电磁法发展现状及应用前景

电磁法发展现状及应用前景张继锋Email:[e-mail]:15129062903长安大学地质工程与测绘学院地球物理系物探在地质勘察中的地位什么是物探？物探仪器相当于医学中的“CT”，地球相当于“人体”，物探技术工作者相当于“医生”。有理论，有依据，有推断，是一门很严密，很深奥的应用科学。物探的作用有多大？(千里眼)在深部探测计划中，“攻深探盲”中发挥巨大作用。电磁法勘探基础是电磁场理论，而电磁场理论及应用在日常生活、医疗、军事等许多方面具有重要的应用。电磁场与微波，电机，医学上的CT成像，电磁治疗仪，生物医学成像，电磁导弹，军事上的隐形战斗机及反隐形战斗机，雷达等。在地球探测领域中，地质、物探、化探、遥感4大类方法皆可独立使用，而物探的地位越来越重要，电磁法勘探在六大类方法：震、电、重、磁、测井、放射性中占有独特而重要的地位。•地球科学：以地球为研究对象的科学。包括：地质学，地球物理学，地球化学，地理学，气象学，水文学，海洋学，土壤学和环境地学等学科。•10、深部探测专项开启地学新时代深部探测技术与实验研究专项，集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家联合攻关，取得了一系列重大发现，为下一步地壳探测工程的实施奠定了基础。该专项计划实现覆盖大陆的大地电磁探测阵列网，目前中国大陆电磁标准网已完成全国4°×4°（经度×纬度）控制格架，华北实验区1°×1°观测网格。我国首台自主研发和生产的1万米超深科学钻探装备于12月20日在成都竣工出厂。这标志着国家深部探测技术与实验研究专项取得了又一个里程碑式的进展。年十大科技新闻之一建国以来，我国的地球物理科学在基础理论与技术方法的研究方面；在寻找地下水解决环境与工程地质问题方面多发挥了重要作用取得了显著成绩，可以说我国的大部分油田，80%以上的铁矿，都是主要依靠物探方法发现的。并为农业和工业多快好省的找到更多的水源地。随着科学技术的进步，地球物理方法将会在水资源、环境领域以及危机矿山的勘探等领域发挥更大的作用。已如前述，上世纪末党中央发出了“西部大开发”的伟大号召，江泽民同志又在1997年提出了“再造山川秀美”西北地区的宏伟目标。最近中央又提出了解决三农问题和保证粮食安全的艰巨任务，这便为西北地区，也为地球物理方法的应用，迎得了难得的机遇。特别是在农业水土工程和再造山川秀美领域，更有着殷切的期盼。电法与地震的主要差别•地震以弹性波动方程为基础，主要依据介质的波场性质，适合寻找大的构造及界面。•电法以麦克斯韦方程为基础，主要依据介质的电磁性质，根据电性的变化。在找矿方面有着特殊的优势，现在在海洋油气藏探测方面也发挥着很大的作用，可以直接指示油气藏。电磁法相比于直流电法的优势•探测深度大•不受高阻层屏蔽。•方法种类多，适合于海洋、航空等特殊环境下的探测，大大提高效率。•成本低，速度快•解决问题能力强，应用领域广，能满足具备物性前提的各种勘查工作的需要。电磁法的一些新的方向•航空电磁法•海洋电磁法•地空电磁系统•井中、坑道电磁法TRIDEM固定翼三频航空电磁测量系统IMPULSE直升机吊舱航空电磁测量系统航空电磁测量系统地面瞬变电磁测量系统海洋电磁法系统系统由发射机和接收机两大部分组成。频率域电磁测深天然电磁波时间域电磁测深早期信号反映浅部结构晚期信号反映深部结构电法发展目标（１）．三维地电理论的研究（２）．大信息量与网络采集系统（３）．高精度、抗干扰、自动化仪器研制（４）．电磁法为主导（５）．实用专业软件的开发（６）．研究新技术、新方法电磁法勘探的应用1、矿产资源勘探（各中有色金属）2、找水、地热3、油气资源勘探4、工程领域的应用：采空区探测，桥基、路基和地基的探测，岩溶探测，管涌探测5、地质填图，地质结构划分，深部构造探测6、考古方面的应用7、城市地裂缝、地下管线、管道的探测地球物理电磁法中的正演与反演1、一维正演2、二维正演3、2.5维正演4、三维正演所谓的正演即由地质体的赋存状态（形状、产状、空间位置）和物性参数（密度、磁性、电性、弹性、速度等）计算该地质体引起的场异常或效应的过程。