摘要
可控源音频大地电磁(CSAMT)法是上世纪80年代末在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的频率测深方法,它具有探测深度大、分辨能力较强、观测效率高、抗干扰能力强,兼有测深和剖面研究双重特点,是研究深部地质构造、寻找隐伏矿和地下水资源勘查的一种有效手段。目前,实际资料的处理解释多限于二维甚至一维水平上,三维模拟及反演解释尚处在探索研究阶段。随着矿产资源勘探向高分辨、精细结构探测发展,CSAMT的三维正、反演研究成为必然。 正演是反演的基础。目前,可控源电磁三维有限元模拟的工作还很少,主要问题是电磁场的电场在界面上的法向分量不连续,不符合节点有限元中函数在求解域内连续的要求。早期的有限元模拟通常忽略这一问题,导致可能获得不正确的解。如果不直接求解电磁场,而求解电磁场的位势,则出现伪解现象,同时还存在数值不稳定性。论文采用电磁场的磁场矢量位和电场标量位,将Maxwell方程组化为位势的类似于Helmholtz型方程,引入罚项及稳定化方法克服了电磁三维有限元算法中的伪解及数值不稳定性,保证了三维正演计算的稳定,并获得水平电偶子源在三维大地模型上激发电磁响应的可靠的解。 可控源电磁三维反演实际是求解大型非线性反问题,由于其巨大的计算量以及反演中偏导数矩阵的求取和存储等诸多困难,目前是国际上该领域研究的热点、难点。本文利用国际上解非线性反问题的最新进展,引入Landweber迭代格式求解模型参量的修改量,其每次非线性反演迭代仅需要进行两次正演计算,避免了三维反演中偏导数矩阵的求取和存储,极大地提高了可控源电磁三维反演的计算速度,减少了内存需求,实现了频率域可控源电磁三维的多频点数据联合反演。 论文最后还研究了大功率人工源极低频电磁法。该探测技术是无线电物理与地球物理相结合的产物,是我国正在积极探索的一项重要创新性技术。其不同于无线电通信和传统的人工源电磁测深,在电磁波传播特性、空间分布及其影响因素,观测系统的建立、观测数据的处理与分析等诸多方面,都需要进行探索性的研究。其首要任务是要先求解大功率人工源在电离层.空气.均匀地球系统中的电磁场解析表达式。我们通过球坐标下德拜位的精确求解,获得电离层·空气·均匀地球系统中位于地表的水平电偶极子源激发的电磁场精确表达式,它既不同于以往适用于通信领域电磁场的解析表达式,也不同于传统电磁测深领域的电磁场的解。因为,在通信领域,通常将电离层.空气.均匀地球组成的系统视为球形波导腔,主要求解波导区的辐射场,其不适用于近区、远区的感应场:而在传统的频率域电磁测深领域,则采用水平大地模型,且忽略空气中的位移电流,得到的电磁场的表达式只适用于近区、远区的感应场,无法外推到波导区。本文的结果统一了以往通信领域、频率域电磁测深中电磁场的表达式,据此给出的Schumann共振频率与理论结果吻合,其它的理论计算以及已有的野外观测数据均表明本文推导的电磁场解析表达式是正确的,为大功率人工源极低频电磁法奠定了重要的理论基础。