發(fā)布時間：2020-08-01 17:05

【摘要】：航空電磁法具有飛行速度快、成本低、通行性好等優(yōu)勢廣泛用于礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)填圖、環(huán)境和工程勘查等,其應(yīng)用范圍包括廣闊海域和高山、沙漠、湖泊沼澤等大面積覆蓋區(qū)等。目前航空電磁數(shù)據(jù)處理仍以一維反演為主,但實際勘探中地下電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且時常存在起伏地形,往往不能滿足一維反演的擬層狀介質(zhì)條件,因此開展三維電磁計算已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢。然而,由于計算速度慢、消耗內(nèi)存大等諸多問題,航空電磁三維正反演在技術(shù)發(fā)展和實際應(yīng)用性等方面受到了制約。本論文提出了異常場Volume of Influence(VoI)概念和時間域航空電磁背景場/異常場分離法,采用交錯網(wǎng)格有限體積法實現(xiàn)三維快速正演,并利用高斯-牛頓法展開三維反演計算,進(jìn)而通過理論模型數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)反演證明算法的正確性和高效性。本論文首先從時間域麥克斯韋方程出發(fā),提出時間域背景場/異常場分離方法。以半空間或?qū)訝罱橘|(zhì)作為背景場,將地下三維地質(zhì)體產(chǎn)生的異常場與背景場分離,建立了時間域場分離法的控制方程。這種方法使三維正演計算區(qū)域控制在三維地質(zhì)體二次源與飛行系統(tǒng)共同作用的較小影響范圍內(nèi),能夠減少網(wǎng)格數(shù)量、加快計算速度。此外,采用交錯網(wǎng)格有限體積法進(jìn)行空間離散,使電磁場自動滿足固有耦合關(guān)系的同時保證了穩(wěn)定性;并采用隱式歐拉法進(jìn)行時間離散,形成無條件穩(wěn)定的隱式方程,放寬了對時間步長的要求。為進(jìn)一步加快計算速度,本論文采用局部網(wǎng)格Local mesh代替全局網(wǎng)格,即在靠近收-發(fā)系統(tǒng)位置處采用精細(xì)網(wǎng)格,遠(yuǎn)離時采用粗糙網(wǎng)格,從而減少網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)量。同時,利用直接求解器MUMPS求解三維離散方程,該方法對于相同的時間步長,只需一次分解,通過不斷更換右端源項完成計算,且本文在分解階段使用了MPI并行技術(shù),以充分發(fā)揮求解器的優(yōu)勢。通過將以上多種前沿技術(shù)結(jié)合達(dá)到大幅度提高三維計算速度的目的。結(jié)合背景場/異常場分離法理論,本文提出了異常場VoI概念,即以地下三維地質(zhì)體作為二次激勵源,則其周圍形成二次擴散場,將其中由異常激勵源產(chǎn)生的二次電磁場對接收機處響應(yīng)產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的有效擴散區(qū)域稱為異常場VoI。以典型三維地電結(jié)構(gòu)為例,通過與傳統(tǒng)的系統(tǒng)Vo I(僅考慮發(fā)射-接收系統(tǒng)影響范圍)進(jìn)行對比,證明了異常場VoI小于系統(tǒng)Vo I,從而將三維計算簡化到在每個異常場VoI中計算,大大減少了計算量,提高計算速度。同時,本文介紹了基于系統(tǒng)VoI的傳統(tǒng)時間域算法-總場法,并與基于異常場VoI的場分離法進(jìn)行了對比,結(jié)果表明:在使用相同計算網(wǎng)格時,只有場分離法能夠達(dá)到計算精度;而當(dāng)兩種方法都達(dá)到計算精度時,場分離法具有高于總場法4倍以上的計算速度。起伏地形通常對航空電磁數(shù)據(jù)產(chǎn)生重要影響�？紤]到實際勘探中地表往往不平整,因此本文以典型山谷地形為例,對不同坡角和不同波形的帶地形模型進(jìn)行了模擬計算和響應(yīng)特征分析。結(jié)果表明,地形效應(yīng)主要影響早期道數(shù)據(jù),地形響應(yīng)異常特征與地形形態(tài)呈鏡像關(guān)系,即坡度越陡,異常峰值范圍越大,異常整體范圍越小,反之亦然。當(dāng)使用含波形電流時,off-time(斷電時期)數(shù)據(jù)受地形影響規(guī)律較簡單,仍主要出現(xiàn)在早期道,而on-time(通電時期)數(shù)據(jù)情況較為復(fù)雜,異常規(guī)律隨on-time時間改變而改變,尤其是在含異常體時,地形影響了異常響應(yīng)形態(tài),此時若采用水平地表進(jìn)行解釋將會引起較大誤差甚至是錯誤的結(jié)果。因此對于地形起伏劇烈地區(qū),必須考慮地形效應(yīng)。本論文在快速正演的基礎(chǔ)上,采用高斯-牛頓法進(jìn)行時間域航空電磁三維反演研究。首先基于正則化理論建立反演目標(biāo)函數(shù),利用正則化因子調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)擬合項和模型約束項的權(quán)重,并通過將目標(biāo)函數(shù)最小化獲得由雅克比矩陣、數(shù)據(jù)擬合差和模型參數(shù)構(gòu)成的反演方程。其中雅克比矩陣的計算是從三維正演控制方程出發(fā),通過求解一個時間逆序方程得到中間參量,進(jìn)而利用參數(shù)組合獲得每個測點對應(yīng)的雅克比矩陣。時間逆序方程是在每個異常場VoI范圍內(nèi)采用Local mesh進(jìn)行壓縮存儲,該過程提高了反演計算效率。最后對所有發(fā)射源,通過矩陣重組技術(shù)獲得整體雅克比矩陣,并利用共軛梯度法求解最終反演方程。為驗證反演算法的有效性,本論文首先利用獨立導(dǎo)體模型(向斜水槽和背斜拱橋)進(jìn)行反演,反演結(jié)果能夠準(zhǔn)確恢復(fù)真實模型參數(shù)。然后,對水平板和傾斜板雙異常體模型展開了三種反演計算,分別是一維反演、基于場分離法的三維反演和基于總場法的三維反演。結(jié)果表明:兩種三維反演均能準(zhǔn)確地恢復(fù)兩個異常體,而一維反演只能反演出水平板,從而進(jìn)一步說明三維反演的準(zhǔn)確性和不可替代性。進(jìn)而,利用上述兩種三維反演方法分別對多異常體模型進(jìn)行反演,并從正演計算速度、雅克比矩陣計算和整體反演時間等方面進(jìn)行了比較,反演結(jié)果表明:基于場分離法的三維反演比總場法反演速度快4倍以上。再次,本文利用三種成像結(jié)果(背景CDI、直接CDI和CDI3D)分別作為初始模型對西澳大利亞Forrestania礦區(qū)電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。與鉆井資料對比后的結(jié)果表明,以CDI3D作為初始模型時具有最好的反演效果,且通過對結(jié)果進(jìn)一步分析可知,當(dāng)沒有良好的初始模型或任何先驗信息情況時,選擇一個“模糊”的初始模型更容易獲得真解。最后,本文以愛爾蘭地區(qū)Lisheen礦區(qū)GEOTEM數(shù)據(jù)為例,展開了時間域三維反演,反演結(jié)果與實際地質(zhì)資料的硫化物礦床分布十分一致,進(jìn)一步說明本文三維正反演算法的有效性和實用性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P631.326
【圖文】：

