基于全局弱式无单元法直流电阻率正演模拟

全局弱式无单元法是在有限单元法基础上发展起来的一种数值模拟方法,它采用局部支持域内的节点信息来构造形函数实现局部精确逼近,摆脱了单元,仅依赖于节点信息,具有预处理简单、模拟精度高、灵活性强的特点,适用于复杂地电条件下直流电阻率正演模拟.本文采用RPIM构造直流电阻率全局弱式无单元法形函数,利用RPIM形函数推导了直流电阻率全局弱式无单元法方程.然后,编制了直流电阻率全局弱式无单元法正演模拟Fortran程序,利用该程序对典型的地电模型进行了正演模拟,并将正演结果与基于线性插值的FEM正演结果及解析解进行对比,结果表明采用RPIM形函数的全局弱式无单元法用于直流电阻率正演模拟的正确性及有效性,且在同等条件下,全局弱式无单元法模拟精度高于矩形剖分的FEM,更有利于指导电法勘探的数据解译;利用该程序对复杂地电模型进行了正演模拟,结果表明全局弱式无单元法对复杂地电模型模拟效果良好,适应性强,灵活性高,可任意加密节点提高模拟精度.

     

直流电阻率法在岩溶探测中的应用

直流电法勘探在灰岩地区探查溶洞或断裂是一种有效的方法，特别是在圈定洞穴或破碎带的延伸以及其中的地下水流向等方面。国内物探工作者作过不少诸如此类的工作，但由于受使用的装置及工作方法和解释方法的限制，探测效果并不显著。本文特介绍印度中央地下水管理局Ｐ．Ｃ．ＣＨＡＮＤＲＡ等人在岩溶探测方面进行现场试验所取得的成果，供国内同行参考借鉴。     

一维电阻率各向异性对海洋可控源电磁响应的影响研究

地下介质的电阻率常常表现为各向异性, 海底裂隙地层和层状沉积序列可能形成宏观电阻率各向异性.在解释海洋电磁资料时, 电阻率各向异性的影响不应该被忽略, 否则可能会得到错误的海底地电模型.作者编写了电阻率任意各向异性一维层状介质海洋可控源电磁场计算程序, 计算了电阻率各向异性层状模型的海洋可控源电磁响应, 讨论了覆盖层和高阻储层分别具有电阻率各向异性时的电磁场响应特征.     

任意各向异性介质三维非结构谱元法直流电阻率正演模拟研究

各向异性是地电异常解释中不可忽视的因素,广泛存在于裂隙或层理发育的地质环境中.本文针对任意各向异性条件下直流电阻率法三维正演问题进行研究,结合非结构谱元法建立模拟算法,充分利用谱方法的指数收敛性以及非结构有限元对地形和复杂异常体刻画能力,提高计算精度和效率.通过灵活的四面体网格剖分和高阶谱插值,实现了复杂介质任意各向异性模型电阻率响应的高精度数值模拟.我们首先通过层状各向异性模型验证本文非结构谱元法的计算精度,进而我们以半空间中立方体模型为例分析各向异性对电阻率响应的影响特征,并通过计算针对不同各向异性参数的视电阻率极性图,探究地下介质各向异性特征识别方法.最后,我们针对典型的山脊模型计算和分析存在地形效应条件下各向异性电流场分布及视电阻率特征.模型计算结果表明基于四面体网格的谱元法模拟带有复杂地形和异常体的任意各向异性模型具有很高的计算精度.本文的研究成果将在推进电阻率方法用于解决裂隙及层理等环境和工程地质问题中发挥积极作用.

     

基于二次场的海洋可控源电磁法三维有限元正演

根据库伦规范势的定义,推导出关于磁矢量势和电标量势的偏微分方程,为了克服由电流源引起的奇异性和数值模拟计算困难,将电磁总场分解为一次场和二次场,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维正演算法得到,二次场由有限元法计算得到,实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演算法。通过一维数值模拟实例,验证该算法的计算精度。然后,利用该算法对带海底地形的三层储层模型进行正演,分析了海底地形对海洋控源电磁场各分量产生的影响。     

某煤矿典型CSAMT法视电阻率曲线的一维模拟

了解煤矿开采区的地层地质情况,指明断层、破碎带、陷落柱等构造及其含水性,并分析其对开采过程中可能造成的安全威胁是煤矿安全生产的重要保证．可控源音频大地电磁测深(CSAMT)法是浅层地球物理勘探的一种有力的手段,可以用来探明从地表到地下1500米范围的地质情况．在开采区完成三维地震勘探,对构造有了较系统的控制后,利用电法CSAMT手段重点来分析构造及地层的含水及富水特性,是一种科学的工作流程．本文采用一维正演方法对该矿区典型的CSAMT视电阻率曲线进行模拟并与实际曲线进行了对比．通过大量的模型拟合,得到了较好的拟合效果,这对反演解释提供了有用信息。     

