煤矿典型导含水体井下孔中电法三维正演模拟研究

煤矿开采深度逐步加大,隐伏导含水体成为水害的主要隐患。为了提高孔中电法探测精度,采用有限元法通过电位分析对典型导含水体模型进行全空间三维正演模拟,研究了三维正演理论中的电位计算式、边界问题、变分问题及网格剖分,建立了基础模型,分析了电位分布规律及其误差;针对隐伏正断层、垂直陷落柱、含水采空区典型模型的三维正演模拟结果,总结了各模型的电位等值线特征及变化规律。结果表明,低电阻率使电位等值线变得稀疏,高电阻率使电位等值线变得稠密,且畸变的范围与模型设定的规格相吻合。煤矿井下孔中电法可以有效探测导含水体,探测效率高,靠近靶点,三维正演模拟效果良好,为反演计算提高探测精度奠定了理论基础。

隧道衬砌病害探地雷达三维正演模拟及工程验证

从Maxwell旋度方程出发,通过引入复介电常数和复磁导率,推导导电介质UPML吸收边界在考虑和不考虑磁损耗情况下各区的电场和磁场分量的时域差分公式。通过选取各区不同的匹配参数,建立模型区与UPML吸收边界电场和磁场分量的统一离散差分公式。用MATLAB语言编制基于UPML吸收边界的图像可视化的探地雷达三维正演模拟程序。正演模拟衬砌内方形空洞三维地电模型,揭示方形空洞在不同显示剖面上的图谱特征。单剖面的响应特征类似"平锅盖形",z方向切片图定出空洞的形状;反射界面呈强负相反射异常,在立体剖视图中,空洞角点位置产生了2个交叉的双曲线绕射波。将该方法应用于现场隧道衬砌质量的检测,并开孔验证。结果表明:不密实区反射界面多且不规则,同相轴错断、零乱、不连续的较强反射能量团块状异常;在z方向切片图上能清楚反映隧道衬砌密实程度,并且判译直观、准确。

时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的应用

应用小波伽略金方法,对Maxwell的2个旋度方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件。在此基础上,开发探地雷达MRTD法正演模拟程序。所开发的对三维立方体小空洞体模型进行正演模拟。研究结果表明:采用该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法;相应的正演合成三维剖视图及切片图指示了立方体小空洞体的雷达波空间的三维响应特征;模拟结果表明,采用时域多分辨率法可提高探地雷达探测的可靠性、准确度。

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了其相应的正演合成三维剖视图及切片图,通过对这些模拟结果进行分析,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.

堤防隐患瞬变电磁三维正演模拟及分析

瞬变电磁法具有定位准确、探测深度大、不受地形起伏影响等优点,已经成为一种重要的地球物理勘测方式。为研究瞬变电磁法在堤防隐患探测中的应用,采用有限单元法对多种堤防隐患进行瞬变电磁三维正演模拟计算,通过对比三维正演计算结果和野外实测数据反演结果可以发现瞬变电磁法对低阻体敏感,对不同形态的低阻异常体探测效果均较好,因此采用瞬变电磁法进行堤防隐患快速普查的研究思路是可行的。研究成果可为物探技术在堤防隐患探测中的应用提供参考。

适合起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟

提出一种波形相对保真、运算效率更高的适合起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟方法，炮点波场按波的传播方向延拓，运算中使用了适合起伏地表的波场延拓起始面技术，波形相对保真，无需横向叠加。其基本思路是：①根据惠更斯原理，按地震波的传播方向，将炮点波场从起伏地表炮点深度处开始逐层向下延拓，与界面反射系数相关，直至最深处 ②逐层向上延拓，并加上向下延拓时产生的新反射波炮点波场，直至起伏地表排列处，将炮点波场逐个地与其检波点波场相关，经反傅里叶变换后可以获得一个排列的地震合成记录。③重复上述步骤，得到整个三维工区的所有炮记录。用文中方法对三维逆断层高速透镜体模型的理论试算表明：地震合成记录的反射波和绕射波十分清晰，没有多次波、直达波和其它干扰波，信噪比高，所有炮的叠前深度偏移成像结果与地质模型完全吻合。

无砟轨道CA砂浆层病害探地雷达检测及三维正演模拟

无砟轨道在长期列车荷载与外部环境的作用下其结构中CA砂浆层会出现空洞、脱空等损伤病害,这些损伤病害对铁路运营的安全产生巨大了的威胁。因此,对无砟轨道CA砂浆层的病害的防治与检测显得尤为重要。通过对多种无损检测方法的比对择优,采用探地雷达的探测方式,基于时域有限差分法编制Matlab程序,对地电模型进行三维正演模拟,确定探地雷达技术的可行性,而后建立无砟轨道板物理模型,在CA砂浆层设置不同大小的空洞病害,并使用探地雷达对模型进行探测,验证技术的可行性。研究结果表明:轨道板中分布的钢筋网对无砟轨道CA砂浆层病害的检测有着不同程度的影响;设置正反探测路线,能够准确识别出处于钢筋网环境下的病害的位置;随着空洞直径的逐步缩小,空洞的信号特征成减弱趋势。

