作为一种重要的地球物理勘探技术,频率域可控源电磁法(CSEM)具有勘探深度大、分辨率高及野外抗干扰能力强等优点,目前已被广泛用于金属矿产资源以及海洋油气资源勘探中。随着电磁勘探逐步深入到地质构造复杂区域以及精细电磁勘探的需要,实施三维电磁勘探正逐渐变得必不可少。大规模电磁数据的定量解释需要发展高效、稳定的三维正反演算法。围绕着这一主题,本文研究的目标是采用最新的科学计算编程语言并结合最前沿的科学计算理论来开发出一套适用于不同勘探场景(包括陆地勘探和海洋勘探)的高效而稳定的频率域可控源电磁三维正反演并行计算程序。在电磁数据的处理解释中,反演是不可或缺的步骤。从数值计算的角度看,反演方法本质上可视为一种最优化算法,而正演算法是其核心。为模拟具有强电性差异三维复杂电性介质的电磁响应,本论文正演采用拟态有限体积法。对于三维正演来说,如何高效稳定地求解离散化后所得到的大型线性方程组对于正演算法至关重要,本文分别实现了基于电磁场控制方程和基于势场控制方程的CSEM三维正演。考虑到不同正演算法的计算需求,采用直接解法来求解离散化后的二次电场Helmholtz方程；采用Krylov迭代法来求解离散化的二次势场方程。通过多个理论模型的数值实验,验证了所开发的两种CSEM三维正演算法在海洋勘探场景和陆地勘探场景下的准确性及有效性。对可控源电磁物理机制的研究有助于深入理解可控源电磁技术的工作原理。在可控源电磁勘探中,电磁场的变化包含着三种不同物理机制的叠加：几何扩散效应、电流效应和感应效应。其中电流效应和感应效应与地下构造的电性结构密切相关。在势场控制方程中,通常认为电场的矢量势和标量势分别对应着感应效应和电流效应对电场响应的贡献。本文通过三维理论模型定量分析了海洋可控源电磁响应中电流效应和感应效应的相对贡献,为不同地质条件下海洋可控源勘探方案的设计与数据处理提供了重要参考。最优化算法的选择对于电磁反演算法的效率具有重要影响。为获得合适的反演算法,本文详细研究了当前电磁反演中基于目标函数梯度信息的线搜索最优化算法：高斯牛顿法和拟牛顿法。对这些算法的关键技术细节包括灵敏度矩阵的计算、GN算法中法方程的求解、正则化参数的选择与更新以及模型更新中步长搜索策略进行了详细的讨论。针对不同的正演控制方程,实现了基于不同最优化策略的频率域可控源电磁三维反演算法。其中,对于基于迭代法的势场控制方程,最优化算法采用拟牛顿法(L-BFGS);而对于基于矩阵直接分解法的电磁场控制方程,采用高斯牛顿最优化算法(GN)来充分发挥直接求解法的优势。采用最新的科学计算编程语言Julia实现了多频多场源的CSEM三维并行反演计算。考虑到不同发射场源、发射频率之间的计算是相互独立的特点,采用分频、分场源并行策略来加快反演计算速度。通过对多个三维理论模型的一系列数值实验,验证了所开发的三维并行反演程序对于海洋和陆地CSEM勘探环境的有效性和广泛适用性。