时间域激电二维有限元数值模拟

《时间域激电二维有限元数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《时间域激电二维有限元数值模拟（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、成都理工大学硕士学位论文时间域激电二维有限元数值模拟姓名：陈进超申请学位级别：硕士专业：地球探测与信息技术指导教师：王绪本20090601摘 要 I 时间域激电二维有限元数值模拟时间域激电二维有限元数值模拟 作者简介：陈进超，男，1977 年 9 月生，师从成都理工大学王绪本教授，2009 年 6 月毕业于成都理工大学地球探测与信息技术专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 激电法是寻找金属矿产的十分有效方法，具有许多独特的优点，特别是在区分围岩与异常体电阻率差异较小的情况下具有较强的能力。 为了更好的利用各种激电参数进行异常评价与反演，对其进行正演数值模拟具有重要的意义。 本文从点源二维地电问

2、题出发，选择有限单元法对地电场进行数值模拟，采用非结构化三角网格进行计算。针对固定点源测深装置，设计了多种模型进行了正演模拟研究， 主要讨论了圆弧交汇与相对强度法在确定单个异常体中心位置方面的可靠性，进一步讨论了使用该方法处理含多个异常体时虚假异常产生的机制，并对圆弧交汇与相对强度法的数据处理过程进行改进，有效地消除了反演结果中的假异常。完成了时间域激电场二维有限元数值模拟。 主要工作表现在以下几个方面： （1）由地球物理及场论相关理论出发，对点源二维地电问题的基本方程和使用有限元方法求解过程进行了推导。根据等效电阻率的概念，讨论了视极化率的计算方法。 （2）根据地电场正演模拟的特点，对有限单

3、元计算的网格剖分方法进行了改进， 提出了一种含约束条件的二维三角剖分方法， 并编写了网格自动剖分程序，剖分过程中采用定点加密和网格渐变技术，适合对复杂地电断面进行自动剖分，实际算例表明网格剖分效果良好。 （3）采用固定带宽方式存储系数矩阵，使用 LDLT 分解法求解线性方程组，求解速度和计算精度较高。 （4）根据时间域激电二维正演模拟的要求，设计了二维有限元正演程序，并对程序的可靠性和计算精度进行了测试；利用“等效电阻率”法计算视极化率参数，实现正演模拟。 （5）选用固定点源测深装置对多个地电模型进行了正演模拟，对圆弧交汇Abstract II 与相对强度法在确定地下单个异常体的中心位置的可靠

4、性进行了研究， 分析了多个异常体时该方法假异常产生的机制， 并利用异常分离与图像融合技术对固定点源测深数据处理方法及过程进行了改进，有效地消除了假异常。 关键词：激电，有限元，数值模拟Abstract II Numerical Simulation of Time-Domain IP with 2D FEM Introduction of the author：Chen Jinchao, male, was born in September, 1977, whose tutor was Professor Wang Xuben. He graduated from Chengdu Unive

5、rsity of Technology in Earth Exploration and Information Technology major and was granted the Master Degree in June, 2009. Abstract IP method，which is a very effective way to prospect metal ores，has several unique advantages，especially when the conductivity of the abnormality is very close to surrou

6、nding rocks. In order to employ the IP parameters more efficiently in the inverse problem and abnormality evaluation，its of great signification to study the forward numerical simulation of this method. In this thesis, based on the two-dimensional point source problem of geoelectricity field, finite

7、element method (FEM) was chosen to carry out the numerical simulation for geoelectricity field; unstructured triangular mesh was used for calculation. For fixed point source sounding (FPS) device, a variety of models was designed for forward modeling, and mainly discussed the accuracy of arc interse

8、ction by using equivalent resistance method to calculate apparent polarizability parameters, forward modeling was realized. (5) The FPS device was chosen to carry out forward modeling for a number of models, discussed the accuracy of AIRI method in determining of the center of single abnormal body.

9、The mechanism was studied which was produced by false anomalies when using the AIRI method was to deal with a number of anomaly bodies. Abnormal separation and image fusion technology was used to improve the data processing of AIRI method, and effectively eliminate the false anomaly of the inversion

10、 results. Keywords：Time-domain IP Finite Element Method Numerical Simulation独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 成都理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位

11、论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 引 言 1 第1章 引 言 第1章 引 言 1.1研究现状 1.1研究现状 激发极化法（Induced polarization，IP）简称激电法，是根据岩（矿）的激发极化效应的差异，观测和研究在人工电场的作用下地下岩（矿）石产生的极化电场， 以达到找矿或解决地质问题

12、的一种电法勘探方法。 激电法分为直流激电 （又称时间域激电法 Time-domain IP，TDIP）和交流激电法（又称频率域激电法） 。 在 19 世纪人们已经发现岩矿石具有激发极化效应， 直到 20 世纪 40 年代后，激发极化才应用于物探中1。在国内开始实验、研究和推广是 50 年代和 60 年初的，早期是以直流（时间域）激电为主。70 年代初引进交流（频率域）激电法，主要是变频激电。1976 年中南大学何继善院士提出双频激电法，发展了激电的新的分支方法，也是对频率域激电法的一次技术革新2；在实际勘探中，为了有效区分异常源的性质，克服测量过程中的电磁耦合，对频率域激电进行了再次的技术改进

13、，提出了谱激电法3。目前谱激电法已经在工程实践中去得了良好的地质效果，特别是在油气勘探领域。实践证明，在矿产资源勘查和工程领域，无论是时间域激电还是频率域激电，都是效果很好的电法勘探方法4。 在各种电法勘探方法中，激电法有着自身独特的优势，它是惟一能发现浸染型金属矿床的一种电法勘探方法5。但在实际勘探工作中，自然界其它一些物质如水，碳质地层，黄铁矿化等，在外电场的作用下也能产生明显的激电异常，这些非矿异常给矿产勘查带来干扰， 从而使激电法在这些条件下难以区分激电异常是矿异常还是非矿异常。从找矿角度而言，解决激电异常是矿与非矿问题是十分必要的。对异常进行评价的难点在于区分参数受多种因素的影响，难

14、以简单地回答是矿还是非矿的问题，在加上地质成矿过程的复杂性，矿体矿物成分的多样性等，都使得区分结果模糊、难辩、甚至错误67。所以，为了查明激电异常产生的地质原因，弄清异常源的性质，除了利用激电异常自身的能力之外，往往需要结合地质、化探、钻井等资料对激电异常进行综合解释8。 在定量解释方面，一般来讲，首先是对发现的异常进行评价、定性。确定引起异常的地质原因， 然后再对其中具有找矿意义的异常做进一步的解释确定极化体的形状、产状、空间位置和分布范围。前者称为定性解释，后者称为定量或半定量反演解释。在此对激电异常定量解释方面，国内外也有不少研究成果。B.A.柯马罗夫在 1963 年提出利用对异常曲线进

15、行微分和积分确定极化体的空间赋存状态的方法，后来发展为固定点源测深法（Fixed Point Source Sounding，FPS9） ，通过作地电断面图的方法可以达到确定极化体中心深度、 倾斜方向及其上界面位置和轮廓的定量解释目的。为提高激发极化法寻找隐伏矿床时的定量解释水平，成都理工大学硕士学位论文 2 1992 年李金铭、魏文博等对此进行了系统、深入的研究，实现了解释过程的计算机化10，1998 年陈本池等对起伏地形条件下的固定点源测深法的定量解释进行了初步探讨11。强建科在 2003 年提出了用 FPS 定量解释法实现三维近似成像的探讨12，而后又对此进行了三维情况下的异常特征研究1

16、3。其研究工作充分利用了 FPS 定量解释法的许多优点，研究结果表明该方法对单矿体效果较好，对多个矿体或倾斜矿体效果很不理想，有待做进一步的研究。 在激电测深数据处理方法上，也有对实测数据进行相关微分处理的方法。即根据测深点各极距的s曲线进行微分，该微分结果称为反射系数14，绘制反射系数曲线，然后进行定量解释。黄宝祥 1996 年将反射系数剖面法引入激电二次场的计算和处理中，并对激电参数微分曲线反演解释法进行了推导，并将其应用于找水工作中，取得了一定的地质效果15。 要对激电异常进行合理解释，主要通过正演模拟获得相关规律，总结各种装置下的异常形态，以指导实际生产。而正演模拟可以采用物理模拟和数值模拟等方法进行，数值模拟在模型的构建比物理模型正演方法更简便。数值模拟是用数值计算方法求得相关问题的近似解。 在众多的数值模拟方法中有限元方法 （Finite Element Method，