摘要：地球物理勘探中,地下复杂地质体电磁场三维数值模拟计算量大、存储要求高.针对这一问题,本文提出一种空间-波数域三维电磁场数值模拟方法,该方法利用电磁场积分方程为卷积的特点,将积分沿水平方向进行二维傅里叶变换,将电磁场三维空间域卷积问题转换为不同波数相对独立的多个一维积分问题,由此计算量和存储需求大大减少,易于实现并行计算.采用有限单元法中的形函数进行一维数值积分,一维积分离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征电流变化,可得出单元积分的解析表达式;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和导电率异常,兼顾计算精度与计算效率,优势之二是用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;最后引入压缩算子,采用迭代求得电磁场的数值解.本文方法充分利用不同波数之间一维积分高度并行性、一维形函数积分的高精度及快速傅里叶变换的高效性,实现电磁场三维高效高精度数值模拟.设计模型将本文方法数值模拟结果和软件INTEM3D的数值模拟结果对比,验证了方法的正确性;设计高阻和低阻异常体,研究了异常电导率与背景电导率差异对迭代收敛速度的影响;改变计算规模,随着计算网格增多,算法耗时与存储呈近似线性增长;设计复杂模型与目前主流数值模拟方法对比,本文算法速度快1个数量级以上,且计算规模越大,算法效率的优势越明显.研究结果表明,本文提出的空间-波数域三维电磁场数值模拟方法理论和方法正确,计算效率高,对计算机存储要求低,算法高度并行,适合任意复杂条件大规模三维电磁场高效、高精度数值模拟.

摘要：将各向异性介质分成各向同性背景介质和各向异性异常介质,并提出一种空间-波数混合域方法实现了各向异性介质下直流电阻率法的三维数值模拟.不同于传统直流电阻率数值模拟方法,本文算法直接对空间域异常电位满足的偏微分方程沿水平方向进行二维傅里叶变换,使水平方向转换成波数域,保留垂直方向为空间域,可根据地下介质电流密度变化的快慢灵活剖分.这样可把空间域异常电位满足的三维偏微分方程转化成不同波数满足的一维常微分方程,把一个大规模三维数值模拟问题分解为多个一维数值模拟问题,利用一维有限单元法求解方程组,并通过采用压缩算子迭代计算,最终获得较为精确的数值解.与自适应有限单元法对比验证了本文算法的正确性;测试了算法的收敛性,结果表明在满足精度要求的情况下,算法的收敛性只与异常体和围岩之间的电导率差异相关,而与异常体大小和埋深无关;分析了算法计算效率,结果表明算法的计算效率与剖分网格节点成线性关系,算法可在微型计算机中较快计算出剖分节点总数超过千万的各向异性模型的结果;设计简单观测系统并验证其具有反映地下各向异性结构特性的能力;最后模拟异常体沿着不同方向旋转不同角度时的响应特征,对比分析可知异常体为各向异性情况下,沿不同方向旋转相同角度或沿同一个方向旋转不同角度,在同一个位置上测量得到的视电阻率有差异.

摘要：各向异性普遍存在于强磁性体矿物中,为研究各向异性强磁性体磁场响应特征,本文提出一种空间波数混合域三维各向异性磁场数值模拟方法.该方法首先将各向异性强磁性体磁位满足的三维偏微分方程进行水平方向二维傅里叶变换,将其降为不同波数之间相互独立的一维常微分方程;然后加载准确的上下边界条件,采用二次插值有限单元法计算一维常微分方程,得到五对角方程,采用追赶法进行高效求解;最后采用迭代法求解场分量,引入紧算子保证迭代稳定收敛;综合傅里叶变换的高效性、一维方程求解的快速性和迭代算法的稳定性,实现各向异性强磁性体磁场的三维高效、高精度数值模拟.设计各向异性椭球模型验证算法的正确性,并分析紧算子对不同各向异性磁化率模型的迭代收敛性;与COMSOL Multiphysics软件对比计算效率,表明相同节点下本文算法效率优于常规三维有限元方法,且计算节点总数越多优势越明显.重点研究各向异性参数改变对VTI、HTI、TTI强磁介质异常场响应的影响.最后采用某磁铁矿DEM高程数据模拟起伏地形对各向异性强磁性体磁异常场幅值和形态的影响,体现出本文算法对各向异性强磁性体大规模复杂地形的适应性.

摘要：基于磁位泊松方程提出了一种空间—波数混合域二维数值模拟方法。该方法将二维强磁性体磁位满足的偏微分方程通过一维傅里叶变换转化为不同波数之间相互独立的常微分方程,即将二维数值模拟问题转换为一维数值模拟问题,并利用一维有限元法进行求解,可大大降低存储需求和计算量。对求得的强磁场利用紧算子进行迭代以获得高精度近似解。算法中保留垂向为空间域,可根据需求对网格进行灵活剖分,有利于复杂条件下的模拟。另外,不同波数之间常微分方程相互独立,具有较好的并行性。算法充分利用了傅里叶变换的快速性和迭代算法的稳定性,实现了强磁场及其梯度张量的二维数值模拟。设计三个模型(水平地形下的圆柱体模型、棱柱体模型及起伏地形模型)进行计算,对文中方法数值解与解析解、COMSOL软件所得的数值解进行对比,结果表明该算法计算速度快、精度高,适用于起伏地形条件下的数值计算。

