频率域可控源电磁法(controlled-source electromagnetic methods, CSEM)通过观测人工场源在地层、空气和海水等介质中激发的电磁场来获取介质的电性分布,长期以来一直是金属矿勘探中最重要的地球物理方法,并在最近十多年逐渐成为海洋油气勘探中一种不可或缺的地球物理技术。为了通过CSEM观测数据尽可能真实地还原出介质的电性结构以提升勘探效果,实施三维勘探并对数据进行三维模拟是必需的。反演是电磁资料的处理解释中极其关键的一步,目前可控源电磁法已经从最初的一维地电结构假设步入到二维甚至三维反演阶段。本文的主要目标是发展出一套高效、准确且既适用于陆地勘探又适用于海洋勘探的频率域CSEM三维正演与反演模拟工具。正演模拟是反演模拟的核心。电磁法的三维数值模拟是一个对数值算法和计算机硬件要求都非常高的问题。对常用的微分类方法如有限单元法和有限差分法而言,求解最后所得的大型线性系统方程是至关重要的一步,直接影响到正演算法的实用性。如何高效、稳定且准确地解线性方程长期以来一直是被探讨的问题。本文实现了基于线性系统直接求解技术的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演。使用交错网格有限体积法(FV)来离散化关于二次电场的Helmholtz方程；使用直接解法取代传统的迭代解法来求解离散线性系统,即对系统矩阵进行完全LU分解,具体通过调用大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)来实现。基于理论模型做了一系列数值实验,证明了直接解法的高精度和稳定性,并考察了其内存需求、计算时间和并行可伸缩性等主要计算性能,检验了所开发的算法快速模拟多场源CSEM问题的能力以及对常规海洋和陆地CSEM模拟的有效性。在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性。本文的三维正演算法能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源。由于了使用一次场／二次场方法,只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演。通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响。阐述了当前电磁反演中主流的线搜索类方法的优化计算思路,对这一类反演方法中的最核心的数值计算问题——灵敏度矩阵的计算问题作了详细的讨论。基于面向对象的“模块化电磁反演系统”ModEM框架,实现了并行化的频率域CSEM的三维反演。通过理论模型的反演试验,验证了三维反演程序的有效性。