我国大地电磁测深新进展及瞻望

七二二所“大地电磁探测仪开发”项目顺利验收
作者：孔亚丽张万夹
来源：《中国军转民》 2018年第1期
近日，由湖北省科技厅、中国地质大学（武汉）、中国地震局地震研究所专家组成的验收组，对七二二所承制的湖北省科技计划项目“大地电磁探测仪开发”进行了实地验收。

该项目获得验收顺利通过的同时，专家组对研制工作和项目状态给予了高度评价，即该项目开发了高性能磁传感器、高稳定低噪声接收机、小功率便携发射机等核心部件，研制出了工程化、实用化的大地电磁探测仪整机，技术指标均达到或超过项目任务书要求，同时实现了市场销售并取得了较好的经济效益。

大地电磁探测仪的成功研发，极大缩短了我国与国际先进大地电磁探测系统的技术差距，打破了国外公司在我国的市场垄断地位，增加了国内用户的选择余地，为国产大地电磁探测系统的产业化发展创造了新契机，更为重要的是为从根本上改变长期依赖于进口打下了良好基础。

（孔亚丽张万夹）。

大地电磁测深数据处理及应用研究的开题报告
一、研究背景和研究意义
大地电磁测深技术在石油勘探、地质灾害预测、水文地质和环境地
球物理等领域已经得到了广泛的应用。

该技术可以获得地下多层结构的
电阻率信息，是研究地下细节结构和探测深部资源的重要手段。

近年来，随着该技术的发展，采集到的数据量也越来越大，数据处理和解释的难
度也随之增加。

因此，对大地电磁测深数据的处理和应用研究具有重要
的现实意义和科学价值。

二、研究内容和研究方法
本研究主要包括以下内容：
1. 大地电磁测深数据预处理：包括数据质量控制、数据去噪和数据
重采样等预处理步骤，以提高数据质量和处理效率。

2. 电阻率反演和成像：采用多种反演算法对大地电磁测深数据进行
电阻率反演和成像，生成地下电阻率分布图像。

3. 基于电阻率图像的地质解释和资源定位：将电阻率图像与地质信
息结合，进行地质解释和资源定位研究。

本研究主要采用数值模拟和实测数据分析相结合的方法，通过MATLAB编程实现数据处理和反演算法。

三、研究进展和计划
目前，已完成大地电磁测深数据的预处理工作，包括数据质量控制
和噪声去除等方面。

下一步计划是进行电阻率反演和成像，并将其与地
质信息相结合，进行地质解释和资源定位研究。

同时，对比分析不同反
演算法的效果，寻求最优解，并对研究结果进行验证和评估。

四、结论
本研究将有助于进一步提高大地电磁测深技术的应用效率和数据处理精度。

同时，该研究成果可以为石油勘探、地质灾害预测、水文地质和环境地球物理等领域的研究提供有价值的参考和支持。

我国大地电磁测深的发展
刘国栋
【期刊名称】《地球物理学报》
【年(卷),期】1994(037)A01
【摘要】本文回顾了我国自６０年代中期以来的大地电磁测深工作的发展，包括仪器设备、数据处理和反演以及实际应用，并介绍了大地电磁测深法在石油构造普查以及地壳上地幔探测方面应用的一些情况．
【总页数】10页(P301-310)
【作者】刘国栋
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】P631.322
【相关文献】
1.大地电磁测深法的现状,作用及发展趋势 [J], 安四喜;陈秀儒
2.我国大地电磁测深研究新进展 [J], 王家映
3.西方大地电磁测深法理论发展现状 [J], 翁爱华;刘国兴
4.大地电磁测深技术发展及在油气勘探的应用 [J], 孙卫斌;宋群会;郑莉;何展翔
5.我国大地电磁测深新进展及瞻望 [J], 魏文博
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

大地电磁测深若干技术问题的理论研究的开题报告一、选题背景大地电磁测深技术是一种非常重要的地球物理勘探技术，其利用地球上的电磁场变化探测地下物质分布和性质的方法，已经广泛应用于矿产、油气、水资源等领域。

大地电磁测深技术具有无破坏性、探测深度可达数千米等优点，可以有效地突破传统地震测深的局限性。

然而，大地电磁测深技术也存在一些问题和难点，例如测量精度受到电磁噪声的影响、数据处理和解释复杂、探测深度有限等。

因此，对大地电磁测深技术中存在的若干技术问题进行理论研究，对于提高其测量精度、拓展探测深度和提高数据处理和解释效率具有重要意义。

二、选题目的和意义本研究旨在对大地电磁测深技术中存在的若干技术问题进行理论研究，包括但不限于：1. 电磁噪声对大地电磁测深数据的影响及其抑制方法；2. 多次反射对大地电磁测深数据的影响及其处理方法；3. 大地电磁测深数据的反演算法及优化方法。

通过对以上问题的探究，本研究旨在提出一些新的思路和方法，以帮助进一步提高大地电磁测深技术的探测精度和深度，并改善数据的处理和解释效率。

这将为矿产、油气、水资源等领域的勘探和开发提供更加准确和可靠的地球物理数据。

三、研究内容和方法本研究将主要围绕以上选题目的展开，具体工作内容包括：1. 分析研究大地电磁测深技术中存在的电磁噪声、多次反射等问题的原理和机理，以及这些问题对测量数据的影响。

