научная статья по теме ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 3, с. 46-51

УДК 517.3

ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ

© 2013 г. В. И. Дмитриев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет Вычислительной математики и кибернетики, г. Москва E-mail: dmitriev@cs.msu.su Поступила в редакцию 21.05.2012 г.

В статье рассмотрены современные методы решения трехмерных прямых и обратных задач электромагнитных зондирований. Показана эффективность применения метода интегральных уравнений при математическом моделировании электромагнитных полей в трехмерных неоднородных средах. Проведена адаптация метода интегральных уравнений к решению обратных задач.

Ключевые слова: электромагнитное зондирование, математическое моделирование, метод интегральных уравнений, обратные задачи.

DOI: 10.7868/S000233371303006X

ВВЕДЕНИЕ

Одной из характерных черт научно-технического развития на современном этапе является широкое использование математических методов. В геофизике активно развиваются автоматизированные системы обработки и интерпретации геофизических данных. Эти системы базируются на специализированном математическом обеспечении ЭВМ, а также на вычислительных алгоритмах, ориентированных на эффективное решение обратных задач интерпретации данных разведочной геофизики.

В настоящее время активно развиваются численные методы решения трехмерных прямых задач электродинамики. В теории электромагнитных зондирований прямая задача состоит в расчете электромагнитного поля в неоднородной среде. Основной моделью здесь является неоднородная зона с произвольным распределением электропроводности, которая находится в слоистой среде. Среда возбуждается известным локальным источником поля или плоской волной, нормально падающей на земную поверхность, в случае удаленного источника.

Для решения трехмерных задач, в основном, применяются три класса методов:

— конечно-разностные методы;

— метод интегральных уравнений;

— проекционные методы, в частности, метод конечных элементов.

Наиболее просто реализуются на компьютере конечно-разностные методы. Более сложно реализуется метод интегральных уравнений, но он

дает более точный и контролируемый результат. В настоящее время в связи с развитием суперкомпьютеров и параллельных вычислений метод интегральных уравнений становится основным методом решения трехмерных задач геоэлектрики. Поэтому мы подробно остановимся на изложении этого метода.

МЕТОД ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Применение метода интегральных уравнений к решению задач электродинамики неоднородных сред состоит из трех этапов:

— редукция дифференциальной задачи к интегральному уравнению и интегральному представлению поля;

— алгебраизация интегрального уравнения, т.е. сведение интегрального уравнения к системе алгебраических уравнений;

— численные методы решения системы алгебраических уравнений, учитывающие структуру системы, отражающую специфику интегральных уравнений.

На последнем этапе выделяются методы решения интегральных уравнений, адаптированные к обратным задачам электромагнитных зондирования.

Рассмотрим вначале редукцию общей задачи о расчете электромагнитного поля, возникающего в неоднородной зоне, расположенной в плоскослоистой среде, к объемному интегральному уравнению. Вывод интегральных уравнений в электродинамике неоднородных сред опирается на лемму Лоренца, которая связывает поля, возбуждаемые

различными источниками в одной и той же среде. Рассмотрим вывод леммы Лоренца.

Пусть Е(к),Н(к) к е [1, 2] — поля, удовлетворяющие уравнениям Максвелла.

гоШ(к) = о(х, у, 1)Е(к) +

го1Е(к) = /юц 0Н(к) + '2к),

(1)

где ^к), — источники электрического и магнитного типа. Рассмотрим выражение

АУ [Е(1) X Н(2) ]- АУ [Е(2) X Н(1) ] =

= Н(2)го1Е(1) - Е(1)гоШ(2) -

- Н(1)го1Е(2)

■ Е(2) гоШ(1) =

= Н(2) ((На)- Н(1) ((Н(2)

'2))- Е(1) (аЕ(2) +

(1)

(2)

- Е(2) (аЕ1

Откуда получаем дифференциальную форму леммы Лоренца:

Шу ([Е(1) х Н(2) 1-ГЕ(2) х

]-[Е(2) х Н(1) ]) =

тт(2).(1) Н ' т

тт(1):(2)

Н ' т

Е 'е - Е 'е •

(2)

= • пйэ,

V 5

где п — внутренняя нормаль к S, получим:

: Н(1) ]) • пйэ =

К[Е(1) -

Н(2) ]-[:

-1 Е(2) х

5

К 'т - н(1) +Е(2) -

е(1) 'е2) ).

(3)

Это — интегральная форма леммы Лоренца. Она выведена для ограниченной области с непрерывным распределением электропроводности. Пусть теперь мы имеем неограниченную область V, состоящую из конечного числа подобластей с непрерывным распределением а. На границах подобластей возможен разрыв электропроводности, где выполняются условия непрерывности тангенциальных составляющих электромагнитного поля. Следовательно, на границах подобластей непрерывно выражение

([Е(1) х Н(2) ]-[Е(2) х Н(1) ]) • п.

Если применить лемму Лоренца (3) для всех подобластей и просуммировать все полученные выражения, то интегралы по границам подобластей сократятся. Это связано с тем, что эти интегралы

входят как по внешней границе подобласти, так и с обратным знаком по внутренней границе соседней подобласти. Интеграл по границе в бесконечности равен нулю в силу убывания полей на бесконечности. В результате лемма Лоренца для неограниченной области с кусочно-непрерывным распределением электропроводности приобретает вид:

|(Н(2) '2) - Н(1) '22)) ¿V = = |(е (1) 'е2) - Е (2)

(4)

Рассмотрим теперь сведение трехмерной задачи электромагнитного зондирования к интегральному уравнению. Мы имеем уравнения Максвелла

(5)

гоШ = ст(х, у, г)Е + 'е; го1Е = /юц0Н

для среды с распределением электропроводности

а(х, у, I) =

Из дифференциальной формы можно получить интегральную форму леммы Лоренца. Пусть имеется область V, ограниченная поверхностью S, в которой непрерывно распределение электропроводности а(х, у, ¿). Тогда, применив к (2) формулу Гаусса

ан(х, у, z) при М(х, у, z) е V, ас^) при М(х, у, z) € V.

