复杂介质中时间域航空电磁系统仿真与数据反演研究

Time-domain (TD) airborne EM (AEM) has been widely used in minearl exploration,ground water,environmental and engineering purposes. However, AEM data interpretation mainly relies on the imaging and 1D inversions. This cannot satisfy the requirements of high-precsion of geological interpretation. For solving this problem, we propose the 3D modeling and inversion of time-domain AEM data based on complex models. We try to build a paltform for model establishment, forward modeling, inversion, and visualisation. We will use finite-element technology based on unstructural grids for TD AEM modeling for complex geologies, including topography and electrical anisotropy. We try to speed up the modeling process by backward Eular discretization, model division, multi-frontal factorization solution, etc. For inversion, we use reciprocity relationship，reorganizing matrix elements, etc. Then, we build the equations based on EM footprint and solve them by conjugate-gradient (CG) algorithm. We will assembly these processes by incooperating them into a visualized platform for 3D time-domain AEM modeling and inversions. The accomplishment of this project will serve the AEM technology and application by enchancing the data processing and interpretation.

航空电磁在我国矿产、地下水、环境工程领域发挥越来越重要作用。然而，目前其解释手段仍局限于成像和一维反演，远不能满足我国高精度地质解释的需求。本项目针对这一现状提出复杂介质中三维时域航空电磁系统仿真和数据反演研究，建立时域航空电磁仿真与数据解释视窗化平台。本项目拟采用基于非结构网格有限元技术，实现高精度起伏地表及各向异性等复杂地电条件下时间域航空电磁正演，并结合后推欧拉法离散、模型分区及多波前直接求解等高端技术提高正演速度；反演方面拟采用模型分区、互换关系及矩阵元素重组等技术实现灵敏度矩阵快速计算，然后基于“footprint”概念将其稀疏化后压缩存储并以此构建反演方程，利用共轭梯度法求解反演问题；最后通过建立人机交互式建模、视窗化算法和图形界面，实现时域航空电磁三维可视化正演模拟和反演解释。本项目建立的航空电磁仿真与反演解释平台对提高我国航空电磁解释水平有重要理论和实用价值。

本项目面向我国能源和矿产资源“攻深找盲”的重大战略需求，针对航空电磁数据精细化解释的技术瓶颈问题，开展复杂介质中时间域航空电磁系统三维仿真与数据反演研究。首次将非结构有限元技术应用于航空电磁正反演模拟，解决了起伏地表和地下复杂异常体的精细刻画问题，进而通过利用电磁系统footprint生成局部网格，并结合自适应加密技术、后退欧拉时间离散、伴随正演和灵敏度重组、基于多波前直接求解、基于GN方法的三维高精度和高效反演技术等，实现了航空电磁大数据量的实用化三维反演。本项目首次建立起一套适用于起伏地形、各向异性、大尺度、复杂地质结构模型的时间域航空电磁三维正反演算法理论和技术，研发了可视化软件平台。大量模型试算表明这些算法和软件平台稳定可靠，可进行实测资料处理解释。这套三维正反演理论具有很强的普适性，可用于各类时间域航空电磁系统的观测数据解释。同时，这些正反演理论和算法还可被应用于地面、井中、海洋等电磁勘查数据的反演解释。本项目的研究成果很大程度改变了航空电磁数据只进行成像或简单模型反演的现状，开创了电磁数据反演解释的新局面。可以预期，本项目研发的实用化三维电磁正反演技术必将在我国广大西部地区的能源资源、地下水和地热、环境和工程调查、灾害预测、铁路工程等领域发挥重要作用。最后，本项目在实施过程中还培养了一大批优秀青年学者和研究生，为我国航空电磁探测技术发展注入新的动力。