探地雷达提高信噪比增加探测深度的应用研究与GprMax正演模拟

本文对探地雷达信号进行采样和叠加处理,去除大部分随机干扰信号,提高信噪比,取得大测深(相对普通接收机pro-receiver可以取得2倍以上的有效测深)的探测结果;并运用GprMax2D探地雷达(GPR)软件等进行二维正演模拟,添加噪声,进行信号叠加处理,使噪声信号得到压制。

基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析

应用探地雷达对植物根系进行探测的有效性已得到证实.但由于根系结构复杂,根围环境异质性强,针对基于探地雷达得到的根系探测数据的解读尚处于经验积累阶段.本研究首先通过对比根系探地雷达实测信号图像和模拟信号图像,证实了利用GprMax模拟探地雷达探测植物根系的有效性.其次通过定义不同根系空间结构和电性参数场景,模拟了不同条件下根目标反射信号的差异,并对影响探地雷达探测植物根系有效性的敏感因素进行了初步分析.模拟结果有助于探地雷达野外根系探测图谱的解译,为探地雷达在植物根系探测中的应用积累经验.

道路病害探地雷达模型试验与GprMax正演模拟

在试验模型箱中预埋了不同材质、不同填充物的目标体,利用探地雷达扫描并研究雷达波形图。采用金属管道和PVC管道两种材质,观察雷达反射波形图差别:金属管道反射波较PVC管道反射波强烈,探测目标体位于金属管道下方时会受到强烈干扰甚至无法探测,因此建议做模型试验时避免采用金属材质,尽量减少信号干扰提高雷达图像质量。采用空洞充水和充气探测的结果表明相对介电常数是影响雷达图像的关键因素之一。通过不同尺寸模型箱模拟不同大小的空洞病害,对相应雷达波形图进行分析,用GprMax编程软件对道路不同大小空洞病害进行正演模拟并分析模拟图。

基于GprMax正演模拟及工程实例的地质雷达钢筋探测研究

通过建立钢筋混凝土模型,利用GprMax软件进行正演模拟,研究了地质雷达钢筋探测受钢筋直径、埋深、间距以及多层钢筋分布等因素的影响情况,提出了多个信号叠加形成的钢筋假象特征与识别方法,并结合工程探测实例进行对比分析。

基于GprMax的道路空洞探地雷达正演模拟

三维探地雷达作为一种新兴检测技术,具有快速、高效、无损检测等特点,广泛应用于道路病害体检测中。为快速掌握道路内部空洞在探地雷达下的电磁响应特征,给准确查明道路的空洞检测提供技术指导,本文使用基于时域有限差分方法原理的GprMax软件,针对不同形状、不同大小及不同填充物的空洞进行正演模拟。通过正演模拟结果,得到不同类型的雷达数据体,并分析不同类型空洞病害的雷达波场响应特征。

基于有限差分低秩分解策略的黏声各向异性纯qP波正演模拟方法

地下介质的黏弹性和各向异性特征会导致地震波出现相位频散和振幅衰减,如果在地震数据处理中忽略这些影响,那么成像结果会出现同相轴畸变和偏移假象。常规黏声TTI介质拟声波方程可用于模拟地震波在黏声各向异性介质中的传播特征,但存在伪横波干扰和受模型参数限制(各向异性参数ε必须大于δ)等问题。为了解决上述问题,将基于声学近似的纯qP波频散关系与常Q衰减模型相结合,推导了一种黏声TTI介质纯qP波方程。该方程包含解耦的相位频散和振幅衰减项,便于实现衰减补偿逆时偏移。基于新推导的方程,发展了有限差分低秩分解求解策略,实现了黏声TTI介质纯qP波正演模拟。数值模拟结果表明,该方程克服了黏声TTI介质拟声波方程的局限,可较为准确且稳定地模拟地震波在黏声各向异性介质中的传播过程。同时,该有限差分低秩分解求解策略继承了有限差分求解方法高效的优势,相比于传统低秩分解法具有更高的计算效率。

隧道衬砌结构不规则空洞正演模拟与时频分析

为有效识别隧道衬砌结构各种形状的空洞,采用时域有限差分法进行正演模拟,分别分析空洞形状、充填介质和埋深对探地雷达电磁反射波成像效果和时频特征的影响,并通过室内模型试验进行验证。研究结果表明:空洞反射波的响应特征均表现为开口向下的抛物线。随着空洞上部边界由直线逐渐过渡至圆弧形或尖角形,正演模拟图中反射波的次数减少,反射信号减弱,且连续小波变换时频图中的能量值也越来越小。空洞埋深越浅,空洞充填介质的介电常数越大,则所得模拟图像的信号越强。该研究成果可为隧道衬砌结构内空洞周围的病害发育预测和判断提供参考。

