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内容简介

地球物理学方法研究地球内部不同物理场的性质，电磁场是广泛应用和研究的物理场之一。在本书中，作者向读者介绍电磁场基本理论及电磁勘探新研究成果。全书共分为四部分，分别为电磁场基本理论、电磁场基本方程、电磁反演与偏移成像、电磁勘探方法技术。

目录

目录
作者序言
译者自序
IntroductiontoChineseEdition
第部分场论介绍
第1章矢量场的微分理论和微分形式3
I.I场理论基本微分关系3
1.1.1物理场的概念3
1.1.2向量的点乘（标量）和叉乘（矢量）5
1.1.3矢量微分算子6
1.1.4矢量场和标量场积的微分9
1.2场积分关系基本理论9
1.2.1场的能流密度和通量的概念9
1.2.2高斯定理及对应的矢量公式1l
1.2.3斯托克斯定理及对应的矢量公式12
1.2.4格林公式13
1.3场理论微分形式14
1.3.1微分形式的概念14
1.3.2线性形式的外积（楔积）运算l7
1.3.3三维欧氏空间中微分的规范表达18
1.3.4外导数19
参考和推荐阅读文献21
第2章场论基础22
2.1场的产生22
2.1.1调和函数和刘维尔定理22
2.1.2标量场和矢量场的唯性判定24
2.1.3场产生的条件25
2.1.4场源及其物理意义26
2.1.5涡流场及其物理意义28
2.1.6源场和涡流场30
2.2稳态场方程及其解31
2.2.1标量场和矢量场的泊松方程31
2.2.2点源和狄拉克函数32
2.2.3拉普拉斯方程的基本格林函数33
2.3稳态场的标量位和矢量位35
2.3.1源场的标量势35
2.3.2涡流场的矢量势36
2.3.3亥姆霍兹定理及矢量场的分类37
2.4时变场及其微分形式39
2.4.1四维空间中的时变矢量场及其微分形式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势43
2.4.5时变矢量场方程44
参考和推荐阅读文献44
第二部分电磁场理论基础
第3章电磁场方程47
3.1麦克斯韦方程及边界条件48
3.1.1电磁场基本方程48
3.1.2麦克斯韦方程的物理意义50
3.1.3矢量场的边界条件55
3.1.4均匀介质中的场58
3.2时谐电磁场59
3.3电磁场能量及坡印亭定理6l
3.3.1辐射条件61
3.3.2时域坡印亭定理62
3.3.3时域能量不等式63
3.3.4频域坡印亭定理64
3.4电磁场的格林张量66
3.4.1频域格林张量66
3.4.2时域格林张量67
3.5互易关系68
3.5.1洛伦兹定理68
3.5.2格林张量互易关系和电磁场69
3.5.3电磁场的格林张量定理70
参考和推荐阅读文献72
第4章大地中的电磁感应模型74
4.1电磁场模型74
4.2稳定电磁场75
4.2.1静电场与静电位75
4.2.2静电位的边界条件77
4.2.3特定电荷分布的静电场计算78
4.2.4稳定电流场与静电场的类比79
4.2.5直流、稳定磁场和毕奥萨伐尔定理81
4.2.6均匀大地的点源和偶极子源83
4.2.7各向异性大地中的直流电位87
4.3导电介质中的扩散电磁场90
4.3.1单频准静态电磁场90
4.3.2均匀介质中的平面电磁波92
4.3.3电磁位96
4.3.4均匀介质中电偶极源的准静态场98
4.3.5球面电磁波100
4.4电磁波103
参考和推荐阅读文献104
第5章水平层状介质中的电磁场105
5.1层状大地中传播的平面波105
5.1.1水平层状介质中的平面电磁波105
5.1.2波阻抗的低频特性1l0
5.1.3频率窗的定义112
5.2水平层状介质中电磁场计算的波谱法113
5.2.1空间域的傅里叶变换114
5.2.2水平层状介质中的点源直流场116
5.2.3层状大地中的点源电场124
5.2.4水平层状介质中的电偶源直流场126
5.2.5基于汉克尔变换的水平层状介质中的电场表达式127
5.3磁层源在水平均匀介质中产生的电磁场129
5.3.1水平层状介质中的波数域电磁场130
