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內容簡介

地球物理學方法研究地球內部不同物理場的性質，電磁場是廣泛應用和研究的物理場之一。在本書中，作者嚮讀者介紹電磁場基本理論及電磁勘探新研究成果。全書共分為四部分，分彆為電磁場基本理論、電磁場基本方程、電磁反演與偏移成像、電磁勘探方法技術。

目錄

目錄
作者序言
譯者自序
IntroductiontoChineseEdition
第部分場論介紹
第1章矢量場的微分理論和微分形式3
I.I場理論基本微分關係3
1.1.1物理場的概念3
1.1.2嚮量的點乘（標量）和叉乘（矢量）5
1.1.3矢量微分算子6
1.1.4矢量場和標量場積的微分9
1.2場積分關係基本理論9
1.2.1場的能流密度和通量的概念9
1.2.2高斯定理及對應的矢量公式1l
1.2.3斯托剋斯定理及對應的矢量公式12
1.2.4格林公式13
1.3場理論微分形式14
1.3.1微分形式的概念14
1.3.2綫性形式的外積（楔積）運算l7
1.3.3三維歐氏空間中微分的規範錶達18
1.3.4外導數19
參考和推薦閱讀文獻21
第2章場論基礎22
2.1場的産生22
2.1.1調和函數和劉維爾定理22
2.1.2標量場和矢量場的唯性判定24
2.1.3場産生的條件25
2.1.4場源及其物理意義26
2.1.5渦流場及其物理意義28
2.1.6源場和渦流場30
2.2穩態場方程及其解31
2.2.1標量場和矢量場的泊鬆方程31
2.2.2點源和狄拉剋函數32
2.2.3拉普拉斯方程的基本格林函數33
2.3穩態場的標量位和矢量位35
2.3.1源場的標量勢35
2.3.2渦流場的矢量勢36
2.3.3亥姆霍茲定理及矢量場的分類37
2.4時變場及其微分形式39
2.4.1四維空間中的時變矢量場及其微分形式39
2.4.2微分形式方程40
2.4.3安培微分形式42
2.4.4法拉第微分形式和四元勢43
2.4.5時變矢量場方程44
參考和推薦閱讀文獻44
第二部分電磁場理論基礎
第3章電磁場方程47
3.1麥剋斯韋方程及邊界條件48
3.1.1電磁場基本方程48
3.1.2麥剋斯韋方程的物理意義50
3.1.3矢量場的邊界條件55
3.1.4均勻介質中的場58
3.2時諧電磁場59
3.3電磁場能量及坡印亭定理6l
3.3.1輻射條件61
3.3.2時域坡印亭定理62
3.3.3時域能量不等式63
3.3.4頻域坡印亭定理64
3.4電磁場的格林張量66
3.4.1頻域格林張量66
3.4.2時域格林張量67
3.5互易關係68
3.5.1洛倫茲定理68
3.5.2格林張量互易關係和電磁場69
3.5.3電磁場的格林張量定理70
參考和推薦閱讀文獻72
第4章大地中的電磁感應模型74
4.1電磁場模型74
4.2穩定電磁場75
4.2.1靜電場與靜電位75
4.2.2靜電位的邊界條件77
4.2.3特定電荷分布的靜電場計算78
4.2.4穩定電流場與靜電場的類比79
4.2.5直流、穩定磁場和畢奧薩伐爾定理81
4.2.6均勻大地的點源和偶極子源83
4.2.7各嚮異性大地中的直流電位87
4.3導電介質中的擴散電磁場90
4.3.1單頻準靜態電磁場90
4.3.2均勻介質中的平麵電磁波92
4.3.3電磁位96
4.3.4均勻介質中電偶極源的準靜態場98
4.3.5球麵電磁波100
4.4電磁波103
參考和推薦閱讀文獻104
第5章水平層狀介質中的電磁場105
5.1層狀大地中傳播的平麵波105
5.1.1水平層狀介質中的平麵電磁波105
5.1.2波阻抗的低頻特性1l0
5.1.3頻率窗的定義112
5.2水平層狀介質中電磁場計算的波譜法113
5.2.1空間域的傅裏葉變換114
5.2.2水平層狀介質中的點源直流場116
5.2.3層狀大地中的點源電場124
5.2.4水平層狀介質中的電偶源直流場126
5.2.5基於漢剋爾變換的水平層狀介質中的電場錶達式127
5.3磁層源在水平均勻介質中産生的電磁場129
5.3.1水平層狀介質中的波數域電磁場130
5.3.2阻抗比的裏普斯卡亞萬晏公式132
5.3.3水平均勻大地中電場的水平極化和簡化的空間波數譜l33
5.4層狀大地中電偶源和磁偶源産生的電磁場135
5.4.1水平電偶源在水平層狀介質錶麵産生的頻率域電磁場136
5.4.2水平電偶源在均勻半空間錶麵産生的電磁場140
5.4.3垂直磁偶源在水平層狀大地錶麵上方産生的頻域電磁場142
5.4.4垂直磁偶源在均勻半空間錶麵産生的磁場144
5.4.5近區場和遠區場145
5.4.6計算瞬變電磁場的頻率域方法147
5.4.7偶極源在均勻半空間內及其錶麵産生的近區和遠區瞬變電磁場149
參考和推薦閱讀文獻156
第6章非均勻介質中的電磁場157
6.1積分方程法157
6.1.1電磁場的正常（背景）場和異常場l57
6.1.2異常場的坡印亭定理和能量不等式158
6.1.3二維積分方程法159
6.1.4二維模型電磁場次變分（弗雷謝導數）的計算l6l
6.1.5三維積分方程法163
6.1.6三維模型電磁場次變分（弗雷謝導數）的計算l64
6.2背景電導率不均勻模型中的積分方程法166
6.2.1非均勻背景電導率模型167
6.2.2不均勻背景電導率的積分方程法的誤差控製169
6.3電磁場的綫性和非綫性積分近似法17l
6.3.1玻恩和改進玻恩近似172
6.3.2準綫性近似和張量準綫性方程172
6.3.3使用多重網格方法的準綫性近似173
6.3.4三維電磁場的準解析解174
6.3.5背景電導率變化模型的準解析近似176
6.3.6二維電磁場的準解析解178
6.3.7局部非綫性近似179
6.3.8局部準綫性近似180
6.4差分方程法182
6.4.1場有程和邊界條件182
6.4.2電磁位方程和邊界條件185
6.4.3邊值問題的差分近似l86
6.4.4麥剋斯韋方程組的交錯網格離散化186
6.4.5二階差分方程的平衡法離散化189
6.4.6電磁位微分方程的離散化193
6.4.7邊值問題的有限元解法195
參考和推薦閱讀文獻197
第三部分電磁場數據反演成像
第7章求解不適定反問題的原理205
7.1不適定反問題205
7.1.1適定問題與不適定問題的錶述205
7.1.2正確子集206
7.1.3不適定問題的近似解206
7.2正則化理論基礎207
7.2.1失配泛函的定義207
7.2.2正則化算子210
7.2.3穩定泛函210
7.2.4吉洪諾夫參數泛函214
7.3正則化參數215
7.3.1正則化參數選擇吉洪諾夫方法215
7.3.2正則化參數選擇L麯綫方法217
參考和推薦閱讀文獻218
第8章電磁反演220
8.1綫性反演220
8.1.1玻恩反演220
8.1.2離散綫性電磁(EM)反問題221
8.1.3綫性反演的吉洪諾夫正則化方法222
8.1.4模型參數和數據的加權矩陣定義223
8.1.5綫性反問題的近似正則解225
8.1.6勒文伯格馬奎特方法226
8.1.7玻恩近似的電導率散射成像227
8.1.8迭代玻恩反演230
8.2非綫性反演231
8.2.1非綫性EM反問題的錶述231
8.2.2非綫性離散EM反問題的正則解231
8.2.3非綫性正則化最小二乘反演的最速下降法232
8.2.4非綫性正則化最小二乘反演的牛頓法233
8.2.5非綫性正則化最小二乘反演的牛頓法的數值算法234
8.2.6采用共軛梯度法的非綫性最小二乘反演234
8.2.7非綫性最小=乘反演正則化共軛梯度法的數值算法235
8.2.8弗雷謝導數計算236
8.3準綫性反演238
8.3.1準綫性反演的原理238
8.3.2局部準綫性反演238
8.4準解析反演239
8.4.1弗雷謝導數計算239
8.4.2基於準解析方法的反演240
參考和推薦閱讀文獻240
第9章電磁偏移242
9.1時域電磁偏移242
9.1.1電磁偏移的物理定律243
9.1.2均勻背景電導率模型中的偏移243
9.1.3積分變換偏移法244
9.2解析延拓及（kω）域內的偏移245
9.2.1電磁場解析延拓245
9.2.2基於譜變換的偏移246
9.2.3偏移算子的捲積形式248
9.2.4電磁偏移的數字濾波器249
9.2.5數字濾波器的譜特性250
9.3有限差分偏移252
9.3.1二維有限差分偏移252
9.3.2三維電磁場的有限差分偏移255
9.4地電構造的頻域和時域偏移可視化2,57
9.4.1頻域的偏移成像條件257
9.4.2時間域偏移成像條件259
9.5偏移與反演的比較260
9.5.1反演問題的公式260
9.5.2偏移異常場的基本概念260
9.5.,3般偏移成像條件261
9.5.4正則化迭代偏移264
參考和推薦閱讀文獻266
第四部分地球物理電磁法
第10章岩石和礦物的電磁性質271
10.1物性和單位271
10.1.1電導率和電阻率271
10.1.2介電常數272
10.1.3磁導率273
10.1.4波數274
10.2參數特性275
10.2.1岩石及造岩礦物的性質27,5
10.2.2激發極化280
10.2.3造岩礦物的介電性287
10.2.4礦物的磁性290
10.3不均勻多相岩石的有效電導292
10.3.1圍岩中的導電礦物292
10.3.2有效介質理論的基本原理293
10.3.,3不均勻介質的有效電導率297
10.4地電特性的顯示方式298
10.4.1地電結構和地電剖麵的概念298
10.4.2水平層狀地電斷麵的縱嚮電導和橫嚮電阻299
10.5大尺度地電結構的特性301
10.5.1地電精細結構和宏觀結構301
10.5.2海洋302
10.5.3大氣303
參考和推薦閱讀文獻304
第11章應用地球物理中電磁場的激發與測量306
11.1電磁場的産生306
II.l.I電磁場源306
11.1.2電纜308
11.1.3接地結構309
11.2電場和磁場的測量312
11.2.1電壓、位勢和電場312
11.2.2磁場的測量317
11.3數據處理326
11.3.1取樣時間326
11.3.2模數轉換327
11.3.3濾波328
11.3.4疊加332
11.3.5反褶積333
參考和推薦閱讀文獻335
第12章直流電法與激發極化法336
12.1垂直電測深和視電阻率337
12.1.1垂直電測深技術337
12.1.2三極排列343
12.1.3偶極測深344
12.2激發極化法347
12.2.1激發極化現象347
12.2.2頻率域和時間域激發極化法348
12.2.3美國西南部典型斑岩銅礦的電阻率/IP模型350
12.3IP現象的物理和數學模型303
12.3.1基於有效媒質理論的激發極化現象353
12.3.2各嚮異性極化介質的有效電導率357
12.3.,3有效電導率的自相容近似358
12.3.4IP數據的各嚮異性效應359
12.3.5基本IP模型：各嚮同性多相均勻介質中球體模型的有效電導率360
12.4基於柯爾柯爾模型的IP數據非綫性正則化反演363
12.4.1基於LQL逼近法的激發極化正演模擬363
12.4.2基於LQL法的IP反演364
12.4.3物質特性方程的正則化解365
12.4.4IP數據定量解釋的展望368
參考和推薦閱讀文獻368
第13章大地電磁和大地磁變法373
13.1天然源産生的地球電磁場373
13.1.1平靜期的磁場變化375
13.1.2微脈動376
13.1.3磁暴378
13.1.4亞磁暴379
13.2大地電磁場吉洪諾夫卡尼亞模型379
13.2.1吉洪諾夫卡尼亞模型379
13.2.2視電阻率和測深的概念379
13.2.3大地電磁測深麯綫和真實維電阻率模型的關係380
13.3大地電磁和磁變轉換函數387
13.3.1大地電磁的算子：阻抗和導納大地電場與磁場388
13.3.2感應矢量和電磁場傾子390
13.3.3大地電磁阻抗的波譜39l
13.4水平不均勻介質的大地電磁場394
13.4.1電磁場的外部場和內部場以及正常場和異常場的概念394
13.4.2異常電磁場及其分類396
13.4.,3二維不均勻介質中的場以及E、H極化的概念396
13.5大地電磁和磁變勘查398
13.,5.1MTSMTP和TCM方法398
13.5.2MVS和MVP測深方法400