非均匀网格有限差分法大地电磁测深法正演模拟

为解决有限差分法大地电磁正演模拟中模拟精度与计算效率之间的矛盾,采用非均匀网格有限差分进行了大地电磁响应计算。基于二维大地电磁方程,推导出非均匀网格剖分下的TM极化模式的大地电磁方程的差分格式。通过均匀半空间模型和低阻异常体模型的正演模拟,验证了非均匀网格差分法的正确性,非均匀网格差分法可以准确反映出复杂模型的大地电磁响应特征,识别异常体分布范围。

块体搬运沉积在大陆边缘深水区的发育——来自晚第四纪珠江陆缘地层正演模拟的启示

【目的】作为大陆边缘地层的重要组成部分,块体搬运沉积(Mass-Transport Deposits,MTDs)一直受到国内外学者的广泛关注,而前人研究中却很少将其与大陆边缘沉积层序的建造建立成因上的联系。【方法】以晚第四纪珠江陆缘的SQ4和SQ5层序为研究对象,综合利用地震资料解释以及地层正演模拟方法,探究了不同层序建造背景对于MTDs发育的影响。【结果】地震资料解释结果表明,MTDs主要在SQ4内发育而在SQ5内鲜有发育,且SQ4中高位体系域发育程度相较于SQ5明显较高。根据晚第四纪珠江陆缘的实际情况,设计了45组Dionisos地层正演模拟实验分析深水MTDs在不同层序建造背景下的发育。在晚第四纪珠江陆缘充足的沉积物供给以及大幅度海平面波动的背景下,深水MTDs对层序建造过程中高位体系域的发育极其敏感;在高位体系域持续时间较长从而进行充分发育的情况下,深水MTDs普遍较容易形成,这与深水MTDs在SQ4和SQ5中的实际发育情况一致。【结论】在SQ4建造过程中,高位体系域充分发育,相应的三角洲—滨岸沉积体系越过了陆架坡折,形成了高起伏和高坡度的斜坡前积体,其具有很大的不稳定性,极易发生斜坡垮塌,从而导致深水MTDs的发育。然而,在SQ5建造过程中,高位体系域发育相对有限,相应的三角洲—滨岸沉积体系只进积到外陆架,形成低起伏和低坡度的斜坡前积体,不利于斜坡垮塌的发生以及深水MTDs的发育。

正演模拟在火山岩储层中的应用

火山岩储层作为油气勘探开发新领域,受到国内外学者的广泛关注。火山岩岩性、岩相复杂,横向变化大,地震波场数值模拟可以为地震资料的采集、处理和解释提供有效指导。本文在调研较为广泛文献的基础上,综述了火山岩正演模拟研究的现状,包括地质模型的建立、数值模拟方法的选择。研究认为:国内外现对于火山岩储层正演模拟没有一个普适的规律;火山岩地质建模技术尚未取得有效进展,建立火山岩岩相、火山机构地质模型进行波场模拟研究更有价值和意义;数值模拟时兼顾震源函数、边界条件可以改善地震波场信息。

复杂地形瞬变电磁三维正演模拟与地形效应分析

目前,地面瞬变电磁法凭借其优势已被广泛用于煤矿水文地质勘查中,然而,在野外实际勘探中,复杂地形环境常导致发射源几何形状的改变与信号接收偏差,降低了勘探精度。为此,采用理论分析、数值模拟和实际地形数据分析相结合的方式,系统研究了复杂地形条件下电性源与磁性源瞬变电磁场的响应特征。首先,基于二阶后退欧拉离散的矢量有限元正演模拟技术,详细探讨了山峰和山谷地形位于接收点和发射源位置时,对两种源系统的影响规律。结果表明:电性源系统会出现响应变号现象,源导线位置高于周围地形时响应增强,反之则被削弱;而磁性源无变号现象,但响应变化规律与电性源类似。其次,利用实测地形数据,采用四面体网格建立与实际地形高度吻合的三维正演模型。模拟结果显示:早期响应曲线能够清晰反映地形细节,曲线形态与地形特征一致;而晚期响应则逐渐趋于平缓,体现了深部背景的影响。研究成果可为复杂地形条件下瞬变电磁法的勘探装置布设、数据采集、处理和解释提供理论指导,对提高煤矿水文地质勘探精度具有重要意义。

