三维正演

摘要： 瞬变电磁响应受到发射波形的影响,正演计算中需考虑发射波形.基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法能够精确模拟三维全波形瞬变电磁正演响应,但该算法计算精确的on-time响应非常耗时.目前实际工作中多数情况下都是对off-time时间段的数据进行处理解释,因此可以将正演问题简化为精确模拟考虑发射波形的off-time时间段的响应.本文实现了一种改进的基于位移逆Krylov子空间投影的模型降阶算法,能够实现任意发射波形的瞬变电磁off-time时间段的响应的三维快速正演.基于频谱分析理论实现了一种定量化的评价on-time采样波形精度的方法,能够在保证off-time响应精度的同时,极大的减少on-time波形采样点的数量,从而显著的减少正演计算时间.典型的半正弦波、梯形波和复杂的VTEM波的模型的正演结果表明,相比密集采样的正演结果,本文算法在保证off-time响应精度的同时,能够实现5倍以上的正演加速.

摘要： 为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确,在时域有限差分正演中通常采用低频近似,即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中,因而H_(z)的求解方式与H_(x)、H_(y)不同,导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程,并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一,提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性,发现模拟结果与解析解吻合较好,且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半;而且,反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后,模拟了典型的三层模型,发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型,实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性.

摘要： 可控源电磁法是油气和矿产资源勘探的重要手段之一。目前常规可控源电磁数据的资料解释多是假设平坦地形条件,这会导致反演异常体的位置和形态发生畸变,甚至产生虚假异常。为探究起伏地形对三维可控源电磁场传播的影响,提高资料处理解释质量,采用基于非结构化网格的矢量有限元算法,对起伏地形条件下的三维可控源电磁场进行数值模拟研究,讨论了地形对电磁场分量的影响。首先构建层状介质模型和简单异常体模型进行数值模拟,结果证明了该算法的正确性和时效性;然后,通过多个地形起伏三维模型,详细讨论起伏地形对可控源电磁法电磁场各分量的影响特征;最后,对实际复杂地形条件下金属矿模型的电磁响应特征进行分析,证明了该算法的实用性。

摘要： 为了提高广域电磁法三维正演精度和效率,本文提出采用基于Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式的谱元法进行广域电磁法三维正演模拟.首先从麦克斯韦方程组出发,推导了二次场满足的电场双旋度控制方程,利用伽辽金加权残差法将微分形式的边值问题转换为积分弱形式,再通过单元剖分和高阶正交基函数插值对全域问题进行离散,最后通过求解大型线性方程组得到全局的数值解.层状介质模型验证了算法的正确性和精度,三维地电模型分析了算法稳定性以及广域电磁法响应特征.研究表明谱元法是进行广域电磁法三维正演模拟的有效方法,具有高精度、低网格依赖性等优势.

摘要： 直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。

摘要： 起伏地形为中国矿产资源的发现和勘查造成了极大困难,为了避免复杂的地形效应,在地面瞬变电磁勘探中尽量将发射源与接收点布置在地形平缓处,但源外起伏地形的影响仍然存在。目前,对地形影响的分析大多从测道曲线图或者视电阻率断面图进行定性判断,较少从整个观测时间段内量化评估地形影响的程度。基于有限元法实现了带地形条件下矩形回线源的瞬变电磁三维正演,在源外构造了山脊、山谷地形,将地形与发射源的距离、大地电导率、异常体电导率作为变化参数,给出了整个观测时间段内在不同接收点处地形造成的相对误差分布,从而分析了源外地形对电磁响应的影响规律。结果表明:源外地形对电磁响应的影响主要集中在某个时间段内,随着与发射源距离增大,地形作用减弱,受影响区域也推移到较晚期时间段上;随着大地电导率增大,地形主要影响区域会推移到较晚期时间上,但受影响程度基本一致;相同几何尺寸的山谷地形比山脊地形对电磁响应的影响更大;地形、异常体对电磁响应的影响可以分离,如果异常体产生的二次场比较强,地形效应的影响相对较小,可以忽略地形影响。研究结果为地面瞬变电磁勘探中地形效应的识别与后期处理解释提供了理论依据。

