地球物理三维电磁反演方法研究学术资讯

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地球物理电磁数据三维反演具有非线性、欠定和大尺度等特点，是非常难求解的最优化问题。过去二十年里，随着数值方法不断成熟和计算设备快速发展，地球物理电磁三维反演技术取得了巨大进步，多个基于正则化思想的三维电磁反演代码被成功开发并广泛应用于生产和科学研究。电磁数据三维反演主要围绕高精度三维正演技术、高效方程求解技术、正则化方法、最优化方法、联合反演、各向异性反演等核心技术向前发展。

电磁三维反演目前已实现从无到有的转变，研发的各种软件已初步具备数据处理与解释功能。然而，受计算条件、软件复杂性以及面积性三维数据采集难度等因素的影响，三维反演实用化程度仍然较低，没有成为常规的数据处理技术。电磁三维反演未来发展方向主要包括：

1. 解决大尺度模型的高效正演问题。高效和高精度三维正演是反演的基础和前提。目前的三维反演模型单元剖分一般是百万级以下，难以对地下介质的电性分布进行精细刻画，因此研发适用于千万级及以上的高效正演模拟技术、网格优化策略及快速求解方法是当前电磁领域的首要任务。

2. 基于人工智能技术的快速三维反演。深度学习及神经网络等人工智能方法可构建数据之间的非线性关系，完成数据至模型的快速映射，进而实现电磁数据快速成像，服务于诸如油井开采、注水压裂监控、地下工程稳定性、灾害监测等领域。虽然此类成像结果存在不同程度的近似性，但可用于构建较准确的三维反演初始模型，改善三维电磁反演收敛性和多解性。该项技术的难点在于如何构建庞大的训练集及如何使训练的网络模型具有普适性。

3. 基于压缩感知理论的随机采样正反演方法。电磁勘探具有很强的体积效应，数据在时、空上具有光滑连续变化特征，适合进行压缩感知。基于此思想，首先对实测电磁数据进行随机欠采样，完成响应计算和灵敏度计算，后进行全部测点信息重构，进而减少反演中的正演次数，提高反演效率。近年随机优化方法的发展进一步丰富了该项研究内容。然而，如何设计合适的随机采样函数和采样方法以提高反演精度和加速计算速度是该项技术中需要解决的技术难点。

4. 电磁数据三维各向异性反演。各向异性一直是电磁领域的研究热点，但进展缓慢。常规算法仅能进行三轴各向异性模型反演，难以满足实际地球深部结构构造研究的需要，因此亟需开展任意各向异性模型响应特征识别和三维电磁反演研究。

5. 瞬变电磁激发极化数据三维反演技术。在瞬变电磁测量过程中，激发极化效应会造成响应的快速衰减甚至变号。由于激发极化效应耦合在多个时间道电磁信号中，无法利用数学工具进行有效分离，因此常规的反演技术无法实现此类电磁数据反演，亟需研发相应的激电多参数反演技术。同时，激发极化部分模型参数具有很强的非线性和非唯一性，如何通过反演获取真实激电参数是具有挑战性的优化问题。

6. 基于多信息融合的三维反演技术。电磁法本身分辨率有限，如何利用正则化及相关技术引入先验信息实现地下结构的高精度成像是未来电磁法重要的发展方向之一。目前主流的方法是联合反演技术，其可综合多种探测数据的优势实现地下结构的精确成像。电磁数据与其它地球物理数据联合反演的技术难点在于如何耦合不同方法的计算网格以及如何实现合理的结构相似性约束。

电磁数据的三维反演研究正处于快速发展期，各种数值模拟及图像和信号处理技术进步为三维电磁反演的发展提供了多种可能的途径。可以预期：在不久的将来，三维电磁反演将迅速地发展成为实用化的电磁勘探数据处理与解释工具。

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/wRLb-tw1mORyocy1PpZ5UQ 中国科学地球科学

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