地空瞬变电磁三维正演模拟及应用研究

煤矿井下工作面形成后,需要经过电磁法探测工作面顶底板及四邻的富含水情况,以保证回采工作安全进行,地空瞬变电磁三维正演研究可以提高探测的精度和效率。研究了地空瞬变电磁三维正演模拟的方法原理及相关理论,分析了关断时段和关断后的电磁响应特征,建立了半空间不含异常体、含有高阻异常体和含有低阻异常体的三维模型,对模型进行积分方程法和FDTD模拟,验证了积分方程法效率高、针对简单模型效果好,而FDTD更适用于复杂地质情况的高精度探测。模拟结果显示,关断时段的电磁响应对高阻异常体反应更明显,关断后的电磁响应对低阻异常体反应更明显。实际应用表明,全波形时域地空瞬变电磁响应三维有限差分数值模拟适用性强,对低阻异常体反应灵敏,探测精度和分辨率高,可为煤矿安全生产提供准确的地质资料,推广应用价值高。

傅里叶有限差分法三维波动方程正演模拟

傅里叶有限差分(FFD)法兼有相位屏法和隐式有限差分法二者的优势,能够处理复杂地质构造中的波传播问题,但在三维情形下,算子的双向分裂会引起明显的方位各向异性误差.本文用Fourier变换计算双向分裂过程中的高阶交叉项,消除了方位各向异性误差.该方法充分利用了FFD法在双域实现的算法结构,明显减少了由于引入误差校正所带来的计算量.将该方法应用于修改后的三维French模型的地震正演问题,并将得到的叠后记录、单炮记录同全波有限差分法的模拟结果进行对比,结果证实了该方法对一次反射波具有较高的模拟精度,在内存需求和计算效率方面则具有更大的优势.

三维正交各向异性介质三分量高精度有限差分正演模拟

三维各向异性正演模拟是研究各向异性介质中波场传播规律的重要方法。本文就三维正交各向异性介质给出了一种快速精确的有限差分正演方法。该方法采用了４阶精度的空间差分格式和２阶精度的时间差分格式，这既要提高了精度，也不增加过多计算量；另外还结合通量校正法来克服数值频散，使计算能以较大的网络步长进行，在减少了计算量的同时，还提高了精度。对边界反射，文中提出了一种简单实用的三维各向异性吸收边界条件，易于编程，且吸收效果明显；对数值计算的稳定性问题也作了一般讨论。数值算例验证了本文方法的正确性和有效性，并表明它具有精度高和边界吸收明显的优点。该方法不但可以用来合成三维各向异性介质的共炮点记录、ＶＳＰ三分量记录及零偏移距地震记录，而且还适用于其他各种类型的波场正演。

基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法

为进一步提高隧道全时域激发极化多参数超前探测的效果,采用滤波算法进行计算时间域等效电阻率,采用有限单元法进行计算,提出一种基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法。该方法针对时间域Cole-Cole表达式计算收敛性差的问题,引入滤波算法进行时间域激发极化等效电阻率的计算,提高算法的收敛性;针对正演过程中大型矩阵求解影响计算效率的问题,引入OpenMP并行算法,实现隧道全时域激发极化超前探测正演的加速运算。最后,开展数值算例和物理模型试验。研究结果表明:该正演方法对异常体有敏感响应,且在加快正演速度具有显著优势。通过基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测获得的观测数据与实际探测数据较为相符,这为基于全时域激发极化隧道超前探测提供了一种可行的正演算法。

基于傅氏变换有限差分的三维波动方程正演模拟并行算法

傅氏变换有限差分(即FFD)混合波场延拓法波动方程正演模拟精度高,但三维FFD因其计算复杂、数据存储巨大而难以推广。这里提出三维FFD一步法正演模拟并行算法,把一个串行的大规模频率循环分割成并行的多个小规模频率循环,并发执行多个波场延拓来提高运算速度,并通过由给定的资源设定并行数,以及适时重排三维数据,大大增强了算法的适应性和时效性。通过对比并行和非并行正演实验,验证了算法的有效性。

五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟

本文研究了五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟方法。首先,从三个点电流源总电位的边值问题出发,导出了异常电位的边值问题,证明了与异常电位的边值问题对应的变分问题。然后,基于三维连续电性介质模型,推导了有限元法求解变分问题的计算过程,编制了五极纵轴激电测深的三维模拟程序。最后,通过模拟水平层状介质模型的五极纵轴激电测深曲线,发现最大相对误差小于0.25%,耗费时间为18 s;从精度和效率的角度验证了算法和程序是正确的,为后续模拟复杂地电模型五极纵轴激电测深曲线、分析曲线异常特征规律以及开展反演工作奠定了基础。