2. 对常见的抑制电磁噪声和处理多次反射的方法进行深入分析和评价，提出新的解决方案。

3. 探究大地电磁测深数据的反演算法和优化方法，包括正演模拟、反演参数选择、反演约束等方面。

本研究将借助电磁场数学模型、数值模拟、实验模拟等方法，对以上问题进行理论分析和模拟研究，得出相应的结论和建议。

同时，还将基于真实大地电磁测深数据进行案例分析，验证本研究提出方法的有效性和可行性。

四、研究计划和时间安排本研究计划于2022年1月开始，共计时长12个月。

具体时间安排如下：1. 第一阶段（2022年1月-5月）：对选题进行深入研究，调研相关文献，建立电磁场数学模型，分析和评价现有抑制噪声和处理多次反射的方法。

我国在探入深地方面的成就
中国在探入深地方面取得了一些显著的成就。

以中国石油为例，2023年5月30日，中国石油深地塔科1井在新疆塔克拉玛干沙漠鸣笛开钻，这是中国首口万米深井，设计井深达1.11万米。

这口井旨在探索万米级特深层地质、工程科学理论，标志着中国向地球深部探测技术系列取得新的重大突破，钻探能力开启“万米时代”，将为中国未来的科学研究和油气资源开发提供重要的基础和支持。

此外，2023年11月15日，亚洲最深井——9432米的“跃进3-3”井放喷点火成功，证实了地下有高产油气，这是中国“深地一号”工程取得的突破性进展。

这些探入深地的成就，展示了中国在深地科学探索方面的技术实力和创新能力。

试析我国大地测量及卫星导航定位技术的新进展摘要：随着空间及卫星定位技术的飞速发展，各种空间定位技术及应用也愈来愈多。

简要介绍了甚长基线干涉测量（VLBI）技术、激光测月（LLR）技术、卫星激光测距（SLR）技术、卫星雷达测高技术、多普勒定轨和无线电定位系统（DORIS）、精密测距及其变率测量系统（PRARE）以及合成孔径雷达干涉测量（INSAR）等空间定位测量技术，重点阐述了GPS新技术及应用。

全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

关键词：大地测量；卫星导航定位；地壳运动监测；大地水准面引言：大地测量学是以研究地球形状与大小为基本目的的地学领域中的基础性学科，是为人类的活动提供地球空间信息的学科。

大地测量学与地球科学多个分支互相交叉渗透，为探索地球深层结构、动力学过程和力学机制提供技术支持。

近几年，我国大地测量工作有了可喜的进展，在以下几个方面取得了重要成果：坐标系统的建立、维護和更新；卫星定位技术的发展应用；地壳运动监测与大地测量地球动力学研究进展；大地水准面精化研究进展。

一、我国新一代地心坐标系统的建立和维护大地坐标系是一种固定在地球上，随地球一起转动的非惯性坐标系。

大地坐标系依其坐标系原点的位置不同而分为地心坐标系和参心坐标系。

地心坐标系的原点与地球质心（包括海洋、大气）重合，参心坐标系的原点与某一地区或某一国家采用的参考椭球的中心重合。

由于航天、航空、航海事业的发展，以及现代测绘技术的普遍应用，传统的参心坐标系已不能满足需要。

国际上几乎所有发达国家都已采用地心坐标系，我国周边国家大多也采用地心坐标系，我国大地坐标系同样也面临着由参心坐标系向地心坐标系的更新。

我国建国以来分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系。

建成了2000国家GPS大地控制网，完成了全国天文大地网与2000国家GPS大地控制网的联合平差工作，使2000国家大地坐标不仅有明确的定义，而且有高精度的坐标框架具体体现。

一、实习目的通过本次大地电磁测深实习，进一步巩固和深化课堂所学的大地电磁测深理论，提高实际操作能力。

了解大地电磁测深的基本原理、仪器设备、数据处理方法以及应用领域，为今后从事相关研究工作打下基础。

二、实习时间与地点实习时间：20xx年x月x日至20xx年x月x日实习地点：我国某地质调查局大地电磁测深实验室三、实习内容1. 大地电磁测深基本原理大地电磁测深法是一种非地震地球物理勘探方法，主要用于探测地壳深部结构和构造。

该方法是利用天然电磁场在地球表面产生的二次场，通过测量地面上的电磁场强度和相位，推断地下电性结构的一种方法。

2. 仪器设备本次实习主要使用以下仪器设备：（1）大地电磁测深仪：用于测量地面上的电磁场强度和相位；（2）GPS定位系统：用于确定测点的地理位置；（3）数据采集器：用于存储和传输数据；（4）计算机：用于数据处理和分析。

3. 实验步骤（1）准备工作：安装大地电磁测深仪，调试设备，确定测点位置；（2）测量数据：按照仪器操作规程，依次测量各个测点的电磁场强度和相位；（3）数据采集：将测量数据传输至计算机，进行初步处理和分析；（4）数据处理：对采集到的数据进行滤波、去噪、计算等处理，得到地下电性结构信息；（5）成果分析：结合地质背景和地球物理理论，对地下电性结构进行解释。

4. 实验结果与分析本次实习采集到的数据经过处理和分析，得到了地下电性结构信息。

以下为部分分析结果：（1）地下电性分层：根据大地电磁测深结果，地下电性结构可分为四层，分别为地壳、地幔、软流圈和地核；（2）地壳厚度：根据大地电磁测深结果，地壳厚度约为30-40km；（3）地壳结构：地壳可分为上地壳和下地壳，上地壳主要由花岗岩组成，下地壳主要由玄武岩组成；（4）地幔结构：地幔可分为上地幔和下地幔，上地幔主要由橄榄岩组成，下地幔主要由榴辉岩组成。

四、实习体会与收获1. 通过本次实习，我对大地电磁测深的基本原理、仪器设备、数据处理方法有了更加深入的了解，提高了实际操作能力；2. 实习过程中，我学会了如何使用大地电磁测深仪，掌握了数据采集、处理和分析的基本技能；3. 通过对实习数据的分析，我对地下电性结构有了更直观的认识，为今后从事相关研究工作打下了基础；4. 实习过程中，我结识了来自不同院校的同学，相互交流学习，拓宽了视野。

万方数据地质与勘探２００３年为提高构造勘探分辩率奠定了基础。

ＥＭＡＰ资料采集以高效的多道排列式为单位进行，代替了传统的单点式或双点式资料采集。

１９９５年在国内首次引进该方法后，在采集方法上进行了全张量方式的改进，并依据国内学者的建议，称之为连续电磁剖面法（ｃｏｎｔｉｎｕｅＥ１ｅｃｔｒｉｃＭａｇｎｅｔｉｃＰｒ０６ｌｅ简称ｃＥＭＰ）。