2.5维频率域可控源电磁法水力压裂监测正演模拟

水力压裂技术在非常规油气资源开采过程中发挥着重要作用,水力压裂监测对指导生产具有重要意义。目前广泛应用的微地震监测不能准确获得水力压裂的有效压裂体积参数,而电磁法对低阻体反应灵敏,可以用来监测裂缝的空间特征和扩展范围。采用频率域可控源电磁法(CSAMT)对水力压裂模型进行了正演数值模拟,详细推导了2.5维CSAMT有限元计算方程并实现了正演数值算法。通过数值解与解析解的对比,验证了算法的可靠性。分别对发射源靠近井口和发射源远离井口两个水力压裂模型进行了数值模拟。为了考察压裂前、后的相对变化,分别求取了各压裂段与仅含套管时的视电阻率相对差异和相邻两个压裂段的视电阻率相对差异。研究结果表明,随着压裂进程的持续,视电阻率的相对差异曲线的极值会朝着裂缝新生成的方向发生偏移,其移动的范围与裂缝的位置具有良好的对应关系,故可以根据视电阻率的相对差异曲线极值的位置对裂缝进行大致定位。根据对视电阻率残差拟断面图的分析可知,在裂缝所对应的位置处,视电阻率产生了足够大的残差数值,虽然由于场源的影响,异常区域的中心与裂缝的中心位置并不一一对应,而是稍微偏向裂缝远离场源一侧的方向,但是可以根据相邻两个压裂段的视电阻率残差结果对裂缝的位置进行初步定位。研究结果表明,频率域可控源电磁法对于水力压裂的裂缝定位是可行的,可以为水力压裂电磁法动态监测提供理论方法和技术支持。

基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟

近年来,各向异性介质纯qP波正演模拟及逆时偏移成像技术受到广泛关注。常规拟声波方程存在伪横波干扰、受模型参数限制(ε≥δ)、传播不稳定和计算精度不高等因素影响,极大地限制了其应用。为此,本文将qP波拟微分方程变换到空间—波数域,并通过坐标变换,推导了时间域TTI介质二阶纯qP波波动方程;为提高计算精度,引入伪解析算法(pseudo analytical method, PAM),实现了基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟。数值模拟结果表明:(1)本文方法克服了拟声波方程的局限性,消除了伪横波干扰,不受模型参数限制且地震波场能稳定传播;(2)与其他方法相比,伪解析法能有效提高数值模拟精度;(3)简单及复杂模型测试验证了本文方法的正确性与适用性。

一种结合弹性波CT正演模拟与钻孔注水法的防渗墙检测方法研究

防渗墙是水利水电工程项目中的重要部分,随着防渗墙规模的逐渐扩大,常规防渗墙检测方法逐渐减少;为了增加防渗墙的检测手段,研究提出采用弹性波CT正演模拟技术,并与钻孔注水法相结合的方法;在钻孔注水试验时,利用弹性波CT正演模拟技术,检测水流在墙体中的流动情况,从而在检测防渗墙渗透性的同时,完成防渗墙的完整性检测;结果显示,在低速或高速异常速度模型中,走时残差的波动较大,且完全不同;采用围井法,实验深度为15 m时,计算得到的渗透系数为0.14*10~6 cm/s;采用常水头法,深度为15 m时,该方法计算得到的渗透系数为1.88*10~6 cm/s;说明基于弹性波CT正演模拟技术,可以有效地反映防渗墙的状态;而采用围井法检测得到的防渗墙渗透系数,低于采用常水头注水法得到的渗透系数;研究提出的方法可以准确地检测防渗墙的质量。

致密砂岩油气藏地震正演模拟

地震正演是地震储层预测必不可少的部分。在致密砂岩储层中,正演研究相对较少,反射特征认识不充分,而目前随着勘探开发进入隐蔽化,需要加强对致密砂岩储层发育特征的认识。为提高这一认识,以H油田C8油组为例开展了致密储层的正演研究,取得了以下研究成果:1)砂厚与地震属性之间的关系受砂泥岩阻抗差大小的影响。当阻抗差较大时,振幅随厚度的变化幅度明显;当阻抗差依次减小时,振幅随砂厚变化的幅度也依次变小。2)存在着一个临界的孔隙度0.08,当孔隙度小于0.08时,砂岩对应波峰-波谷,振幅随孔隙度增大而减小;当孔隙度等于0.08时,砂泥岩阻抗相等振幅为零;当孔隙度大于0.08时,极性出现反转,砂岩对应波谷-波峰,振幅随孔隙度增大而增大。3)河道的正演结果表现为单个复合河道地震同向轴相应为顶平底凸的下切和边部收敛;两河道纵向切叠为晚期河道切割出现下切和边部收敛;河道侧向切叠为早期复合河道被晚期的河道切割,晚期复合河道形态保存完整。4)前积体的正演结果表现为明显的顶底板反射及两侧反射形成平行四边形的形状。利用该研究成果对C8油组进行了储层砂体的预测,共识别河道7条,为进一步的储层预测奠定了基础。

