法快速三维反演的关键在于找到快速计算灵敏度矩阵的方案. 本文在对大地电磁三维张量阻抗表达式进行深入分析的基础上，获得了三维快速松弛反演算法的灵敏度函数表达式，解决了三维快速松弛反演的核心问题；为了减小反演解的多解性，针对三维问题定义了最小构造函数，实现了求最小构造的三维快速松弛反演算法. 对二维棱柱体、三维棱柱体理论模型的大地电磁合成数据进行了反演试算，反演结果与理论模型相吻合. 对日本Kayabe地区实测资料进行了XY模式反演，反演得到的地电模型较好地反映了地热资源的分布. 反演试算结果表明大地电磁三维快速松弛反演具有计算速度快、结果稳定可靠等特点；使三维快速松弛反演在普通微机上得以实现.     

三维重力快速反演的优化算法（英文）

实用化的重力数据三维反演过程中需要大量的计算时间和存储空间,针对此问题本文提出一种组合优化算法:(1)利用空间域的精确性和波数域的快速性,提出一种高精度快速三维正演算法;(2)利用反演矩阵中的对称性,将重力共轭梯度反演(CG)中的主要计算分解成两次正演计算,从而优化了三维重力反演的计算效率。通过不同网格剖分数量模型的数值实验,验证了本文优化算法的计算精度和计算效率。     

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。     

基于灰色系统理论和稳健估计的人工源电磁数据处理（英文）

针对强干扰导致人工源频率域电磁法测量结果出现偏倚的问题,研究将灰色系统理论和稳健M-估计综合用于数据处理的新方法。由于灰色系统理论对数据分布类型及数量依赖程度低,本文通过灰色建模求解测量数据的标准差,结合阈值法识别、剔除异常值。采用稳健M-估计估算测量结果,以压制异常值影响,提高处理结果的精度。最后将保留数据的M-估计值视为真实值。为验证所述方法处理效果,仿真生成含噪信号,剔除其有效频率频谱数据中的异常值,处理结果可高度逼近理论值,其最大相对误差为3.6676%,最小仅为0.0251%。然后对野外实测数据进行处理,并通过均方根误差、电位差频谱数据和视电阻率曲线形态对处理效果进行评价。研究结果表明:本文方法可以在保留可信数据的同时有效剔除异常值,均方根误差大幅下降,为人工源电磁法资料后续处理解释提供可靠的数据。     

地面矩形大定源电磁法频率域三维非线性共轭梯度反演

本文实现了地面矩形大定源三维频率域反演.矩形大定源三维模型响应计算采用交错网格有限差分技术.正演的微分方程为异常电场满足的非齐次Helmholtz方程,方程右手边源项中的大定源产生的背景格林函数由虚界面法结合虚框法计算.频率域三维反演采用非线性共轭梯度反演技术.反演的数据类型为垂直磁场的频率域响应H_z的实部和虚部分量.数值结果表明,（1）三维模型正演模拟数值结果与前人一致,为三维反演奠定基础;（2）针对两个三维导电模型,分别进行了三维反演数值试算.反演结果可以清晰恢复出异常体的电阻率和位置信息,表明地面矩形大定源三维频率域非线性共轭梯度反演具有可行性.本文研究的意义在于,在电磁响应时频转换技术的基础上,如果将野外实测的瞬变电磁数据变换为对应的频率响应,则结合本文提出的三维反演技术,可以为矩形大定源瞬变电磁数据的三维解释提供一个新的思路.

     

大地电磁法三维共轭梯度反演研究

Based on the analysis of the conjugate gradient algorithm, we implement a threedimensional （3D） conjugate gradient inversion algorithm with magnetotelluric impedance data. During the inversion process, the 3D conjugate gradient inversion algorithm doesn＇ t need to compute and store the Jacobian matrix but directly updates the model from the computation of the Jacobian matrix. Requiring only one forward and four pseudo-forward modeling applications per frequency to produce the model update at each iteration, this algorithm efficiently reduces the computation of the inversion. From a trial inversion with synthetic magnetotelluric data, the validity and stability of the 3D conjugate gradient inversion algorithm is verified.     

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.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

三维瞬变电磁近似反演

根据烟圈理论,将发射源在地球中感应的电流线看成是随时间向下扩散的烟圈,称之为发射源象．将源象在地表的磁场和源附近测得的响应磁场相对比,确定源象深度,由此用三次样条插值法求出源象扩散速度,并与均匀半空间中烟圈向下扩散的速度进行对比,从而近似估算出随深度变化的电阻率．本文主要讨论圆形回线发射源情形,编制出相应的近似反演程序,并对一维层状理论模型和实测资料进行反演试验．     

无人机频率域半航空电磁法三维反演

当前无人机频率域半航空电磁方法(SAEM)成为地球物理勘探中的新兴技术,该方法通过空中无人飞行器测量地面上单个或多个可控源的垂直磁场.本文为无人机频率域SAEM开发了三维反演程序,正演采用交错网格有限差分.由于无人机采集的数据量巨大,因此使用了有限内存拟牛顿法(LBFGS)实现快速的三维反演,以避免计算和存储巨大的灵敏...     

