【摘要】：瞬變電磁法工作裝置靈活多樣,具有對低阻體反應靈敏、體積效應小、分辨率高、施工方便效率高、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點,廣泛應用于礦產(chǎn)勘察?石油勘探、煤礦災害防治、水文地質調查和工程勘查等領域。隨著儀器、理論方法及數(shù)據(jù)處理手段的進步,瞬變電磁法的應用范圍不斷擴展,是地球物理勘探應用最為廣泛的方法之一。目前,反演解釋主要還處于一維解釋和二維電阻率成像階段,一維層狀介質模型的正反演算法已經(jīng)發(fā)展比較比較成熟,當探測目標的形態(tài)和物性參數(shù)更加復雜時,必須尋求最接近實際情況的三維模型。正演是反演的基礎,通過正演數(shù)值模擬可以了解和掌握各類探測目標在瞬變電磁場激發(fā)下二次場的分布規(guī)律、響應機理和異常特征,對提高瞬變電磁法的應用水平和解釋精度具有重要的應用價值和實際意義。瞬變電磁數(shù)值模擬方法從解域上劃分可分為時域方法和頻域方法,頻域方法的理論推導復雜,需要計算多個頻點,計算量大,頻寬相對狹窄。時域方法理論方法簡單,一次計算可以同時得到不同空間位置、各個電磁場分量的全時段響應,經(jīng)時頻變換后可以得到寬頻信息,與頻域方法相比具有明顯優(yōu)勢。時域有限差分算法直接離散Maxwell方程,不需要復雜的變換,方法簡單,有很強的通用性,適合并行計算,容易處理具有復雜介質和形狀的電磁問題,能解決廣泛而復雜的問題,主要缺點是邊界描述不精確。對于瞬變電磁法的實際應用而言,對地質探測目標的邊界精度要求并不是非常高,并且隨著并行技術和計算機圖形學的發(fā)展,有限差分法具有更好的發(fā)展前景。自從Wang和Hohmann提出有限差分算法以來,在后續(xù)學者的不斷改進和完善下取得了良好的應用。該方法存在的缺點有:(1)場源計算要求近地表是水平的,并且電性分布均勻,針對不同的發(fā)射裝置,需要采用不同方法推導解析公式。在處理水平電性不均勻、復雜介質全空間以及地形起伏影響等問題時,無論是偶極子源還是回線源,初始值很難計算。(2)地下邊界采用Dirichlet邊界條件,通常導致計算區(qū)域過大;地空邊界采用向上延拓方式計算磁場,影響計算結果的精度。(3)時域有限差分數(shù)值模擬需要在時間和三維空間上進行多重循環(huán)迭代計算,耗時很長,還需要判斷三維模型的邊界,大量判斷會影響算法的計算效率。本文針對上述不同問題采用了不同的解決方法:(1)利用有源Maxwell方程在不同介質分界面處仍然適用的原理,將場源發(fā)射線框直接離散在地空分界面網(wǎng)格上,在地表上方添加了一定厚度的空氣層,采用細導線模型計算場源。這種直接計算場源方法的優(yōu)點是可以避免近地表介質電性必須是分布均勻的限制,也不受地形影響,既適用于半空間,也適用全空間問題。(2)在計算空間的各個邊界處,采用CPML吸收邊界將較大的計算空間截斷為小空間,大幅降低了計算節(jié)點數(shù)量;分析和推導了CPML對空氣介質和大地介質的反射系數(shù)和吸收效率,優(yōu)化了CPML邊界參數(shù)的分布,能夠對瞬變電磁法的低頻電磁波進行有效吸收。(3)分析了不同計算區(qū)域差分方程的共同特征,采用矩陣方法將時間和空間多重循環(huán)進行優(yōu)化,降低算法復雜性,有效提高了計算速度,但是空間消耗也迅速增加;將影響迭代步長的空氣介質修改為虛擬空氣介質,保持計算穩(wěn)定的條件下增大迭代步長,進一步提高了計算效率。計算空間采用均勻網(wǎng)格剖分對復雜地質體進行建模,通過多種均勻、層狀介質的解析解與數(shù)值模擬結果對比,驗證了算法的準確性,由于存在關斷時間和差分近似的影響,瞬變電磁法的極早期響應與解析解有較大的差異�？諝饨橘|的反射誤差是影響計算精度的主要因素,采用改進的參數(shù)分布可以在迭代次數(shù)超過105情況下,保證計算精度滿足實際要求。研究了不同關斷時間和關斷波形對早期響應的影響,可以為實際瞬變電磁法反演和數(shù)據(jù)校正提供合理的解釋依據(jù)。通過對水平均勻大地、層狀地層、各向異性地層、地形等背景模型下,對板狀、球狀和磁性介質等探測目標開展了數(shù)值模擬;對井地電磁法和隧道超前探測全空間瞬變電磁法開展初步的正演計算,得出的結論可以為數(shù)據(jù)的定量解釋提供參考和支持。采用廣義逆矩陣法對良導板狀體的正演數(shù)據(jù)進行了反演,得到準確的空間大小和埋深,電阻率的反演結果與正演膜的差異也很小,但是Jacobi矩陣的正演計算比較耗時,在實際工作中難以得到準確的背景響應,異常場的提取方法需要改進。采用概率成像方法對異常體的最有可能存在的空間位置進行了成像,成像算法簡單,反演結果與初始值無關,可以快速判定異常體的空間位置,但是邊界分辨率不高。
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【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P631.325

【參考文獻】

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本文編號：2454338