提高瞬变电磁法对地探测的精度，瞬变电磁场点微元响应问题
三维数值计算、高性能装备研发、数据处理和解释及视电阻率精细定义是瞬变电磁的研究热点，并取得了一些研究成果。但瞬变电磁法探测精度依然存在较大的提升空间，对地下纵向电性异常的分辨能力较差，探测深度有限，困扰这一方法发展的主要理论及技术问题有场点响应的精确解，场点视电阻率定义，瞬变电磁法的记录准则，瞬变电磁TE、TM 场的综合利用，三维反演，弱信息增强等，其中，理论上的核心问题主要是瞬变电磁场响应精确解问题。
经典的瞬变电磁场响应计算大多从偶极子假设出发，将接地导线源看作电偶极子源，将矩形回线源看成电偶极源或者磁偶极源，利用偶极子源公式对瞬态场的响应特征进行正演计算分析，为瞬变电磁场研究提供理论基础，也切实体现了位于晚期(远区)情况下的瞬变电磁场的分布情况。但对于在近区进行观测的回线源装置，需要将回线源进行分割，以更小的电流元作为偶极子沿回线周围进行积分。虽然这种偶极子叠加方式进一步增加了正演计算结果的可靠性，减小了正演场与实际场的差别，但这种处理仍然不够彻底，以偶极子场为被积函数的面积分和线积分不能恢复偶极子场近似计算时忽略的高阶项误差，不能给出场的精确分布，尤其是不能很好地反映位于近区的矩形回线源测点。
▲点电荷微元和电偶极子源阶跃关断时刻电场的分布图
对于瞬变电磁研究中存在的场解精确性问题，作者力图从静电场、恒定电流场、谐变场和瞬变场出发，对偶极源近似进行分析，定量化计算偶极源近似引起的相对误差。
为进一步减小偶极子近似引起的相对误差，提高瞬变电磁场点响应的计算精度，作者提出基于点电荷载流微元的计算方法。理论上，点电荷是电磁场的真正微元，电偶极子源辐射仅是点电荷辐射的一个特例。基于这种点电荷微元电磁场理论实质，可以考虑求取点电荷微元电磁场的直接时域解，即以时变点电荷微元代替偶极子微元，使源真正地微元化，并且不再经过频时变换，直接在时域推导时域瞬变场，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。
《瞬变电磁场点微元响应问题》（薛国强等著.北京:科学出版社，2017.5）一书是作者在该领域研究成果的总结。全书分为8 章。
第1章主要介绍瞬变电磁场解析问题的研究进展，对制约瞬变电磁场精确解问题进行分析。
第2章给出求解点电荷载流微元直接时域电磁场的数理基础，包括微元法及其在瞬变电磁场中的应用、有源麦克斯韦方程对应的阻尼波动方程、非线性微分方程解法、格林(Green)函数法、数学工具介绍等内容。
第3章主要分析静电场、恒定电流场、天线谐变场及瞬变电磁中偶极子微元场的计算公式，对电偶极源瞬变电磁场进行详细分析，这些分析对瞬变电磁的研究具有重要的指导意义。
第4章以勘探电磁学中的偶极子的瞬变电磁场的求解过程为例，分析瞬变电磁场的频时变换求解思路，并指出频时变换可能引起的计算误差。
第5章利用第2章和第3章给出的各种偶极子场的表达式，计算不同偶极子微元近似计算引起的相对误差。分别从静电场、恒定电流场、天线理论辐射场及勘探电磁学谐变场和瞬变场角度，对偶极子近似引起的相对误差进行分析。初步给出当源尺寸不可忽略时的校正系数，校正系数的使用不仅针对发射源，也针对接收装置。针对瞬变电磁场需要进行频时变换的问题，以应用最广的非线性数字滤波为例，分析频时变换带来的误差。最后，分析大尺度源偶极子近似带来的计算误差。
第6章分析点电荷载流微元的物理机制，给出传统谐变场和瞬变场的偶极子源的点电荷解释。
