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可控源音频大地电磁测深法2.5维正演研究

可控源音频大地电磁测深法2.5维正演研究

作者：崔佳萌中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

可控源音频大地电磁测深法（Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics,简称CSAMT）是一种为了弥补大地电磁测深法（Magnetotellurics,简称MT）所运用的天然场信号存在的不足的一种地球物理电磁勘探方法。该方法采用人工场源... 详细信息

可控源音频大地电磁测深法（Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics,简称CSAMT）是一种为了弥补大地电磁测深法（Magnetotellurics,简称MT）所运用的天然场信号存在的不足的一种地球物理电磁勘探方法。该方法采用人工场源,因此相对于MT来说可以采集到具有很高信噪比的数据。因为采用的是人工场源,可以接收到较强的信号使得在一定程度上压制噪声,且发射频率可人为设置,对于MT来说是死频带的频率段,CSAMT能够得到比较好的信号强度,故数据采集的时候抗干扰的能力较强。对于地球物理的各种方法来说,研究正演问题是仪器制造、资料处理、反演方法研究、资料解释的基础。故本文选择对CSAMT的正演问题进行研究。在实际条件下,由于计算机条件的限制,对于进行三维运算来说所需要的计算时间过长。而且CSAMT采集的时候通常是垂直于构造走向进行测线的布设,然后在离测线距离较远的地方布设和测线相平行的发射源,因此对于观测系统来说将源视为三维问题,而对于垂直构造走向所布置的测线来说,地电结构是一个二维问题。故本文综合考虑进行上述常用条件下的正演研究,这种三维源、二维地电结构的系统我们称之为2.5-D系统。本文从麦克斯韦方程组开始,对于CSAMT在均匀半空间以及层状模型下的场值响应公式进行了详细的推导。使用有限差分方法对于麦克斯韦方程组进行离散化,将电场设置于所剖分的交错网格单元的棱上,磁场设置于交错网格单元的面上,对于电磁场值的各个分量均进行离散化。再和边界条件关联之后获得关于磁场三个方向上分量的未知数的线性方程组。求解前述得到的线性方程组可得到各个网格节点处的具体磁场强度的数值,并代回到麦克斯韦方程组中可以从而计算得到电场值。本文使用python语言实现了上述计算,在主要正演程序中使用了 python 语言的 SimPEG 库。建立了均匀半空间模型,用本文编写的2.5-D正演程序进行了正演的模拟计算,获得电磁场在xy平面分布的等值线图,可以得到“花瓣”形状的等值线图,在“花瓣”交汇处是场值最大的地方,也是将场源所放置的位置。然后和解析解进行了对比,对于正演程序的正确性以及精度进行了验证。构建了纵向层状、二维低阻（高阻）异常体、二维高低阻异常体组合、直立接触带等模型,进行了正演计算,对于各个结果的电磁场值分布结果进行提取绘图操作,对于接收点处的电阻率值也进行曲线的绘制,这两个结果图,都可以得到异常结果的响应位置,都能够很好的和地电结构模型所给的异常体位置相对应,图中异常值的变化趋势情况也能够和所给定的对应模型异常电阻率的对应变化趋势相对应。因此通过进一步分析各个模型的正演响应特征结果图,可以对本文所使用的正演程序结果的正确性能够进行进一步的验证。

关键词：可控源音频大地电磁测深法 2.5维正演交错网格有限差分 SimPEG库 python

吊舱式时间域直升机航空电磁2.5维正演及响应曲线分析

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吊舱式时间域直升机航空电磁2.5维正演及响应曲线分析

作者：王宇航成都理工大学

学位级别：硕士

航空电磁法作为一种经济、快速的地球物理勘探方法,在矿产勘查、地质填图、工程地质勘查、水文地质和环境监测等领域有着广泛的应用。吊舱式时间域直升机航空电磁系统具有良好的水平分辨能力,便于解释,成本效益高,有效勘探深度大等特点... 详细信息

航空电磁法作为一种经济、快速的地球物理勘探方法,在矿产勘查、地质填图、工程地质勘查、水文地质和环境监测等领域有着广泛的应用。吊舱式时间域直升机航空电磁系统具有良好的水平分辨能力,便于解释,成本效益高,有效勘探深度大等特点,因而得到了持续的发展。由于2.5维问题计算量小于三维问题,同时又比一维问题更加接近实际地质条件,因此本文结合国家863课题“直升机吊舱式时间域航空电磁勘察系统实用化研究”(2013AA063904),对吊舱式时间域直升机航空电磁2.5维正演算法理论进行研究及其响应曲线进行分析。具体来说研究内容主要包括以下几个方面： 1.论述了选题背景和来源,介绍了航空电磁法的发展历史及应用情况,简述了地面和航空瞬变电磁2.5维正演模拟的发展与研究现状,并指出了航空瞬变电磁法2.5维正演算法研究的意义之所在。 2.研究了时间域航空电磁有限元正演方法。通过拉氏傅氏变换,由时间域的麦克斯韦方程组构建出沿地质体走向方向的对偶二阶微分方程,同时详细推导了在拉氏傅氏域中的电磁场边界条件,以及HTEM有限元正演模拟所遵循的变分方程。在曲边网格单元中通过双二次插值、单元分析,得到单个网格单元的泛函极值方程;然后将每个单元积分相加得到整个拉氏傅氏域的泛函极值方程组;最后将求解的方程结果经过逆拉氏傅氏变换便可以得到各节点在时间域二维空间的电磁场分量。 3.介绍了HTEM2.5维有限元正演算法中背景场的计算,讨论了逆拉式傅式变换及线性方程组的波前法求解问题。背景场选为均匀半空间;对于逆拉氏傅氏变换,在频率域计算28个频点,频率范围从1Hz到100KHz,每一个频点又可以分解为波数域中21个波数的二维问题;波前法的基本思想实际上是一种高斯消去法的改进形式,在计算过程中集成和消元交替进行,因此其在线性方程组求解过程中占用内存较少。 4.简要分析研究了一维层状响应曲线,同时对比了K型和H型地电模型条件下一维和2.5维响应曲线,结果表明本文采用的2.5维算法是正确的。 5.对2.5维有限元正演模拟响应曲线进行详细分析。对不同装置类型、装置参数和大地模型的理论响应曲线作比较分析,研究在一定条件下HTEM响应曲线的变化规律。正演模拟结果表明：时间域直升机航空电磁系统具有较高的横向分辨率,对不同倾角的异常体都有较好的响应以及具有较大的勘探深度。

关键词：时间域航空电磁法 2.5维正演有限单元法波前法响应曲线分析

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瞬变电磁各向异性2.5维正演研究

瞬变电磁各向异性2.5维正演研究

作者：管清辰中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

瞬变电磁法是一种时间域电磁勘探方法,在油气田、煤田和金属矿等矿产勘查方面以及地热开发、地下水探测、工程勘测、灾害防治等领域有着广泛的应用。瞬变电磁法勘探的装置多种多样,包括大回线装置、中心回线装置和偶极-偶极装置等,可以... 详细信息

瞬变电磁法是一种时间域电磁勘探方法,在油气田、煤田和金属矿等矿产勘查方面以及地热开发、地下水探测、工程勘测、灾害防治等领域有着广泛的应用。瞬变电磁法勘探的装置多种多样,包括大回线装置、中心回线装置和偶极-偶极装置等,可以根据实际情况选择合适的装置。在资料处理方面,目前实测数据的处理解释仍然主要使用一维正反演技术,二、三维的正反演仍在探索中,而考虑各向异性的瞬变电磁正反演研究更为少见。由于各向异性模型对真实地质体物理参数模拟更加准确,各向异性问题在地球物理领域受到的关注不断增加。研究各向异性对瞬变电磁响应影响也将对瞬变电磁实际勘探及资料处理有着重要意义。本文使用通过将一次场和二次场叠加得到总场的方法实现了矩形发射源的瞬变电磁各向异性2.5维正演。一次场采用水平电偶极子沿矩形回线四条边分别进行积分然后相加求得。二次场通过求解由二次场所满足的麦克斯韦方程组出发推导出的考虑各向异性的耦合方程得到。方程的具体求解是通过有限单元法实现的。我们首先计算出波数域频率域的电磁场值,然后通过反傅立叶变换将波数域的电磁场值转化到空间域,得到每个频率对应的电磁场值,再通过反拉普拉斯变换将频率域的值转化到时间域,最终得到与实际工作相符的瞬变电磁场响应。利用Fortran语言编程实现正演程序后,与已有的瞬变电磁一维各向异性程序结果进行了对比,验证了本文程序的正确性。本文设计了理论地电模型,使用正演程序计算出瞬变电磁2.5维响应,分析讨论了二维地下模型不同方向电阻率对瞬变电磁法常用的大回线、中心回线及偶极-偶极装置响应的影响。通过分析比较发现,二维介质各个方向电阻率对瞬变电磁响应的影响不同。异常体为低阻时,瞬变电磁响应对走向y方向的电阻率变化更灵敏,异常体为高阻时相反,响应对x方向的电阻率变化更灵敏一些。而z方向的电阻率变化对瞬变电磁响应几乎没有影响。