摘要：高效、高精度电磁三维数值模拟是制约大规模电磁数据精细化三维反演成像、人机交互定量解释的核心问题.针对一问题,本文提出一种基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁场三维数值模拟方法.该方法利用沿水平方向的二维傅里叶变换将空间域矢量位和标量位耦合偏微分方程组转换为波数之间相互独立的常微分耦合方程组,将一个大规模三维问题分解为多个一维小问题,具有高度并行性,由此大大减少了计算量和存储量;保留垂向为空间域,浅层网格剖分适当加密,深层网格剖分适当稀疏,有效兼顾了计算精度与计算效率;采用有限单元法求解不同波数的常微分方程,充分利用追赶法求解定带宽线性方程组的高效性进一步提高数值模拟效率.在模型算例中,设计棱柱体模型验证了本文方法的正确性、计算精度和计算效率.数值试验结果表明本文方法具有数值精度高、并行度高、占用内存小、计算效率高的特性,比传统有限单元法三维数值模拟方法计算效率高1~2个数量级,且网格剖分规模越大,该方法计算效率优势越明显.

摘要：大地电磁勘探方法由于其成本低、施工简单、探测深度广等优点,广泛应用于矿产资源普查、油气勘探和深部构造研究等领域.如何提高大规模三维大地电磁数值模拟的精度和效率一直是研究热点.本文基于空间-波数域方法,实现了基于Lorenz规范的空间-波数域三维大地电磁数值模拟.基于二次场计算原理,引入Lorenz规范,将Maxwell方程组转化为关于二次场矢量位的亥姆霍兹方程;利用水平方向二维傅里叶变换,将空间域三维偏微分方程转换为多个波数下相互独立的常微分方程,方程采用二次插值有限单元法计算,得到定带宽线性方程组,方程计算量小、并行性好,采用追赶法求解,提高了算法效率;引入压缩算子,用迭代法逐次逼近真实解.充分利用了空间-波数域方法数值精度高、内存需求少、效率高的特点.设计棱柱体模型验证了算法的正确性、分析了算法的收敛性,说明算法对不同频率、不同电导率对比度模型均具有很好的适应性.利用Dublin(DTM1)模型进行三维大地电磁数值模拟,结果表明:在满足精度要求的前提下,空间-波数域算法比空间域算法占用内存少、耗时短;相比基于Coulomb规范的空间-波数域算法,基于Lorenz规范的空间-波数域方法耗时更短、占用内存更少,效率提高至少3倍以上,体现了新方法的优势.

摘要：为了深入分析激电法差分装置的响应特征,提出一种高精度、高效率的三维数值模拟方法。该数值模拟方法通过二维傅里叶变换将三维激电数值模拟问题转化为波数域一维数值模拟问题,使用一维有限单元法求解,同时引入算子进行迭代,最终获得高精度数值解。该算法可避免进行大型稀疏线性方程组的直接求解,大幅度降低了计算量和存储需求,提高了计算效率。以提出的三维数值模拟方法为工具,分析激电法差分装置响应特征。基于高阻/低阻的高极化异常体模型测试结果表明,单孔井—井测量下差分装置对井旁盲矿的分辨效果优于其他装置,且低阻体较高阻体对电流具有更强的敏感度;基于不同背景介质下的低阻高极化异常体模型的测试结果表明,井—地测量下采用差分装置得到的视电阻率和极化率比采用二极装置得到的视电阻率和极化率能更准确地反映背景介质和异常体在垂向上的空间分布特征。因此,激电法差分装置勘探效果优于其他方法装置,研究结论可为野外勘探测量装置的选择提供参考。

摘要：正演数值模拟是反演成像的基础.为了实现磁法勘探精细化反演成像与定量解释,本文利用把一个大问题分解为多个小问题的思路,提出一种基于泊松方程的高效、高精度空间波数混合域二度体磁异常数值模拟方法.该方法利用傅里叶变换把二度体磁位偏微分方程转换为一维常微分方程,并采用基于二次插值的一维有限单元法求解该方程,进而通过反傅里叶变换得到空间域磁异常.在模型算例中,分别设计截面为矩形的常磁化率和变磁化率二度体模型,针对本文算法的计算精度和计算效率进行了验证.模型算例结果表明:该算法计算精度高,相对误差绝对值均小于1%;计算速度快,网格节点剖分2501×2501的模型模拟时间为4.18s;适用于任意复杂地形模型.

摘要：重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.

摘要：重磁位场正演是反演成像及解释的基础,目前已有的正演算法对复杂形体很难同时兼顾计算精度与计算效率。针对这一问题,提出一种高效、高精度的重磁位场三维数值模拟方法。该方法对重磁位场三维空间域积分沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域重磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的一维积分问题。在垂向上可离散为多个单元积分之和,单元内采用形函数插值,计算精度和效率都较高。该方法充分利用形函数积分的高精度及傅里叶变换的高效性,实现了高效、高精度的重磁位场数值模拟。设计棱柱体模型,模型解析解与所提方法数值解对比表明,该方法理论正确、精度高。设计了垂向连续变化的复杂模型,对比、分析了传统棱柱体均匀剖分与所提方法的计算精度,验证了该方法对于复杂模型具有较强的适用性。