瞬变电磁法三维模拟计算研究进展

瞬变电磁法应用于矿产资源、环境工程等领域。目前主流的瞬变电磁三维正演模拟方法包括积分方程法、有限差分法、有限体积法和有限元法。随着观测环境的复杂化以及探测精度要求的提高,有必要研究瞬变电磁法高精度三维模拟计算,以便推动数据处理解释方法的进步。本文系统介绍了瞬变电磁三维正演计算研究进展,分析了准静态差分方程的构建和发射源的加载及边界的处理等有限差分法的关键技术,厘定出空间和时间离散以及大型线性方程组的求解等有限元法的难题。瞬变电磁数值模拟今后的发展方向是深入开展近源情况下受场源效应、复杂地形、极化效应等影响的三维模拟,以及特殊场情况下的多源多分量响应计算,为瞬变电磁法精细探测提供理论支撑。     

大地介质影响下地-井瞬变电磁的正演模拟分析

对大地介质影响下地-井瞬变电磁响应特征规律进行了研究.基于时域有限差分法和Mur吸收边界条件对不同观测方式("定源-异井位观测"和"方位观测")下典型地电模型(均质半空间和含浅部低阻层的半空间介质)中三维体的地-井瞬变电磁响应进行了正演模拟,认为观测所得响应是围岩背景场与目标体异常场共同作用的结果,提出大地介质会影响观测结果的观点.研究结果表明:围岩背景场越强,总响应的异常特征越弱;随着观测延时的增加,背景场对总响应的影响减弱;受导电介质影响的观测曲线在剖面形态和衰减特征上与高阻围岩的典型解释模型存在差别.研究结果为相关资料解释工作提供了理论依据.     

利用非均匀网格有限差分法模拟一维大地电磁响应

为了计算一维地电模型的大地电磁响应,采用非均匀网格有限差分法进行了数值模拟。首先,从磁场满足的微分方程出发,利用非均匀网格有限差分法导出了一维大地电磁正演计算的线性方程组;其次,利用Matlab工具编写了一维大地电磁响应的非均匀网格差分计算程序,同时通过对均匀半空间模型,与理论解析结果对比,验证了差分正演算法的正确性;最后,通过对二层D型地电模型的大地电磁响应模拟,说明了非均匀网格差分正演算法的有效性,同时总结了近地表单元剖分间距对大地电磁响应的影响。     

大定源瞬变电磁法在探测煤矿采空区富水性中的研究

大定源瞬变电磁法目前已成为许多矿区水文地质勘查的首选方法.而煤矿老窑采空区出水已成为矿井突水的显著特点之一,因此,本文使用大定源瞬变电磁法对采空区的富水性进行了研究.作者基于电磁场的基本理论研究了大定源瞬变电磁场响应分布规律,并通过一个工程实例证明了瞬变电磁法在探测煤矿采空区富水性方面是有效的.     

利用非均匀网格有限差分法模拟二维大地电磁响应

为了实现二维地电模型的大地电磁正演模拟,采用非均匀网格有限差分法对TM极化模式下的大地电磁响应进行了数值近似计算。首先,从磁场满足的边值问题出发,利用非均匀网格有限差分法导出了TM极化模式下二维大地电磁正演计算的线性方程组;然后,通过对均匀半空间模型的大地电磁响应进行数值计算,与理论解析结果对比,验证了非均匀网格差分正演算法的正确性;最后,通过对二维地堑构造模型的大地电磁响应模拟,说明了非均匀网格差分正演算法的有效性,同时总结了异常响应规律,这能为实测数据的定性解释提供指导。     

瞬变电磁三维成像在煤矿含水体探测中的应用

瞬变电磁法探测技术是目前煤矿含水体探测的首选方法,目前瞬变电磁常用的解释手段为一维正反演、二维成果图显示,在描述三维空间地质信息方面略显不足。本文以新疆哈密某煤矿含水体探测项目数据为例,为了能够更加准确地了解地下介质的电性结构,多角度、多方位地显示地下含水体三维空间特征,通过坐标转换,将深度—视电阻率数据转换到三维空间坐标系下,利用三维可视化软件进行三维离散数据网格化,制作了瞬变电磁三维可视化成像模型、含水体三维可视化模型、三维切片等。结果表明,利用瞬变电磁三维成像能够清晰、直观地显示含水体异常在立体空间上的范围及空间位置形态,亦可以清晰地显示二维剖面难以发现的含水构造,有利于对地下含水体赋存状态、连通情况、补给通道等要素的综合分析。     

