电阻率法层析成像研究及其应用

发布时间：2017-04-16 21:17

  本文关键词：电阻率法层析成像研究及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电阻率法层析成像已经越来越成为资源勘探、水文地质调查、环境地质调查及工程地质调查领域的重要手段。相较于地面直流电阻率法而言,借助于钻孔实施的井地、地井及井间模式的电阻率法层析成像更加能够获取了地下深部的信息。本文主要阐述了利用非线性共轭梯度法技术实现的电阻率二维和三维正反演软件,针对野外实际情况或可能存在的情况做了大量的正演数值模型和理论模型反演,并对实测数据进行了解释。本文利用有限差分法求解点源在不同深度时正演问题。利用高斯-赛德尔迭代法和ICCG法实现了正问题中具有大型、稀疏、带状特征的矩阵方程组的求解。通过正演数值模拟验证了扩边、边界条件等因素对正演结果的影响,同时验证了两种迭代算法的正演计算效率。通过大量模型试验分析,选择了对正演结果计算精度最高且计算效率最优的算法模块组合完成了正演模块的集成,这一工作为下一步的反演模块的完成奠定了基础。对于三维电阻率法的反演方面,采用了最小构造模型共轭梯度法的实现了井地、地井、井间等模式的两极、四极装置条件下的三维电阻率法反演,并结合前人在电阻率法反演工作中的成果,实现了最佳固定的阻尼因子和随迭代次数变化阻尼因子的反演计算。并且实现了对多源条件下电阻率法正、反演的并行化,给计算机中所有线程分配不同源的正演计算和反演模块中不同源所形成的雅克比矩阵的计算。并行化使得反演计算速率得到了很大提高,为处理大量数据和大计算量的实时反演成像提供了基础。最后,利用完成的正演模块对地质条件较复杂的测区进行了剩余场的拟合解释;利用完成的二维反演模块对台湾介寿国中山体滑坡区进行了雨水入渗过程的监测,通过对雨水入渗过程的实时监测,获取了电阻率图和RWS图进而圈定了雨水入渗的优势通道和剪切滑移面的位置,根据实时监测结果评估山体滑坡灾害发生的可能性较低;利用二、三维反演模块对内蒙多金属矿区的井地电阻率法数据并结合钻孔资料进行约束反演和综合解释,取得了较好成果。
【关键词】：电阻率法层析成像 数值模拟 高斯-赛德尔迭代法 ICCG法 并行 反演 金属矿勘探 雨水入渗监测
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P631.322
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究的目的和意义11-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.2.1 电阻率法层析成像的研究、应用现状12-13
• 1.2.2 电阻率法层析成像三维正、反演算法研究现状13-14
• 1.3 研究内容14-15
• 1.4 论文创新点15-17
• 第2章 原始观测数据的处理17-24
• 2.1 原始观测数据的处理流程17-20
• 2.1.1 平均法分离人工电位和自然电位18-19
• 2.1.2 排序法分离人工电位和自然电位19-20
• 2.2 实测数据处理与分析20-22
• 2.3 理论数据模拟处理与分析22-23
• 2.4 小结23-24
• 第3章 电阻率法正演理论及数值模拟24-62
• 3.1 稳定电流场的基本关系式24-26
• 3.2 装置系数26-29
• 3.2.1 供电在地表26-27
• 3.2.1.1 四极装置26-27
• 3.2.1.2 三极装置27
• 3.2.1.3 二极装置27
• 3.2.2 供电在地下27-29
• 3.2.2.1 四极装置28
• 3.2.2.2 三极装置28
• 3.2.2.3 二极装置28-29
• 3.3 连续性条件29
• 3.3.1 电位分布的连续性条件29
• 3.3.2 电流密度法向分量的连续性条件29
• 3.3.3 电场强度切向分量的连续性条件29
• 3.4 边界条件29-31
• 3.4.1 第一边界条件30
• 3.4.2 第二边界条件30
• 3.4.3 混合边界条件30-31
