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本文在前人提出的大地电磁场非线性共轭梯度三维反演算法和二维反演预处理方法的基础上实现了大地电磁场NLCG三维反演算法，改进了预处理方法，将二维预调节矩阵扩展为三维矩阵，将预处理因子（与初始模型无关）转变为矩阵参数，与网格节点一一对应，避免了目标函数对模型参数二次导数（海森矩阵）的计算，同时将反演计算对初始模型的依赖性降到最低。本文通过理论模型验证了正、反演程序的正确性。改进的大地电磁场三维并行反演算法对计算机物理内存和CPU速度及数量要求较低，使普通计算机进行三维反演计算成为可能。非线性共轭梯度反演算法在计算过程中不需要存储和计算雅可比矩阵，而直接计算雅可比矩阵与任一矢量的乘积，从而得到模型改变量。对于反演中每次迭代或者线性查找，每个频点仅需要1次正演和5次“拟正演”，很大程度上提高了计算效率。此外，本文使用OPENMP技术实现了程序的并行化计算，将各频点中模型改变量的计算过程分配于不同的计算机CPU，充分利用现有计算机的CPU和内存优势，提高计算速度。而且，由于不同频点产生的模型改变量的计算相对独立，因此采用频点式并行计算不会影响计算精度。本文通过理论合成数据验证了算法的正确性，通过不同预处理因子取值的反演结果对比验证了预处理方法的改进效果，并且由典型储油构造的数值模拟和反演，发现大地电磁测深三维技术能够在油气勘查工作中发挥重要的作用。本文通过实测数据验证了反演算法及程序的有效性，由Kayabe实测数据的反演结果可见，该地区地下主要为低阻区域，在浅表以及深部500以下才出现范围稍大的高阻异常，并且通过对比不同的预处理因子，验证了与初始模型不相关的因子能够得到更好的结果，使三维模型更接近真实地下电性结构。由泥河三维AMT数据反演结果可见，该区域主要成倾斜层状电性结构，并且通过与人工源电磁法勘探结果的对比，发现三维反演能够在数据信噪比不理想的情况下得到相对较为理想的结果。由美国西北部地区数据反演结果可见该测区上地壳与深部电性结构相反，测区西部浅高深低、东部浅低深高。由新疆二维数据的不同维度反演结果对比可见，三维反演在进行二位数据反演时能够得到较好的反演结果，实用性较强。由新疆三维数据的反演结果可见，三维反演在充分考虑水平两个方向的测点以及各频点的情况下，结果更为真实，对地下电性结构的反应更为准确。