巷道边界条件下矿井瞬变电磁响应研究

研究了巷道对瞬变电磁场的影响,模拟了全空间中介质的瞬变电磁响应特征．提出了适用于矿井三维全空间瞬变电磁法时域有限差分计算的新的巷道边界条件,通过将该边界条件离散为差分格式,并结合时域有限差分法进行计算,研究了1μs到0．8ms之间巷道的存在对瞬变电磁场的影响特征,以及巷道对巷道顶、底板内部的低阻异常体响应的影响、结果表明,由于巷道的高阻作用,使置于巷道中间的发射源,在0．5ms时在巷道两迎头处感应出2个相同的新源,而当发射源置于巷道一端迎头时,在另一迎头处逐渐感应出1个新源,在0、1ms后巷道的边界能清楚的显示出来、另一方面,巷道的延迟作用使低阻体响应的位置在20μs时落后其实际位置6～8m．     

电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理软件系统SOTEMsoft

目前,已有瞬变电磁法(TEM)数据处理软件大都仅针对回线源装置,无法处理电性源装置数据。随着电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)的广泛推广应用,亟需开发一套适合电性源短偏移距瞬变电磁法装置特点的数据处理软件。通过解决任意收发装置形式一维正演、多分量多源数据联合反演、考虑激发极化效应数据反演、拟二维横向约束反演等关键技术,研发了电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理专用软件系统SOTEMsoft。该系统具备数据整理、图像显示、数据预处理、模型构建、正演模拟、数据反演、工程出图等功能。数值模拟和野外实测数据处理效果表明,SOTEMsoft功能完备,数据处理精度和效率较高,满足野外实际生产需求。     

综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用研究

以煤矿采空区探测为背景,将高密度电法和瞬变电磁法相结合。采用不同装置,对所建立的典型地电模型数值模拟,得到正演数据,然后再进行反演计算,将反演结果与实际情况进行对比、分析,最终得出探测煤矿采空区的最佳组合。研究认为：偶极一偶极装置是最佳装置,适合勘探深度小于100m的采卒区,其他四种勘探装置各有优缺点,可根据不同的地质情况进行选择;中心回线装置效果最好,但是勘探深度有限,适合稍浅采空区的探测,但是工作效率太低。综合考虑,大定源回线装置更适合煤矿采空区深部探测,而且工作效率更高。将偶极一偶极和大定源回线装置应用于某地区煤矿采空区探测中,高密度电法能够清晰的探测出80m以内的地层情况,划定采空区范围,后经钻探验证,证明推断正确;瞬变电磁法能够探测出200m以下的采空区情况,推测出一个采空区位置。后经钻探验证,证实推测。说明,利用高密度电法和瞬变电磁法综合地球物理勘探,是可行的,也是有效的。     

基于有限差分法的大地电磁二维倾子响应计算

在二维地电模型中,考虑到大地电磁(MT)的倾子响应依赖于TE极化模式的数值模拟问题,采用有限差分法对倾子响应进行了数值近似计算。首先,从电场满足的边值问题出发,利用有限差分法导出了TE极化模式下MT二维正演计算的线性方程组;其次,编写了计算MT二维倾子响应的Matlab程序,同时模拟计算了一维介质模型的大地电磁响应,验证了倾子响应差分正演算法的正确性;最后,通过对典型二维地电模型的MT倾子响应模拟,获得了倾子响应的实部、虚部和振幅,其结果都较好地反映了不均匀体的横向分布情况,这能为实测数据的定性解释提供指导。     

Finite difference time domain method forward simulation of complex geoelectricity ground penetrating radar model

The ground penetrating radar（GPR） forward simulation all aims at the singular and regular models, such as sandwich model, round cavity, square cavity, and so on, which are comparably simple. But as to the for- ward of curl interface underground or “v” figure complex model, it is difficult to realize. So it is important to for- ward the complex geoelectricity model. This paper takes two Maxwell＇s vorticity equations as departure point, makes use of the principles of Yee＇s space grid model theory and the basic principle finite difference time domain method, and deduces a GPR forward system of equation of two dimensional spaces, The Mur super absorbed boundary condition is adopted to solve the super strong reflection on the interceptive boundary when there is the forward simulation. And a self-made program is used to process forward simulation to two typical geoelectricity model.     