２野外工作方法作为以天然电磁场为场源的ＭＴ和ｃＥＭＰ，属被动源物探方法系列，野外资料采集工作主要在信号接受方面，主要接受水平正交的电磁场分量（Ｅｘ、Ｈｙ、Ｅｙ、Ｈｘ）和垂直磁场分量（Ｈｚ），其中接受电场信号的信号传感器为两对正交的不极化电极对，电极距一般为５０～２００ｍ，接受磁场信号的信号传感器是高灵敏度的感应式线圈磁棒。

图１为ＭＴ野外工作站布置。

一般在每个测点Ｅ图１常规ＭＴ十字型布站示意图上为５分量采集（Ｅｘ、Ｈｙ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｚ），其中ｘ布站方向为正南北方向，Ｙ为正东西方向。

点距根据勘探目的不同而异，一般进行盆地前期油气勘探采用４１～２ｋｍ的点距，而进行大地构造研究和深部地壳结构调查则采用５～１０ｋｍ的点距。

图２为二维ｃＥＭＰ野外工作站布置。

ＣＥＭＰ以排列为单位进行布站，资料采集都采用张量方式观测，即每道除记录测线方向（ｘ布站方向）的电场分量外，还观测垂直测线方向（Ｙ布站方向）的电场分量，并布置两水平磁场分量采集站，排列上各道共用水平磁场分量采集站的信息，水平磁分量采集磁棒对应采集电场分量的电偶极平行布置（图２）。

为提高资料采集精度，压制相关干扰，在离工区５０～１００ｋｍ的区域内设置４分量的远参考站，测区内各排列与远参考站依次同步采集，资料采集时间一般为８～１５小时。

排列内的道数可根据采集单元的多少确定，道间距为２００ｍ，参考站采集单元与排列内各道采集单元通过ＧＰｓ同步控制采集。

图３为三维ｃＥＭＰ小面元网络式采集布置示意图。

一个面元网络内的道数，可根据采集系统的多少和点距大小来确定，一般为９道，也可为１６道、２５道等，中心点以四分量（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｙ）或五分量（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）采集为主，周围道则可用两分量（Ｅｘ、Ｅｙ）采集，共用中心点的磁场分量。

