電磁法發(fā)展現狀及應用前景講義

27十二月20231電磁法發(fā)展現狀及應用前景講義物探在地質勘察中的地位什么是物探？

物探儀器相當于醫(yī)學中的“CT”，地球相當于“人體”，物探技術工作者相當于“醫(yī)生”。有理論，有依據，有推斷，是一門很嚴密，很深奧的應用科學。物探的作用有多大？(千里眼)

在深部探測計劃中，“攻深探盲”中發(fā)揮巨大作用。電磁法勘探基礎是電磁場理論，而電磁場理論及應用在日常生活、醫(yī)療、軍事等許多方面具有重要的應用。電磁場與微波，電機，醫(yī)學上的CT成像，電磁治療儀，生物醫(yī)學成像，電磁導彈，軍事上的隱形戰(zhàn)斗機及反隱形戰(zhàn)斗機，雷達等。在地球探測領域中，地質、物探、化探、遙感4大類方法皆可獨立使用，而物探的地位越來越重要，電磁法勘探在六大類方法：震、電、重、磁、測井、放射性中占有獨特而重要的地位。

地球科學：以地球為研究對象的科學。包括：地質學，地球物理學，地球化學，地理學，氣象學，水文學，海洋學，土壤學和環(huán)境地學等學科。10、深部探測專項開啟地學新時代深部探測技術與實驗研究專項，集中了國內118個機構、1000多位科學家和技術專家聯合攻關，取得了一系列重大發(fā)現，為下一步地殼探測工程的實施奠定了基礎。該專項計劃實現覆蓋大陸的大地電磁探測陣列網，目前中國大陸電磁標準網已完成全國4°×4°（經度×緯度）控制格架，華北實驗區(qū)1°×1°觀測網格。我國首臺自主研發(fā)和生產的1萬米超深科學鉆探裝備于12月20日在成都竣工出廠。這標志著國家深部探測技術與實驗研究專項取得了又一個里程碑式的進展。2011年十大科技新聞之一

建國以來，我國的地球物理科學在基礎理論與技術方法的研究方面；在尋找地下水解決環(huán)境與工程地質問題方面多發(fā)揮了重要作用取得了顯著成績，可以說我國的大部分油田，80%以上的鐵礦，都是主要依靠物探方法發(fā)現的。并為農業(yè)和工業(yè)多快好省的找到更多的水源地。隨著科學技術的進步，地球物理方法將會在水資源、環(huán)境領域以及危機礦山的勘探等領域發(fā)揮更大的作用。已如前述，上世紀末黨中央發(fā)出了“西部大開發(fā)”的偉大號召，江澤民同志又在1997年提出了“再造山川秀美”西北地區(qū)的宏偉目標。最近中央又提出了解決三農問題和保證糧食安全的艱巨任務，這便為西北地區(qū)，也為地球物理方法的應用，迎得了難得的機遇。特別是在農業(yè)水土工程和再造山川秀美領域，更有著殷切的期盼。電法與地震的主要差別地震以彈性波動方程為基礎，主要依據介質的波場性質，適合尋找大的構造及界面。電法以麥克斯韋方程為基礎，主要依據介質的電磁性質，根據電性的變化。在找礦方面有著特殊的優(yōu)勢，現在在海洋油氣藏探測方面也發(fā)揮著很大的作用，可以直接指示油氣藏。電磁法相比于直流電法的優(yōu)勢探測深度大不受高阻層屏蔽。方法種類多，適合于海洋、航空等特殊環(huán)境下的探測，大大提高效率。成本低，速度快解決問題能力強，應用領域廣，能滿足具備物性前提的各種勘查工作的需要。電磁法的一些新的方向航空電磁法海洋電磁法地空電磁系統(tǒng)井中、坑道電磁法TRIDEM固定翼三頻航空電磁測量系統(tǒng)IMPULSE直升機吊艙航空電磁測量系統(tǒng)航空電磁測量系統(tǒng)地面瞬變電磁測量系統(tǒng)海洋電磁法系統(tǒng)系統(tǒng)由發(fā)射機和接收機兩大部分組成。