关键词：瞬变电磁法各向异性 2.5维正演有限单元法矩形回线

基于多核的粗粒度2.5维电磁场正演并行算法

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吉林大学学报（理学版） 2014年第3期52卷 509-514页

作者：白洪涛李昂欧阳丹彤邢书豪刘雪飞吉林大学公共计算机教学与研究中心长春130012 吉林大学符号计算与知识工程教育部重点实验室长春130012 吉林大学计算机科学与技术学院长春130012 吉林大学软件学院长春130012

基于CPU多核处理器实现了粗粒度2.5维电磁场并行正演算法,使用OpenMP对串行算法的频率域进行粗粒度分解,主线程进行任务分配,从线程在CPU多核上并行计算各频率域电磁场值,并分析了OpenMP并行效率与模型及核心数目的关系.多组不同模型测... 详细信息

基于CPU多核处理器实现了粗粒度2.5维电磁场并行正演算法,使用OpenMP对串行算法的频率域进行粗粒度分解,主线程进行任务分配,从线程在CPU多核上并行计算各频率域电磁场值,并分析了OpenMP并行效率与模型及核心数目的关系.多组不同模型测试结果表明,本文并行方法与串行方法得到的数值结果相同,并获得了接近CPU逻辑核心数目的性能提升.

关键词： 2.5维正演频率分解 OpenMP 粗粒度并行

电导率分块均匀的瞬变电磁2.5维有限元数值模拟

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地球物理学报 2006年第2期49卷 590-597页

作者：熊彬罗延钟中南大学信息物理工程学院长沙410083 中国地质大学地球物理与空间信息学院武汉430074

在吸收并修正部分前人工作的基础上,给出了电导率分块均匀的瞬变电磁2.5维有限单元法正演算法.在该算法中,(1)采用在矩形网格中进一步三角细化的剖分方式,同时考虑到矩形单元中心节点的性质,求解线性方程组前用高斯消元法消除矩形网格... 详细信息

在吸收并修正部分前人工作的基础上,给出了电导率分块均匀的瞬变电磁2.5维有限单元法正演算法.在该算法中,(1)采用在矩形网格中进一步三角细化的剖分方式,同时考虑到矩形单元中心节点的性质,求解线性方程组前用高斯消元法消除矩形网格中心节点上的待求未知量,这样一方面较准确地模拟出任意二维复杂地电断面,另一方面又大大地节省了计算量;(2)采用计算二次场的算法,事先仅需获得电场和磁场沿地电构造走向方向两个分量的一次场,故而不但计算精度较高,而且不明显增加计算量.最后,对几例典型模型进行正演,并与解析解对比,验证了本文方法的有效性.

