薛国强，陈卫营，周楠楠，李海
中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所
导读：传统回线源瞬变电磁法测量，需要放置面积很大的信号源发射框，在我国南方地区，水网和植被都很发育，无论山区和平原，都存在施工困难，地质勘查较少应用。电性源短偏移瞬变电磁法，采用接地线性源，具有施工方便，适合南方复杂地形环境，具有探测深度大的优势，应用前景广阔。2020年8月《短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》团体标准已通过中国地球物理学会初审即将发布，其国家行业标准正在研制中。
该方法自发明以来，应用效果越来越好：
2013年，获专利制授权、论文发表；
2015年，获中国优秀专利奖，发明者获中科院杰出成就奖；
2016年，本文入选中国精品科技期刊顶尖学术论文领跑者5000，获中国地球物理学会陈宗器地球物理优秀论文奖；
2018年，发明者应用本技术成果获中国岩石力学与工程学会技术进步一等奖（排名第3）；
2019年，发明者依靠本技术理论和应用成果获国家科技进步二等奖（排名第2）；
2020年,发明者依靠本技术理论和应用成果获中国科院地质与地球物理研究所优秀成果奖。
目录：
1.引言
2.SOTEM的探测能力
3.SOTEM数据解释
4.探测实例
摘要：对于接地源时间域瞬变法，当选取适当的激励波形后，可将辐射场与自有场分离开来，实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探；水平分层大地的解析分析表明，随着偏移距的缩短，接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏；时间域瞬变法的探测深度主要由观测时长决定，基于接地源近场测深的优越性，作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM，采用了1000m的偏移距对埋深为1400m的某盐矿溶腔进行探测，在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露，验证了SOTEM方法的探测能力，该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段。
关键词：接地导线源，瞬变电磁法，短偏移，深部探测
1 引言
随着矿产资源日益减少，深部探矿已成为矿产勘查的一个主要方向，在现有仪器装备基础上，深入开展新方法、新技术研究，是解决新一轮深部探矿战略需求问题的途径之一。在各种深部电磁探矿方法中，长偏移距瞬变电磁（Long OffsetTransient Electromagnetic,LOTEM）方法一直发挥着重要作用，这种方法的深部探矿能力主要来源于较长的观测时长（1000ms以内）,使场从地面到目标体有足够的“往返”时间和辨认异常的分离时间；此外，1000m～2000m或更长的接地导线，可以获得较高的信噪比和提供满足接收机灵敏度的信号强度，与在水平层状大地上仅激发水平电场、探测低阻层有利的回线源相比，接地导线源既有水平分量电场，还可在电性界面产生感应电荷的垂直分量电场，对不同电阻率的矿藏有广泛的适用性，而且较易在地形复杂地区敷设，和可控源音频大地电磁(CSAMT）法类似，LOTEM发收间距一般取等于4～6倍的探测深度，以便分离一次场，但是可能跨越了几个构造单元的长偏移存在记录点问题、体积效应较大,增加了解释结果的不确定性，故在1970和1980年代前苏联和美国都有关于短偏移距的研究与试验，到2010年又有短偏移距的专利出现，寻求消除一次场、缩短发收距的研究也有发表。例如，有文献通过海底探矿的全空间解析分析认为，垂直电偶极的镜像可以消除一次场，水平电偶极源无此作用，不能反映地层电性，随后,又有数值分析继续进行垂直电偶极短偏移距的海底探测研究。实际上，在瞬变电磁勘探中，当采用适当的激发波形后，可以使一次场和二次场在时间上分开，因此，水平接地导线的近源响应仍然具有深部探测能力。为表示简便，我们将发收距离等于或小于探测深度的电性源瞬变电磁装置命名为SOTEM（Short-offset Transient Electromagnetic）。
2.SOTEM的探测能力
2.1 SOTEM的探测可行性