复杂异常体模型下的三维MT倾子正演模拟

倾子对地下构造的电性不均匀性反映较灵敏,在大地电磁资料解释中可作为复杂构造的表征。本文在三维大地电磁有限元正演模拟的基础上,根据倾子定义推导出三维倾子计算公式,构建复杂异常体模型进行三维倾子正演模拟。研究表明针对多个异常体模型,倾子的各个分量均能反映出异常体的空间位置,倾子不仅能准确地反映出单个异常体的边界,且对多个异常体的边界反映也较准确,其中对低阻异常体反映较高阻异常体敏感,由此进一步了解了三维倾子资料特征和规律,为倾子资料的应用提供了理论依据。

基于二次场的海洋可控源电磁法三维有限元正演

根据库伦规范势的定义,推导出关于磁矢量势和电标量势的偏微分方程,为了克服由电流源引起的奇异性和数值模拟计算困难,将电磁总场分解为一次场和二次场,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维正演算法得到,二次场由有限元法计算得到,实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演算法。通过一维数值模拟实例,验证该算法的计算精度。然后,利用该算法对带海底地形的三层储层模型进行正演,分析了海底地形对海洋控源电磁场各分量产生的影响。

三维波动方程正演的三级并行加速

在常规并行方案的基础上,继续挖掘CPU计算潜力,从CPU指令级优化入手,借用CPU的矢量运算单元(VALU)和SSE指令集,实现了在一个指令周期内并行完成四个浮点数据运算,得到以下认识:1对有限差分类方法的波动方程正演而言,使用SSE指令集可以取得较好的加速效果,能够实现CPU的二次加速;2引入SSE后的加速比会随着正演模型数据量的增大而缓慢增大,但因其一次最多完成4个浮点型数据运算,理论加速比最大不会超过4;3SSE加速不需要额外增加硬件配置就可实现计算效率提升,加速成本低,有很广泛的适用性;4单机执行三级并行能够获得最佳的执行效率,多机间执行三级并行效率与机间数据传输网络速度有关。通过数值模拟实验发现,新的并行方案较常规并行方案在运算速度上有大幅提升,获得了明显的加速效果。

三维探地雷达数值模拟中UPML边界研究

应用时域有限差分进行探地雷达正演计算时,边界条件的吸收效果是提高雷达波响应模拟精度的关键因素之一。这里推导出了三维各向异性完全匹配空间UPML吸收边界的计算公式,并编程实现。模拟结果表明:UPML吸收边界在吸收效果,反射误差及计算效率等方面,都明显优于常用的Mur、PML吸收边界,具有较好的模拟效果。采用三维UPML边界的时域有限差法,可以提高探地雷达正演模拟的可靠性、准确度。

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.

鄱阳湖浅水三角洲沉积体系三维定量正演模拟

以鄱阳湖现代浅水三角洲沉积体系为例,应用三维正演地层模拟软件Sedsim,在参考前人研究的基础上,首次将湖盆底部地形、湖(海)平面变化、沉积物注入量及注入方式、气候、沉积物供给速率等动力要素结合在一起,对该浅水三角洲沉积体系的形成过程及1200年以来的演化进行定量正演模拟,并采用历史和野外数据对鄱阳湖现代浅水三角洲沉积模型进行约束和校正.模拟结果表明,鄱阳湖浅水三角洲沉积体系的发育是湖盆地形、湖平面变化、物源供给等多因素作用的综合结果.在该三角洲沉积体系中,由于水体较浅、沉积底形坡度平坦且基准面变化频繁,三角洲前缘发育的砂体基本上以席状砂为主,并主要分布于湖区敞流通道附近.湖平面之上的三角洲平原河道发育与改道的现象主要受湖平面变化速率的影响,即基准面缓慢上升期间和基准面快速下降期间,河道发育的现象较明显.该模拟结果不仅能够对大型浅水三角洲的内部特征及形成过程有着更直观的认识,而且也为今后研究不同地区相似的三角洲沉积体系的形成过程提供了可借鉴的分析模型与理论依据.

三维单斜裂隙介质地震正演模拟

多组任意夹角直立裂隙的排列方式比单组平行排列直立裂隙更具一般性,因此本文基于线性滑动理论和Hudson理论,将上述多组任意夹角直立裂隙介质等效为单斜各向异性介质,给定物性参数计算刚度矩阵,运用交错网格高阶有限差分法求解三维单斜介质弹性波一阶速度-应力方程来模拟弹性波在单斜介质中的传播过程.通过分析不同物性下的波场和共炮点道集,不同偏移距下的方位角道集,说明裂隙物性与波场特征之间的关系,以及其方位特征信息.