海洋可控源电磁法(Marine Controlled-source Electromagnetic,简称MCSEM)作为钻前储层预测的主要手段之一,凭借其高效率、低成本以及较高的异常辨识度等优势正在被广泛应用于海洋油气勘探之中。随着海洋可控源电磁法在实际生产中的快速发展与需求,三维海洋可控源电磁法正反演理论已经成为当今电磁法勘探领域研究的热点。目前关于海洋可控源电磁法三维正演的研究大多是基于海底为各向同性或TI(Transversal Isotropy)介质的情况,而国内外海洋可控源电磁法三维反演技术尚未成熟,反演的效率和精度均有待提高。针对以上问题,本论文进行任意各向异性海洋可控源电磁法三维正演模拟研究,并分析各向异性对海洋可控源电磁响应的影响机制;同时,利用有限内存的BFGS方法实现了三维海洋可控源电磁法反演,并研究了多种因素对海洋可控源电磁法三维反演的影响,期望以此为提高海洋电磁资料的解释水平提供技术支撑。本文利用交错网格有限差分法结合两种空间体积加权方法实现了任意各向异性介质中海洋可控源电磁法三维正演模拟。在正演计算过程中,将电场拆分为背景场和二次场,背景场根据全空间层状介质偶极源格林函数进行计算,二次场利用有限差分技术求解。本文从频率域麦克斯韦方程组出发推导出二次电场的亥姆霍兹方程,然后利用交错网格有限差分技术对其进行离散,最后得到系数为大型复稀疏对称矩阵的线性方程组。在处理电流密度与不同方向电场的耦合问题时,电流密度与各向异性电导率张量元素同向时采用直接体积加权的方式进行近似,而与各向异性电导率张量非对角线元素相关的部分利用空间电流密度加权平均的方式进行近似。为降低线性方程组的条件数,本文采用D-ILU分解预处理技术对大型复稀疏对称矩阵进行预处理,同时引入了散度校正技术来提高求解精度和解的收敛速度。本文算法计算的结果与一维半解析结果相比,最大相对误差不超过1.7%,说明本文计算方法具有较高的计算精度。本文对几种典型三维海洋各向异性地电模型进行正演模拟,由Ex响应的振幅(MVO)和相位(PVO)曲线、电场三个分量的平面分布以及水平和垂直切面电场和电流密度分布特征的分析可得出以下结论:随着海底介质各向异性x方向参考电导率的变化,电场及电流的分布均能体现海底各向异性的特征。高阻异常体中的电流流动形态发生较大的变化,电场的振幅在含有高阻异常体一侧的幅值较高,有利于高阻异常体的识别;当海底各项异性介质中含有高阻异常体时,电场的振幅和相位曲线变化明显,表明高阻储层的电磁响应受海底各向异性的影响较大;对于浅海情况,随着各向异性介质参考电导率的变化,高阻异常体中导波的能量强度和方向呈现一定的规律,对空气波有叠加和抵消的作用;当海底为TI介质时,异常体中的导波最强,相对异常最大;通过对浅海情况的分析可知各向异性介质中浅海与深海两种情况下的海洋电磁响应特征有较大区别,因此不宜将深海海洋电磁数据的处理、反演和解释经验直接应用于浅海情况。基于有限内存的BFGS最优化算法,本文实现了三维海洋可控源电磁法反演。相比于传统反演方法,L-BFGS通过伴随的方法直接计算灵敏度矩阵和向量乘积,避免显式计算灵敏度矩阵对计算资源的要求。反演中每次迭代只需要进行一次正演和一次伴随正演来计算目标函数的梯度,因此内存占用相对较小。本文系统地研究了L-BFGS最优化算法的基本原理及迭代方法,并阐述了步长线性搜索的控制条件及基于Wolfe条件的步长选取算法。为了提高反演的速度与精度,本文利用一维层状半空间计算出的灵敏度信息对Hessian矩阵进行了近似。通过对多种反演模型,不同测量方式以及不同网格剖分等情况的反演测试,本文探讨了海洋可控源电磁法三维反演的影响因素,并对合理选取三维反演参数给出了指导性建议。本文的研究内容均是目前海洋可控源电磁法的研究热点,所取得的研究成果对提高海洋电磁资料的解释水平具有重要意义。鉴于我国海洋可控源电磁勘探技术发展起步较晚,本文的内容可为海洋电磁勘探技术在我国的发展提供技术支撑。