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摘要

摘要

基于空间梯度的瞬变电磁响应数值模拟研究

瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod,TEM)是地质勘探工作的常用

方法之一，具有工作效率高、探测深度大、分辨率高等优点，因此被广泛应用于

寻找矿产资源、地下水资源、矿井危害等众多领域。在实际勘探过程中，常规的

瞬变电磁法大多存在一次场及二次场“混叠”问题，从而造成瞬变电磁实测早期

信号畸变。空间梯度瞬变电磁法有效地解决了上述难题，但目前其相关工作仍集

中在一维数值模拟，无法真实的反应地下复杂的三维地质构造。因此本文对基于

空间梯度瞬变电磁观测模式及测量方法进行了研究，主要进行了空间梯度瞬变电

磁法的一维正反演、三维正演研究工作。

在梯度瞬变电磁一维正演方面，基于麦克斯韦方程组及空间梯度观测模式得

出回线源梯度瞬变电磁时域响应计算公式，在正演过程中采用Guptasarma-Singh

的140点数值滤波算法、Guptasarma的21点数值滤波算法实现了汉克尔变换及

频-时变换问题；进一步探究典型地电模型中间层参数变化时的梯度电磁响应规

律，并与重叠回线装置的观测结果进行对比，验证了梯度瞬变电磁法更适于浅层

目标体的勘探。对不同观测条件下的梯度电磁响应特征进行分析并归纳总结，为

实际探测过程中回线装置参数的选取提供依据。

为实现空间梯度瞬变电磁法的一维反演，本文提出将量子粒子群算法

(QuantumParticleSwarmOptimization,QPSO)用于梯度瞬变电磁一维反演研究。

首先利用测试函数计算量子粒子群算法的精度，根据梯度电磁响应特征选取反演

适应度函数，对典型地电模型中是否含噪声的梯度瞬变电磁数据进行反演研究，

将反演得到的参数绘制成电阻率-深度剖面图，并与常规粒子群算法(Particle

SwarmOptimization,PSO)进行对比分析。结果表明采用量子粒子群算法能够明显

提高梯度瞬变电磁一维反演精度，为梯度瞬变电磁法的快速反演提供了新方法。

考虑到在实际勘探工作中一维数值模拟无法分析地下三维异常体的实际响

应，本文基于有限元法进一步开展空间梯度瞬变电磁三维正演数值模拟工作，以

地下均匀半空间埋藏导电体为例计算其空间梯度三维瞬变电磁响应，通过二次场

感应电压衰减曲线及切片图分析地下异常体情况，分析归纳当异常体的尺寸、埋

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摘要

深及电阻率参数变化时的响应规律；同时选取不同的异常体模型进行数值模拟分

析其响应特征，从而证明了空间梯度瞬变电磁三维正演计算的有效性，为进一步

开展空间梯度瞬变电磁三维反演研究奠定了基础。

关键词：

瞬变电磁法，空间梯度，三维正演，有限元法

II

Abstract

ABSTRACT

NumericalSimulationResearchofTransient

ElectromagneticResponseBasedonSpatialGradient

TheTransientElectromagneticMethod(TEM)isoneofthecommonlyused

methodsinshallowgeologicalexploration.Ithastheadvantagesofhighefficiency,

largedepthandhighresolution,andiswidelyusedinmanyfields,suchassearching

formineralresources,groundwaterresourcesandminehazards.Inthe