二階導(dǎo)數(shù)項是位移電流項，Yin 和 Hodge（2005）指良導(dǎo)大地（介電常數(shù)為自由空間介電常數(shù)），位移電忽略。因此雙旋度電場方程可退化為擴散方程：0(,)()(,)( ,) tttttbbssErErE r …體產(chǎn)生的二次電場滿足的雙旋度方程，利用有限體積方程進(jìn)行離散可實現(xiàn)數(shù)值求解。體積控制方程法將計算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，使每積，并將待解的微分方程對每一個控制體積積分。本論ee，1996）進(jìn)行空間離散，其中以任意一點 Ey分量為體積進(jìn)行說明，如圖 1 所示。

22圖 2.2 網(wǎng)格剖分示意圖控制方程（2.1.33）中方程左端包含一個面積分項和一個體積分項，首先對第一項面積分項進(jìn)行處理。根據(jù)矢量場旋度的定義公式有

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文磁偶極子源近似模擬。根據(jù)劉云鶴（2013），全空間 2.3 所示的一般情況，其中無限遠(yuǎn)處的空氣層作為第狀介質(zhì)的第 ls 層中。直角坐標(biāo)系原點位于發(fā)射源在為了方便電磁場表達(dá)式的建立，過源 zls處建立一個中虛線）（Goldman，1990；Das 等，1995）。因此，在序號要加 1，這里暫不考慮介質(zhì)介電常數(shù) 與磁導(dǎo)率。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

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3 殷長春;張博;劉云鶴;任秀艷;齊彥福;裴易峰;邱長凱;黃鑫;黃威;繆佳佳;蔡晶;;航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];地球物理學(xué)報;2015年08期

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本文編號：2777746