摘要： 通过对含异常体的三维地电模型进行系统正演和分析,提出了一种地—井瞬变电磁异常体快速定位方法。在对含异常体的三维地电模型进行正演响应规律分析时发现:纯异常场的X、Y分量曲线零点以及Z分量曲线的极值点与异常体深度对应较好;当异常体的规模、电阻率、埋深发生改变时,X、Y分量曲线形态基本不变;当异常体方位发生变化时,X、Y分量曲线形态发生变化。在此基础上,提出地—井瞬变电磁异常体快速定位方法:首先,依据X、Y曲线的零点确定异常体所在深度;其次,依据X、Y分量曲线形态确定异常体所在象限(90°范围);最后,依据X+Y或者X-Y分量的曲线形态将异常体定位于井周45°范围内。数值试验显示本方法对不同方位异常体模型的定位结果均与设计模型吻合。采用陕北某矿区地—井瞬变电磁实测数据作进一步验证,本文方法推断的结果与实际吻合较好。

摘要： 在编写电磁法正演模拟代码这类高级且复杂的计算程序时,通常需要采用动态语言和静态语言相结合的双重编程语言来完成,这给研究工作者带来了诸多不便。为了提高编程效率,降低编程复杂性,这里采用全新的、能有效地简化编写工作量的Julia语言来编写大地电磁三维正演程序,正演代码实现由有限体积法(MFV)建立的基于各向同性介质的三维模型,并对其进行数值模拟,同时采用Dublin测试模型1(DTM1)进行正确性验证,也证明了基于Julia语言的大地电磁三维正演模拟是准确可靠的,使用Julia编写的代码具有更好的可读性、可维护性和可扩展性,这对于从事电磁法正反演研究的工作者来说,Julia语言将是一个更为简便高效的编程工具。

摘要： 地球物理勘探区的地形往往是起伏复杂的,传统长偏移距瞬变电磁法(long-offset transient electromagnetic method, LOTEM)三维正演模拟一般不考虑地形的影响,而地形因素会严重影响LOTEM数据的合理解释。因此,本文开展起伏地形条件下非结构矢量有限元LOTEM三维正演模拟。首先,应用三维建模软件Blender准确建立复杂地电模型,采用非结构四面体网格精细刻画起伏地形。其次,基于偶极子离散的长导线源近似技术,将长导线源离散为若干段等效电偶极子,并引入二阶后退欧拉格式完成时间离散。进而实现LOTEM快速、高精度三维正演。在保证计算精度的前提下,模拟了起伏地形条件下复杂地质模型的瞬变电磁场响应。模拟结果表明,由于地形的影响,LOTEM电磁场响应“畸变”严重,会削弱甚至完全“埋没”地下异常体的瞬变电磁场响应,严重影响地下目标体的有效探测。

摘要： 大地电磁正演常采用电场双旋度方程,由于工作频率低、空气电导率为零,电场双旋度方程含有空解空间,导致离散化的线性方程组严重病态、具有高的条件数.为降低大地电磁场双旋度正演方程的病态性,本文提出了一种基于空气与地球分离策略的大地电磁混合正演公式.首先,在空气层中将双旋度算子转换为Laplace算子,在地下利用电导率大于零的特征保留双旋度算子,建立空气与地下分离的混合公式系统,以便实现混合公式系统对应的离散化线性方程组条件数的大幅度降低.然后,在空气与地下分界面上,施加电磁场的切向与法向连续性条件实现空气与地下区域的耦合与信息交换,以保证电磁场分布的唯一性.再则,利用非结构化四面体网格离散技术来高精度模拟任意起伏地形和复杂地下三维地电结构,并结合节点有限元与棱边有限元法,高精度求解该混合公式系统.最后,利用国际标准大地电磁测试模型来验证该空气与地球分离算法的正确性,并展示其有效降低原有电场双旋度方程的病态性的能力.本文提出的空气与地球分离思想为寻求大地电磁最优化控制方程开启了新的求解思路,预计会产生更多、性能更佳的大地电磁混合公式,以便服务于大地电磁正反演技术的快速发展.

摘要： 为拓展矿井瞬变电磁正演对复杂地质模型的适用性,开展了基于时域矢量有限元的三维正演研究.首先,基于时间域麦克斯韦方程组和库仑规范推导了磁矢量势的赫姆霍兹方程,在此基础上结合理想导体边界条件采用Galerkin加权余量法推导了相应的弱形式方程,采用模型适用性强的一阶四面体矢量单元对弱形式方程进行了单元分析,并在单元分析时将回线源视为多个电流元克服了源的奇异性,时间离散则采用步长逐渐增大的向后差分法进行,由此实现了复杂地质模型的矿井瞬变电磁法全波形响应计算.对于均匀全空间模型,有限元数值解和解析解的均方相对误差为0.84％,验证了上述算法的正确性.其次,正演了关断效应的影响,结果表明关断效应会使感应电压升高,关断时间相同时,线性关断波形的影响大于指数关断波形,关断波形相同时,关断时间越长,关断效应的影响越向晚期延伸;线性关断时,电流完全关断之前的感应电压主要由发射回线中的电流变化引起.然后,正演了巷道的影响,结果表明关断时间为0时巷道会使早期的感应电压降低,但对晚期的数据影响很小,且发射回线位于巷道中心时的影响大于回线位于掘进工作面时,回线朝向顶底板或侧帮时的影响程度要大于朝向掘进工作面时,但考虑到实际仪器的关断时间,巷道的影响基本可以忽略.最后,对长方体状积水采空区的水平剖面和垂直剖面响应进行了正演,结果表明积水采空区会使感应电压升高,在水平剖面上最强的低阻异常响应出现在发射回线指向采空区中心时,但在垂直剖面上却出现在发射回线指向顶底板时.

