基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论研究

经典瞬变电磁理论将磁性源和电性源看做偶极子，利用恒定电流场的磁偶极子或电偶极子公式，通过比拟得到谐变场的频域表达式；对于大定源回线和长接地导线源，以偶极子为基本微元，做回线面积分或沿回线、长直导线做线积分，再经频域到时域的变换得到解析公式。这种基于偶极子的理论公式在瞬变电磁法的发展上起到了重要作用，但还不能完全反映场的特性，不能适应精确勘探的需要。本课题以时变点电荷为基本微元，不再经过Fourier或Laplace变换，直接在时间域中推导层状介质表面上大回线源和长接地导线源的瞬变电磁场解析式，研究时变点电荷载流微元的处理、时域辅助函数的选取、含特殊函数积分算法，分析瞬变场在典型地层和不同场区情况下的响应特征等。研究成果将突破长期沿用的偶极子理论，用真正的微元代替偶极子微元，减小非偶极子和时域频域转换误差，以便更好地反映全场区的电磁特性，为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供理论基础。

虽然瞬变电磁近年来得到快速发展，但瞬变电磁法探测精度依然没有得到较大的改善，对地下横向异常的分辨能力较差，探测深度依然有限，没有形成独特的瞬变电磁理论方法体系，困扰这一方法发展理论上的核心问题主要是精确解问题。经典电磁理论利用偶极子微元和频时变换进行瞬变电磁场的求解。对于宏观电磁场来说，基于偶极子得到的场方程是精确的。但是，分子水平上的偶极子，与同样属于宏观电磁场的偶极子源和回线源有本质上的区别。同时，频时变换的方法往往只对有限的接收点有效，目前，还没有一种方法可以实现在大量接收点进行精确的频时变换。另外，以往经由频域到时域的转换，可能会掩盖时域场最本质的属性—因果律。因此，频域场的理论和方法对于瞬态场的研究并不总是有效的,寻找有效的直接时域方法成为必然趋势。. 针对前面分析的基于偶极子微元的瞬变电磁场解析问题，首先分析偶极子近似引起的相对误差，并进一步提出基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁研究思路。从真正的基本微元出发，以时变点电荷代替以往的偶极子近似，并且不再经过傅立叶或拉普拉斯变换，直接求解时域瞬变场，提高了瞬变场的计算精度，为进一步提升瞬变电磁的勘探精度打下坚实的理论基础。. 在国家自然科学基金面上项目支持下，中国科学院地质与地球物理研究所和江苏大学等单位，系统地开展了基于点电荷载流微元的瞬变电磁直接时域求解的研究，在典型地区进行对比实验，并进一步验证结果的可靠性。获得授权发明专利1项，专著1部，发表文章28篇。取得如下几个方面的研究成果：.1）对传统的偶极子源响应进行总结，指出存在的问题；.2）分析经典频时变换的求解方式及存在的问题；.3）提出点电荷载流微元直接时域求解方式；.4）给出基于点电荷的大尺度源的响应求解方式；.5）基于直接时域点电荷载流微元响应，给出视电阻率的反演方法，并将该方法用于野外实践中，取得理想的探测效果。