多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.

三维陆地可控源电磁法有限元模型降阶快速正演

三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法(3DFEM)进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现“凹陷”,与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性.

基于Lanczos-模型降阶算法的三维频率域可控源电磁快速正演

快速的电磁法正演模拟是反演的核心要素之一.本文针对陆地可控源电磁(CSEM)问题,实现了三维多频的快速正演.首先基于电场的微分控制方程,利用非结构化网格和伽辽金方法建立关于电场矢量的有限元线性方程组.为快速求解大规模复系数有限元线性方程组,本文引入了基于有理Krylov子空间的单极点模型降阶算法.该方法只需求解实系数矩阵方程,然后使用Lanczos算法快速构建有理Krylov正交基子空间,达到系数矩阵维数降阶的目的,从而加快正演求解速度.层状模型和低阻块体模型的计算模拟表明:在精度满足条件的情况下,同常规有限元方法相比,加速比达到10~20多倍.对于百万未知数级、几十至上百个频率的三维可控源电磁正演问题,在个人PC机上只需几分钟便可快速求解.

基于等值反磁通的隧道TEM超前探测三维模拟及应用

等值反磁通瞬变电磁方法是近年来发展起来的一种新的浅层瞬变电磁勘探方法,但其在隧道超前探测和三维数值模拟方面还鲜有研究.本文将从掌子面前方三维含水体模型的瞬变电磁响应方面分析其进行隧道超前探测的可行性和有效性.首先,从时间域麦克斯韦方程组出发,采用伽辽金方法推导了基于电场的有限元方程.通过非结构化四面体网格剖分,对异常体区域及发射源附近网格加密,以提高计算精度;计算了均匀半空间模型下的瞬变电磁响应,与解析解进行比较,最大误差不超过2%,验证了程序的正确性.在全空间隧道掌子面前方建立了球状单低阻异常体和球状双低阻异常体,分别采用中心回线装置和等值反磁通装置进行激发和模拟,结果表明:对于相同的目标体,等值反磁通方法得到的异常幅度要比常规中心回线瞬变电磁高3~5倍,对低阻异常体的灵敏度更高,发现异常的能力更强;但双向供电方法抵消了大部分一次场信号,测量的二次场信号很弱,需要大大提高测量精度才可以提高探测深度.设计了一个倾斜板状体薄层,通过等值反磁通装置模拟表明该方法对浅部薄层探测能力较好.最后,采用等值反磁通仪器,通过一个隧道超前探测的实例说明该方法在隧道水体病害超前探测方面有较好的实用性.