摘要： 本文基于区域分解法和时间域有限元法进行时间域海洋电磁三维正演研究.采用METIS软件对计算网格进行分区并在每个子区域独立构建时间离散的有限元方程.通过引入拉格朗日乘子将所有子区域耦合建立交界面方程,进而采用GMRES方法迭代求解.该方法可减小求解问题的规模,可用于求解大尺度复杂模型海洋电磁问题求解.

摘要： 可控源电磁三维正演是目前电磁数值模拟中的热点问题,国内外诸多学者对该问题进行了研究,取得了很大进展.早期主要采用有限差分法对该问题进行研究(Newmanet al.,1995;Streich,2009),近年来,有限单元法及有限体积法得到广泛应用(Haber et al.,2000;Badea et al.,2001;Puzyrev et al.,2013).三维正演在电磁数据资料解释中发挥重要作用,为三维反演打下基础.但由于计算内存、速度两方面的限制,目前仍然没有实用化.本文针对可控源电磁三维正演模拟中影响计算速度和精度的网格参数影响展开初步分析,以期为数值模拟实际应用提供一定参考.

摘要： 激电扫面实际测量时,由于测线布设方位和地下地质异常体的走向不尽一致,从而导致测量结果不同,给物探异常的解释带来了困难,甚至会引起误导,因此作者利用数值模拟方法计算了激电中间梯度法测量条件下二度异常体在不同方位测量条件下的三维响应规律,以期为广大勘查地球物理科技工作者作以参考.文中首先实现了有限单元法三维正演的公式推导及其数值解求解;其次通过一维模型计算了数值解和解析解的误差,验证了本文中理论计算方法的有效性;最后设计了三维模型进行了理论计算,发现了激电中间梯度装置条件下二度异常体的走向和测量剖面方向成不同夹角时的面上响应规律.研究结果表明:随着两者夹角的增加,激电异常体的规模和形态逐渐与设计异常体一致;且两者夹角在60°～90°之间探测的实测数据较为可信.

摘要： 三维可视化建模及复杂模型的瞬变电磁三维正演是目前的研究热点。本文基于GID商业软件，以铜镍矿体为例，实现了复杂模型的三维可视化建模；通过对GID软件进行二次开发，获得了适合FDTD算法的网格剖分数据；从而实现复杂模型的几何建模及瞬变电磁三维FDTD正演计算。文中通过三种不同类型复杂模型的三维可视化建模及瞬变电磁三维正演计算，得到以下结论：（1）利用GID软件强大的几何建模功能，实现了复杂模型的三维可视化建模。为瞬变电磁数值计算领域，提供简便易行的可视化建模方法，从而有助于瞬变电磁三维正演响应规律的探索，为瞬变电磁三维反演奠定基础。（2）以GID的Cartesian网格剖分器为基础，对模型进行Yee元胞格式的网格剖分。该网格剖分方法，能很好的对模型进行网格剖分，相比基于传统三角面元的FDTD网格剖分方法，提高了效率和精度。（3）文中通过实际生产中三种不同类型的复杂模型三维正演计算，采用全域视电阻率对计算结果进行了处理解释。通过分析电阻率断面图，能准确反映地下介质的电性分布，从而有助于瞬变电磁三维正演在生产实际中得到应用。

摘要： 本文将自适应非结构网格有限元法应用于MCSEM三维正演技术中。首先分析了自适应有限元算法策略，然后推导了自适应有限元算法中的梯度恢复型后验误差估计计算公式，并以此实现了MCSEM法三维自适应有限元算法，最后以一个带复杂地形的地电模型为例，分析了自适应有限元算法的精确性和可行性。

摘要： 地面核磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR)是目前唯一能够实现地下水直接定量探测的地球物理方法,最近十几年,SNMR技术在仪器、数据处理、正演模拟、反演解释、测量技术和实际应用等方面均取得了长足发展,已经过试验阶段,在近地表地球物理、水文地质调查等领域正获得愈加广泛的应用和关注.

摘要： 本文从麦克斯韦方程出发,基于非结构矢量有限元法,使用由欧拉旋转得到的电导率张量刻画各向异性介质的电导率特征,使用有理Krylov子空间实现矩阵指数函数降阶求解,得到任意时刻海洋电磁电场响应.在完成数值精度验证的基础上,本文详细研究了不同各向异性模型的电磁响应特征,并针对围岩和异常体各向异性的情况进行了模型的各向异性特征的识别.

摘要： 本文从麦克斯韦方程出发,基于非结构矢量有限元法,使用由欧拉旋转得到的电导率张量刻画各向异性介质的电导率特征,使用有理Krylov子空间实现矩阵指数函数降阶求解,得到任意时刻海洋电磁电场响应.在完成数值精度验证的基础上,本文详细研究了不同各向异性模型的电磁响应特征,并针对围岩和异常体各向异性的情况进行了模型的各向异性特征的识别.

摘要： 本文从麦克斯韦方程出发,基于非结构矢量有限元法,使用由欧拉旋转得到的电导率张量刻画各向异性介质的电导率特征,使用有理Krylov子空间实现矩阵指数函数降阶求解,得到任意时刻海洋电磁电场响应.在完成数值精度验证的基础上,本文详细研究了不同各向异性模型的电磁响应特征,并针对围岩和异常体各向异性的情况进行了模型的各向异性特征的识别.

摘要： 一种基于扫描面正演的伪三维快速微地震正演方法，包括：建立三维横向各向同性的各向异性模型，坐标系为(X,Y,Z)，在各向异性模型的内部设置有微地震震源，在各向异性模型的上表面上设置有多个地震检波器；对微地震震源和每个地震检波器建立二维垂直面，使得微地震震源和所述每个地震检波器位于二维垂直面上；将二维垂直面垂直投影到各向异性模型的水平坐标系(X,Y)上，根据微地震震源和地震检波器在水平坐标系(X,Y)下的水平坐标，得到方位角θ；根据方位角θ和坐标变换公式对水平坐标系(X,Y)进行旋转，得到第一新坐标系(X1,Y1)；利用坐标系(X,Y,Z)的Z轴和第一新坐标系(X1,Y1)的X1轴形成第二新坐标系(X1,Z)；在第二新坐标系(X1,Z)下，计算从微地震震源发出的微地震波到每个地震检波器点的初至旅行时。

摘要： 一种基于扫描面正演的伪三维快速微地震正演方法，包括：建立三维横向各向同性的各向异性模型，坐标系为(X,Y,Z)，在各向异性模型的内部设置有微地震震源，在各向异性模型的上表面上设置有多个地震检波器；对微地震震源和每个地震检波器建立二维垂直面，使得微地震震源和所述每个地震检波器位于二维垂直面上；将二维垂直面垂直投影到各向异性模型的水平坐标系(X,Y)上，根据微地震震源和地震检波器在水平坐标系(X,Y)下的水平坐标，得到方位角θ；根据方位角θ和坐标变换公式对水平坐标系(X,Y)进行旋转，得到第一新坐标系(X1,Y1)；利用坐标系(X,Y,Z)的Z轴和第一新坐标系(X1,Y1)的X1轴形成第二新坐标系(X1,Z)；在第二新坐标系(X1,Z)下，计算从微地震震源发出的微地震波到每个地震检波器点的初至旅行时。

摘要： 本发明涉及一种轴向电导率各向异性瞬变电磁三分量三维FDTD正演方法。本发明引入轴向电导率张量，构建基于轴向电导率各项异性的电磁场控制方程，将电导率张量代入控制方程推导无源和有源轴向电导率各向异性电场三分量迭代公式，可以实现轴向各向异性三维模型三分量计算。

摘要： 本发明公开了一种三维斜井井间地震波场正演及观测系统优化方法，包括：首先获取井间地震地质模型参数、初始观测系统数据，根据模型参数建立三维井间地震地质模型，并利用三维井间地震逐段迭代射线追踪方法进行反射波场正演数值模拟，获取反射点坐标；然后根据成像叠加面元大小对地质模型进行网格化处理，并统计每个网格内出现的反射点个数(覆盖次数)；最后通过分析目的层反射点的分布范围及覆盖次数来优化初始观测系统参数。该方法可以实现三维井间地震观测系统快速分析，指导井间地震勘探工作顺利开展。

摘要： 本发明公开了一种各向异性介质三维大地电磁正演方法及系统，该系统包括计算区域设定单元、计算区域剖分单元、导电率赋值单元、频率赋值单元、背景场计算单元、二次场计算单元、视电阻率和相位计算单元与输出单元。该系统在二次场计算过程中采用基于紧算子的迭代框架将二次电场逐步逼近真实的二次电场，得到满足误差条件的总电场后，再利用空间‑波数域磁场积分算法计算二次磁场。考虑了介质的各向异性，在正演时，采用了一个压缩紧算子，使得算法对于任意有损介质稳定收敛，能进行快速、准确的各向异性介质三维大地电磁数值模拟，能有效地提高各向异性介质三维大地电磁数据反演的精度和效率。本发明应用于导电率各向异性介质电磁数值模拟领域。

摘要： 三维稳态热传导地温场的正演方法、装置、设备及介质，构建内部包含三维异常体的目标区域的三维棱柱体模型并对其进行网格剖分，根据目标区域的的热物理参数的分布情况，给三维棱柱体模型中的每个剖分节点的热物理参数赋值，加载边界条件，计算空间域背景场温度，将其作为初始空间域温度总场；基于热物理参数以及当前空间域温度总场计算空间波数混合域异常温度场；对空间波数混合域异常温度场进行傅里叶逆变换，得到空间域异常场温度；基于空间域背景场温度和空间域异常场温度，得到新的空间域温度总场；不断迭代，直至迭代获得的新的空间域温度总场满足迭代收敛条件。本发明实现了三维稳态热传导地温场高效、高精度的数值模拟。

摘要： 本发明涉及一种可控源音频大地电磁法三维有限差分正演模拟方法及系统，所述方法通过获取介质中电场和磁场的控制方程；对所述控制方程进行求解，得到线性方程组；所述线性方程组包括稀疏矩阵；基于SQMR方法对所述线性方程组进行存储和求解，得到解析结果；获取所述解析结果的特征信息数据；所述特征信息数据包括视电阻率和相位响应；计算所述特征信息数据对应的权重值，并根据所述权重值与所述特征信息数据得到特征向量；将所述特征向量输入典型模型选择网络中，得到典型模型；根据所述典型模型对所述解析结果进行验证和模拟。从而提高了模拟效果。

摘要： 本发明涉及一种基于并行计算的三维各向异性衰减正演模拟方法及系统。所述方法获取三维地质模型、震源类型、三维各向异性衰减波动方程和三维三分量观测系统；将三维地质模型和震源类型输入三维各向异性衰减波动方程得到第一待求解方程；介质速度包括X、Y和Z方向上的传播速度；根据第一待求解方程采用傅里叶伪谱法计算X、Y和Z方向上的传播速度的空间导数，得到第二待求解方程，其中，计算X、Y和Z方向上的传播速度的空间导数时采用OpenMP并行计算处理；求解第二待求解方程得到介质速度；根据介质速度和三维三分量观测系统得到震炮记录和波场快照。本发明在确保数值模拟精度的条件下，可以提高正演模拟的效率。

摘要： 本发明提供一种考虑高压输电线影响的可控源电磁三维正演方法，该方法包括：获取预设的正演区域大小、正演模型参数、发射接收参数；基于频域麦克斯韦方程组，生成关于电场的亥姆霍兹方程；根据亥姆霍兹方程，采用伽辽金方法对正演区域进行矢量有限元分析，得到关于棱边电场值的大型稀疏复系数方程组；求解该方程组；根据求解得到的棱边电场值，采用矢量有限元插值公式得到测点的电场值，根据磁场和电场的关系得到测点的磁场值。本发明加入高压输电线路的电磁响应，可为目前工频电磁噪声的消除或研究提供理论和技术指导；充分考虑了高压输电线路的实际情况，如分裂导线、回路数、相序排列以及下垂形态等因素，可提高正演结果的真实度。

摘要： 本发明属于地球物理勘探领域，具体地而言为一种直流电阻率小波伽辽金三维正演方法，该方法包括：对地电模型计算区域进行不均匀网格剖分为多个网格单元，得到网格单元编号，节点编号和坐标；读取设计的地电模型参数，包括背景层参数、网格单元编号、节点编号和坐标；计算设计的背景层的地下背景介质的一次场电位值；对所有网格单元进行循环计算单元系数矩阵，接着总体合成所有网格单元的系数矩阵；根据一次场电位值计算直流电阻率法小波伽辽金线性方程组的右端项；加载本质边界条件，求解直流电阻率法小波伽辽金线性方程组，得到各个节点的二次场电位，进而得到总场电位值。解决现有的方法存在的计算速度慢，计算精度低的问题。