頻率域電磁測深天然電磁波時間域電磁測深早期信號反映淺部結構晚期信號反映深部結構電法發(fā)展目標

（１）．三維地電理論的研究（２）．大信息量與網絡采集系統(tǒng)（３）．高精度、抗干擾、自動化儀器研制（４）．電磁法為主導（５）．實用專業(yè)軟件的開發(fā)（６）．研究新技術、新方法電磁法勘探的應用1、礦產資源勘探（各中有色金屬）2、找水、地熱3、油氣資源勘探4、工程領域的應用：采空區(qū)探測，橋基、路基和地基的探測，巖溶探測，管涌探測5、地質填圖，地質結構劃分，深部構造探測6、考古方面的應用7、城市地裂縫、地下管線、管道的探測地球物理電磁法中的正演與反演1、一維正演2、二維正演3、2.5維正演4、三維正演

所謂的正演即由地質體的賦存狀態(tài)（形狀、產狀、空間位置）和物性參數（密度、磁性、電性、彈性、速度等）計算該地質體引起的場異常或效應的過程。

主要的數值模擬方法1、有限差分方法2、有限單元法3、積分方程法4、邊界單元法5、頻譜分解方法有限差分方法

有限差分（Ｆｉｎｉｔｅ－ｄｅｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ＦＤＭ）是最為古老的數值計算方法之一，其被用于應用地球物理鄰域始于２０世紀６０代，，特別進入９０年代，交錯式樣網格被廣泛用于地電磁場的分析中來，使有限差分法步入全盛時期。，有限差分的最大不足之處為，它要求模型能夠被剖分成規(guī)則的單元如四邊形，六面體等，嚴重制約了其在復雜地球物理模型中的應用；最大優(yōu)點在于能夠非常好的處理內部介質中電磁性差異引出的磁場與電磁不連續(xù)現象，這是由交錯網格的基本性質決定．有限元方法發(fā)展趨勢（１）對復雜的模型給予相應的精確的誤差分布，難以肯定結果的真實可靠性（２）基于勢理論的成長，電磁場借助于矢量勢與（或）標量勢的方程系統(tǒng)能夠完美的代表電磁場分布，有限元求解這些系統(tǒng)是一種大勢所趨。（３）雖然ＦＤ能夠處理內部邊界電磁場不連續(xù)現象，但是基于節(jié)點的有限元法不能處理此偽解，從而給結果帶來誤差，基于邊的矢量有限元能夠很好的處理節(jié)點有限元的不足，因此，隨著對誤差的要求越來越小，矢量有限元將會越來越多的應用到地電磁場的分析中來．積分方程法

ＩＥＭ的主要優(yōu)點為線性方程的維數相對ＦＤＭ、ＦＥＭ要小的多，可以快速求解模型；不足之處為，解的精度嚴重依賴于ＩＥ的精確度，但一般來講，ＩＥ的精確性無法得出有限保證，并且其本身也是一項十分耗時的工作．但是由于其速度快的優(yōu)點，特別是在３Ｄ電磁模型計算中，被廣泛地應用。積分方程法主要優(yōu)點１．積分方程法只須對異常體進行剖分和求積，不涉及微分方法中的吸收邊界等復雜問題，在三維電磁數值模擬研究中具有快速、方便等特點，與有限元和有限差分法相比，這種方法在模擬有限大小三維體電磁響應時更為有效，計算速度快，占用內存少因而積分方程法近年來受到人們的關注和重視，并取得較快的發(fā)展．２．由于計算機的迅速發(fā)展，對異常體進行三維網格剖分和數值求積已變得越來越方便．同樣的問題，用計算機計算的時間比以前大大降低．三維電磁響應數值模擬不再是“昂貴”和“費時”，從而可以成為一種廉價、快速、能推廣的解釋技術．頻譜Ｌａｎｃｓｏｚ分解法

頻譜Ｌａｎｃｓｏｚ分解法（ＳｐｅｃｔｒａｌＬａｎｃｓｏｚＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ，ＳＬＤＭ）是一種頻率中非常有效的數值模擬方法。特別是有模型多頻率情況下的首選者，因為ＳＬＤＭ在求解多頻模型所需時間與其它方法如ＦＤＭ、ＦＥＭ、ＩＤＭ求解單頻模型所需時間相當．ＳＬＤＭ由于其在多頻模型模擬上的優(yōu)點，算得上電磁場模型模擬中的高效者．

綜觀上述各種數值模型方法，正演各種數值方法不外乎把地球物理模擬轉化為復數，大型的線性方程組．因而如何快速、準確地求解此線性方程組成為重中之重，在數據表明，此線性方程的求解時間約為總求解時間的８０％。