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：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：几何多重网格法(GMG)将细网格上的大型稀疏矩阵的求解转化为较粗网格上的更容易求解的问题,从而快速求解大型稀疏方程组.但是由于大地电磁法(MT)正演模拟中涉及双旋度算子,传统GMG无法有效平滑高频误差导致其收敛慢甚至发散.为此,我们引入了四色分块高斯赛德尔法(GS)作为平滑算法,该算法局部满足电流散度为零的条件,无需额外的散度校正且具有高度并行性,可以显著提高GMG的收敛效率.但是随着系数矩阵各向异性(比如电导率的强烈变化等)增加,GMG收敛速度会变慢.Krylov子空间求解法如稳定双共轭梯度法(BiCGstab)可以改善这种收敛变慢的问题.因此,在本文中针对交错网格有限差分法(FDM)提出了一种结合四色分块GS平滑算法GMG和BiCGstab的MT高效正演模拟方法.在该方法中,将四色分块GS平滑算法GMG作为BiCGstab求解器的预条件技术,从而显著提高正演效率.我们设计了一个层状电阻率模型,通过与其解析解对比验证本文所提算法的正确性.然后设计了一个双异常体电阻率模型和一个Dublin模型1(DTM1),基于BiCGstab,对比了GMG预条件技术与其他传统预条件技术的数值表现,如超松弛预条件技术(SSOR)、分块不完全LU分解预条件技术(block ILU)和高斯赛德尔预条件技术(GS).结果显示本文提出的算法在迭代次数,计算时间和稳定性方面都远远优于传统预条件技术.对于所有例子,GMG预条件技术均能在10次以内达到收敛,计算时间比传统预条件技术减少70%以上,显示了本方法的稳定性和高效性.

摘要：提出了一种基于非结构化四面体以及带地形模型的自适应多层快速多极大规模磁法快速正演算法.该算法弥补了传统积分方法采用FFT加速计算时不能采用非结构化网格的缺陷;同时采用自适应快速多极算法突破积分求和方法求解大规模磁法问题耗时长的突出问题.首先,采用非结构化的四面体网格剖分技术能够更好的模拟复杂模型以及带地形模型,实现磁法模型的高精度模拟;其次,采用一种自适应多层快速多极(AMFM)算法实现大规模磁法正演求解.通过将计算区域划分为近区和远区,对近区采用解析计算高精度求解,对远区采用自适应多层快速多极算法进行加速计算,假设有M个观测点,N个四面体源单元,可将计算复杂度由传统积分求和法的O(MN)减少到O(Mlog N).本文设计了组合体模型以及安徽怀宁地区的实际地形模型,模型计算结果体现了采用该方法进行大规模复杂模型三维磁法正演模拟的高效性和准确性.

摘要：可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.

摘要：直流电阻率法被广泛应用在工程和环境及水文地球物理、野外采矿、地热探测等领域.地下岩石常具有层理面和裂缝等具有方向依赖性的结构,岩石电导率常常呈现各向异性特征,因此研究复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演算法具有迫切的理论和学术需求.本文利用面向目标的自适应有限元算法和非结构化网格相结合的方式,解决了带地形任意复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演这一难题.有别于前人的研究成果,本文提出了一种特别的二次虚拟场算法实现带源的任意起伏地形问题模拟;另外,本文第一次基于电流密度连续性条件构建适合直流电阻率各向异性问题的后验误差估计算法,有效地驱动面向目标有限元网格自适应加密过程.最后,通过三组电阻率各向异性模型验证本文提出算法的正确性和适应性,测试结果表明:对于任意复杂直流电阻率各向异性问题,本文提出的算法具有精度高、适应性强等特点;另外,我们还发现电流密度连续性条件可用于设计直流电阻率问题的有效后验误差估计算法.

摘要：本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重合.改进的算法具有以下三个特点:(1)采用无解析奇点的解析解公式计算磁异常,保证计算精度.(2)通过构造特殊的分块托普利兹(BTTB,Block-Toeplitz Toeplitz-Block)矩阵,利用其结构特性压缩核矩阵,并且用预先计算并存储中间变量,优化计算核矩阵的过程以提高计算效率.(3)基于BTTB矩阵的特殊性质,将核矩阵与磁化率向量的乘积转化为二维离散卷积的形式,因此能利用快速傅里叶变换进一步提高计算效率.模型实验显示,当剖分个数较多时,改进的快速正演算法比传统解析解方法快约5个数量级,比现有的8点高斯-快速傅立叶变换(Gauss-FFT)正演算法快约两个数量级,而且绝对误差极小(最大约为10^(-6) nT),同时将反演时核矩阵的内存占用降低约5个数量级,证明了该正演算法具有高精度、高效率、低存储量的优点.最后设计了一个合成模型实验,将改进后的快速正演算法运用到磁异常ΔT反演中,反演所得三维磁化率与真实模型特征一致,且大幅降低反演计算时间和内存占用,验证了快速正演算法的实用性.

摘要：联合反演在综合地球物理资料解释中扮演着重要的角色, 数据驱动的深度学习技术的发展为地球物理反演带来了新的发展方向和机遇.因此, 本文提出一种基于深度学习的音频大地电磁(AMT)和瞬变电磁(TEM)联合反演方法.首先, 为AMT和TEM生成统一的地下介质电阻率模型, 并分别进行正演, 建立用于网络训练的样本数据集;然后, 将残差网络作为主干网络, 基于UNet网络架构, 设计和构建一种端到端的AMT和TEM联合反演深度学习模型JoATInvNet;其次, 针对两者响应数据的差异性, 引入两种不同的数据归一化方法对网络输入数据进行预处理;最后, 利用合成数据和实测数据对JoATInvNet联合反演方法进行了验证和分析, 结果表明: 相比于AMT或TEM单参数深度学习反演, 本文提出的JoATInvNet联合反演可以有效融合AMT和TEM数据信息, 反演误差更小, 抗噪能力更佳, 实现对地下结构更准确和全面的解释.

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.