基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.

矿井全空间三维主轴各向异性介质瞬变电磁场响应特征研究

研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组,对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理,形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解,验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型,分别计算了其瞬变电磁场响应,最后结合工程探测实例,通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征,解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下,对于HTI-X介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显,不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响,随着介质各向异性系数增大,介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大,各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大,当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质),各向异性介质产生的感应电动势最弱,而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质),各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。

三维主轴各向异性介质中张量CSAMT正反演研究（英文）

相较于常用的标量CSAMT而言,由于使用多发射源,张量可控源音频大地电磁(CSAMT)可以接收到更加丰富的电场与磁场信息。然而,目前大多数关于张量CSAMT的理论、数值模拟算法以及反演研究都是基于远区的测量和地下介质为电阻率各向同性的假设。本文采用三维交错网格有限差分数值模拟算法,研究电阻率主轴各向异性介质与各向同性介质的响应差异,并在此基础上采用有限内存拟牛顿法(LBFGS)实现了三维张量CSAMT主轴各向异性反演。为加速和稳定LBFGS反演算法,本文采用了模型参数转换策略并修改了LBFGS第一次迭代的初始步长与线搜索停止条件。反演试算结果表明,当地质体存在主轴各向异性特征时,三维主轴各向异性的反演能在一定程度上较好的反演出地下构造,而不考虑各向异性效应,直接使用各向同性的三维张量CSAMT反演程序,会使最终的反演结果出现严重的假异常。

大地电磁主轴各向异性二维理论模型反演分析

地下介质普遍存在各向异性,为反应地下真实地质情况,需建立各向异性模型进行研究。主要进行主轴各向异性大地电磁二维反演研究,采用有限单元法作为正演模拟方法,将正演响应结果与前人计算结果进行对比分析,验证了算法的正确性,并对不同方向上电阻率响应灵敏度进行分析。采用非线性共轭梯度法进行反演研究,该方法不需要直接计算雅克比矩阵,相对于其他反演方法节省了计算时间,计算效率高;目标函数的建立对于不同方向上的电阻率采用不同的正则化参数来进行约束。通过复杂的各向异性体模型进行反演,结果显示对于不同方向上电阻率的恢复以及异常体位置的圈定都取得了较好的效果,说明了反演算法的有效性。

基于主轴各向异性介质的三维张量CSAMT正演模拟

在地质情况复杂化以及地质勘探精细化的要求下,有必要开展张量CSAMT正反演研究.考虑到各向异性对正反演结果影响较大,本文开展基于主轴各向异性介质的张量CSAMT正演研究.根据含源的电场控制方程,引入主轴各向异性介质的张量电阻率,将电场总场分解为一次场和二次场,一次场由Key的算法得到,二次场利用有限差分法计算,即实现了主轴各向异性介质的张量CSAMT三维正演.通过与二维有限元算法结果比较来验证算法的正确性;通过设计几组主轴各向异性三维模型,分析卡尼亚电阻率和相位的响应特征.结果表明卡尼亚电阻率ρxy和ρyx分别对异常体X方向和Y方向的电阻率变化敏感,说明张量CSAMT方法对识别各向异性具有优势.本研究为开展任意各向异性介质的张量CSAMT正反演研究提供基础.

基于有限内存拟牛顿法的电阻率法三维主轴各向异性反演研究

基于各向同性假设的电阻率法三维正反演方法成熟并得到广泛应用.由于地下介质普遍存在电阻率各向异性,为提高反演精度,各向异性介质的三维正反演问题有待深入研究.本文将三维正演中总场分为一次场和二次场计算,二次场使用非结构网格有限单元法求解,基于有限内存拟牛顿法,系统研究了电阻率法三维主轴各向异性反演.通过设计低阻异常体与双异常体模型,利用地表、地井、井地与井间多种观测方式的合成数据进行了反演试算.反演结果表明:三维主轴各向异性反演能够可靠恢复异常体的位置与形状.与仅在地表采集数据的反演结果对比,地井、井地与井间多种观测数据的加入,反演结果能更好地恢复异常体的各向异性特征.证明了本文基于有限内存拟牛顿法电阻率三维反演方法的可行性与有效性.

各向异性场地动力特性的地微动研究

采用非均匀横观各向同性层状介质模型模拟半空间之上的层状场地,对垂直入射的剪切波引起的地面响应进行了模拟。考虑震源特性的影响,分析了不同深度位置两种不同卓越频率的入射子波的响应,结果表明,非均匀横观各向同性层状场地的地震动响应具有明显的各向异性特征,并且随着震源特性的不同而变化。以某场地实测资料为例,计算了场地E-W向和N-S向的Nakamura谱比及小波谱,表明该场地的地微动频谱特性具有各向异性特征。场地微动水平方向的振动位移图分析进一步表明,场地振动具有优势方位,场地动力特性具有各向异性。在数值模拟和试验观测的基础上,提出了场地微动各向异性及各向异性主轴的概念,分析了场地微动各向异性主轴及各向异性机制。

场地微动各向异性分析及其应用

目前 ,场地微动的理论研究和工程应用均基于各向同性介质模型 ,这与实际情况不符。本文首次提出了场地微动各向异性的概念 ,并从弹性波理论出发 ,对各向异性场地微动进行了研究 ,分析了场地微动各向异性的机制 ,得出了一些有益结论。这对于深入研究各向异性场地条件下场地动力特性、预测地震动力特性。

横观各向同性场地的速度特征及场地分类

从弹性波理论出发,研究了各向异性介质中地震波的速度特征、波型和测试方法等影响因素,探讨了目前规范中场地分类存在的若干问题以及场地卓越周期的计算问题.考虑卓越周期对地震动特性以及结构抗震设计的影响,提出了利用场地卓越周期及考虑各向异性主轴进行场地分类和各向异性场地卓越周期确定的新方法.