基于ADI-FDTD法的探地雷达正演数值模拟及验证

探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法克服FDTD法的稳定性限制,可以选择更大的时间步长来提高计算效率。从原理出发,对ADI-FDTD法进行公式推导,在基于ADI-FDTD法的基础上进行卷积完全匹配层(CPML)的结合。通过进行ADI-FDTD法的时间稳定性仿真和不同材质、不同填充介质的双管,沙槽正演模拟实验,结果表明,ADI-FDTD法可以保证时间无条件稳定性,相同情况下可采用更大的时间步长进行正演模拟,提高正演效率。对不同管线、不同材质情况下的正演剖面曲线特征进行解译分析,最后与沙槽实测进行对比,证明得到的探测解译结果与实际状况达到较好的吻合。

基于广义坐标变换的起伏地表频率域波动方程正演模拟与逆时偏移

高效精确的波动方程正演模拟是地震偏移成像和参数反演的核心,频率域的有限差分方法在正演模拟具备一定优势,包括能够在多震源模拟中计算效率更高,在选择网格间距时更具有灵活性等.然而,这种方法在处理起伏地表问题上较为困难.为了解决起伏地表情况下的频率域波动方程正演模拟与逆时偏移问题,我们提出通过建立广义坐标系,利用传统笛卡尔坐标系到起伏地表坐标系的映射关系,在起伏地表条件下高精度地模拟地震波传播波场.在此基础上,进一步讨论了实现频率域逆时偏移的可行性.并使用均匀模型和Foothills模型的数值测试来验证本文方法基本流程的有效性和计算效率.结果表明,在进行复杂地表场景的频率域地震成像和反演时,本文方法具有作为正演建模求解器的潜力.

次生黄土介质环境地下管线雷达探测正演模拟及实践

西北地区城镇地下管线大多敷设于自然和人工形成的次生黄土介质环境中,次生黄土介质的介电分布的不均匀性,对探地雷达所探测地下管线反射信号造成的干扰,却往往被工程师忽略,增加了地下管线雷达探测信号解译误差。本文根据西北地区地下管线敷设的次生黄土介质环境特征,基于gprMax建立了非均质和均质土体介质环境中包含金属管及塑料管的介电模型,对上述模型进行了正演。在开展反射信号图像分析、单道反射信号分析和幅度谱分析的基础上,利用工程实践对次生黄土介质环境中敷设的金属管和塑料管探测信号特征进行验证。结果表明:非均质土体介电模型与实际岩土介电模型的图像信号更接近;奇异值法可将实测信号的目标可辨度提升2倍以上;金属管的反射波峰值比塑料管高3.7倍;金属管计算深度比实际深度浅,塑料管计算深度比实际深度深;次生黄土介质环境中,金属管与塑料管的幅度谱的主频应集中在200~400 MHz范围。研究结果可以指导次生黄土环境中金属管和塑料管的信号分析和特征识别,提高探地雷达图像的解译的效率。

冻土区天然气水合物正演数值模拟与瞬时地震属性研究

天然气水合物是一种具有巨大潜能的新型能源,研究冻土区天然气水合物的地震响应特征,对我国陆域天然气水合物的勘探和开发具有重要意义。本文运用Kelvin粘弹性介质模型,基于祁连山冻土区的实际地质地层条件,建立理论地质-地球物理模型;采用交错网格有限差分法进行正演数值模拟,并对自激自收地震记录进行波场特征分析和提取瞬时地震属性。研究结果表明:地震波通过天然气水合物地层时,反射振幅能量较弱;在瞬时频率属性剖面可分辨层厚的范围内,瞬时频率随着层厚增加,频率在小幅度衰减;地震波通过含天然气地层时,反射波表现为强反射特征,瞬时频率能量明显增大;瞬时地震属性对波阻抗界面有更好的分辨能力,特别是瞬时相位属性剖面,作用明显。因此,综合分析波场特征与瞬时属性特征可以为陆域天然气水合物的识别、预测提供依据。

VTI介质弹性波的有限差分正演模拟

本文以弹性参数导出了二阶位移波动方程,引入Thomsen参数使得弹性参数带有更直观的物理意义,进而以有限差分法对波动方程进行差分给出了波动方程二阶偏导数的时间二阶,空间二阶差分方程,讨论了均匀空间与三层模型中两种各项异性参数对波场特征的影响。