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大地电磁测深理论与数据处理解释均假定平面电磁波垂直入射地下空间,但随着研究尺度的逐渐扩大,使得因地球弧度产生的影响难以忽略.此时,传统笛卡尔坐标体系及平面波场源不再适用于大尺度的大地电磁数据正反演解释.本文提出并实现了一种基于球坐标系的大地电磁交错网格有限差分三维正演算法,并对电场进行极向-环向分解,结合球谐函数和贝塞尔函数构建了可取代平面波的场源模型.首先利用经纬度信息构建三维地电模型,将场源设置于模型空间正上方,然后通过直接求解球坐标系下麦克斯韦方程来获得大地电磁响应.在此基础上,本文设计了球坐标下具有不同分辨率的多个三维地电模型,阐述了由球体模型到笛卡尔模型的转换方法,详细对比了两种坐标体系在计算效率、所求得的电场和视电阻率方面的差异.结果表明二者差异度主要与电性横向分布和地图投影方法有关,与周期并不存在明显的单调递增关系. 相似文献
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大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究 总被引：3，自引：3，他引：0
为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础. 相似文献
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随着跨大陆尺度的大地电磁(Magnetotellurics,简称MT)勘探的广泛开展,为了克服地球曲率带来的误差,有必要开展基于球坐标系下的3D MT正反演研究.该类正、反演问题的一个重要特点是所采用的频率往往比较低,在电磁场满足的偏微分方程中跟电导率有关的项几乎可以忽略.当采用数值方法进行该类电磁正演时,由于数值离散误差,正演算法无法模拟电性变化带来的电荷积累.因此在采用迭代求解器求解该类正演问题时,即使采用了传统的迭代电流散度校正技术,迭代求解器的收敛依然很慢.针对以上问题,本文显式地将散度校正项添加到原始控制方程中来对控制方程进行约束(为方便称之为正则化约束项),以保证每次迭代电流的散度为零.此方法避免了额外求解散度方程,以期显著提高球坐标系下3D MT正演效率.在正演中,采用球谐函数高阶项P10来近似MT的场源,在球坐标系下对加入了正则化约束项的正演方程进行有限差分离散.本文首先设计了一个一维层状结构模型,对本文所提算法的数值解与解析解进行了对比.然后设计了一个简单低阻模型和一个基于实测数据反演结果的Cascadia模型,测试了本文算... 相似文献
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本文将大地电磁场分解为一次场和二次场,应用交错网格有限差分法模拟计算大地电磁二次场,并引入各向异性最佳匹配层(PML)吸收边界条件作为二次场边界条件,实现了耦合PML吸收边界条件的三维大地电磁二次场有限差分正演模拟.为了确保正演的稳定性和效率,QMR求解器和磁感应矢量散度校正技术被用于PML吸收边界条件下系数矩阵的快速求解.三维模型正演响应表明,基于二次场的三维大地电磁有限差分算法具有较高的计算精度和可靠性.通过计算分析不同PML吸收因子条件的大地电磁正演结果,显示在适当的吸收因子下,PML吸收边界条件可较大幅度的减小外边界距离,从而有效的压缩模型求解空间,最终提高三维大地电磁正演模拟的效率. 相似文献
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本研究实现了一套基于有限差分（FD）方法的大地电磁测深数据带地形三维反演算法及代码.其中,在大地电磁场正演数值模拟方面,开发了起伏地形条件下基于交错网格剖分、有限差分方法的大地电磁测深三维正演代码;在满足平面波场假设的前提下,使用长方体网格剖分模拟三维起伏地形,实现了带地形三维正演计算;并设计理论模型进行试算,经试算结果与前人的有限元法计算结果对比,验证了所研发的带地形三维正演计算的正确性与可靠性.在反演方面,本研究基于非线性共轭梯度方法编写了大地电磁测深带地形三维反演代码,试验了不同的共轭梯度搜索因子β,避免了目标函数对海森矩阵（参数二次导数矩阵）的显式计算和存储,初步实现了大地电磁资料的带地形三维反演.最后,对一系列理论模型进行正演计算,利用其生成的合成数据模拟实测数据进行反演,并与现有的不带地形大地电磁测深三维反演结果比较,检验了所研发的带地形三维反演计算的可靠性与稳定性. 相似文献
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地球曲率对长周期大地电磁测深法的影响 总被引：1，自引：1，他引：0