关键词：瞬变电磁 2.5维正演有限单元法电导率分块均匀

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瞬变电磁法2.5维有限差分正演模拟

地球物理学进展 2014年第5期29卷 2278-2286页

作者：辛会翠汤井田徐志敏陕西能源职业技术学院地质测量系咸阳712000 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 西北综合勘察设计研究院西安710003

近年来,国内外学者对瞬变电磁法2.5维有限单元正演模拟进行了大量的研究.在前人研究的基础上给出了矩形回线源瞬变电磁法2.5维有限差分正演模拟算法.从磁场垂直分量满足的扩散方程入手,推导了瞬变电磁法2.5维有限差分正演计算的差分方程... 详细信息

近年来,国内外学者对瞬变电磁法2.5维有限单元正演模拟进行了大量的研究.在前人研究的基础上给出了矩形回线源瞬变电磁法2.5维有限差分正演模拟算法.从磁场垂直分量满足的扩散方程入手,推导了瞬变电磁法2.5维有限差分正演计算的差分方程;通过正余弦变换、Gaver-Stehfest变换、反傅氏变换等数值方法求解了均匀半空间矩形回线源激发的波数域瞬变场,作为初始条件;推导了波数域磁场向上延拓的公式,作为地空边界条件.最终建立了瞬变电磁法2.5维有限差分正演模拟算法.通过与解析解、有限元数值解的对比以及对典型模型的正演模拟,证明了算法的正确性与有效性.

关键词：瞬变电磁法有限差分 2.5维正演矩形回线源

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瞬变电磁法2.5维有限元数值模拟研究

地球物理学进展 2016年第1期31卷 274-279页

作者：罗旭张胜业重庆市勘测院重庆400020 中国地质大学(武汉)地空学院武汉430074

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高... 详细信息

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高精度采用了基于二次插值的高阶有限元的算法,即单元网格插值为二次函数,同时推导出了经有限元离散后的泛函问题;在求解时间域电磁响应采用了正余弦变换的数字滤波算法.通过基本模型的正演,验证了算法的可行性.同时,也对比了基于G-S变换的线性有限元算法的数值结果,结果表明,本文采用的算法精度更高,层状模型最大延迟采样时间提高到了100 ms以上.

关键词：瞬变电磁法 2.5维正演二次插值有限元正余弦变换

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井-井电阻率2.5维近似成像研究

物探化探计算技术 2016年第3期38卷 308-313页

作者：熊飞吕玉增李勇华安奥特(北京)科技股份有限公司北京100085 桂林理工大学地球科学学院桂林541004 广西矿冶与环境科学实验中心桂林541004

在使用有限单元法解决了井-井2.5维正演问题后,采用矩形剖分方式将井间剖面离散成若干个点,再将正演所得的视电阻率数据采用一种新颖的方式分配重组到井间每个离散点上,绘制出了井间剖面电阻率近似成像图。该近似成像方法避开了反演成... 详细信息

在使用有限单元法解决了井-井2.5维正演问题后,采用矩形剖分方式将井间剖面离散成若干个点,再将正演所得的视电阻率数据采用一种新颖的方式分配重组到井间每个离散点上,绘制出了井间剖面电阻率近似成像图。该近似成像方法避开了反演成像中庞大的内存需求和计算量,计算效率高,并且成像结果表明该方法具有较好的效果,是一种行之有效的井间视电阻率资料处理手段。

关键词：井-井电阻率法 2.5维正演有限元近似成像

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瞬变电磁法数值模拟实验教学软件研究

实验技术与管理 2015年第7期32卷 131-134页

作者：昌彦君张莹肖明顺中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)地球内部多尺度成像湖北省重点实验室湖北武汉430074 中国冶金地质调查局中南地勘院湖北武汉430074

瞬变电磁法是一种广泛应用于矿产资源、水资源、工程与环境地质调查的地球物理方法。由于电磁场偏微分方程的求解十分复杂,使得其理论教学过程非常费时。该文以提高教学效果为目的开发出瞬变电磁法数值模拟实验教学软件。该教学软件包... 详细信息

瞬变电磁法是一种广泛应用于矿产资源、水资源、工程与环境地质调查的地球物理方法。由于电磁场偏微分方程的求解十分复杂,使得其理论教学过程非常费时。该文以提高教学效果为目的开发出瞬变电磁法数值模拟实验教学软件。该教学软件包括网格剖分模块、有限元计算模块、GS系数循环模块,傅氏系数循环模块等,通过按数值计算流程图的演示,使得学生更容易理解。数值模拟实验教学软件简化了教学过程,节约了教学时间,具有生动形象和易于理解的教学效果。

关键词：瞬变电磁法数值模拟实验 2.5维正演教学软件