主要的数值模拟方法1、有限差分方法2、有限单元法3、积分方程法4、边界单元法5、频谱分解方法有限差分方法有限差分（Ｆｉｎｉｔｅ－ｄｅｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ＦＤＭ）是最为古老的数值计算方法之一，其被用于应用地球物理邻域始于２０世纪６０代，，特别进入９０年代，交错式样网格被广泛用于地电磁场的分析中来，使有限差分法步入全盛时期。，有限差分的最大不足之处为，它要求模型能够被剖分成规则的单元如四边形，六面体等，严重制约了其在复杂地球物理模型中的应用；最大优点在于能够非常好的处理内部介质中电磁性差异引出的磁场与电磁不连续现象，这是由交错网格的基本性质决定．有限元方法发展趋势（１）对复杂的模型给予相应的精确的误差分布，难以肯定结果的真实可靠性（２）基于势理论的成长，电磁场借助于矢量势与（或）标量势的方程系统能够完美的代表电磁场分布，有限元求解这些系统是一种大势所趋。（３）虽然ＦＤ能够处理内部边界电磁场不连续现象，但是基于节点的有限元法不能处理此伪解，从而给结果带来误差，基于边的矢量有限元能够很好的处理节点有限元的不足，因此，随着对误差的要求越来越小，矢量有限元将会越来越多的应用到地电磁场的分析中来．积分方程法ＩＥＭ的主要优点为线性方程的维数相对ＦＤＭ、ＦＥＭ要小的多，可以快速求解模型；不足之处为，解的精度严重依赖于ＩＥ的精确度，但一般来讲，ＩＥ的精确性无法得出有限保证，并且其本身也是一项十分耗时的工作．但是由于其速度快的优点，特别是在３Ｄ电磁模型计算中，被广泛地应用。积分方程法主要优点１．积分方程法只须对异常体进行剖分和求积，不涉及微分方法中的吸收边界等复杂问题，在三维电磁数值模拟研究中具有快速、方便等特点，与有限元和有限差分法相比，这种方法在模拟有限大小三维体电磁响应时更为有效，计算速度快，占用内存少因而积分方程法近年来受到人们的关注和重视，并取得较快的发展．２．由于计算机的迅速发展，对异常体进行三维网格剖分和数值求积已变得越来越方便．同样的问题，用计算机计算的时间比以前大大降低．三维电磁响应数值模拟不再是“昂贵”和“费时”，从而可以成为一种廉价、快速、能推广的解释技术．频谱Ｌａｎｃｓｏｚ分解法频谱Ｌａｎｃｓｏｚ分解法（ＳｐｅｃｔｒａｌＬａｎｃｓｏｚＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ，ＳＬＤＭ）是一种频率中非常有效的数值模拟方法。特别是有模型多频率情况下的首选者，因为ＳＬＤＭ在求解多频模型所需时间与其它方法如ＦＤＭ、ＦＥＭ、ＩＤＭ求解单频模型所需时间相当．ＳＬＤＭ由于其在多频模型模拟上的优点，算得上电磁场模型模拟中的高效者．综观上述各种数值模型方法，正演各种数值方法不外乎把地球物理模拟转化为复数，大型的线性方程组．因而如何快速、准确地求解此线性方程组成为重中之重，在数据表明，此线性方程的求解时间约为总求解时间的８０％。地球物理反演是由地球物理异常的分布确定地质体的赋存状态（形状、产状、空间位置）和物性参数（密度、磁性、电性、弹性、速度等）的过程。1、最速下降法2、共轭梯度法3、牛顿法4、最小二乘法5、广义逆方法线性化方法：非线性化方法：1、神经网络方法2、遗传算法3、模拟退火算法4、量子退火方法反演领域十分活跃，目前反演存在的主要问题：（１）理论表明反演的收敛速度严重依赖于正演模型计算的精确，但目前正演的准确度仍然无法得以保证。（２）反演问题通常规模较大，通常需要在成千上的节点上反演成千上万的参数．就目前而言，计算速度较难以提供如此之动力．（３）地球物理模型的反演通常是非线性的、病态，这有增加了数值模拟上的困难，结果很难以收敛精确解，只可以把误差控制在一定的范围之内．非线性成倍增加了反演的计算负担，使反演很难在现实的状态中完成．（４）反演存在非唯一性、非稳定性，要解决此困，通常要包括稳定罚顶ＳＰＦ依赖于先念信息，可影响解的平稳性、精确性等，因此，选取合理的ＳＰＦ反演过程是十分重要