大地电磁测深引言大地电磁测深法（ＭＴ）已广泛应用于地球深部构造研究及矿产资源勘查中，而对数据反演方法的选择则直接影响到其应用效果．目前，大地电磁反演方法大都是基于均匀水平层状介质模型假设条件和Ｌ２范数下提出来的，如博斯蒂克反演法（Ｂｏｓｔｉｃｋ，１９７７）、大地电磁拟地震反演法（王家映，１９８５）、高斯牛顿法、梯度法、马奎特法、奥克姆法（Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ，１９８７）、曲线对比法（徐世浙、刘斌，１９９５）、共轭梯度法（Ｍａｃｋｉｅ等，１９８９、１９９３、２００１）、快速松弛反演法（Ｓｍｉｔｈ等，１９９１、２００１）、拟线性近似反演法（Ｚｈｄａｎｏｖ，１９９６）、聚焦反演法（Ｐｏｒｔｎｉａｇｕｉｎｅ，Ｚｈｄａｎｏｖ，１９９９）等．上世纪９０年代后期，随着非线性反演理论和三维正反演技术的发展，一些非线性反演方法随之兴起，如模拟退火法（师学明等，１９９８）、多尺度反演法（徐义贤，１９９８）、多尺度逼近遗传算法（师学明等，２０００）、共轭梯度极大似然反演法、非线性共轭梯度反演法（Ｒｏｄｉ、Ｍａｃｋｉｅ，２００１）、贝叶斯统计反演法（Ｓｐｉｃｈａｋ等，１９９５）、人工神经网络反演法（Ｓｐｉｃｈａｋ、Ｐｏｐｏｖａ，２０００）、量子路径积分算法（罗红明等，２００７）、阻尼粒子群优化反演法（师学明等，２００９）等．本文回顾了当前国内外主要的大地电磁反演方法并对其进行分类，并在目标函数构建、灵敏度矩阵计算、收敛速度等方面对各种方法进行了对比与评述．最后，讨论了大地电磁反演方法研究中存在的问题和发展方向．１大地电磁反演方法大地电磁反演方法的研究始终围绕着如何构建目标函数（使用不同的稳定器，如模型参数的范数、最大平滑稳定泛函、最小支撑泛函、最小梯度支撑泛函等）和减少数据计算量（灵敏度矩阵计算等方面）来增强解的稳定性，以求得与实际情况最吻合的地电结构分布．回顾过去，大地电磁反演方法研究经历了从定性近似反演到数值反演、从一维、二维反演到三维反演及线性到非线性全局最优化反演方法的发展阶段．因此，可以将大地电磁反演方法分为三大类：定性近似反演方法、基于目标函数的线性或非线性迭代反演方法和全局搜索最优反演方法．１．１定性近似反演法１．１．１博斯蒂克反演法博斯蒂克反演法（Ｂｏｓｔｉｃｋ）是由Ｆ．Ｘ．Ｊｒ．Ｂｏｓｔｉｃｋ［１］于１９７７年基于水平层状介质条件下提出来的一种一维近似反演方法．该方法以低频区视电阻率曲线尾支渐近线的特征为基础，利用渐近线的交点能反映交点以上底层平均电阻率而与底层电性无关的原理来做近似反演，又称为渐近线交点近似方法［２～４］．实际反演时利用相位曲线进行反演的公式如下：其中ρ为反演后的电阻率值；为测深曲线的相位值，ρａ为测深曲线的幅振值，即视电阻率值；犎为深度值；ω为圆频率；μ为磁导率．Ｂｏｓｔｉｃｋ反演法计算速度快、不需要初始模型，能够直接反映地电结构的特点；但是反演精度低，因为渐近线交点的确定受经验的影响较大，但仍不失为一种为其它反演方法提供初始模型的快捷方法．１．１．２曲线对比法大地电磁一维连续介质反演的曲线对比法是徐世浙和刘斌［５］针对Ｂｏｓｔｉｃｋ反演法精度低、理论曲线和实测曲线拟合误差较大难以准确分辨地质体界面的缺点而提出来的．曲线对比法以低频电磁波在地下穿透深度大于高频电磁波的穿透深度为理论基础，通过连续的低频来确定深部电导率的分布状态．反演过程中，首先将Ｂｏｓｔｉｃｋ反演（另外也可以用穿透深度法［５］或频率归一化阻抗因子方法［６］）得到的电阻率随深度变化的曲线作为初始模型，将视电阻率随周期变化的曲线转化为电阻率随深度变化的曲线，通过迭代逐步改善初始模型的电阻率值，直至获得满意的结果．另外，张大海和徐世浙［７］把相位信息加入曲线对比法反演过程，使得反演结果更加清晰地反映模型的电性分布．反演得到的拟二维断面图可作为多维反演的初始模型．该反演方法原理简单，具有计算速度快且不用计算偏导数矩阵的优点．１．１．３拟地震解释方法王家映等人［８］另辟蹊径，基于电磁波和弹性波在介质中传播的相似性提出大地电磁拟地震解释方法．假设把地层划分为电磁波的双程传播时间都相等的“微层”时，大地电磁场的复反射函数可表示为［９］犚ｅ１．２迭代反演方法迭代反演方法的核心在于如何构建目标函数和选取迭代控制参数来求解线性或非线性方程组，如早期的基于最小二乘原理的高斯牛顿法［１０］和梯度法［１１］分别沿目标函数等位面切线方向和负梯度方向搜索模型参数的改正量来求目标函数极小点，但两种方法均受初始模型的影响，找到的只是局部极小值点．另外，反演问题中经常面对的是求解不适定问题的病态方程组，因此在目标函数构建中引入了正则化的思想．１．２马奎特反演法高斯牛顿法中，由于雅克比矩阵（偏导数矩阵）的秩常小于模型参数个数使得线性方程组显病态性，即方程组的系数矩阵含有小特征值或线性相关的列向量，从而导致迭代不能收敛．因此，可以考虑在系数矩阵的主对角元素上加上一个可调整的正系数来增大系数矩阵的特征值来解决这一问题，使得线性方程组的解趋于稳定，这就是马奎特法实际应用中通常将视电阻率之差改成视电阻率对数之差，参数的变量用相对变化量代替［４］．马奎特法修正量的校正量方向介于梯度法和高斯牛顿法之间，即与目标函数等位面的夹角在０°～９０°之间．在迭代过程中，阻尼系数作为控制步长和搜寻方向的参数，通过选取适当的阻尼系数使目标函数逐次降低收敛到极小值点．虽然计算速度比高斯牛顿法快，但还是有可能得到局部极小点，甚至出现函数值发散的情况［１２］，对模型也不能进行评价，因此还是需要提出新的反演方法，以便在全局范围内搜索求得极小值．１．２．１广义反演法马夸特法通过修正病态方程组系数矩阵使其变为良态来求解，而广义反演法（ＧＬＩ）则是基于广义逆矩阵直接求解病态或奇异性线性方程组．广义反演法通过奇异值分解求取广义逆来确定参数改正量，最大的优点是避免了对矩阵求逆，而且可以提供信息密度矩阵、分辨率矩阵和解的方差等辅助信息对反演结果进行评价．但是当出现小奇异值时会使参数改正量很大，超出线性近似所允许的范围，使模型参数沿着错误方向变化，引起迭代发散．为了避免上述问题，Ｊｕｐｐ和Ｖｏｚｏｆｆ［１３］于１９７５年提出了改进广义逆矩阵反演理论，引入阻尼因子将改进的广义逆矩阵定义为［１４］１．２．２奥克姆反演法基于最小二乘原理的高斯牛顿法和马奎特法等在目标函数构建中没有考虑对非数据模型构造的压制．为了使反演模型简单光滑，Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ等人［１７］在１９８７年提出奥克姆（ＯＣＣＡＭ）法，引入模型粗糙度来压制非数据的模型构造，也即求模型的最光滑解．文献［１７］给出了一维层状模型和连续模型下目标函数的构建，并讨论了收敛速度和迭代过程的稳定性等．Ｈｅｄｌｉｎ和Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ［１８］在研究二维反演时，对具有光滑参数性质的拉格朗日乘子α的选取直接影响到迭代速度，一般可以通过算法改进和并行计算两个途径来提高速度．吴小平［２０，２１］、刘羽［２２］、Ｅｌｌｉｓ和Ｏｌｄｅｎｂｅｒｇ［２３］、Ｆａｒｑｕｈａｒｓｏｎ和Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇ［２４］、陈小斌等［２５］等分别进行了拉格朗日乘子α的选取方法研究．