坑道直流电阻率测深异常研究

电阻率测深数据可利用抗道的四个面和四个角得到。但由于受到坑道本身和体积效应影响,坑道内电阻率测深资料解释的困难很大。本文用有限单元法对坑道内的直流电阻率测深进行数值模拟计算。首先给出坑道中正常电位的取值,并利用有限单元异常电位计算法对坑道内电阻率测深进行正演计算。结果表明,在异常体断面尺寸、埋深及所用电极距与坑道截面尺寸相差不大时,坑道面上的测深断面反映的基本是本坑道面外侧地质体的信息,对其他位置的地质体没有明显反映,坑道角断面则反映的是相邻两个坑道面外侧地质体的综合信息。     

人工洞室上直流电阻率法视电阻率的异常特征

直流电阻率法装置种类较多,根据实际地质条件选用不同的装置类型,通过对探测结果进行综合对比分析,可全面地反映地下洞室赋存状态。通过对一地下人工洞室进行多种装置类型直流电阻率法勘查,综合分析了各种装置类型探测结果的视电阻率异常特征,并论述了直流电阻率法探测地下人工洞室的有效性。     

电导率连续变化2.5维直流电阻率法有限元数值模拟

在阮百尧、徐世浙(1998,2001)工作基础上,给出四边形内三角网格单元剖分,电导率连续变化2.5维直流电阻率数值模拟方法.在二维起伏地形情况下,有限单元设计为四边形内剖分四个三角网格单元,单元内的电位值和电导率设计为线性变化,将研究区域远边界的第三类边界条件简化为第二类齐次边界条件,重新给出一组适用性较好的Fourier反变换系数,并采用分离式Cholesky分解法快速求解线性方程组.通过对3个地电模型的计算与对比分析,其结果与解析法的均方根误差小于0.2%,计算速度比较常规方法提高了5倍,能有效模拟起伏地形和复杂形态的地电体模型.     

多源条件下直流电阻率法有限元三维数值模拟中一种近似边界条件

在多源直流电阻率法有限元三维数值模拟中,传统混合边界条件由于刚度矩阵与源点位置相关,无法实现线性方程组的快速回代求解,目前常用齐次边界条件或无限元边界进行替代,虽然实现了快速回代求解,但同时也降低了数值模拟的精度.为了实现快速回代求解,并确保数值模拟的计算精度,本文提出了一种近似边界条件方法.其核心思想是将与场源位置相关的边界系数矩阵从刚度矩阵中分离出来,使得分离后的刚度矩阵与场源位置无关.并将边界系数矩阵与边界处一次电场向量的乘积移到线性方程组右端源项中,当场源位置发生改变时,只需要重新计算右端源项就可以实现快速回代求解.理论模型数值计算表明,在水平地形条件下,本文边界条件数值精度优于混合边界条件;在起伏地形条件下,与齐次边界条件相比,本文边界条件数值结果与混合边界条件吻合度更高.     

基于非结构化网格的井地电阻率法三维正演模拟及异常特征研究

起伏地形对类电阻率法的影响不可避免,纯地形会对观测的视电阻率造成异常假象,即使同一种地形对于不同的观测装置其地形引起的异常也完全不同,因此复杂地形条件下的视电阻率异常解释起来十分困难,近年来,在水平及起伏地表情况下的地面电阻率法三维正演取得诸多进展,已逐渐成熟化和实用化,但是起伏地形下井中类电阻率法的正演模拟研究不多,勘探前期对电性体的异常形态特征认识不足．本文采用Gmsh进行几何建模和网格剖分,基于非结构化四面体网格模拟复杂地形,实现了三维井地电阻率法的正演模拟,通过两个理论模型检验了代码正确性与算法的有效性之后,选择了山峰地形下低阻球体、山谷地形下低阻球体和一个山脉峡谷复杂地形模型作为研究对象,给出了井 地二极、井 地三极观测装置下的正演计算结果,对起伏地形下的典型地质体的异常形态特征进行了分析总结,可用于指导野外生产,提高勘察工作的效率和勘探效果,并为进一步研究起伏地表下三维井地电阻率反演奠定基础．     

坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究

研究和提出了一种坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法.该方法通过在掌子面上设立不同功能的环状电极组,使一次场电流具有像探照灯一样的聚焦功能,可有效探测坑道掘进前方不良地质体的存在,达到超前预报的目的.本文首先介绍了直流电阻率超前聚焦探测的基本原理,并给出了两种聚焦观测方式.为了验证所提方法的可行性,通过轴对称电性介质二维异常电位有限元数值模拟方法,对聚焦观测条件下几例坑道模型进行了模拟计算.结果表明,该方法对异常反映明显,可进行即时解释,建议在坑道超前预报中逐步推广使用.     

煤层底板变形与破坏规律电法动态探测研究

采用直流电法,并按照回采进度测取工作面不同时期煤层底板电场变化特征,进一步反演其电阻率值,对煤层底板受采动影响的破坏规律进行研究.通过在淮北某矿1028工作面风巷中煤层底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,并根据工作面回采进度探测不同时期岩层电场变化特征,进一步反演其电阻率值,得出煤层底板采动...     