第7章给出全空间二阶线性有源非齐次方程求解的格林函数法求解过程，利用约当引理( Jordan's lemma) 和留数定理给出电磁场中常见的达朗贝尔(d' Alembert)方程和扩散方程的格林函数解。对于有耗阻尼波动方程，利用降维法给出方程的格林函数解。在格林函数解的基础上，通过将格林函数直接代入电磁场表达式和引入辅助位函数两种方式推导出点电荷载流微元电、磁场的直接时域解。
第8 章对第5 章推导的直接时域计算公式进行正确性验证，将点电荷载流微元场的直接时域解与经典电磁学中的近似公式进行对比，验证公式的有效性。进一步推导出实际应用中的回线源的瞬变电磁场的表达式。以圆回线为例，借助互易定理，分别推导出圆回线一次磁场和二次磁场垂直分量的时间导数表达式，与经典电磁学中已有的结论进行对比分析。
第1 章由薛国强完成，第2 章由王贺元、薛国强完成，第3 章由闫述、薛国强完成，第4 章、第5 章由周楠楠和闫述完成，第6 章、第7 章由周楠楠和王贺元完成，第8 章由周楠楠完成。全书由薛国强统稿。博士后陈卫营、李海，博士研究生钟华森、侯东洋、陈康、马振军、武欣、张林波等参加了部分编写工作，往届研究生李梅芳、郭伟立、苏艳平、李午阳、崔江伟等参加了部分研究工作和资料处理工作，在此一并表示感谢。
本书得到国家自然科学基金面上项目“基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论研究”(41174090)和2016 年国家科学技术学术著作出版基金资助。
本文摘编自《瞬变电磁场点微元响应问题》（薛国强等著. 责任编辑:张井飞. 北京:科学出版社，2017.5）一书“前言”、“第一章 绪论”。
ISBN 978-7-03-052758-5
为提高瞬变电磁法对地探测的精度，作者近年来开展了时变电磁场点微元响应解析问题的研究。《瞬变电磁场点微元响应问题》介绍了作者在该领域的部分研究成果，主要包括:经典勘探电磁学中的偶极子微元解析响应问题、偶极子假设条件下的误差分析、时变点电荷响应解析式推导、大尺度源瞬变电磁点电荷载流微元响应解析问题等。
关键词 | 气候变化白皮书（2015年） | 第三次气候变化国家评估报告 | 流域水循环 | 中国经济社会 | 水资源 | 冰川 | 极端天气气候事件 | 生物多样性 | 气候变化影响与风险 | 自然地理 | 历史自然地理 | 古地理 | 地貌 | 海洋地理 | 概率时间地理学 | 植物区系与植被地理 | 制度经济地理学 | 经济地理学 | 地貌图集 | 地球生物学 | 地震预测 | 历史水文地理 | 水科学 | 孢粉学 | 板块构造与大陆动力学 | 环境科学Ⅰ、Ⅱ | 地理环境 | 创新集群 | 城市化 | 城市群新论 | GIS | 中国生态环境十年演变与评估 | 气候变化影响与风险 | 塔里木克拉通 | 南黄海盆地 | 洋中脊多金属硫化物成矿 | 可燃冰（中国工程院报告） | 天然气水合物研究进展 | 北京沙尘暴 | 天然气水合物试的环境效应 | 新疆西准噶尔金铜钼成矿作用 | 作物理化参数遥感定量反演 | 海洋科学 | 古脊椎动物学 | 土壤入渗测量 | 华北地貌新论 | 土工袋技术 | 深空行星形貌测绘 | 全球中、新生代大地构造图 | 创新地理学 | 钻冰取火记 | 微体古生物学 | 中国及邻区盆地火成岩油气地质图 | 青海柴达木盆地盐湖 | 黄河近年水沙锐减 | 阶梯式发展论 | 覆盖型岩溶地区岩溶岩土工程 | 地震预报 | 地理设计 | 作物病虫害遥感监测 | 水沙数学模型 | …
（本文编辑：刘四旦）
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