足迹计算域的频率域航空电磁法三维反演

Airborne electromagnetic method (AEM) is efficient and economical, especially for desert, swamp, forest and other difficult-to-access areas, in which ground geophysical exploration can be impossible. Airborne electromagnetic exploration can be of great significance to the national resource security. To carry out an effective exploration, it is necessary to develop a three-dimensional (3D) inversion technology of AEM to obtain the underground geoelectric structure. However, the AEM survey always covers a large area with huge measurement stations, and for each station the forward modeling on a large-scale calculation domain is typically required during the data inversion, which can be computationally inhibitive to carry out AEM 3D inversion for the whole area. On the other hand, the inversion problem on a such large area tends to be ill-posed. Hence, it is important to develop a efficient 3D inversion of AEM data to obtain the underground detailed structure. In this project, an efficient footprint-guided compact finite element method will be established based on the footprint of AEM in frequency domain, and the efficiency of the 3D forward modeling can be improved by reducing the calculation domain. Further, a Gauss Newton method combined with mixed regularization constraints, multi-scale inversion grid and prior model constraints is used to avoid the inversion to be trapped at local minima, which improve the reliability of inversion results. The inversion developed is expected to enhance the efficiency, reliability and practicability of the 3D inversion of AEM in frequency domain.

航空电磁法使用机载平台，具有高效、经济的特点，尤其适用于沙漠、沼泽、森林等特殊环境地区，能有效填补地面物探方法勘探空白区，对保障国家资源安全具有重要意义。为了满足精细勘探要求，需要使用航空电磁法三维反演技术，获取地下三维地电结构。然而，航空电磁法具有多测站特点，传统方法对每个测站使用大规模正演计算区域，已经严重阻碍了航空电磁法三维反演实用化。另一方面，反演问题具有不适定性，如何获得稳定最优解，是保证航空电磁法三维反演获取地下精细结构的前提。本项目将利用频率域航空电磁法足迹特征，建立足迹引导的截断边界矢量有限元法，通过减少计算区域提高三维正演效率。在此基础之上，使用高斯牛顿法结合混合正则化约束、多尺度反演网格、先验模型约束，避免反演陷入局部极值造成虚假异常，提高反演结果可靠性。项目将实现足迹计算域的频率域航空电磁法三维反演，对增强频率域航空电磁法三维反演的高效性、可靠性和实用性具有重要意义。

随着我国矿产资源需求的激增与现有矿山面临资源枯竭，航空电磁勘查技术将填补地面物探方法勘探的空白区，为国家矿产资源安全与一路一带建设提供保障。一维反演能够快速实现实测数据的反演成像，是在过去被普遍使用的航空电磁成像技术。但是一维反演的成功是基于地表平缓且地下介质呈层状分布的假设，对于地质结构较复杂的地区难以取得好的效果，需要发展能够获取地下精细结构的航空电磁三维反演技术。然而在实际施工中，航空电磁法具有探测区域面积大与测站多的特点，在逐一对每个测站进行三维数值模拟时，传统数值模拟方法使用大规模计算区域与网格数量，将导致正演计算时间过长，阻碍了后续反演工作的开展。本项目针对频率域航空电磁法足迹与多测站的特征开展了以下工作：1）利用频率域航空电磁法的足迹特点，使用格林函数对矢量有限元法计算区域进行截断，将矢量有限元法计算区域减少为航空电磁足迹尺度区域，提高了频率域航空电磁法单个测站三维正演效率；2）针对航空电磁多测站特点，提出对所有测站使用一致网格剖分，达到一次计算存储格林函数，后续测站重复使用，减少格林函数计算次数，结合多测站并行正演，提高频率域航空电磁法多测站正演效率；3）在足迹引导的截断边界矢量有限元法正演基础之上，使用上一次迭代模型参数结合格林函数显式计算灵敏度矩阵，采用正则化函数对模型进行光滑约束，建立航空电磁高斯牛顿法三维反演技术；4）开展野外工作获取了GEM-2仪器在实际物理模型的实测数据，将项目所开发反演算法运用于实测数据三维反演，使用一维反演结果作为初始模型，得到的三维反演结果与实际模型吻合度较高，证明了所开发算法具有实用性。项目成果对增强航空电磁法三维反演的高效性、可靠性和实用性具有重要意义。