基于FS技术的带海底地形大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woshi52038
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海洋大地电磁具有广阔应用前景,但是其自身存在的一些问题仍没有得到很好的解决,如三维正演模拟中地形问题。当前应用数值方法求解三维地电问题主要还是集中在简单模型的正演方面,对地形起伏影响的研究较少。由于海水的平均电导率(约为3.3S/m)远大于洋壳的平均电导率(约为10-1~10-3S/m),海底地形会给在海底观测到的大地电磁场带来严重的畸变效应。海洋地形影响的三维正演模拟一直是海洋电磁研究的难点之一,这是因为一般情况下海底地形的垂直起伏尺度远小于地电异常结构的范围,为研究地形影响,在地形起伏区域网格剖分变细,势必加大计算量。因此,开展简便易算的带地形的海洋大地电磁三维正演研究是十分必要的。   目前,带地形的海洋大地电磁三维正演模拟方法主要有:薄层近似法和基于FS(FlattenedSurface)技术带地形的大地电磁三维有限差分正演模拟方法。薄层近似法仅能模拟一维海底电性结构,且周期要足够大才行。FS技术则克服了薄层近似法的一些缺点,不再有周期限制;仅使用两个单元层就可以模拟海底地形起伏变化,与常规的有限元法或有限差分法相比,网格剖分简单,所需网格数少并可有效减少计算量,但是计算结果精度没有降低;可方便移植于二维或三维电磁正演模拟算法中。   本文以从磁场出发的大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟算法为基础,编写基于FS技术的带地形大地电磁三维有限差分正演模拟算法,并设计相应带地形的地电模型,比较分析正演结果并总结相应规律。采用三种求解大型线性方程组的基于不完全Cholesky分解的Krylov子空间的松弛迭代求解算法(最小剩余方法MinRsd、广义乘积型双共轭梯度方法GPBiCG和稳定的双共轭梯度方法BiCGstab)分别实现该正演程序。为提高正演结果精度,在正演程序中加入磁场散度校正模块并分析总结了散度校正对上述三种迭代算法稳定性和收敛性的影响。通过对构建的梯形海山模型、复杂海山模型,以及美国SanDiego海槽及周边地区实际数据(该地区海底地形数据、根据海洋大地电磁和海洋可控源电磁实测资料获取的海底二维电性结构)所建立海槽模型的正演结果表明,基于FS技术的大地电磁三维有限差分正演模拟算法可以较好地模拟复杂海底地形,但是对于剧烈地形变化情况,由于FS技术仅使用两个单元层模拟海底地形,使得正演结果精度降低。
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