• 3.5 电阻率法有限差分法理论31-40
• 3.5.1 差分方程推导31-32
• 3.5.2 差分方程的建立32-40
• 3.6 边界条件的处理40-41
• 3.6.1 上界面边界条件的处理40
• 3.6.2 其它界面边界条件的处理40-41
• 3.7 线性方程组的解法41-43
• 3.7.1 松弛迭代41-42
• 3.7.2 ICCG法42-43
• 3.8 数值模拟试验43-60
• 3.8.1 正演数值模拟最优方法选择43-48
• 3.8.1.1 低阻球体模型试验43-45
• 3.8.1.2 单个低阻块体模型试验45-47
• 3.8.1.3 低高阻块体共存模型试验47-48
• 3.8.2 模型计算与地表视电阻率响应分析48-60
• 3.8.2.1 井中供电电源深度对异常影响试验49-51
• 3.8.2.2 矿体水平尺度的大小对异常影响试验51-52
• 3.8.2.3 供电位置偏离矿体对异常影响试验52-56
• 3.8.2.4 矿体倾角变化对异常影响试验56-58
• 3.8.2.5 矿体厚度变化对异常影响试验58-60
• 3.9 小结60-62
• 第4章 三维电阻率层析成像反演研究62-106
• 4.1 电阻率反演方程62-64
• 4.2 电阻率法反演方法回顾64-68
• 4.2.1 Born近似反演方法64-65
• 4.2.2 最大似然反演方法65-66
• 4.2.3 非线性反演方法66-68
• 4.3 最小构造反演68-87
• 4.3.1 最小构造反演方程70
• 4.3.2 共轭梯度法计算模型修改量70-72
• 4.3.3 两极装置条件偏导数矩阵的计算72-77
• 4.3.3.1 单个点源供电情况72-75
• 4.3.3.2 多个点源供电情况75-76
• 4.3.3.3 偏导数的对数化76-77
• 4.3.4 四极装置条件偏导数矩阵的计算77-78
• 4.3.5 耦合系数关于电导率偏导数的计算78-82
• 4.3.6 光滑系数矩阵的计算82-85
• 4.3.6.1 二维模型情况82-84
• 4.3.6.2 三维模型情况84-85
• 4.3.7 Lagrange乘子85-86
• 4.3.8 反演拟合精度86
• 4.3.9 正反演模块的并行化86-87
• 4.4 理论模型反演及分析87-104
• 4.4.1 阻尼因子对二维反演结果的影响87-88
• 4.4.2 光滑矩阵权系数对二维反演结果的影响88-89
• 4.4.3 两极装置条件下不同方法三维反演结果比较89-91
• 4.4.4 四极装置反演分辨率的影响因素讨论91-97
• 4.4.4.1 电极布设对反演分辨率的影响91-94
• 4.4.4.2 网格剖分密度对反演分辨率的影响94-95
• 4.4.4.3 研究区扩边处理对反演分辨率的影响95-97
• 4.4.5 旁侧异常体对反演解释的影响97-103
• 4.4.5.1 单个异常体情况99-100
• 4.4.5.2 两个异常体情况100-102
• 4.4.5.3 三个异常体情况102-103
• 4.4.6 并行化模块计算效果比较103-104
• 4.5 小结104-106
• 第5章 实例106-124
• 5.1 电阻率法层析成像在山体滑坡区进行雨水入渗的监测106-113
• 5.2 电阻率法层析成像在金属矿勘探中的应用113-123
• 5.2.1 正演拟合法在金属矿勘探中的应用113-114
• 5.2.2 电阻率法反演在金属矿勘探中的应用114-123
• 5.2.2.1 井地模式二维反演与解释114-116
• 5.2.2.2 井地模式二、三维反演与解释116-120
• 5.2.2.3 井地模式钻孔资料约束电阻率反演与解释120-123
• 5.3 小结123-124
• 第6章 结论与建议124-126
• 6.1 结论124-125
• 6.2 建议125-126
• 致谢126-127
• 参考文献127-137
• 攻读博士学位期间发表的学术论文13

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