摘要
电磁勘探以地下异常体与围岩的电性或磁性差异为基础，通过分析接收电磁场实现有效揭示地下目标体这一目的，在资源与能源勘探中扮演了关键角色。长导线源距瞬变电磁法作为现如今重要的电磁勘探手段之一，其利用长导线发射阶跃、脉冲等形式电流，测量一次电磁场关断后的纯二次场，具有对低阻体敏感、适用性广泛、抗干扰能力强等特点。此外，长导线源能够承受较大的发射功率，捕捉信号也更加容易。因此，其被广泛应用于非常规油气矿产及地热资源勘查等领域，有助于勘探人员精准识别地下目标体的位置、形态和性质，为资源勘探和开发提供重要信息支持。20世纪80年代以来，学者们发现激电(Induced Polarization,IP)效应的存在使得采集信号出现与理论衰减趋势不符的现象，这对对数据处理及后续反演解释有着重大影响，这表明了对地下极化体的激电效应的研究亟为重要。然而传统的时域电磁方法通常在数据正反演中忽略这一现象，导致数据处理和反演的结果与实际地质情况产生偏差。因此，开展在复杂介质中考虑极化体激电效应的三维正演模拟可以为减小相关误差提供一定的理论支持。 本文在基于时域谱元法的瞬变电磁正演模拟中引入了特定电导率频散公式。作为由有限元与谱方法衍生出的正演模拟方法，谱元法因其采用了与有限元相同的网格剖分形式以及与谱方法相同的高阶插值基函数，因此同时具有有限元对复杂地质模型模拟的灵活性以及谱方法的高阶收敛性，表现出高精度和高效率的特点。首先，从时间域Maxwell方程组出发推导二次场满足的Helmholtz方程，通过欧姆定律微分形式将带有极化信息的Debye模型引入到正演模拟中推导考虑激电效应的时间域电场边值问题，对每一时刻的控制方程都采用以Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式为基函数的谱元法进行离散获得谱元离散方程。然后，根据二阶后退欧拉公式进行方程时间离散并利用Pardiso直接求解器求解大型线性方程组。最后，根据谱元插值和数值积分求解任意时间道的电磁响应，进而实现考虑激电效应的瞬变电磁时域三维正演。 为验证两种算法的正确性，本文分别设置了几种简单正演模型，通过将一维地电模型计算结果与相应一维解析解进行对比验证，确保了两种算法计算结果的准确性。在此基础上，讨论了不同阶数谱元基函数对计算精度的影响并总结了不同激电参数对电场Ex分量的影响规律。随后对地下非极化异常体以及极化异常体展开了三位正演模拟，分析讨论了电场分量在不同介质中的扩散能力以及对不同异常体的识别效果。此外，利用考虑激电效应的基于时域谱元法的三维正演模拟算法对含气性不同的致密砂岩储层以及页岩气储层压裂后的压裂范围与效果进行了相关正演，结果也表明了该算法在致密砂岩含气性检测以及多段水力压裂监测中的有效性和可行性。
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