实质上ＯＣＣＡＭ法是一种带平滑约束的最小二乘法正则化反演方法，其优点在于反演不依赖于初始模型，具有较好的稳定性和模型分辨率，但不足在于每次迭代要多次求解反演方程和正演计算，所以在高维反演中的应用并不多．１．２．3 快速松弛反演法为了避免ＯＣＣＡＭ法直接线性搜索，Ｓｍｉｔｈ和Ｂｏｏｋｅｒ［２６］提出快速松弛反演方法（Ｒａｐｉｄｒｅｌａｘａｔｉｏｎｉｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＲＲＩ），通过计算每个测量点位置下面的电阻率扰动，把二维反演问题转化为一维反演问题．ＲＲＩ法不直接求雅可比矩阵，而是对正演求得的电场值做积分运算获得视电阻率对模型参数的偏导数，每次迭代只要做一次反演，提高了计算速度；但在反演时若某些参数控制不好，便得不到理想结果，甚至不能收敛．随着计算速度的加快，二维ＲＲＩ法才被推广到三维空间．谭捍东等［２８］推导出三维快速松弛反演算法中快速计算灵敏度的表达式，实现了求最小构造的三维快速松弛反演算法，并成功对日本Ｋａｙａｂｅ地区实测资料和新疆土屋铜矿床ＭＴ资料进行了反演［２９］．但是这种三维快速松弛反演算法只是三维正演加一维反演，并不是真正意义上的三维反演．林昌洪等［３０］采用并行虚拟机（ＭｅｓｓａｇｅＰａｓｓｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ）计算加快了大地电磁数据三维快速松弛反演，通过模拟计算和实际测量数据反演证明该方法是有效的．１．２．4 共轭梯度反演法牛顿法在对目标函数极小值搜索时要计算Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵（目标函数的曲率，即二阶导数）并求其逆使得收敛速度很慢甚至不收敛．针对这一弊端，Ｈｅｓｔｅｎｅｓ和Ｓｔｉｅｆｌｅ［３１］于１９５２年提出了共轭梯度法（ＣｏｎｊｕｇａｔｅＧｒａｄｉｅｎｔＭｅｔｈｏｄ），在求目标函数的极小值时沿着共轭梯度方向进行一维搜索，迭代过程只需计算一阶导数．Ｍａｃｋｉｅ和Ｍａｄｄｅｎ［３２］为了避免偏导数矩阵的计算把松弛法引入大地电磁三维共轭梯度反演计算．不是很快．根据Ｆｌｅｔｃｈｅｒ和Ｒｅｅｖｅｓ_______［３４］利用共轭梯度法求解非线性问题（目标函数时高于二次的连续函数）的思想，Ｒｏｄｉ和Ｍａｃｋｉｅ［３５］将非线性共轭梯度反演法（ＮＬＣＧ）用于求解大地电磁二维反演问题，较高斯牛顿法计算效率有很大提高．Ｎｅｗｍａｎ和Ａｌｕｍｂａｕｇｈ［３６］在串行机和并行机上对合成模型数据进行三维非线性共轭梯度反演，但还没见到实际应用的资料．在国内，胡祖志等［３７］提出非线性共轭梯度法大地电磁拟三维反演法，采用交错采样有限差分方法做正演计算，用一维灵敏度矩阵代替三维灵敏度矩阵，对非测点的灵敏度元素通过插值求得，并且在迭代反演过程中，采用拟牛顿法对拟灵敏度矩阵进行更新．通过ＹＸ模式、ＸＹ模式的拟三维反演计算证明了算法的可行性与正确性．刘小军等［３８］提出正则化共轭梯度法反演算法（ＲＣＧＡ），在每次迭代过程中根据目标的收敛情况动态选取正则化因子，有效地解决了迭代时目标函数发散的问题．１．２．5 拟线性近似反演法Ｚｈｄａｎｏｖ等人［３９］将拟线性近似的思想应用到电磁场反演问题中，对正演模拟算子拟线性近似得到关于修正的电导率张量的线性方程，然后用正则化共轭梯度法解线性方程，使用电性反射率张量去计算异常体电导率，用三个线性反演问题代替原来１６１０５期陈向斌，等：大地电磁测的电磁散射的非线性反演问题，这便是拟线性近似反演方法．拟线性近似方法将一部分多次散射引进了积分方程的计算中，而且用最优化方法求反射张量，所以拟线性近似方法的解要比用二阶Ｂｏｒｎ级数求得的解要精确．Ｚｈｄａｎｏｖ等人给出了理论模型三维反演结果，并用于实际大地电磁测深资料和可控源大地电磁资料的反演，表明了该反演方法具有信息量大、精度和效率高等优点．１．２．6 聚焦反演法基于最大平滑稳定泛函构建目标函数进行反演的缺点在于对地质体分界面分辨率较低．Ｐｏｒｔｎｉａｇｕｉｎｅ和Ｚｈｄａｎｏｖ［４４］在构建目标函数时引入最小支撑泛函的稳定器并与惩罚泛函相结合，对模型参数变化大和不连续的区域用一个新的稳定泛函来描述，使得目标泛函集中到最小的面积，更好的判断地质体界面的存在．刘小军等［４５］在研究二维大地电磁数据反演问题时基于吉洪诺夫正则化思想将最小梯度支撑泛函作为模型目标函数．研究表明聚焦反演能稳定地快速收敛到真实模型附近，且具较高的分辨率，地质体分界面反演效果突出．１．３全局搜索最优反演方法１．３．１二次函数逼近反演法牛顿法、梯度法和共轭梯度法等大地电磁反演方法求得的目标函数极小值并不是全局意义下的极小值，很容易使反演陷入局部极小．为了解决这一问题，可以用在一些点上与Φ（犿）等值的二次函数犳（狓）代替Φ（犿），以二次函数的极小值点作为Φ（犿）的近似极小值点，然后改变控制点找到Φ（犿）的更好的二次近似函数以改变极小点位置，从而建立起迭代过程，这就是二次函数逼近非线性全局最优化反演方法．当我们选用不同的二次函数时，便得到不同的二次逼近优化方法．该方法不依赖于初始模型、稳定性好、具有全局收敛的特点，且迭代搜索时不必用分辨率矩阵来确定搜索方向；不用计算梯度向量和二阶导数矩阵，具有很小的计算量．翁爱华和刘国兴［４７］采用缺项二次函数逼近Φ（犿），即超球逼近方法（ＳＳＡＡ）对大地电磁测深资料进行反演，具体操作过程见参考文献．严良俊和胡文宝［４８］也将二次函数逼近非线性优化方法用于Ｋ型和ＫＱＨ型地电模型反演计算和实测ＭＴ数据反演中，均取得了很好的效果．但是未见到关于二维和三维大地电磁资料的二次函数逼近非线性反演方法研究的相关内容．１．３．２多尺度反演法多尺度反演基于小波变换理论中多尺度分析（ＭＲＡ）将大规模的反演问题分解为小规模的反演问题，先求最大尺度时的反问题，将解作为下一次反演过程的初始值，直到求出对应于尺度为零的原反问题的解，其实现是通过把目标函数分解成不同尺度的分量，根据不同尺度上目标函数的特征逐步搜索全局最小值［１１］．徐义贤等［４９，５０］将多尺度反演方法用于对一维和二维大地电磁数据的反演中．在实际反演时，从选定的某一尺度开始，其初始模型可根据Ｂｏｓｔｉｃｋ转换曲线形状选取．多尺度反演法在大尺度上反演稳定，反演结果不受初始模型的影响，较好的避免了反演受局部极小值的困扰问题，加快了收敛速度．１．３．３模拟退火反演法模拟退火算法思想是Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ等人［５１］于１９５３年提出来的，之后Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ等人［５２］将其用于优化问题的求解．模拟退火法在地震资料处理和反演中应用的较早，９０年代师学明等［５３］将其应用于一维层状大地电磁测深数据反演．模拟退火反演算法将反演参数看作是熔化物体分子存在的某种状态，将目标函数视为熔化物体的能量函数，通过控制参数逐步降低温度进行迭代反演，使目标函数最终求得全局极值点［５４］．从本质上来说，模拟退火法是一种启发式的蒙特卡罗洛法，不用求目标函数偏导数，不用解大型矩阵方程组，易于加入约束条件，不依赖于初始模型，易跳出局部极值，但大量的正演模拟和反演计算量限制了其在高维反演问题中的应用．