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摘 要
大地电磁测深是以天然电磁场为场源研究地球内部电性结构的
一种重要的地球物理手段。自上世纪五十年代提出以来,无论是仪器
野外采集、资料处理与解释还是在理论方法的基础研究方面都有了长
足的进展。然而,随着理论研究的深入和实际应用的推广,出现了许
多新的问题需要解决或进一步研究完善,这些问题涉及到正演的数值
模拟技术和反演算法研究。本文主要讨论了有限单元法的大地电磁测
深正演算法和实数编码混合遗传算法的大地电磁测深正则化反演算
法。
从麦克斯韦方程组出发,推导出二维大地电磁测深的边值问题、
变分问题、有限单元法的插值函数以及单元刚度矩阵。结合散度条件,
采用广义变分原理推导出三维大地电磁测深的有限元方程。有限单元
法最后归结于解线性方程组Ax--b,这里的A是大型稀疏的带状对称
复系数矩阵,并且其条件数远大于1,为严重病态矩阵,求解其对应
方程组会遇到很多困难。不完全LU分解预处理的BICGSTAB算法可用
于该线性方程组的求解,并且具有速度快、精度高和稳定性好等优点。
为了验证大地电磁测深二维、三维正演算法的正确性,用二维、三维
正演模拟结果和一维大地电磁测深正演结果进行对比。另外,对
COMMEMI组织提供的模型进行正演计算,将模拟的结果与其对比研究,
也进一步对二维、三维的正演算法进行评估。正演模拟结果表明:本
文设计的三维大地电磁测深正演算法是非常有效的,该方法具有很多
优点:速度快、精度高、解题过程比较规范、能自动满足内部边界条
件、适合于各种复杂的物性分布问题。
大地电磁测深的反演问题是不适定的,因此反演结果是不稳定的
且具有非唯一性,这也就意味着不同的地电模型对观测数据的拟合具
有同样的精度。在目标函数中采用正则化方法,可以使得不适定反演
问题具有稳定的反演结果。设计了基于正则化反演的实数编码混合遗
传算法,避免了非线性问题的线性化困难,并较好的解决了大地电磁
测深反演的不适定性和非唯一性。通过反演模拟研究,验证了本文反
演算法在大地电磁测深资料反演的有效性和稳定性。另一方面也指
出,大地电磁测深反演问题是一个高度非线性的不适定问题,基于正
则化的实数编码混合遗传反演方法本身并不能解决反演解的非唯一
性,因为这种非唯一性是由于观测数据的缺乏,物理问题本身所固有
的。然而该反演方法是非常稳健的,通过反演模拟研究,我们认为这
种全新的反演方法给大地电磁测深反演问题的解决带来了新的希望,
值得深入研究。
关键词大地电磁测深,正演问题,反演问题,有限单元法,不适定,
正则化,实数编码,混合遗传算法
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