基于电磁耦合效应的频谱激电三维正演算法深度剖析与创新应用.docxVIP

基于电磁耦合效应的频谱激电三维正演算法深度剖析与创新应用

一、引言

1.1研究背景与意义

地球物理勘探作为探测地下结构、矿藏和资源的重要手段，在资源勘查、地质研究等领域发挥着关键作用。频谱激电法作为地球物理勘探中的一种重要方法，凭借其实测数据精度高、深度探测能力强等优势，被广泛应用于金属矿探测、水资源勘探等多个领域。其原理是利用岩石、矿体等地质介质的电性差异，通过观测和分析人工激发的电磁场响应来推断地下地质结构。在实际应用中，频谱激电法能够通过测量地下岩石或矿石的电阻率和极化率等电性参数，有效推断地下地质体的形态、规模和性质，进而为矿产资源的勘探和开发提供关键依据。

在频谱激电法中，纯激电效应和电磁耦合效应是两种重要的物理效应。纯激电效应主要表现为地下介质的电导率差异所引起的电磁场响应，是推断地下介质电导率分布的重要依据。而电磁耦合效应则是指在不同频率的电磁场作用下，地下介质之间的电磁相互作用，其对不同频率的电磁场传播和响应具有重要影响，能够反映出地下介质的频率域电导率特性和电磁相互作用。在实际的地质勘探中，这两种效应往往同时存在，相互影响，使得观测到的电磁场响应变得复杂。准确考虑和分析这两种效应，对于提高频谱激电法的勘探精度和可靠性具有重要意义。若不能正确处理电磁耦合效应，可能会导致对地下地质结构的误判，影响矿产资源的勘探和开发效率。

随着勘探需求的不断提高，对复杂地形的探测成为频谱激电法面临的重要挑战。复杂的地形地貌不仅会导致大地测量结果出现误差和畸变，还会严重影响针对地下物质的探测效果和准确性。在山区等地形起伏较大的区域，地形的变化会改变电磁场的传播路径和分布特征，使得观测到的电磁响应包含了地形因素的干扰，从而增加了对地下地质信息解释的难度。因此，研究考虑电磁耦合效应的频谱激电三维正演算法，对于解决复杂地形频谱激电法应用中的问题，提高勘探精度和可靠性，具有重要的实际意义和理论意义。它能够为实际勘探工作提供更准确的理论依据，帮助勘探人员更好地理解和分析地下地质结构，从而更有效地指导矿产资源的勘探和开发。

1.2国内外研究现状

频谱激电法的研究可以追溯到上世纪，国外在该领域的研究起步较早。上世纪70年代，国际上发展起频谱激电法（SIP），该方法通过观测视复电阻率来进行地质勘探，因此也被称为复电阻率法（CR）。在岩石复电阻率等效模型方面，最为著名的是20世纪70年代初期K.S.Cole和R.H.Cole提出的Cole-Cole模型，该模型包含零频时的电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数等参数，为频谱激电法的理论研究奠定了基础。1978年，Pelton发表了“利用多频电测量作矿物区分和去除电磁耦合”的论文，提出用Cole-Cole模型参数描述激电特性的激发极化法，进一步推动了频谱激电法的发展。随后在1981年，Major和Silic推导出在极化均匀半空间情况下，同时包含激电效应和电磁耦合效应的复电阻率总谱可以用两个Cole-Cole模型来表示，为处理电磁耦合效应提供了重要的理论依据。

在数据采集系统方面，加拿大凤凰地球物理公司研制生产的V8S、德国Redic研究所研发的复电阻率探测系统（包括SIP-FUCHS-3、SIP256C、HVPA50/600、SIP-LAB-3等系列）以及美国ZONGE公司生产的GDP系列等，为频谱激电法的数据采集提供了有力支持。在数据处理软件方面，中国地质大学和地矿部第一物探大队基于凤凰V8仪器系统SIP模块开发了SFIPX-SW处理软件，该软件基于激电谱和电磁谱频率相关系数的不同取值进行分析，能够先分离电磁谱和激电谱，再进行反演解释。

在电磁耦合效应处理方面，早期主要采用多个Cole-Cole模型进行处理。近年来，基于Maxwell方程的复电阻率正反演方法逐渐出现，但目前尚未受到广泛重视。在模型研究方面，经验模型如CPA模型和Cole-Cole模型在一维到三维的SIP建模中应用较为广泛，而理论模型如SNP模型也在不断发展和完善。

国内频谱激电法的研究始于80年代初期。张赛珍等人从电子导体的激发极化的电、化学机理出发，研究了各种过电位充、放电的特性和频谱特性，为频谱激电法的理论研究提供了重要的基础。1988年，罗延钟从理论上证明了采用Cole-Cole模型描述激电复电阻率频谱的合理性，进一步推动了国内频谱激电法的理论研究。近些年来，国内在频谱激电法的正反演研究方面取得了一定进展，但激发极化法中分离激电效应与电磁耦合效应以及对激电异常的评价等难题仍未完全解决。

在三维正演算法研究方面，国内外学者进行了大量的探索。有限差分法、有限元法和积分方程