针对这些缺点，姚姚［５５］提出利用模糊先验信息确定最低温度和改造目标函数来增加计算的稳定性，提高计算效率；张霖斌等［５６］以ＢｏｌｔｚｍａｎｎＧｉｂｂｓ统计理论为基础，利用似Ｃａｕｃｈｙ分布产生新扰动模型，提出新快速模拟退火算法（ＶＦＳＡ）；杨辉等［５７，５８］则以ＶＦＳＡ为基础，实现了ＭＴ拟二维模拟退火约束反演和带地形的二维ＭＴ多参量快速模拟退火约束反演．另外，井西利等［５９］从温度参数的选择入手提出了一种自适应模拟退火方法，使得退火过程和温度参数可以根据实际资料情况进行计算和自我调节；蒋龙聪等［６０］将遗传算法中的非均匀变异思想引入传统的模拟退火算法，增强局部搜索功能，提高了算法的收敛速度．模拟退火算法在高维反演中的应用和与其它反演算法结合进行混合反演是模拟退火反演方法应该着重研究的方向．１．３．４量子路径积分反演算法量子退火与模拟退火过程都属于优化退火过程，只是退火机制不同．量子退火利用量子跃迁的隧道效应机制求得全局极小值．罗红明等［６１］基于量子优化退火策略，以量子系统能量函数Ｈａｍｉｌｔｏｎ量构建反演目标函数，并以Ｆｅｙｎｍａｎ传播子来构成退火的接收概率提出量子路径积分反演算法（ＱｕａｎｔｕｍＰａｔｈＩｎｔｅｇｒａｌＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，简称ＱＰＩＡ），并将其用于一维大地电磁模型和实测数据试验取得了很好的效果．１．３．５遗传算法反演法Ｈｏｌｌａｎｄ［６３］以遗传学中适者生存的理论为基础提出遗传算法，通过用二进制对模型参数编码形成染色体，在群体的繁殖、杂交和变异过程中，利用转移概率规则从模型群体集随机搜索［６４，６５］．Ｓｔｏｆｆａ和Ｓｅｎ［６６］最先将遗传算法引人地球物理学领域中用来反演一维地震波模型．王兴泰等［６７］首次尝试将其用于电测深曲线的反演，但是由于传统的遗传算法存在的早熟和计算效率较低等问题，使得应用受到限制，随之一些学者对其进行了改进．石琳珂［６８］提出了真值邻域的概念，利用这个概念得到了缩小搜索范围的压缩公式以提高计算速度．张荣峰［６９］则将遗传算法引入了大地电磁测深资料的反演研究中．为了改善传统ＧＡ算法存在的早熟的问题，刘云峰和曹春蕾［７０］通过在早期对目标函数进行压缩，避免初期优越模型对搜索过程的控制；在后期拉伸防止模型在最佳值附近的振荡，但缺点是计算时间较长．蔚宝强和胡文宝［７１］用十进制浮点数代替二进制位串，遗传操作直接针对十进制数串，避免了编码和解码的繁杂运算，在杂交或变异过程中，直接选取随机杂交变异点，实现相对位点的参数基因交换．Ｆｌｏｒｅｓ和Ｓｃｈｕｌｔｚ［７２］则在二维大地电磁数据反演中提出了具有高适应能力和适合于非线性假设检验的重组遗传模拟算法．柳建新等［７３］和白俊雨［７４］等则分别将实数编码技术和拟网格法与ＧＡ法相结合来来反演大地电磁二维和一维数据．而另外一些学者则是把遗传算法和其他反演算法相结合，形成混合遗传算法，如师学明等［７５］采用多尺度逐次逼近反演思想把遗传算法反演问题分解为一系列依赖于尺度变量的反问题序列，将大尺度的解当作次一级尺度反问题的初始模型集，再进行遗传反演如此类推逐次逼近全局最解．柳建新等［７６］把单纯形搜索与遗传算法结合构成混合遗传算法（ＨＧＡ），并采用最优群体保留策略，使得具有遗传算法的全局收敛性，也具有单纯形法的快速收敛性．谢维等［７７］引入局部搜索效率高的共轭梯度法，使得混合算法加快全局寻优过程，一定程度上解决遗传算法的早熟问题；罗红明等［７８］利用量子位编码代替二进制位编码，利用量子旋转门定向更新种群来代替传统方法中种群的选择、交叉和变异过程，使得算法具有并行运算能力和量子隧道效应，从而加快了搜索速度，改善了收敛速度．师学明等［７９］将自适应思想引入到量子遗传算法中来，通过动态调整量子遗传算法的模型搜索空间，建立自适应量子遗传算法解决一维层状介质ＭＴ反演问题．在大地电磁测深中一般将目标函数定义为模型的大地电磁测深响应值与相应观测值之差的二范数拟合差，但至今为未见到遗传算法和一些局部线性反演方法结合的混和算法．１．３．６人工神经网络反演法人工神经网络（ＡＮＮ）在地球物理学中的应用越来越受到人们的青睐．Ｒａｉｃｈｅ［８０］早在１９９１年就指出可使用神经元（ＮＮ）模式识别方法进行地球物理反演，对ＮＮ在不同地球物理问题中的应用作了介绍．Ｂａａｎ和Ｊｕｔｔｅｎ［８１］也对ＡＮＮ在地球物理的中的应用范畴做了概述，并指出ＡＮＮ实质就是一种优化反演问题．在此之后，Ｓｐｉｃｈａｋ和Ｐｏｐｏｖａ［８２］基于三层神经元的回传理论（ＢＰ）调整ＡＮＮ结构，并成功用于解决三维地电反演问题，同时指出ＡＮＮ方法可以做并行计算．人工神经网络还可以用于大地电磁时间序列分析，避免信号被天然或人为噪音干扰带来的传递函数错以至于导致错误的资料解释［８３，８４］，如Ｐｏｐｏｖａ和Ｏｇａｗａ［８５］通过数据结构消除噪音和扭曲以便对大地电磁响应函数做出正确估计，Ｓｈｉｍｅｌｅｖｉｃｈ等人［８６］将快速神经网络反演算法用于二维大地电磁动态参数监测．人工神经网络反演法可以对一个模型类的数据进行多重反演，具有对不完整数据或含有噪声的数据进行去噪反演等特点，但其反演结果的好坏强烈依赖于初值的选取，难以解决多个参变量的优化问题，且ＡＮＮ重构受到教育水平限制［６２］．１．３．７贝叶斯统计反演贝叶斯统计反演则将模型参数视为随机变量，将反演结果表述为模型空间上的概率密度函数从而较好的解决了带噪反演的问题．１．３．８粒子群优化反演算法粒子群优化算法（ＰＳＯ）是模仿鸟群寻找食物的社会行为的一种全局搜索最优化算法，原理可见文献［８９］．从文献［９２］中我们可以得知惯性权重ω的选择影响着算法的应用效果，较大的惯性权重ω值有利于跳出局部极小点，反之则有利于算法收敛．Ｒａｎｊｉｔ和ＳｈａｌｉｖａｎｈａｎＳ［９３］首次将惯性权重ω＝１时的基本粒子群优化算法用于一维直流电测深和一维大地电磁测深的模型数据和实测数据反演，但是搜索过程比较慢，在反演后期比较难收敛．为了选取合适的惯性权重值来提高算法性能，一些学者先后提出了线性递减权值（ＬＤＩＷ）策略、模糊惯性权值（ＦＩＷ）策略、随机惯性权值（ＲＩＷ）策略和自适应调整策略等．师学明等［９４］则基于模拟退火反演思想，提出惯性权重ω的振荡递减策略：ω＝０．９９犽·狉狋／２＋α，（２６）式中α为一常数，取值范围为［０，０．５］；狉狋为均匀分布在（０，１）之间的随机数；犽为迭代次数，犽＝１，２…犖，犖为最大迭代次数．该惯性权重ω曲线呈现一种波动阻尼递减的现象，类似于模拟退火法中的退火过程，有利于在早期跳出局部极值，晚期更快地收敛于全局极值．阻尼粒子群优化算法用于大地电磁数据的一维反演可以较快逼近全局最优解，优于传统的线性或近线性的局部最优化方法，避免了选取初始模型、计算灵敏度矩阵、陷入局部极值等缺点，又克服了蒙特卡洛、模拟退火反演模型搜索时间较长的弱点；但是反演过程中要多次进行正演计算，若要应用于二三维大地电磁反演计算还比较困难．２大地电磁反演方法存在的问题从大地电磁反演方法的发展我们可以看到，不管是定性近似反演方法，或是基于目标函数的迭代反演方法，还是全局搜索最优反演方法，都旨在利用电磁场方程或目标函数经过一系列相关运算来得到能拟合观测数据的最佳地电模型．这里就存在四个问题：（１）在现有假设条件下建立的电磁场方程能否准确表达实际地质体或深部隐伏矿体的电磁响应．地球本身就是一个复杂的地质体，从全球性的壳幔构造、岩石圈分布、区域大地构造到某一矿集区或矿床，其物质组成的多样性和空间结构的复杂性必然导致电性结构的非均匀与各向异性．但是目前大地电磁测深反演技术研究中大都是使用基于均匀水平层状介质的物理模型建立起来的电磁场方程和在Ｌ２范。

