瞬变电磁法是常用的地球物理勘探方法之一,该方法利用发射源在地下激发电磁场,并观测地下电性介质中产生的二次感应涡流场。瞬变电磁法的发射源可为线框,也可为长直导线。当探测目标体埋深较大时,发射源采用长直导线或者长直导线围成的大线框;当探测目标体埋深较浅时,发射源则采用小线框。一般情况下,瞬变电磁法观测的是时间域磁场信号或感应电动势信号,观测信号不仅限于垂直分量,但以垂直分量的信号最为常见。在瞬变电磁法中,利用观测数据推断地下电性结构的过程称为瞬变电磁成像。在瞬变电磁理论中,瞬变电磁反演作为最常用的成像方法,是开展瞬变电磁资料解释工作的重要方法。随着瞬变电磁法在水文地球物理、工程地质等领域的应用日趋广泛,使用回线源瞬变电磁法探测浅层目标体精细结构的需求也日益增长,此时简单的瞬变电磁一维反演已经不能满足要求,因此需要研究回线源瞬变电磁三维反演系统。目前,由于回线源瞬变电磁三维反演的计算效率不高,算法不够稳定,该技术还未被广泛应用在实例勘探中。为了获取快速稳定的瞬变电磁三维反演系统,本研究运用矢量有限单元法模拟计算了带地形起伏的瞬变电磁三维正演,根据该正演过程设计了瞬变电磁三维反演程序,再运用瞬变电磁三维反演获取了滑坡体三维含水结构。(1)完成地形起伏条件下回线源瞬变电磁法三维正演首先,利用六面体单元网格对地下电性介质进行离散,利用等参变换计算了矢量单元上的形函数体积分,构建了矢量有限单元的系统方程。其次,针对瞬变电磁场的计算,将频率域电磁场计算中的贝塞尔函数积分和时频变换,统一到汉克尔滤波器的数值滤波计算中,以方便计算;同时,讨论了对于斜阶跃激发波形的快速校正方法。最后,根据时域航空电磁数据采集系统Spectrem 2000的相关参数,进行了瞬变电磁三维正演模拟计算,与LokiAir软件的数值计算结果进行对比,验证了整个正演算法的正确性。(2)研究电磁场系统方程的求解问题首先,利用从简至繁的三个计算模型,根据Dighem频率域航空数据采集系统的相关参数,以模型的复杂程度、频率和发射源位置为变量,讨论了电性结构及收发装置对系统方程求解稳定性的影响。研究发现,复杂模型对系统方程求解过程的影响较大,明显改变了迭代求解方法在求解中的收敛特性;不同发射源姿态和频率对求解过程均有一定影响,但不同发射源位置对求解过程影响有限。其次,基于krylov短递归迭代求解方法,提出了基于IDR(s)方法的电场系统方程求解方法,并分析了IDR(s)方法在求解过程中的作用及参数设置情况,对比了IDR(s)方法相较于BiCGSTAB方法的优势。研究发现,IDR(s)方法有取得和BiCGSTAB方法相同收敛效果的能力,并且可以通过调整维数s和初始投影向量p取得更好的收敛效果,还可以采取光滑残差的策略进一步优化迭代的稳定性。(3)完成瞬变电磁法三维反演数值模拟计算首先,论述了预测模型递归迭代中模型粗糙度矩阵、灵敏度矩阵和海森矩阵的计算方法。其次,从一维反演数值模拟计算出发,研究了瞬变电磁法对海底热液硫化物矿产的拟三维反演过程,验证了反演策略的正确性,讨论了IP效应对反演结果的影响,并确定了拉格朗日乘子的选取方法。再次,通过六个从简至繁的电阻率模型,研究了地面瞬变电磁二维反演过程,展示了瞬变电磁反演能够很好地还原复杂的预设模型,论述了该方法对复杂模型的分辨能力,并验证了高维反演策略的正确性;最后,以Dighem频率域航空数据采集系统和VTEM时间域航空数据采集系统为样本,通过对比频率域和时间域航空电磁三维反演,总结了瞬变电磁三维反演相较于频率域三维反演的优势:瞬变电磁场是基于多频点计算所得,用于反演的数据中所携带的地电结构深度信息更加丰富,因此对复杂预设模型的还原能力强于频率域三维反演。(4)运用瞬变电磁法探测滑坡体三维含水结构使用瞬变电磁法对四川省理县西山村大型堆积土质滑坡展开调查。首先,分析了该滑坡体存在的工程地质问题,并设立了调查研究任务。然后,根据任务需要设计了瞬变电磁法在该滑坡体上的三维观测网络,在试验后制定了采集参数,并采集数据。随后,将采集的数据通过反演转化为滑坡体内三维地电结构。最后,结合其他工程地质资料、遥感资料及水文资料对该滑坡体进行评价,验证了含水裂隙的存在,揭示了潜在滑动面的结构信息和碎石土堆积物中的优先流渗流通道的三维结构,并评价了工程治理设施—排水渠的治理效果。