直流电阻率法2.5维正演的外推瀑布式多重网格法

引入外推瀑布式多重网格法(EXCMG)求解2.5维直流电阻率有限元计算形成的大型稀疏线性方程组, 结合基于地址矩阵的压缩存贮方式以及最优化离散波数, 使得2.5维电阻率正演程序的计算速度大大提高而内存需求大大减小. 研究结果表明:EXCMG法的收敛速度与网格尺寸无关,计算速度明显优于不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)法. 并且, 随着问题规模的增大, EXCMG法的效率优势更加明显. 对1600×1600网格的2.5维电阻率法模拟问题, 正演程序仅耗时28 s, 视电阻率平均相对误差控制在0.22%以内, 为进一步研究快速反演奠定了基础.     

直流电阻率法2.5维正演的外推瀑布式多重网格法

引入外推瀑布式多重网格法(EXCMG)求解2.5维直流电阻率有限元计算形成的大型稀疏线性方程组,结合基于地址矩阵的压缩存贮方式以及最优化离散波数,使得2.5维电阻率正演程序的计算速度大大提高而内存需求大大减小.研究结果表明:EXCMG法的收敛速度与网格尺寸无关,计算速度明显优于不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)...     

基于非结构网格有限元的三维井地电阻率法任意各向异性正演模拟

地层介质的电各向异性增加了井地电阻率法响应的复杂性, 开展基于电各向异性介质模型的井地电阻率法响应规律研究对于正确解释各向异性显著地区的观测数据特征至关重要.针对垂直线源井地电阻率法的任意各向异性响应模拟问题, 本文提出了一种基于非结构网格有限元三维正演算法, 通过引入3×3的对称正定张量来表征任意各向异性的电导率, 采用非结构四面体网格有限元方法来离散电位的边值问题, 通过将垂直线源等效为一系列点源问题, 进而实现了任意各向异性介质中井地电阻率法的高效数值计算.通过与三个地电模型的解的对比, 验证了本文数值解算法的精度和有效性.针对线源远离和垂直穿过异常体的两类模型, 分别考察了当围岩或异常体为各向异性介质时的井地视电阻率响应特征.结果表明, 对于各向异性地层, 围岩和异常体的主轴电阻率值和旋转角均会对井地视电阻率的幅值及分布产生显著的影响.研究结果对于提高井地电阻率法的认识和资料解释水平具有重要的理论和实际意义.

     

高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用

海底金矿上覆岩层中含水直接对矿床的开采构成威胁,选择山东三山岛金矿新立矿区海底-135 m水平沿脉巷道,采用地球物理高密度电阻率法对该巷道635 m测线以下200 m深度范围内岩体中的含水构造进行了坑道探测,利用三种装置（温纳装置（Wenner）、偶极装置（Dipole-Dipole）、Schlumberger装置）进行实施,相互验证,取得了很好的探测结果.温纳、偶极和Schlumberger三种装置的视电阻率反演结果反映在测线（-135 m沿脉巷道）以下至30 m深度为一高阻层,表明自-135~-165 m的岩体中已不含水或含少量的水;测线以下30~60 m段为低阻层,反映-165~-200 m的岩体中含基岩裂隙水;测线以下大于60 m的地段为特高阻层,反映-200 m以下岩体含水性逐渐变差.该探测结果与矿区水文地质结构调查分析结论具有很好的一致性,表明了坑道高密度电阻率法探测含水构造是可行的.     

坑道直流电阻率超前聚焦探测的影响因素及最佳观测方式

本文在简要介绍坑道超前聚焦探测原理的基础上,对坑道直流电阻率超前聚焦探测的影响因素及最佳观测方式进行了研究.通过有限元法对不同尺度的坑道、不同距离的旁侧异常体以及不同观测方式等条件下的地电模型进行了模拟计算.结果表明:旁侧异常体距离坑道越近,对异常曲线影响越大;坑道大小对超前聚焦的影响可忽略.在压制旁侧干扰方面A-M-A0装置要优于A-M装置,实际工作中应尽量增大供电电极距A0A,并使测量极距A0M与供电极距A0A满足A0M/A0A=0.6关系时,可达到最佳探测效果.     

坑道直流电阻率法超前探测研究

坑道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布.以无限大板状体为例求解全空间电场分布,提出探厚比概念以讨论超前探测极限问题.通过对比全空间与坑道内超前探测异常形态可知,坑道空腔只会影响极距较小时的视电阻率幅值,不会掩盖迎头前方地质体的异常响应.大量模型计算结果表明,电阻率异常极值位置与板状体位置之间的差异在5～10倍之间,且同时受到异常体厚度、电性以及板状体倾角的影响.仅利用电阻率极值位置准确解释超前探测异常的难度较大.     

坑道直流电阻率法超前探测的快速反演

在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探测视电阻率曲线转化为全空间视电阻率曲线.然后采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演.反演结果可准确反映围岩电阻率、异常体的电性、位置和产状;而由于同层等值现象,反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的组合值.