電磁法發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

1、電磁法發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景電磁法發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景張繼鋒張繼鋒Email: Tel:安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院地球物理系地球物理系什么是物探？ 物探儀器相當(dāng)于醫(yī)學(xué)中的“CT”，地球相當(dāng)于“人體”，物探技術(shù)工作者相當(dāng)于“醫(yī)生”。 有理論，有依據(jù)，有推斷，是一門很嚴(yán)密，很深奧的應(yīng)用科學(xué)。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(chǔ)是電磁場理論，而電磁場理論及應(yīng)用在日常生活、醫(yī)療、軍事等許多方面具有重要的應(yīng)用。 電磁場與微波，電機，醫(yī)學(xué)上的CT成像，電磁治療儀，生物醫(yī)學(xué)成像，電磁導(dǎo)彈，軍事上的隱形戰(zhàn)斗機及

2、反隱形戰(zhàn)斗機，雷達(dá)等。 在地球探測領(lǐng)域中，地質(zhì)、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(xué)地球科學(xué)：以地球為研究對象的科學(xué)。包括以地球為研究對象的科學(xué)。包括：地質(zhì)學(xué)，：地質(zhì)學(xué)，地球物理學(xué)，地球物理學(xué)，地球化學(xué)，地理學(xué)，地球化學(xué)，地理學(xué)，氣象學(xué)，水文學(xué)，海洋學(xué)，土壤學(xué)和環(huán)境地學(xué)氣象學(xué)，水文學(xué)，海洋學(xué)，土壤學(xué)和環(huán)境地學(xué)等學(xué)科。等學(xué)科。 10、深部探測專項開啟地學(xué)新時代深部探測專項開啟地學(xué)新時代深部探測技術(shù)與實驗研究專項，集中了國內(nèi)118個機構(gòu)、1000多位科學(xué)家和技術(shù)專家聯(lián)合攻關(guān)，取得了一系

3、列重大發(fā)現(xiàn)，為下一步地殼探測工程的實施奠定了基礎(chǔ)。該專項計劃實現(xiàn)覆蓋大陸的大地電磁探測陣列網(wǎng)，目前中國大陸電磁標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)已完成全國44（經(jīng)度緯度）控制格架，華北實驗區(qū)11觀測網(wǎng)格。我國首臺自主研發(fā)和生產(chǎn)的1萬米超深科學(xué)鉆探裝備于12月20日在成都竣工出廠。這標(biāo)志著國家深部探測技術(shù)與實驗研究專項取得了又一個里程碑式的進(jìn)展。 建國以來，我國的地球物理科學(xué)在基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法的建國以來，我國的地球物理科學(xué)在基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法的研究方面；在尋找地下水解決環(huán)境與工程地質(zhì)問題方面多發(fā)揮研究方面；在尋找地下水解決環(huán)境與工程地質(zhì)問題方面多發(fā)揮了重要作用取得了顯著成績，

4、可以說我國的了重要作用取得了顯著成績，可以說我國的大部分油田，大部分油田，80%80%以上的鐵礦，都是主要依靠物探方法發(fā)現(xiàn)的以上的鐵礦，都是主要依靠物探方法發(fā)現(xiàn)的。并為農(nóng)業(yè)和工業(yè)。并為農(nóng)業(yè)和工業(yè)多快好省的找到更多的水源地。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地球物多快好省的找到更多的水源地。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地球物理方法將會在水資源、環(huán)境領(lǐng)域以及危機礦山的勘探等領(lǐng)域發(fā)理方法將會在水資源、環(huán)境領(lǐng)域以及危機礦山的勘探等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。揮更大的作用。 已如前述，上世紀(jì)末黨中央發(fā)出了已如前述，上世紀(jì)末黨中央發(fā)出了“西部大開發(fā)西部大開發(fā)”的偉大的偉大號召，江澤民同志又在號召，江澤民同志又在19971997年提出了

5、年提出了“再造山川秀美再造山川秀美”西北地西北地區(qū)的宏偉目標(biāo)。最近中央又提出了解決三農(nóng)問題和保證糧食安區(qū)的宏偉目標(biāo)。最近中央又提出了解決三農(nóng)問題和保證糧食安全的艱巨任務(wù)，這便為西北地區(qū)，也為地球物理方法的應(yīng)用，全的艱巨任務(wù)，這便為西北地區(qū)，也為地球物理方法的應(yīng)用，迎得了難得的機遇。特別是在農(nóng)業(yè)水土工程和再造山川秀美領(lǐng)迎得了難得的機遇。特別是在農(nóng)業(yè)水土工程和再造山川秀美領(lǐng)域，更有著殷切的期盼。域，更有著殷切的期盼。 地震以彈性波動方程為基礎(chǔ)，主要依據(jù)介質(zhì)的波場性質(zhì)，適合尋找大的構(gòu)造及界面。 電法以麥克斯韋方程為基礎(chǔ)，主要依據(jù)介質(zhì)的電磁性質(zhì)，根據(jù)電性的變化。在找礦方面有著特殊的優(yōu)勢，現(xiàn)在在海洋油氣

6、藏探測方面也發(fā)揮著很大的作用，可以直接指示油氣藏。 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(yīng)用領(lǐng)域廣，能滿足具備物性前提的各種勘查工作的需要。 航空電磁法 海洋電磁法 地空電磁系統(tǒng) 井中、坑道電磁法TRIDEMTRIDEM固定翼三頻航空電磁測量系統(tǒng)固定翼三頻航空電磁測量系統(tǒng) IMPULSEIMPULSE直升機吊艙航空電磁測量系統(tǒng)直升機吊艙航空電磁測量系統(tǒng)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)地面瞬變電磁測量系統(tǒng)系統(tǒng)由發(fā)射機和接收機兩大部分組成。 天然電磁波天然電磁波早早期期信信號號反反映映淺淺