5.3.2阻抗比的里普斯卡亚万晏公式132
5.3.3水平均匀大地中电场的水平极化和简化的空间波数谱l33
5.4层状大地中电偶源和磁偶源产生的电磁场135
5.4.1水平电偶源在水平层状介质表面产生的频率域电磁场136
5.4.2水平电偶源在均匀半空间表面产生的电磁场140
5.4.3垂直磁偶源在水平层状大地表面上方产生的频域电磁场142
5.4.4垂直磁偶源在均匀半空间表面产生的磁场144
5.4.5近区场和远区场145
5.4.6计算瞬变电磁场的频率域方法147
5.4.7偶极源在均匀半空间内及其表面产生的近区和远区瞬变电磁场149
参考和推荐阅读文献156
第6章非均匀介质中的电磁场157
6.1积分方程法157
6.1.1电磁场的正常（背景）场和异常场l57
6.1.2异常场的坡印亭定理和能量不等式158
6.1.3二维积分方程法159
6.1.4二维模型电磁场次变分（弗雷谢导数）的计算l6l
6.1.5三维积分方程法163
6.1.6三维模型电磁场次变分（弗雷谢导数）的计算l64
6.2背景电导率不均匀模型中的积分方程法166
6.2.1非均匀背景电导率模型167
6.2.2不均匀背景电导率的积分方程法的误差控制169
6.3电磁场的线性和非线性积分近似法17l
6.3.1玻恩和改进玻恩近似172
6.3.2准线性近似和张量准线性方程172
6.3.3使用多重网格方法的准线性近似173
6.3.4三维电磁场的准解析解174
6.3.5背景电导率变化模型的准解析近似176
6.3.6二维电磁场的准解析解178
6.3.7局部非线性近似179
6.3.8局部准线性近似180
6.4差分方程法182
6.4.1场有程和边界条件182
6.4.2电磁位方程和边界条件185
6.4.3边值问题的差分近似l86
6.4.4麦克斯韦方程组的交错网格离散化186
6.4.5二阶差分方程的平衡法离散化189
6.4.6电磁位微分方程的离散化193
6.4.7边值问题的有限元解法195
参考和推荐阅读文献197
第三部分电磁场数据反演成像
第7章求解不适定反问题的原理205
7.1不适定反问题205
7.1.1适定问题与不适定问题的表述205
7.1.2正确子集206
7.1.3不适定问题的近似解206
7.2正则化理论基础207
7.2.1失配泛函的定义207
7.2.2正则化算子210
7.2.3稳定泛函210
7.2.4吉洪诺夫参数泛函214
7.3正则化参数215
7.3.1正则化参数选择吉洪诺夫方法215
7.3.2正则化参数选择L曲线方法217
参考和推荐阅读文献218
第8章电磁反演220
8.1线性反演220
8.1.1玻恩反演220
8.1.2离散线性电磁(EM)反问题221
8.1.3线性反演的吉洪诺夫正则化方法222
8.1.4模型参数和数据的加权矩阵定义223
8.1.5线性反问题的近似正则解225
8.1.6勒文伯格马奎特方法226
8.1.7玻恩近似的电导率散射成像227
8.1.8迭代玻恩反演230
8.2非线性反演231
8.2.1非线性EM反问题的表述231
8.2.2非线性离散EM反问题的正则解231
8.2.3非线性正则化最小二乘反演的最速下降法232
8.2.4非线性正则化最小二乘反演的牛顿法233
8.2.5非线性正则化最小二乘反演的牛顿法的数值算法234
8.2.6采用共轭梯度法的非线性最小二乘反演234
8.2.7非线性最小=乘反演正则化共轭梯度法的数值算法235
8.2.8弗雷谢导数计算236
8.3准线性反演238
8.3.1准线性反演的原理238
8.3.2局部准线性反演238
8.4准解析反演239
8.4.1弗雷谢导数计算239
8.4.2基于准解析方法的反演240
参考和推荐阅读文献240
第9章电磁偏移242
9.1时域电磁偏移242
9.1.1电磁偏移的物理定律243
9.1.2均匀背景电导率模型中的偏移243
9.1.3积分变换偏移法244
9.2解析延拓及（kω）域内的偏移245
9.2.1电磁场解析延拓245
9.2.2基于谱变换的偏移246
9.2.3偏移算子的卷积形式248