基于电磁理论,导出了层状球体大地条件下长周期大地电磁响应的计算公式,编制了计算机程序,并对相应理论模型进行正演计算。根据计算结果,分析了地球曲率对长周期大地电磁测深法视电阻率和阻抗相位的影响。理论模型的计算结果显示,随着探测周期的增大,地球曲率对长周期大地电磁响应的影响逐渐增大,视电阻率曲线会明显下降,阻抗相位曲线逐渐趋于90°;在一维情况下,对于目前的仪器测量范围可以忽略地球曲率带来的影响,但随着仪器技术的进一步发展,地球曲率对长周期大地电磁测深法的影响不可忽视。 相似文献
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为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础. 相似文献
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为了克服空气层和地表耦合以及避免一次场计算,开发适合不同类型场源、不同应用范围的频率域三维正演模拟统一平台,本文从麦克斯韦基本方程出发,推导基于Lorenz规范条件的磁矢势和标势耦合方程;通过将不同类型场源分解成一系列短导线(电性)源组合,采用交错网格采样和有限体积技术对方程进行离散得到对称大型稀疏线性方程组,并采用Jacobi迭代预处理QMR(Quasi-Minimum-Residual,拟最小残差)算法进行求解,我们成功实现不同类型场源、不同应用范围的频率域电磁法三维正演模拟.通过层状模型下大地电磁法以及有限长接地导线和大回线磁性源激发下的电磁场响应模拟,并与一维解析解对比验证算法的有效性.进而,我们利用该算法平台的模拟结果对典型地电模型在不同场源激发下频率域电磁法响应特征进行对比分析.本文算法研究及实现为建立频率域电磁法三维正反演统一框架打下基础. 相似文献
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谱元法已成为区域性乃至大陆性尺度地震波场模拟的重要工具.对于区域或大陆尺度层析成像而言,地球曲率不可忽略,此时模拟地震波传播采用球坐标系更为合适.本文从球坐标系下弹性波动方程弱形式出发,基于球坐标系变分原理给出了球坐标系下求解三维地震波方程的谱元法.另一方面,计算Fréchet敏感核是进行全波形反演的关键,本文借助伴随原理,推导了全波走时层析成像三维Fréchet敏感核表达式.为了验证球坐标系下谱元法的精度,我们将数值模拟结果与normal mode方法得到的解析解在1-D PREM模型下进行了对比.同时,我们将此方法应用到华北克拉通区域,以期获得地球内部结构精确成像.基于3-D全球径向各向异性地幔模型S362ANI和3-D地壳模型Crust1.0,我们建立了华北克拉通初始3-D背景模型,并将数值模拟结果与实际观测台站记录波形资料进行对比分析,利用互相关方法提取走时残差,最后给出了Fréchet敏感核在3-D空间中的分布,这些工作为下一步开展球坐标系下三维大尺度全波形反演奠定了基础. 相似文献
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利用地球重力位模型计算重力和重力梯度 总被引：3，自引：0，他引：3
高阶高精度地球重力场模型具有广泛的用途。本文利用地球重力位模型计算重力和重力梯度在应用中很有实用阶值,同时也是计算重力场其它量的关键。利用伪局部笛卡尔坐标与球坐标的关系计算了重力与重力梯度在伪局部笛卡尔坐标系下的分量;利用张量变换的原理给出了已知重力与重力梯度在某一坐标系下的分量求它们在另一坐标系下分量的方法,并具体给出了重力与重力梯度在局部笛卡儿坐标系下的分量计算公式,同时还给出计算重力场五参量与垂线偏差的计算公式,本研究推进了地球重力场的可视化进程。 相似文献
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地震射线追踪方法技术在地震学领域有着较为广泛的应用,然而大多数算法建立在直角坐标系或球坐标系下,实际地球并非完美的球体,而是两极略扁的椭球体,因此,球坐标系下计算结果与真实情况存在一定误差.传统的做法一般是在球坐标系下进行计算,而后进行椭球校正.本文提出了一种直接在椭球体模型中采用分区多步最短路径算法进行多震相地震射线追踪的方法技术,实现了椭球坐标系下多震相地震波射线路径追踪和走时计算.与解析解的对比表明:该算法具有较高的计算精度,适用于任意形状的椭球体,且不需要进行额外的走时校正.数值模拟结果表明,计算所得P波和PcP反射波的走时与AK135走时表的误差小于0.1 s.当震中距较大时,使用球对称模型和椭球体模型计算所得的走时差异显著,说明采用椭球坐标系的必要性. 相似文献
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While it is obvious that large-scale gravity studies should account for the sphericity of the Earth, each case should be examined.
