基于GPU的任意复杂结构2.5维频谱激电正反演研究

Considering the complicacy of geological structure, as well as the problem of speed and accuracy of three-dimensional forward and inversion, we will study the forward and inversion problem of 2.5D spectrum induced polarization on arbitrarily complicated structure based on GPU. Firstly, we develop the research on the finite element forward problem of 2.5D spectrum induced polarization on arbitrarily complicated structure based on unstructured triangulation.The topographic effect,electromagnetic effect and induced polarization effect are included in the forward calculation.Next we study the parallel algorithm of the true spectral parameters inversion of 2.5D spectrum induced polarization based on GPU. We do not take assumption about the relations between apparent resistivity and true parameters,then directly inverse the true Cole-Cole model parameters using the algorithm of simulated Annealing with particle swarm optimization.We use frequency parallel calculation based on GPU to improve the inversion speed. Finally,the interaction relations between electromagnetic effect and induced polarization effect will be discussed .The true spectrum parameters can be applied to evaluation polarized property of anomalous body,especially identification and evaluation oil and gas information of complicated geological structure.This study will promote the development of the spectral induced polarization on mineral, oil and gas exploration.

考虑到目前实际勘探结构的复杂性以及三维正反演的速度和精度问题,本项目研究基于GPU的任意复杂结构2.5维频谱激电正反演问题。开展任意复杂结构2.5维频谱激有限元正演研究，采用非结构化三角网格剖分，将地形效应、电磁耦合效应和激电效应均包括在正演计算中。研究基于GPU的2.5维频谱激电真谱参数反演并行算法，不对视谱和真谱参数之间关系进行任何假定，采用模拟退火和粒子群相结合的反演方法直接反演极化体的真谱参数，利用GPU并行计算提高反演计算速度。探讨电磁耦合效应与激电效应相互作用关系。真频谱参数能评价异常体的极化性质，特别是可用于复杂构造油藏的含油气性评价，本研究必将推动频谱激电在固体矿产勘探、油气勘探等应用方面的发展。

岩矿石所表现出的复电阻率性质很久以来已被人们所认识。通常都是利用柯尔-柯尔模型来描述岩石的复电阻率性质，实践证明能够根据岩矿石复电阻率模型参数，如零频电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数等，定量评价地下异常体电性特征，对油气、矿产资源勘探开发有重要指导意义。采用常规的矩形网格剖分不能模拟复杂的地形和地下复杂构造，为了提高频谱激电正演的准确性及合理性，开展了任意复杂结构2.5维频谱激电有限元正演研究，采用非结构化三角网格剖分的自适应有限元法，实现了可以模拟复杂地形及地下复杂结构的2.5维频谱激电正演。开展了复电阻率频谱空间变化规律研究，对陆地和海洋电磁激电模型进行了正演计算，分析了激电效应对电磁场的影响规律。结果表明激电参数对电磁场振幅有明显的影响，特别是低阻极化体对电磁场影响较大。总体上极化率、时间常数和频率相关系数越大，激电效应越强，对电磁场振幅影响越大，三者之中极化率对电磁场振幅影响最大，而频率相关系数对电磁场振幅影响较小。开展了2.5维频谱激电真谱参数反演研究，使用非线性共轭梯度法实现了基于MPI并行反演算法，为了提高反演效率，反演时对目标区采用精细网格剖分，对背景区采用稍大网格剖分。反演算法可以同时反演出地下介质的复电阻率参数（零频电阻率、极化率、频率相关系数、时间常数），利用多参数可对地下介质进行综合评价。结果表明，非线性共轭梯度法对初始值有一定的依赖性，整体上零频电阻率和极化率反演效果较好，而频率相关系数和时间常数反演效果相对较差，当已知资料丰富，初始模型合理时，可以获得较好的反演结果。研究成果可用于复杂构造的金属矿、油气藏的综合评价，具有很好的应用价值。