9.2.4电磁偏移的数字滤波器249
9.2.5数字滤波器的谱特性250
9.3有限差分偏移252
9.3.1二维有限差分偏移252
9.3.2三维电磁场的有限差分偏移255
9.4地电构造的频域和时域偏移可视化2,57
9.4.1频域的偏移成像条件257
9.4.2时间域偏移成像条件259
9.5偏移与反演的比较260
9.5.1反演问题的公式260
9.5.2偏移异常场的基本概念260
9.5.,3般偏移成像条件261
9.5.4正则化迭代偏移264
参考和推荐阅读文献266
第四部分地球物理电磁法
第10章岩石和矿物的电磁性质271
10.1物性和单位271
10.1.1电导率和电阻率271
10.1.2介电常数272
10.1.3磁导率273
10.1.4波数274
10.2参数特性275
10.2.1岩石及造岩矿物的性质27,5
10.2.2激发极化280
10.2.3造岩矿物的介电性287
10.2.4矿物的磁性290
10.3不均匀多相岩石的有效电导292
10.3.1围岩中的导电矿物292
10.3.2有效介质理论的基本原理293
10.3.,3不均匀介质的有效电导率297
10.4地电特性的显示方式298
10.4.1地电结构和地电剖面的概念298
10.4.2水平层状地电断面的纵向电导和横向电阻299
10.5大尺度地电结构的特性301
10.5.1地电精细结构和宏观结构301
10.5.2海洋302
10.5.3大气303
参考和推荐阅读文献304
第11章应用地球物理中电磁场的激发与测量306
11.1电磁场的产生306
II.l.I电磁场源306
11.1.2电缆308
11.1.3接地结构309
11.2电场和磁场的测量312
11.2.1电压、位势和电场312
11.2.2磁场的测量317
11.3数据处理326
11.3.1取样时间326
11.3.2模数转换327
11.3.3滤波328
11.3.4叠加332
11.3.5反褶积333
参考和推荐阅读文献335
第12章直流电法与激发极化法336
12.1垂直电测深和视电阻率337
12.1.1垂直电测深技术337
12.1.2三极排列343
12.1.3偶极测深344
12.2激发极化法347
12.2.1激发极化现象347
12.2.2频率域和时间域激发极化法348
12.2.3美国西南部典型斑岩铜矿的电阻率/IP模型350
12.3IP现象的物理和数学模型303
12.3.1基于有效媒质理论的激发极化现象353
12.3.2各向异性极化介质的有效电导率357
12.3.,3有效电导率的自相容近似358
12.3.4IP数据的各向异性效应359
12.3.5基本IP模型：各向同性多相均匀介质中球体模型的有效电导率360
12.4基于柯尔柯尔模型的IP数据非线性正则化反演363
12.4.1基于LQL逼近法的激发极化正演模拟363
12.4.2基于LQL法的IP反演364
12.4.3物质特性方程的正则化解365
12.4.4IP数据定量解释的展望368
参考和推荐阅读文献368
第13章大地电磁和大地磁变法373
13.1天然源产生的地球电磁场373
13.1.1平静期的磁场变化375
13.1.2微脉动376
13.1.3磁暴378
13.1.4亚磁暴379
13.2大地电磁场吉洪诺夫卡尼亚模型379
13.2.1吉洪诺夫卡尼亚模型379
13.2.2视电阻率和测深的概念379
13.2.3大地电磁测深曲线和真实维电阻率模型的关系380
13.3大地电磁和磁变转换函数387
13.3.1大地电磁的算子：阻抗和导纳大地电场与磁场388
13.3.2感应矢量和电磁场倾子390
13.3.3大地电磁阻抗的波谱39l
13.4水平不均匀介质的大地电磁场394
13.4.1电磁场的外部场和内部场以及正常场和异常场的概念394
13.4.2异常电磁场及其分类396
13.4.,3二维不均匀介质中的场以及E、H极化的概念396
13.5大地电磁和磁变勘查398
13.,5.1MTSMTP和TCM方法398
13.5.2MVS和MVP测深方法400