Эта среда возбуждается электрическим током 'е. Введем понятие нормального поля Е^, И^. Это поле, возбуждаемое в слоистой среде стс^). Тогда для аномального поля Еа = Е — Е^; Иа = И — И^, согласно (5), имеем уравнения Максвелла:

гоШа = стс^)Еа +'а; го1Еа = /ю^На,

(6)

где ]а = (а (х, у, z) — (z)) Е — аномальный ток, возникающий в неоднородности. Аномальное поле примем за первое поле в лемме Лоренца (4),

где = 0; = За второе поле в лемме Лоренца возьмем фундаментальное поле в слоистой среде

с \т = 0; ^ = 15 (гмм0), где 1 - единичный вектор, а 8 (гМщ) — функция Дирака. Тогда из леммы Лоренца получаем:

1|Еа(М)5 (гммо = |Е(;)(М, Mo)jа(M)dvм

V V

или, учитывая свойства функции Дирака, найдем

1Еа(мо) = ]Е(0(м, MoУja(M)dvм. (7)

V

Фундаментальное поле Е(/)(м, м0) зависит от направления вектора 1 и является решением уравнения Максвелла в слоистой среде для электрического диполя, направленного по вектору 1:

гоШ(/) = стс^)Е(/) + 15 (

мм0

); го1Е(/) = /иц0Н(/). (8)

(9)

Если взять \х = (1, 0, 0), iy = (0, 1, 0), ц = (0, 0, 1), найдем поля, которые составляют тензоры Грина электрического и магнитного типов:

6Е (И, И0) = (е(х), Е(у), Е(г)),

6 н (И, И0 ) = ((, Н(у), И(г)).

Эти фундаментальные тензоры электромагнитного поля являются решением уравнений Максвелла в тензорном виде:

гоЮ н = стс(г)6 Е + 5 ( Гищ ),

ГоШЕ = /ЮЦ0Он,

где 5 — тензорная функция Дирака

(10)

^ (rMM0 ) —

f5 (rMM0 ) 0

5 (rMM0)

Л

0

V 0 /

ч 0 0 5 (ГИИ0)

В результате выражение (7) можно записать в виде:

Ея(И0> = Е(И, М>)(о(И) - асЕ(И)Й?vи. (11)

V

Откуда получаем интегральное уравнение в виде: Е(И0) - ]се(И,И0)(а(И) - cJc(z))E(И)dvи =

(12)

= EN (M0).

Определив из (12) E(M) в области V, согласно (11), находим Ea в любой точке пространства. Магнитное поле в любой точке пространства определяется, согласно уравнениям Максвелла, по формуле

1

H4M0) = ■

-rotE" =

гю^о

= JGн(M, M0) (a(M) - ac(z)}E(M)dvM.

(13)

области V для заданной слоистой среды, легко получаем ядро интегрального уравнения по формуле (14). Таким образом, в результате имеем эффективный метод решения интегрального уравнения для произвольной неоднородности, расположенной в известной слоистой среде.

Тензоры Грина G E (M, M0) и G н (M, M0) для слоистой среды легко вычисляются по известным алгоритмам расчета полей для произвольного электрического диполя в слоистой среде. [Дмитриев, 1969; Дмитриев, Захаров, 2008].

Под "алгебраизацией" понимается переход от интегральных уравнений к системе линейных алгебраических уравнений. Обычно этот переход осуществляется блочным методом, при котором вся область неоднородности разбивается на блоки, где считается постоянным избыточный токja = (a(х, y, z) — ac (z)) E. Область неоднородности выбирается всегда в виде параллелепипеда. Это не ограничивает общность модели, так как там, где нет неоднородности электропроводность внутри параллелепипеда, достаточно положить a = ac, и получим неоднородность, ограниченную произвольным контуром, приближенным прямоугольной сеткой.

Разобьем область V на N ячеек Vn, n е [1, N и будем считать, что в n-ой ячейке E(n) = const. Тогда интегральное уравнение можно записать в виде системы линейных алгебраических уравнений:

N

E(n) - Xg^ -tff ) = ENn, к=1

gEnk) = JG (m, m0 )dvM,

(15)

(16)

АДАПТАЦИЯ К ОБРАТНОЙ ЗАДАЧЕ

Заметим, что ядро интегрального уравнения (12) равно

К(И, И0) = (а(М) - ас(^) е(И, И,), (14)

где 6 Е (И, И0) зависит только от параметров известной слоистой среды ас(г) и не зависит от параметров неоднородности а(М). Именно это свойство позволяет адаптировать метод интегральных уравнений к решению обратной задачи, в которой необходимо решать многократно прямую задачу для различных неоднородностей, расположенных в одной и той же слоистой среде.

Введем область У0 в виде параллелепипеда, внутри которого, согласно анализу экспериментальных данных, находится зона неоднородности (V е F0).

Тогда, вычислив 6 Е (И, И0) на некоторой сетке в

где Мп — центральная точка п-ой ячейки, ак — сред, (к) няя проводимость к-ой ячейки, а С — проводимость слоистой среды в к-ой ячейке, Е — нормальное электрическое поле в п-ой ячейке. Система имеет размер 6N, так как ищутся три комплексных компоненты поля E. При малом размере N < 1000 система решается прямым методом. При бо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком