电磁探测方法以地下介质的电性差异为物性基础,通过研究电磁场变化可实现对地下构造的电阻率分布特征进行探测的目的。由于其具有对环境破坏小、测量方便高效等优势,已成为地下结构探测的重要地球物理手段之一。频率域可控源电磁探测方法是电磁探测方法的一个重要分支,由于可控源激发的电磁场信号幅度较大、抗干扰能力较强,数据信噪比较高,有利于后期数据处理、反演成像等,因此频率域可控源电磁探测方法已广泛应用于矿产资源勘探、地下水资源探查、地质调查、工程环境勘察等领域。但是由于电磁场具有体积效应,接收点的电磁信号是周围一定空间范围内介质综合贡献的结果,因而电磁场对地下大型地电异常的响应较为灵敏,而对于局部异常体的精细探测具有局限性,通常只能大致确定异常体的位置、大小,无法准确定位异常体的横、纵边界信息,从而无法准确判别异常体大小。上述局限性在一定程度上限制了频率域可控源电磁法在精细探测中的作用,因此研究能够提升局部异常边界识别能力的频率域可控源电磁探测方法具有重要意义。梯度测量在重力勘探和磁法勘探领域中得到了应用,并在背景干扰抑制、边界识别提升等方面显示出了明显的优势。本文借鉴了前人在重、磁梯度方面的研究思想,提出了一种可有效提升地电异常边界识别能力的频率域可控源电磁梯度测量方法。从理论公式推导入手,在原理上说明了频率域可控源电磁梯度测量方法在异常边界识别能力方面的优势。通过三维有限元正演模拟结果详细分析了频率域可控源电磁梯度的响应特性,评估了不同类型三维地电模型下,空间梯度、频率梯度对异常边界的反映能力。同时,利用频率域可控源电磁梯度测量方法在异常边界反映能力方面的优势,提出了频率域可控源电磁梯度快速高分辨成像方法,从理论上推导了其计算公式,并通过不同复杂程度地电模型的理论试算验证了该方法的正确性。基于上述理论研究结果,从总体设计角度出发,研究了频率域可控源电磁梯度测量系统的测量原理及关键技术,并通过由项目组开发的测量系统的野外应用实例分析,验证了频率域可控源电磁梯度测量方法在实际应用中的可行性,说明了频率域可控源电磁梯度快速高分辨成像方法在实际应用中的有效性,也表明了可控源电磁梯度测量系统在实际中的实用性。论文主要研究内容如下:(1)频率域可控源电磁场矢量有限元三维数值模拟方法研究。基于频率域可控源电磁梯度响应特性分析需求,研究了基于结构化网格的频率域可控源电磁场矢量有限元三维数值模拟方法。同时,介绍了基于Comsol软件的三维数值模拟方法。利用上述数值模拟方法计算了不同复杂程度地电模型(包括层状大地模型、二维大地模型以及三维大地模型)的电磁场响应,并对二者结果进行了对比。二者结果的高度吻合性,验证了频率域可控源电磁场矢量有限元三维数值模拟方法的正确性和有效性,为后续频率域可控源电磁梯度响应特性分析奠定基础。(2)频率域可控源横向高分辨空间电磁梯度测量方法。提出了一种可提高局部地电异常横向边界反映能力的频率域可控源空间电磁梯度测量方法,该方法通过布设长导线源,并在发射源远区对电磁场进行分布式测量,再利用相邻测点相邻频率电磁场值的距离差商获取空间梯度。为了分析空间梯度的响应特性,先后对均匀半空间中埋藏导电球体模型以及不同复杂程度三维地电模型的电磁场及其空间梯度进行了计算,并对其响应特性进行了分析。结果表明,在各类地电模型中,空间梯度均可准确反映地电异常横向边界,验证了空间梯度的横向边界反映能力强于电磁场响应。(3)频率域可控源纵向高分辨频率电磁梯度测量方法。提出了一种可有效提高地电异常纵向边界识别能力的频率域可控源频率电磁梯度测量方法。通过数值模拟模拟方法,分析了频率梯度的响应特性,评估了频率梯度其对纵向地电异常边界的反映能力。通过均匀大地模型及三维大地模型频率梯度的计算及对比分析,说明了由三维异常体本身引起的频率梯度的响应特性。同时,通过分析不同模型物理参数及测量参数(如收发距、异常体埋深、异常体电阻率、异常体厚度等)下的频率梯度响应,评估了上述参数对频率梯度响应的影响。结果表明,频率梯度可有效反映异常体纵向位置信息,其对地电异常纵向边界的反映能力比电磁场本身强。(4)频率域可控源电磁梯度快速高分辨成像方法研究。为了提高异常体边界识别能力,本文提出了一种频率域可控源电场梯度快速高分辨成像方法,从原理上对其计算公式进行了推导,通过不同复杂程度地电模型的成像结果,验证了该方法的有效性。同时,还讨论了梯度场快速高分辨成像效果与收发距之间的关系,并评估了该成像方法对局部异常体顶部和底部边界反映的灵敏度。结果表明,当选择了合理的收发距时,梯度场快速高分辨成像方法能准确反映异常体的边界位置,包括横向位置以及顶部和底部边界位置。该成像方法可满足实际测量中测量仪器参数的及时调整、数据质量的实时评估、测区电阻率变化信息的及时了解等需求。(5)频率域可控源电磁梯度系统研制及应用实例。为发挥频率域可控源电磁梯度测量方法在电性分界面识别方面的优势,并检验该方法的在实际应用中的可用性和有效性,基于频率域可控源电磁梯度测量方法的理论研究结果,研究了频率域可控源电磁梯度测量原理及测量系统关键技术。并利用项目组研制的频率域可控源电磁梯度系统,在吉林省辽源市西安矿区进行了实际野外探测。探测结果表明,频率域可控源电磁梯度测量方法的成像结果与同一测线高密度电阻率反演结果以及测区已知地质资料的吻合度较高,从而验证了频率域可控源电磁梯度测量方法在野外实际应用中的有效性和实用性。