岩体初始地应力场计算模型自动生成与快速反演

对AutoCAD进行了面向对象二次开发,利用程序自动读取CAD地形图地面高程并快速生成反映地表起伏变化的三维有限元计算网格模型.采用三维非线性有限元反演回归分析计算方法,提出了三维应力侧压系数函数拟合法,通过三维有限元开挖模拟反演岩体初始地应力场.对蒲石河抽水蓄能电站地下厂房区域初始地应力场进行了反演回归分析,结果表明:实测点地应力拟合较好,该方法计算快速准确,较合理地反映了地形地貌对初始地应力场规律的影响.     

VTI介质交错网格FCT有限差分数值模拟

波动方程有限差分数值模拟是研究地震波在地下介质中的波场特征和传播机理的重要手段.对于常规有限差分技术,当采用大网格对计算空间进行差分离散时会出现严重的数值频散问题,降低了计算精度.通量校正(Flux- corrected transport method,FCT)技术能够有效压制粗网格情况下有限差分的数值频散.本文研究了具有垂直对称轴横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质的交错网格FCT有限差分技术.首先从一阶速度一应力弹性波方程出发,在交错网格空间中给出了该方程的高阶有限差分法格式及稳定性条件,在此基础上研究了波动方程正演过程中的数值频散FCT压制技术,二者结合实现了该方程的高精度有限差分数值模拟.同常规算法相比,本文算法不额外增加内存需求,少量增加计算量,但可有效压制VTI介质中弹性波动方程正演的数值频散现象.当采用大网格进行数值模拟时,本文方法明显提高了波场模拟精度.     

OpenGL在油气藏开发管理GIS系统中的应用

OpenGL是一种三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的必要工具，其稳定性、可靠性、可扩展性等特点，赋予了其强大的生命力和应用前景，OpenGL已经广泛应用于在CAD／CAM／CAE、医学图像处理、虚拟现实、娱乐、广告等领域。OpenGL同样可以应用于油藏开发这类特殊的三维问题表示，油藏本身是一种时空系统，通过油藏动态监测数据的分析和地质统计学方法的应用，实现油藏的动静态描述；利用OpenGL技术，能够将地下油藏的内部状态形象直观地呈现给油田管理层和技术人员，显著提高工作效率。阐述了OpenGL的基本概念、特点、原理、工作流程及其绘制流程，基于OpenGL技术开发油气藏构造三维可视化工具，嵌入到油气藏开发管理GIS系统中，扩展了目前GIS系统欠缺的三维空间描述能力。     

北京市中心区地下空间资源评估探讨

探讨了北京市中心区的地下空间资源评估，提出了地下空间资源评估方法。分析了北京中心区地下空间资源的地质背景，并进行了工程地质分区，作为有计划地开发利用北京地下空间资源的建议。     

基于Res3dinv软件的三维高密度电法成像效果分析

三维高密度电法基于地下介质电性的差异,能对地层中存在的空间视电阻率变化特征进行探测.为了对其成像效果进行分析,本文首先基于正反演理论介绍了有限差分法、有限元法,以及光滑约束最小二乘法的原理.然后在Res3dinv软件中选择单极-偶极装置进行三维反演成像,具体分析了异常体埋深、尺寸大小、高低阻互换、形状边界,以及地形起伏...     

寒区隧道温度场的三维有限差分分析

针对西部寒区隧道的温度场问题,以有限差分为数值计算基础,以FLAC3D2.1软件为平台,以其内置的FISH语言为工具,编制了计算程序,该程序克服了FLA CD32.1软件本身不能考虑相变潜热等缺陷。最后用该程序对某工程实例进行了数值分析。     

弹性介质瑞雷面波交错网格有限差分法数值模拟

为了研究瑞雷面波在复杂地质条件下的传播规律和波场特征,采用交错网格高阶有限差分方法对浅层各向同性弹性介质进行了包括瑞雷面波和体波在内的全波场模拟.通过均匀半空间模型和层状介质模型的模拟,验证了含有瑞雷面波的全波场理论的正确性.     

声波方程有限差分数值模拟的变网格步长算法

地震波场正演模拟是研究地震波在介质中传播特点的重要手段。常规的傅立叶变换法和有限差分方法在对含低速/高速介质、薄层/厚层介质的模型进行波场模拟时通常采用均匀网格,因此,这两种方法往往缺乏稳定性。本文对解决上述问题有较高优越性的变网格算法进行了介绍,对传统的有限差分法与变网格差分算法在内存需求、计算速率等方面的差别进行了比较,并对变网格算法中的边界条件、时间积分的快速展开算法进行了阐述,总结了变网格算法的优点。