If a geometry model is very large for the 3D-gravity calculation, it cannot be correctly defined in Cartesian coordinates.
Because of the Earth’s curvature it is necessary to use spherical coordinates, the importance of which is shown in this paper.
The calculation of the gravity for a cylinder reveals, 1 m above the center of the cylinder, a relative difference of 13%
between the models with Cartesian and spherical coordinates. 相似文献
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利用卫星重力测量手段监测全球质量变化取得了巨大成功,本文基于牛顿万有引力定律在三维空间直角坐标系中导出利用重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维点质量模型法,该方法可直接利用重力卫星的轨道和星间观测数据或时变重力场模型计算全球质量变化,由于利用卫星观测数据计算地表质量变化的向下延拓过程以及观测数据噪声的影响,需要采用合适的空间约束方程或正则化技术对解算结果进行约束或平滑处理.利用合成全球质量变化模型模拟一个月的GRACE双星轨道和星间距离变率数据计算全球质量变化,对三维点质量模型法进行分析验证,采用零阶Tikhonov正则化技术处理病态问题.结果表明,三维点质量模型法可有效用于重力卫星观测数据监测全球质量变化,为利用重力卫星观测数据监测全球质量变化提供一种可选的途径. 相似文献
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以旋转椭球体面上某点为原点建立一个大地坐标单位活动坐标架. 通过平移, 使活动坐标架的原点与以椭球中心为原点的笛卡尔单位标架的原点相重合. 然后再通过两次标架旋转, 使活动坐标架与笛卡尔单位标架完全重合. 本文给出了使两个单位标架相重合的转换关系式, 以及该点位移在两个单位标架中的坐标转换式； 在此基础上, 考虑该点的位移及活动坐标架皆为该点大地坐标的函数, 经复杂推导, 分别给出了该点位移向量的微分在大地坐标系中的分量以及该点分别沿坐标曲线的弧微分表达式, 继而导出了该点的位移梯度矩阵; 最后推导出了椭球坐标系的应变张量与转动张量表达式, 并对转动张量的几何含义进行了较详细的解释, 且采用曲面理论对球面与椭球面的应变张量间的内在关系进行了讨论. 相似文献
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Expression of strain and rotation tensor in geodetic coordinates 总被引：1，自引：0，他引：1
In this paper, unit moving trihedron is first constructed for a point on the surface of a revolution ellipsoid. Via translation, the origin of the trihedron coincides with that of Cartesian coordinates established at the center of the ellipsoid, and then through two coordinate rotations, the trihedron completely coincides with the Cartesian coordi-nates. Transformation formulae between the moving trihedron and unit Cartesian coordinate frameworks as well as transformation of point displacement between two unit coordinate frameworks are presented. Based on the above transformation formulae between two different coordinate frameworks, due to the fact that the displacement and moving trihedron of the point are both functions of the geodetic coordinates, components in the corresponding axis for differential of displacement vector and geodetic curves arc differential at the point in geodetic system can be obtained through complicated derivation. Displacement gradient matrix at the point in geodetic system is also given. Finally, expressions of strain and rotation tensor in geodetic coordinates are presented. Geometric meanings of the rotation tensor are explained in detail. The intrinsic relationship between strain tensors of sphere and ellip-soid are also discussed. 相似文献
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Leyuan Wu 《Surveys in Geophysics》2018,39(3):401-434
We present a brief review of gravity forward algorithms in Cartesian coordinate system, including both space-domain and Fourier-domain approaches, after which we introduce a truly general and efficient algorithm, namely the convolution-type Gauss fast Fourier transform (Conv-Gauss-FFT) algorithm, for 2D and 3D modeling of gravity potential and its derivatives due to sources with arbitrary geometry and arbitrary density distribution which are defined either by discrete or by continuous functions. The Conv-Gauss-FFT algorithm is based on the combined use of a hybrid rectangle-Gaussian grid and the fast Fourier transform (FFT) algorithm. Since the gravity forward problem in Cartesian coordinate system can be expressed as continuous convolution-type integrals, we first approximate the continuous convolution by a weighted sum of a series of shifted discrete convolutions, and then each shifted discrete convolution, which is essentially a Toeplitz system, is calculated efficiently and accurately by combining circulant embedding with the FFT algorithm. Synthetic and real model tests show that the Conv-Gauss-FFT algorithm can obtain high-precision forward results very efficiently for almost any practical model, and it works especially well for complex 3D models when gravity fields on large 3D regular grids are needed. 相似文献