大地电磁三维快速松弛反演并行算法研究(英文)

为了进一步提高大地电磁三维快速松弛反演的计算效率,在深入分析大地电磁三维快速松弛反演算法的基础上,结合MPI自身的优越性,确定了并行计算的思路,实现了三维快速松弛反演的并行计算。通过理论模型合成数据和实测数据对实现的三维快速松弛反演并行程序进行了试算,分析对比了在多种情况下程序的执行效率。测试结果表明,所实现的三维快速松弛反演并行程序运行结果正确,效率提高明显。此成果在普通微机上实现,推动了大地电磁三维反演技术的实用化,可为其它地球物理三维正反演研究所借鉴。     

油气藏开发监测中地-井三维电磁法的数值模拟研究（英文）

在油气田开采的中后期,油气藏动态监测与剩余油气的探测是至关重要的问题。基于地层流体含油气饱和度的变化将导致电阻率差异这一机理,提出多场源多方位地-井垂直电磁剖面法。根据油气藏及其开采过程设计了油气藏动态开发四个进程,采用积分方程方法模拟了多方位、多场源地-井垂直电磁剖面法在油气藏注水开采进程中油气储层电阻率和含油饱和度动态变化的电磁响应特征。通过不同方位地-井电磁场异常强度及形态变化来指示注水开采进程。数值模拟结果表明:该方法可有效监测油气动态变化过程,指示续剩余油分布、注水水淹进程。     

基于高斯牛顿法的频率域可控源电磁三维反演研究

三维反演解释是电磁法勘探发展的重要趋势,而如何提高三维反演的可靠性、稳定性和计算效率是算法开发者们目前的研究重点.本文实现了一种频率域可控源电磁（CSEM）三维反演算法.其中正演基于拟态有限体积法离散化,利用直接矩阵分解技术来求解大型线性系统方程,不仅准确、稳定,而且特别有利于含有大量发射场源位置的CSEM勘探情况;对目标函数的最优化采用高斯牛顿法（GN）,具有近似二次的收敛性;使用预条件共轭梯度法（PCG）求解每次GN迭代所得到的法方程,避免了显式求解和存储灵敏度矩阵,减小了计算量.以上这些方法的结合应用,使得本文的三维反演算法准确、稳定且高效.通过陆地和海洋CSEM勘探场景中的典型理论模型的反演测试,验证了本文算法的有效性.     

三维时间域航空电磁任意各向异性正演模拟（英文）

在自然界中地层会呈现出各向异性特征,各向异性介质的研究有助于资料解释和认识地球动力学的过程,但当前数据处理中多数使用各向同性理论解释各向异性构造,因而对电磁资料解释造成了一定的偏差。当前,时间域航空电磁法关于各向异性的解释仍局限于一维情况,且相应的三维数值模拟也正处于研究中,因此本文针对任意各向异性介质中三维时间域航空电磁法进行正演模拟。将各向同性介质的电导率经过坐标旋转后,得到任意各向异性介质的电导率张量,将其引入到麦克斯韦方程组中,采用矢量有限元法的规则网格对求解区域进行剖分,利用直接求解器对总体合成的线性方程组进行求解。通过与解析解对比,验证了算法的精确性和可行性;同时与各向同性情况进行对比,通过响应的分布特征及幅值变化分析任意各向异性对三维时间域航空电磁响应的影响,得出在不同情况下各向异性对时间域航空电磁响应的影响情况存在较大差异。     

地面与半航空瞬变电磁法三维联合反演

半航空瞬变电磁法(SATEM)因其具有工作效率高、探测成本低等优势, 成为了一种发展迅速的新兴地球物理探测技术.基于一维反演的SATEM数据处理方法难以满足复杂地质条件下精细解释的需求.同时, 采用单一的探测方式, 存在探测能力有限、反演多解性强等问题.本文开发了适用于地面瞬变电磁法和SATEM的三维反演及联合反演算法.正演采用基于非结构化四面体网格的矢量有限元法, 可以精确模拟地形和复杂地电结构.反演采用具有较高收敛速度的高斯-牛顿法.通过对理论模型分别进行地面瞬变电磁、半航空瞬变电磁单独反演及其联合反演, 验证了反演算法的有效性.通过对比不同装置的单独反演结果, 以及单独反演与联合反演结果, 分析了不同装置的探测能力, 并展示了联合反演可以有效压制反演多解性、提高反演结果分辨率的优势.