7、部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)晚晚期期信信號號反反映映深深部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電法發(fā)展目標(biāo)電法發(fā)展目標(biāo) （）三維地電理論的研究（）三維地電理論的研究（）大信息量與網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)（）大信息量與網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)（）高精度、抗干擾、自動化儀器研制（）高精度、抗干擾、自動化儀器研制（）電磁法為主導(dǎo)（）電磁法為主導(dǎo)（）實用專業(yè)軟件的開發(fā)（）實用專業(yè)軟件的開發(fā)（）研究新技術(shù)、新方法（）研究新技術(shù)、新方法1、礦產(chǎn)資源勘探（各中有色金屬）、礦產(chǎn)資源勘探（各中有色金屬）2、找水、地?zé)?、找水、地?zé)?、油氣資源勘探、油氣資源勘探4、工程領(lǐng)域的應(yīng)用：采空區(qū)探測，橋基、路基、工程領(lǐng)域的應(yīng)用：采空區(qū)探測，橋基、路基和地基的探測，巖溶探測，管涌探測和地基

8、的探測，巖溶探測，管涌探測5、地質(zhì)填圖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分，深部構(gòu)造探測、地質(zhì)填圖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分，深部構(gòu)造探測6、考古方面的應(yīng)用、考古方面的應(yīng)用7、城市地裂縫、地下管線、管道的探測、城市地裂縫、地下管線、管道的探測1、一維正演、一維正演2、二維正演、二維正演3、2.5維正演維正演4、三維正演、三維正演 所謂的正演即由地質(zhì)體的賦存狀態(tài)所謂的正演即由地質(zhì)體的賦存狀態(tài)（形狀、產(chǎn)狀、空間位置）和物性參數(shù)（形狀、產(chǎn)狀、空間位置）和物性參數(shù)（密度、磁性、電性、彈性、速度等）計（密度、磁性、電性、彈性、速度等）計算該地質(zhì)體引起的場異?；蛐?yīng)的過程。算該地質(zhì)體引起的場異常或效應(yīng)的過程。 1、有限差分方法、有限差分方

9、法2、有限單元法、有限單元法3、積分方程法、積分方程法4、邊界單元法、邊界單元法5、頻譜分解方法、頻譜分解方法 有限差分（，） 是最為古老的數(shù)值計算方法之一，其被用于應(yīng)用地球物理鄰域始于 世紀(jì) 代，特別進(jìn)入 年代，交錯式樣網(wǎng)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(yán)重制約了其在復(fù)雜地球物理模型中的應(yīng)用；最大優(yōu)點在于能夠非常好的處理內(nèi)部介質(zhì)中電磁性差異引出的磁場與電磁不連續(xù)現(xiàn)象，這是由交錯網(wǎng)格的基本性質(zhì)決定（）對復(fù)雜的模型給予相應(yīng)的精確的誤差分布，難以肯定結(jié)果的真實可靠性（）基于勢理論的成長，電磁場

10、借助于矢量勢與（或）標(biāo)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。（）雖然 能夠處理內(nèi)部邊界電磁場不連續(xù)現(xiàn)象，但是基于節(jié)點的有限元法不能處理此偽解，從而給結(jié)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(yīng)用到地電磁場的分析中來 的主要優(yōu)點為線性方程的維數(shù)相對、 要小的多，可以快速求解模型；不足之處為，解的精度嚴(yán)重依賴于的精確度，但一般來講，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 電磁模型計算中，被廣泛地應(yīng)用。積分方程法只須對異常體進(jìn)行剖分和求

11、積，不涉及微分方法中的吸收邊界等復(fù)雜問題，在三維電磁數(shù)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(yīng)時更為有效，計算速度快，占用內(nèi)存少因而積分方程法近年來受到人們的關(guān)注和重視，并取得較快的發(fā)展由于計算機的迅速發(fā)展，對異常體進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分和數(shù)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(yīng)數(shù)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(shù) 頻譜分解法（ ，）是一種頻率中非常有效的數(shù)值模擬方法。特別是有模型多頻率情況下的首選者，因為 在求解多頻模型所需時間與其它方法如、 求解單頻模型所需時

12、間相當(dāng) 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(shù)值模型方法，正演各種數(shù)值方法不外乎把地球物理模擬轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)，大型的線性方程組因而如何快速、準(zhǔn)確地求解此線性方程組成為重中之重，在數(shù)據(jù)表明，此線性方程的求解時間約為總求解時間的。 地球物理反演是由地球物理異常的分布確定地質(zhì)體的賦存狀態(tài)（形狀、產(chǎn)狀、空間位置）和物性參數(shù)（密度、磁性、電性、彈性、速度等）的過程 。1、最速下降法、最速下降法2、共軛梯度法、共軛梯度法3、牛頓法、牛頓法4、最小二乘法、最小二乘法5、廣義逆方法、廣義逆方法線性化方法：線性化方法：非線性化方法：非線性化方法：1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法2、遺傳算法、遺傳算法3、模擬退火算法、模擬退火算法4、量子退火方法、量子退火方法反演領(lǐng)域十分活躍，目前反演存在的主要問題：（）理論表明反演的收斂速度嚴(yán)重依賴于正演模型計算的精確，但目前正演的準(zhǔn)確度仍然無法得以保證。（）反演問題通常規(guī)模較大，通常需要在成千上