13.5.3CGDS測量方注400
13.6MT和MV數據的處理和分析401
13.6.1最小二乘法401
13.6.2遠參考方法407
13.6.3大地電磁矩陣和感應矩陣的robust估計408
13.6.4大地電磁和感應矩陣的圖像錶示法411
13.7MT數據的維解釋413
13.7.1分析畸變MTS麯綫414
13.7.2快速直接的MTS分析418
13.7.3維模型MTS麯綫的定量解釋420
13.8MVP和GDS數據的解釋421
13.8.1將場分離成內部場和外部場422
13.8.2將場分為正常場和異常場425
13.9基於綫性和準綫性逼近的快速三維大地電磁反演42,5
13.9.l大地電磁數據的迭代玻恩反演426
13.9.2基於準分析法的MT反演427
13.9.3MT數據的正則化平滑反演和正則化聚焦反演429
13.9.4二次加權正則化反演的原理429
13.9.5最小支撐非綫性參數化431
13.9.6實例研究1：沃伊西海灣的MT數據反演434
13.9.7實例研究2：在加拿大安大略省由鳳凰地球物理公司獲取的MT數據的三維反演435
13.10嚴格的三維大地電磁反演438
13.10.1MT全阻抗張量的吉洪諾夫正則化反演439
13.10.2弗雷謝算子及其與兩個阻抗分量的聯閤反演439
13.10.3大地電磁全阻抗張量反演的弗雷謝算子440
13.10.4利用可變背景場的準解析近似計算弗雷謝導數443
參考和推薦閱讀文獻444
第14章頻率域和時間域電磁法448
14.1頻率域和時間域電磁測深448
14.1.1耦閤效應450
14.1.2頻率域電磁測深理論麯綫454
14.1.3時間域電磁測深456
14.1.4時間域電磁測深麯綫特徵463
14.2用“薄層法”進行時間域電磁法數據解釋466
14.2.1橫嚮電導變化的普利司什恩曼和吉洪諾夫德米特裏耶夫薄膜模型466
14.2.2導電薄層上垂直磁偶極子的瞬變電磁場468
14.2.,3S辰演法472
14.3電磁剖麵和陣列式探測474
14.3.1雙迴綫式電磁剖麵474
14.3.2大定源式電磁剖麵474
14.3.3瞬變電磁技術：UTEMLOTEM和MTEM474
參考和推薦閱讀文獻475
第15章海洋電磁法478
15.1海洋大地電磁法478
15.1.1海底電磁法裝備的主要特徵478
15.1.2陸地和海底電磁異常比較481
15.1.,3實例：海洋大地電磁法在墨西哥灣的應用481
15.2海洋可控源電磁法484
15.2.1淺水域電法勘探484
15.2.2深海電法勘探486
15.2.3海洋可控源電磁法在石油資源勘探中的應用489
15.2.4海洋可控源電磁法數據解釋492
15.2.5實例：珠魯天然氣省MCSEM數據的迭代偏移499
參考和推薦閱讀文獻,501
第16章其他方法和平颱介紹505
16.1航空電磁法505
16.1.1頻率域航空電磁探測506
16.1.2航空瞬變電磁係統515
16.1.,3航空瞬變電磁遠區場法516
16.2探地雷達518
16.3井下輔助方法,523
16.3.1井下地麵技術523
16.3.2井間電磁成像525
16.4其他電磁法530
16.4.1壓電法530
16.4.2自然極化法532
參考和推薦閱讀文獻533
附錄A代數微分形式537
A.1三維空間中的微分形式537
A.1.112,形式537
A.1.2微分形式的外積538
A1.3微分形式的基539
A.2多維空間中的微分形式542
A.2.1歐幾裏得空間542
A.2.2歐幾裏得空間E中的微分形式543
A2.3閔可夫斯基空間M4中的微分形式544
附錄B微分形式的運算547
B.1微分形式的外微分547
B.1.1多維空間En中的外徽分形式運算547
B.1.2四維空間M4中的外微分算子549
B2微分形式的積分551
B.2.1三維空間E3551
B.2.2超三維空間553
附錄C數學符號554
附錄D場和單位的定義556
附錄E綫性算子及其矩陣558

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