基于非结构有限元的起伏地形海洋可控源电磁法二维反演

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海洋可控源电磁法(Marine Controlled-source Electromagnetic,简称MCSEM)是从二十世纪七十年代左右兴起的一种新型的地球物理勘探方法,具有效率高、成本较低以及异常分辨度高等优势,在海底金属矿、非金属矿勘探、地质结构调查与油气资源开发等过程中起着重要作用。本文基于非结构三角形网格,采用自适应有限元正演模拟,对起伏海底地形海洋可控源电磁法(MCSEM)二维Occam反演算法进行了研究。首先,本文采用非结构网格对模型区域进行剖分,非结构网格既可以控制单元网格的质量,又可以实现单元网格局部加密,也能够模拟复杂的几何模型,从而大大提高了二维非结构网格有限单元的求解精度和效率。非结构网格和结构化网格相比,它具有更大的灵活性和高效率。非结构网格能精确描述复杂地形下多个不同尺度的构造,而且省略了人为的网格剖分过程。同时,非结构网格能准确地模拟放置于海底斜坡上的发射装置和接收装置的位置和方位,可以精确的反映电磁场真实的形态。本文对基于非结构网格的MCSEM二维自适应有限元正演进行了模型分析,通过模型实例分析了海洋可控源电磁特征和网格细化特征。采用自适应有限元法自动调节网格,可以有效地提高可控源电磁法正演模拟的精度。精确的响应需要更精细的有限元网格,但是也会导致反演计算中参数的增加,这样会大大降低反演计算的效率,考虑到不大量增加反演计算量,所以本文采用非结构双网格法:一套为反演网格,通常是粗网格,另一套为正演网格,由反演网格细化得到,本文采用自适应有限元法求解得到,这样既保证了正演的精度又提高了反演效率。因此这种非结构双网格方法对于保证正演精度和反演的效率要高于传统的单一网格。引入MPI并行计算,加速了海洋可控源电磁场多个发射源和多个频率的正演计算,对比分析了串行计算和多个进程下的并行计算速度,通过模型试算验证了并行算法的高效性。在考虑计算机性能情况下,使用MPI并行在一定程度上提高了正反演运算速度,随着并行计算的进程数目的增加,加速比也增大,但是并行效率降低。反演中采用对常规Occam算法改进的快速Occam算法,它对常规Occam算法作如下改进:在给定步数的寻求拟合差极小过程中,如果模型的拟合差相对初始模型的拟合差减小到一定程度时,通常采用均方根误差减小15%这个阈值,接受该值并终止本次反演迭代,其他情况下按照常规Occam算法执行完全的极小值搜索。采用该方法可以减少模型的搜索量,也能减少正演计算次数,既有固定值算法的快速,也保证了动态搜索值算法的稳定性。对二维海洋油气层模型进行了反演计算,对不同装置测量的海洋可控源电磁场进行了反演,结果表明反演结果能稳定收敛到真实模型附近。通过起伏地形模型反演,分析了起伏地形下的海洋可控源电磁二维反演效果,为准确解释MCSEM数据提供了参考。
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