Development of a modeling technique for accurately interpreting electromagnetic (EM) data is increasingly required. We introduce finite difference (FD) and finite-element (FE) methods for three-dimensional (3D) frequency-domain EM modeling. In the controlled-source EM methods, formulating the governing equations into a secondary electric field enables us to avoid a singularity problem at the source point. The secondary electric field is discretized using the FD or FE methods for the model region. We represent iterative and direct methods to solve the system of equations resulting from the FD or FE schemes. By applying the static divergence correction in the iterative method, the rate of convergence is dramatically improved, and it is particularly useful to compute a model including surface topography in the FD method. Finally, as an example of an airborne EM survey, we present 3D modeling using the FD method.
The integral equation method is a powerful tool for numerical electromagnetic modeling. But the difficulty of this technique is the size of the linear equations, which demands excessive memory and calculation time to invert. This limitation of the integral equation method becomes critical in inverse problem. The conventional Born approximation, where the electric field in the anomalous body is approximated by the background field, is very rapid and easy to compute. However, the technique is inaccurate when the conductivity contrast between the body and the background medium is large. Quasi-linear, quasi-analytical and extended Born approximations are novel approaches to 3-D EM modeling based on the linearization of the integral equations for scattered EM field. These approximation methods are much less time consuming than full integral equation method and more accurate than conventional Born approximation. They we, however, still approximate methods for 3-D EM modeling. Iterative series methods such as modified Born, quasi-linear and quasi-analytical can be used to increase the accuracy of various approximation methods. Comparisons of numerical performance against a full integral equation and various approximation codes show that the iterative series methods are very accurate and almost always converge. Furthermore, they are very fast and easy to implement on a computer. In this study, extended Born series method is developed and it shows more accurate result than that of other series methods. Therefore, Iterative series methods, including extended Born series, open principally new possibilities for fast and accurate 3-D EM modeling and inversion.
Three-dimensional electromagnetic modeling algorithm in homogeneous half-space was developed using the extended Born approximation to an electric field integral equation. To examine the performance of the extended Born approximation algorithm, the results were compared with those of the full integral equation results. For a crosshole source-receiver configuration, the agreement between the integral equation and the extended Born approximation was remarkable when the source frequency is lower than 20 kHz and conductivity contrast lower than 1:10. Beyond this conductivity contrast, the simulated results by the extended Born approximation exhibit a difference with respect to those by the integral equation. Therefore, the limit of accuracy lies below contrast of 1:10 in the extended Born approximation. Since for the source frequency range from 20 kHz to 100 kHz, however, the difference is relatively small, the extended Born approximation could be used for a reasonable 3-D EM modeling algorithm.
We present a new approximate formulation of the integral equation (IE) method for models with variable background conductivity. This method overcomes the standard limitation of the conventional If method related to the use of a horizontally layered background only. The new approximate IE method still employs the Green's functions for a horizontally layered 1-D model. However, the new method allows us to use an inhomogeneous background with the IE method. The method was carefully tested for modeling the EM field for complex structures with a known variable background conductivity. It can find wide application in modeling EM data for multiple geological models with some common geoelectrical features, like a known inhomogeneous overburden, or salt dome structures.
We describe the concept of the singularity in the integral equation of electromagnetic (EM) modeling in comparison with that in the integral representation of electric fields in EM theory, which would clarify the singular integral problems of the Green's tensor. We have also derived and classified the singular integrals of the Green's tensors in 3-D, 2.5-D and 2-D as well as in the thin sheet integral equations of the EM scattering problem, which have the most important effect on the accuracy of the numerical solution of the problems.
Kim, Hee-Joon;Choi, Ji-Hyang;Han, Nu-Ree;Song, Yoon-Ho;Lee, Ki-Ha
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.12
no.4
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pp.361-366
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2009
Layered-earth Green's functions in electormagnetic (EM) surveys play a key role in modeling the response of exploration targets. They are computed through the Hankel transforms of analytic kernels. Computational precision depends upon the choice of algebraically equivalent forms by which these kemels are expressed. Since three-dimensional (3D) modeling can require a huge number of Green's function evaluations, total computational time can be influenced by computational time for the Hankel transform evaluations. Linear digital filters have proven to be a fast and accurate method of computing these Hankel transforms. In EM modeling for 3D inversion, electric fields are generally evaluated by the secondary field formulation to avoid the singularity problem. In this study, three components of electric fields for five different sources on the surface of homogeneous half-space were derived as primary field solutions. Moreover, reflection coefficients in TE and TM modes were produced to calculate EM responses accurately for a two-layered model having a sea layer. Accurate primary fields should substantially improve accuracy and decrease computation times for Green's function-based problems like MT problems and marine EM surveys.
Despite its flexibility to complex geometry, three-dimensional (3D) electromagnetic(EM) modeling schemes using finite element method (FEM) have been faced to practical limitation due to the resulting large system of equations to be solved. An efficient 3D FEM modeling scheme has been developed, which can adopt either direct or iterative solver depending on the problems. The direct solver PARDISO can reduce the computing time remarkably by incorporating parallel computing on multi-core processor systems, which is appropriate for single frequency multi-source configurations. When limited memory, the iterative solver BiCGSTAB(1) can provide fast and stable convergence. Efficient 3D simulations can be performed by choosing an optimum solver depending on the computing environment and the problems to be solved. This modeling includes various types of controlled-sources and can be exploited as an efficient engine for 3D inversion.
This paper presents an efficient three-dimensional (3-D) modeling algorithm using the extended approximation to an electric field integral equation. Numerical evaluations of Green's tensor integral are performed in the spatial wavenumber domain. This approach makes it possible to reduce computing time, to handle smoothly varying conductivity model and to remove singularity problems encountered in the integration of Green's tensor at a source point. The responses obtained by 3-D modeling algorithm developed in this study are compared with those by the full integral equation for a thin-sheet EM scattering. The extensive analyses on the performance of modeling algorithm are made with the conductivity contrasts and source frequencies. These results show that the modeling algorithm are accurate up to the conductivity contrast of 1:16 and the frequency range of 100 Hz-100 kHz. The extended Born approximation, however, may produce inaccurate results for some source and model configurations in which the electric field is discontinuous across the conductivity boundary. We performed the modeling of a composite model of which conductivity varies continuously and this shows the modeling algorithm developed in this study is efficient for 3-D EM modeling. For a cross-hole source-receiver configuration a composite model of which conductivity varies continuously can be successfully simulated using this algorithm.
EM tomography technique has been developed. The algorithm used the extended Born approximations for forward modeling and reconstructed a conductivity image by a smoothness constraint least squares inversion method. Observed data, the vertical components of secondary magnetic fields, were simulated with the 3-D integral equation code. The results showed that the location of anomalous body could be imaged very well, but conductivity of the body was lower than real one and the vertical resolution was much higher than the horizontal resolution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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