基于全空间初始场源的半空间TEM三维FDTD正演

作     者：李飞 温来福 郑贵强 LI Fei;WEN LaiFu;ZHENG GuiQiang

作者机构：华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室燕郊101601 河北工程大学地球科学与工程学院邯郸056038 

出 版 物：《地球物理学进展》 (Progress in Geophysics)

年 卷 期：2022年第37卷第5期

页      面：2147-2155页

核心收录：

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

基　　金：河北省自然科学基金(D2019508160,D2019508167,D2020402032) 国家重点研发计划课题(2017YFC0804105)联合资助。 

主　　题：瞬变电磁法 全空间 半空间 多尺度 三维正演 FDTD 

摘      要：传统TEM三维FDTD正演,受相邻网格步长比例和最大与最小网格步长比例限制,难以模拟小尺度和多尺度模型;对于基于半空间初始场源的正演,多采用向上延拓的地空边界处理方法,难以处理带地形模型和航空探测模型.针对以上问题,提出了基于全空间初始场源的半空间TEM三维FDTD正演方法.首先,给出了正演方法,其中初始场源采用发射电流关断后某时刻的均匀全空间电磁场,地空边界处理采用设置空气层的方法,在初始场源计算中电阻率参数采用发送回线下方大地电阻率值,在初始时刻和时间步长计算中电阻率参数采用发送回线上方空气电阻率值.然后,建立了半空间均匀介质模型、半空间含低阻层模型和半空间含低阻三维块体模型,开展了正演计算,并将计算结果与其他方法结果进行了对比,验证了方法的可靠性.之后,采用控制变量法分析了网格步长和时间步长与稳定性和计算量的关系,结果表明:相邻网格步长比例为2时仍然可以取得稳定可靠的结果,最大与最小网格步长比例未发现存在限制.基于此性质,可以用较少的网格数量构建很大的模型,从而减小计算量,提高计算精度,且适用于小尺度、大尺度和多尺度模型的模拟.最后,给出了带地形模型、航空探测模型和多尺度模型的模型算例,验证了方法的适用性.提出的正演方法具有稳定性好、计算效率高、适用范围广的优势,实现了全空间正演和半空间正演的统一,适用于多领域(巷道、隧道、带地形的地面、航空探测等)和广尺度(小尺度、大尺度和多尺度)正演.