在主动源电磁勘探中，电磁场的激发有两种方式，一种直接由电荷或电流激发，如稳恒电流产生的电场和磁场；一种由电场和磁场间的交互感应激发，如变化的磁场激发涡旋状的电场，变化的电场又激发涡旋状的磁场，电磁波通过这种交互感应运动和传播。在时域电磁法勘探中，这两种激发方式都是存在的，稳定电荷和电流的场，在场源附近存在，场源消失则场消失，这种场称为源的自有场。当电荷和电流随时间变化时，自有场也随时间变化，同时由于电磁场间的交互感应，还有一部分场离开场源向外辐射，这部分场就称为辐射场。在频率域电磁勘探中，变频测深能力就来源于辐射场。如同样是接地导线源的CSAMT，为了使具变频测深能力的辐射场占主导地位，应在远区观测。当然，场的强度随发收距离的增加衰减，考虑到信噪比和接收机灵敏度，一般将观测点布置在离开场源4～6倍探测深度的地方。随着观测点向场源靠近，辐射场的主导地位下降，自有场逐渐占优。以下是水平均匀大地CSAMT近场各分量公式
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
式中为偶极矩，其中是供电电流、是偶极长度；是发收距，是场点到源点的夹角；是大地电导率、是非磁性大地的磁导率。可以看出，当自有场占优、辐射场忽略不计时，公式（3）～（6）的4个场量已经与大地电导率无关，完全失去了探测能力；只有公式（1）、（2）中的两个水平电场分量、还有大地电导率有关，但与频率无关，只能做几何测深，不能进行频率测深。要利用近区的辐射场进行变频测深，需要进行自有场和辐射场、即一次场和二次场的分离，时域瞬变场提供了这种可能性。
时域电磁法中的激励波形，有三角形连续波、梯形连续波（图1a），还有单脉冲的矩形、半正弦、三角形（图1b）等。
图1 常用TEM激励波形
(a)连续三角波和梯形波；(b)阶跃、正弦、梯形单脉冲
其中的连续波形在观测期间始终有一次场存在，深部TEM，如LOTEM如果采用这种波形，则要求发收间距等于4～6倍的探测深度达到远场观测，使辐射场占优；如果采用单脉冲波形，脉冲关断后观测纯二次场，由此将自有场和辐射场分离开来，获得短偏移距的深部探测能力。在对单脉冲频谱考查后，还可以知道阶跃脉冲的频谱中，幅度与频率成反比，低频谐波占主导地位。故为获得大的探测深度，和分离自有场和辐射场，SOTEM的激励电流需要采用阶跃波形。
在实际应用中，为了抑制观测系统中的直流偏移和噪声干扰，往往将图1b的单脉冲激励变换为周期性重复的双极性脉冲系列，在正负脉冲关断后观测，仍然是纯二次场。
2.2 SOTEM的探测深度
在不考虑信噪比和接收机灵敏度的情况下, 探测深度仅由观测时间和地电结构决定, 和装置类型、发收距离等无关。
（7）
对于水平分层大地模型，电偶极源形成的时域电磁场表达式可由全场频域公式[20]，通过实部或虚部的正弦或余弦变换得到[24]。以垂直磁场为例
（8）
（9）
式中为1阶第一类柱Beseel函数，其中是方向的波矢量分量；，其中；是地层因子，对于层大地，有从第层向上的递推公式
（10）
图2是根据式(8),(9)和(10)计算的两层地层的不同偏移距磁场曲线。
图2 两层大地不同偏移距曲线
可见，在早期随着发收距离的增加，场强减小；晚期增大也增大。不过，图2中不同发收距r=700m、1000m、2000m、3000m、4000m的曲线，虽然在80ms后都有对下伏低阻层的反映，但是，不同偏移距离情况下的曲线反映低阻基底的延迟时间大小不同。例如700m的发收距可以更好地探测到1000m深度的低阻层。说明可以用小于目标深度的发收距实现测深，这在频率域是无法做到的。而且短偏移距的曲线变化幅度大，使得曲线特征更为明显，因此对地层有更高的分辨能力。
3 SOTEM数据解释
视电阻率-深度剖面是电磁法勘探中的常规数据解释手段，有多种算法。其中在特定期间，如早期或晚期的视电阻率算法较为简单。但是为了对全部时段的观测数据都有较好的地层反映, 有必要采用如下的全期视电阻率算法。
（11）
式中, 是隐函数, 可用如下级数逼近
（12）
其中系数由最小二乘法求取, 即使目标函数取极小值
（13）
上式等价于求下列方程的解
（14）
式中
（15a）
（15b）
（15c）
图3分别是G和D型两层大地全期和早、晚期视电阻率对比曲线。可以看出，全期视电阻率对地电结构变化的反映，优于早期和晚期视电阻率。
图3 两层大地早期、晚期、全期视电阻率对比
需要注意的是：通过线圈测得的磁场分量实际上是感生电动势，即。因此在利用全期视电阻率公式（10）之前，还应该把实测感应电压转化成垂直磁场强度。
公式（7）是计算视深度的基础，是电磁法探测深度经典文献定义的TEM场的“扩散深度”,是给定时间t内阶跃脉冲向地下单向传播到达的深度。要探测地下某一深度的目标体，还需要返回时间，此双向传播时间至少为2t，经典文献的解析分析和其后的直接时域数值分析表明，当携带地质信息的场刚刚返回到地面时，以目前的TEM方法和仪器的观测体制，还不能分辨出反射脉冲到达的时刻，还需要在分离时间之后延迟一段时间，达到可分辨时间，以分离异常；此外，大地的色散作用使低频成分逐渐占优的脉冲群速变慢。综合这些因素，可再将2t时间加倍，取观测时间为，代入式（7），得视深度估算公式