13.5.3CGDS测量方注400
13.6MT和MV数据的处理和分析401
13.6.1最小二乘法401
13.6.2远参考方法407
13.6.3大地电磁矩阵和感应矩阵的robust估计408
13.6.4大地电磁和感应矩阵的图像表示法411
13.7MT数据的维解释413
13.7.1分析畸变MTS曲线414
13.7.2快速直接的MTS分析418
13.7.3维模型MTS曲线的定量解释420
13.8MVP和GDS数据的解释421
13.8.1将场分离成内部场和外部场422
13.8.2将场分为正常场和异常场425
13.9基于线性和准线性逼近的快速三维大地电磁反演42,5
13.9.l大地电磁数据的迭代玻恩反演426
13.9.2基于准分析法的MT反演427
13.9.3MT数据的正则化平滑反演和正则化聚焦反演429
13.9.4二次加权正则化反演的原理429
13.9.5最小支撑非线性参数化431
13.9.6实例研究1：沃伊西海湾的MT数据反演434
13.9.7实例研究2：在加拿大安大略省由凤凰地球物理公司获取的MT数据的三维反演435
13.10严格的三维大地电磁反演438
13.10.1MT全阻抗张量的吉洪诺夫正则化反演439
13.10.2弗雷谢算子及其与两个阻抗分量的联合反演439
13.10.3大地电磁全阻抗张量反演的弗雷谢算子440
13.10.4利用可变背景场的准解析近似计算弗雷谢导数443
参考和推荐阅读文献444
第14章频率域和时间域电磁法448
14.1频率域和时间域电磁测深448
14.1.1耦合效应450
14.1.2频率域电磁测深理论曲线454
14.1.3时间域电磁测深456
14.1.4时间域电磁测深曲线特征463
14.2用“薄层法”进行时间域电磁法数据解释466
14.2.1横向电导变化的普利司什恩曼和吉洪诺夫德米特里耶夫薄膜模型466
14.2.2导电薄层上垂直磁偶极子的瞬变电磁场468
14.2.,3S辰演法472
14.3电磁剖面和阵列式探测474
14.3.1双回线式电磁剖面474
14.3.2大定源式电磁剖面474
14.3.3瞬变电磁技术：UTEMLOTEM和MTEM474
参考和推荐阅读文献475
第15章海洋电磁法478
15.1海洋大地电磁法478
15.1.1海底电磁法装备的主要特征478
15.1.2陆地和海底电磁异常比较481
15.1.,3实例：海洋大地电磁法在墨西哥湾的应用481
15.2海洋可控源电磁法484
15.2.1浅水域电法勘探484
15.2.2深海电法勘探486
15.2.3海洋可控源电磁法在石油资源勘探中的应用489
15.2.4海洋可控源电磁法数据解释492
15.2.5实例：珠鲁天然气省MCSEM数据的迭代偏移499
参考和推荐阅读文献,501
第16章其他方法和平台介绍505
16.1航空电磁法505
16.1.1频率域航空电磁探测506
16.1.2航空瞬变电磁系统515
16.1.,3航空瞬变电磁远区场法516
16.2探地雷达518
16.3井下辅助方法,523
16.3.1井下地面技术523
16.3.2井间电磁成像525
16.4其他电磁法530
16.4.1压电法530
16.4.2自然极化法532
参考和推荐阅读文献533
附录A代数微分形式537
A.1三维空间中的微分形式537
A.1.112,形式537
A.1.2微分形式的外积538
A1.3微分形式的基539
A.2多维空间中的微分形式542
A.2.1欧几里得空间542
A.2.2欧几里得空间E中的微分形式543
A2.3闵可夫斯基空间M4中的微分形式544
附录B微分形式的运算547
B.1微分形式的外微分547
B.1.1多维空间En中的外徽分形式运算547
B.1.2四维空间M4中的外微分算子549
B2微分形式的积分551
B.2.1三维空间E3551
B.2.2超三维空间553
附录C数学符号554
附录D场和单位的定义556
附录E线性算子及其矩阵558

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