大地电磁测深———探测地球深部电性和物质状态的一种有效手段陈乐寿教授,中国地质大学,北京100083关键词　大地电磁测深　地壳　地幔　良导低阻层　电阻率 作者全面综述了一种极具发展前景的探测地球深部结构和物质状态的手段,它是以天然大地电磁场为场源,以地球电磁感应效应为基础,可以面对多方面应用需求的一种方法,即大地电磁测深。

介绍了地球电磁场的特征和方法的基本原理,随后评述了大地电磁测深提出以来几项突破性的进展。

最后给出了大地电磁测深的几方面标志性应用。

1前　言早在19世纪初,人们就观测到,在固体地球表层,大气和海洋中,都有电流流动,这种天然的电场称为大地电场,它的方向和强度都是随时间变化的。

交变的电场总伴随有交变的磁场,这统称为地球的大地电磁场。

它是本文中介绍的大地电磁测深的天然场源[1]。

大地电磁场变化可分为日变化、湾扰和微变化,后者又含有高频大地电磁场变化和大地电磁脉动。

大地电磁测深作为场源,利用的主要是大地电磁脉动,它们的变化周期在0.1～1500s范围内。

大地电磁场的起因主要来自太阳辐射在高空形成的电离层,和其中产生的电磁扰动;只有高频大地电磁场变化部分除外,它是由位于赤道上空的一种称为雷暴系统的局部天气系统引发的,它是后面要提到的声频大地电磁法(AMT)的场源,周期小于1s[2]。

