航空电磁数据三维正反演理论研究

Airborne EM is an effective and efficient exploration technology. Due to its moving platform of transmitter and receivers, no human access is needd, so it can be widely used in large desert areas of Western China,and high mountains, swamps and forests. However, the feature of moving transmitter and receiver has slowed down the development of the data processing and interpretation. Currently, it is mainly focused on 1D inversions. Cox et al.(2010) put forward the concept of "moving footprint", in which the inverted area is only divided locally, breaking the deadlock of 3D AEM inversion, but the integral equation algorithm used can only invert simple models. The rapid development of AEM technology in China requires corresponding data processing and interpretation technologies. In this project, we will combine the finite difference with non-linear conjugate gradient for 3D inversion of AEM data, and improve the effenciency and speed by adopting the "moving footprint" technology. The research from this project will surely speed up the development of our airborne EM technology and offer possibilities for more accurate geological interpretations in China.

航空电磁法作为一种快速高效的勘查技术手段，由于机载发射和接收无需地面人员必将在我国西部广大沙漠地区及高山、沼泽和森林覆盖等地形地质条件复杂区域获得广泛应用。然而，由于其移动场源和接收特征，解释技术发展较其它地面电磁法缓慢，目前仍以一维反演为主。Cox等（2010）提出的"Moving Footprint"技术只对局部区域进行剖分，突破航空电磁三维快速反演的技术瓶颈。然其反演方法是基于积分方程法，适用的模型比较简单。国内航空电磁法的迅速发展亟需研发配套的三维数据快速有效反演技术。本项目提出采用有限差分结合非线性共轭梯度法以实现航空电磁数据三维反演，并通过结合"moving footprint"技术提高反演速度和效率。本项目研发的三维电磁正反演技术将推动和促进我国航空电磁技术的发展，并为获得准确的地质解释结果提供保障。

为提高航空电磁法数据处理和解释精度，本项目开展了三维航空电磁正反演研究。为克服航空电磁移动场源带来的大计算量问题，本项目基于“moving footprint”思想实现了整体反演网格和局部正演网格间网格参数和灵敏度信息的映射，并据此搭建三维正反演程序平台，实现了大尺度模型航空电磁数据快速正反演。.为了解各航空电磁系统footprint的大小和形态，本项目首先基于积分方程法并采用逐层外推方式计算footprint在各方向的尺度；在获得准确footprint大小的基础上，本项目基于计算速度较快、适合并行的交错网格有限差分法并结合“moving footprint”思想实现了三维频率域航空电磁快速正演，并利用反傅里叶变换和与波形褶积技术得到任意发射波形的时间域航空电磁响应；最后本项目测试了多种三维反演方法，包括非线性共轭梯度法、拟牛顿法和高斯-牛顿法。通过对比发现显式计算灵敏度的高斯-牛顿法所需正演次数最少，收敛速度快稳定，因此本项目最终的频率域和时间域反演程序均基于高斯-牛顿法实现。为进一步提高三维反演的稳定性，本项目提出采用合理的一维反演结果作为三维反演的初始模型。三维反演的初始模型要求在各个方向均具有较好的光滑性，因此本项目采用基于横向约束和空间约束进行一维航空电磁快速反演，并利用贝叶斯反演抽样验证结果的正确性。此外，为使得开发的三维反演程序具有更好的实用性，本项目进一步研究了飞行姿态变化情况下的航空电磁正演数值计算方法。在完成项目所有研究计划的基础上，我们进一步开发了各向异性介质中航空电磁三维正反演软件来研究各向异性条件下航空电磁的响应特征与各向异性对反演的影响。. 通过对国际上几种主流航空电磁系统的正演模拟和理论数据的反演，本项目开发的三维航空电磁正反演程序的精度和正确性得到了验证。在实测频率域和时间域航空电磁数据的反演中，数据拟合差均下降到较低水平，反演结果与地质情况对应较好，进一步说明本项目研究的算法和开发的反演程序具有一定的实用性，能够胜任实测大数据量航空电磁的反演任务。