大地电磁测深(MT)是地球物理学中地球电磁感应学分支学科中的一种重要方法,是在20世纪50年代初由法国学者L·卡尼尔(L.Cagniard)[3]及前苏联学者A ·N·吉洪诺夫(A.N.Tikhonov)[4]几乎同时分别独立提出的。

这种方法是一种以前述天然存在于地球中的呈区域性分布的交变电磁场为场源的电磁测深方法。

如上所述,此大地电磁场具有很大的能量和极宽的频带范围,可以穿过巨厚的岩石圈,为研究几十乃至过百公里深的地壳与上地幔提供信息。

这种深测方法不需要大功率的供电设备,又有如此大的深测深度,自然受到人们的极度关注。

中国大地电磁测深发展随着地球科学的发展以及人类对资源的需求不断增长，进行地球深部探测来研究大陆演化奥秘，寻找更多资源，进行环境保护，是当代地球科学的主要任务。

地球物理观测是进行地球深部探测的重要方法技术，很多发达国家自上世纪70年代以来，陆续启动了深部地球物理探测计划，获得了一系列重大成果。

其中，大陆岩石圈导电性结构的研究是地球深部探测的一个重要组成部分，有关大陆岩石圈导电性的研究可以为大陆动力学、地质灾害防治、矿床成因研究等提供重要的支撑。

大地电磁观测是研究地球深部电性结构与构造的主要地球物理方法，被广泛应用于油气勘探、矿产资源勘探以及深部地球物理调查等领域。

在研究壳幔构造方面，大地电测深和地震方法一起被视为两大支柱方法，两者相互验证、相互补充，在世界范围内解决大陆动力学问题方面已有许多成功的应用范例。

虽然大地电磁探测已经成为深部地球物理探测的一种主要方法技术，但仍有许多技术问题需要进一步研究与解决。

比如大地电磁探测的抗干扰能力较弱，特别是在矿集区及经济发达区等强干扰地区往往很难采集到高信噪比的数据。

而无论是研究深部地质构造还是寻找深部的隐伏矿床，都不可能完全避开强干扰地区，为了提高大地电磁的应用效果，需要研究强干扰等特殊地区的数据采集方法技术及特殊处理技术。

通过在实验区的大地电磁观测实验，研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法以及大地电磁探测与地震探测的集成与约束反演方法，将推动大地电磁探测方法的技术进步，提高大地电磁的应用效果，为获取地下不同深度的准确的电性结构分布以及进行壳幔结构特征研究提供技术支撑。

1地球的导电性及大地电磁探测发展现状1.1地球的导电性描述岩矿石导电性通常使用电阻率与电导率参数，它们互为倒数。

矿物与岩石的导电性具有很大差别，比如纯金属和石墨的导电性很好，具有低电阻、高电导特征；而水晶的导电性则很差，具有高电阻、低电导特征。

地球的地壳与上地幔是由多种岩石与矿物组成的，其导电性受到构造特征、物质成分、晶体结构、岩石矿物和密度、温度、压力等多种因素的影响，在估算地壳与上地幔的总体导电性时必须考虑不同的矿物组合与导电机制。

大地电磁测深中薄层响应特征与地质目标体拾取的探讨蒋亚东;雷宛;刘倩;李超;凌飞【摘要】基于理论模型的正演模拟,探讨了大地电磁测深法中的薄层响应特征,考察不同盖层深度、薄层厚度以及围岩电阻率比等参数对测深曲线的影响,并采用背景值最大归一化建立视电阻率与盖厚比的关系曲线图,总结出高、低薄层的电性响应特征.针对地质目标体的拾取,建立了均匀半空间下的近地表非均匀体与地质目标体理论模型,对比TE、TM极化模式下视电阻率、阻抗相位的单点响应曲线与正演响应拟断面图,总结出区别非均匀体与局部地质目标体异常的重要响应特征.【期刊名称】《物探化探计算技术》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】8页(P292-299)【关键词】大地电磁测深;薄层响应;地质目标体响应;正演模拟【作者】蒋亚东;雷宛;刘倩;李超;凌飞【作者单位】成都理工大学地球物理学院,成都 610059;成都理工大学地球物理学院,成都 610059;成都理工大学地球物理学院,成都 610059;成都理工大学地球物理学院,成都 610059;成都理工大学地球物理学院,成都 610059【正文语种】中文【中图分类】P631.3+25在我国南方碳酸盐岩海相油气远景区勘探中，复杂的地表地质情况使得大地电磁测深方法被广泛应用，人们总希望尽可能地分辨地下结构，而在电磁法应用于盆地冲湖积区域划分第四系含水层时，由于区域上隔水层通常不连续、厚度较薄等因素，给划分第四系地层结构带来困难［1］。

为适应社会经济发展对能源、矿产、以及水资源等的大量需求，大地电磁测深的发展也必将满足小尺度、精细详查的高要求。

物性背景是地质模型正演的基础，而典型地质模型的正演模拟则是获取地层电磁响应的重要方法。

正演模型依托于我国南方碳酸盐岩海相油气远景区中上扬子克拉通物性统计资料，其有利油气储集目标层为下寒武统－晚元古界上部（∈1～P3t3），主要岩性为砂质白云岩、炭质页岩（均相对低阻），但地层发育较薄或者不发育［3］。