（16）
由（16）式得观测时长估算公式
（17）
式中用电阻率替换了电导率。
4 探测实例
时域SOTEM在河南某盐矿地下溶腔探测中进行了试验性施工，证明了SOTEM的探测能力，取得了良好的地质效果。
测区位于河南省中部叶县，地质构造属于舞阳盆地，盐矿层数56层，盐层厚度累计430m。在地下1300m～1400m层位发育有水溶压裂开采造成的溶腔，探测的目的是查明地下溶腔的分布范围。由于含盐地层溶水开采后形成的卤水极易导电，应呈低阻反应，观测垂直磁场比较有利。使用V8电法工作站和SB-7K型磁探头(有效接收面积40000m2)进行测试。
如前所述，瞬变电磁法探测深度主要由地层电阻率和观测时间决定。表1列出了测区的地层电性。
表1 河南某盐矿地层电性
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地层
|
岩性
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厚度/m
|
电阻率/m
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第四系
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粘土和砂砾互层
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110
|
|
80
|
|
第三系
|
砂岩和泥岩互层
|
|
920
|
|
50
|
|
泥岩
|
|
50
|
|
40
|
|
泥岩和盐岩互层
|
|
400
|
|
100
|
虽然正演曲线（图2）和转换后的视电阻率曲线（图3）可以表示可分辨目的层的大致观测时长。但是，实际地层层数远比表1列出的多。三层以上的场曲线由于假极值效应，将使层位不易分辨。况且，正演的时长也是需要事前确定的。为此，可用公式（11）估算观测时长。众所周知，在瞬变电磁法中，发射装置通电或断电瞬间激发的电磁波，首先在空气中以光速c很快传播到地表各处，然后有一部分电磁能量垂直传入地下。故可将表1地层厚度和电阻率代入以下公式，得出与地层层理垂直的综合电阻率
式中为地层层数。再将代入公式（17）可知需要的观测时间长度约为125ms（以光速传播到接收点需时远小于在地中的垂直传播时间，忽略不计）。当然，还有直接从场源传播到地中的电磁能量。由于大地的电抗作用，与以光速建立的第一种场相比，第二种场的建立比较迟缓。因此，观测时长的估算以第一种场为准。查V8仪器的观测长表2可知，要探测赋存深度1300m～1400m的溶腔，应取重复频率为1Hz的时间档。
表2 V8仪器SOTEM观测时间表
|
序号
|
重复频率/Hz
|
标称时/ms
|
实际起止时间/ms
|
|
1
|
25
|
10
|
0.072～6.28
|
|
2
|
5
|
50
|
0.312～37.7
|
|
3
|
2.5
|
100
|
0.725～75.4
|
|
4
|
1
|
250
|
1.58～188.7
|
|
5
|
0.5
|
500
|
3.12～377
|
|
6
|
0.25
|
1000
|
7.25～754
|
|
每时间档40道
|
在发收距的确定方面，如前所述，如果激励波形是理想阶跃函数，脉冲关断后观测的即为二次场，甚至零偏移距都具有探测能力。但实际仪器电路本身的响应、发射导线、大地造成的关断效应，使得关断后的一段时间内，还有一次场存在。为分离关断效应造成的一次场，导线源和观测点之间应当有适当的距离。还由于导电大地中的辐射场按指数衰减，源附近的场变化较为剧烈，较小的坐标测量误差，将通过视电阻率公式引起较大的解释误差，因此，源和接收点之间需要有一段距离。本次探测采用的收发距=700m～1000m。还有，为达到一定的信噪比，要求有合理的接地导线源长度和供电电流。当发收距=1000m，重复频率=1Hz，=1000m、=20A时，进行观测，图4为实测二次感应电压衰减曲线，可见采用上述工作参数进行观测可取得较高质量的实测数据。
图4 实测感生电动势曲线
4.2 探测效果
图5是盐矿溶腔探测中的一条剖面(点距40m)。在视电阻率剖面(图6)中，地下100m内的高阻层、地下100～700m之间的低阻层、地下700～1100m的更低阻层和地下1100～1500m的高阻层，分别与第四系的沙砾粘土互层、第三系的砂岩泥岩互层、泥岩层和含盐的膏质泥岩页岩互层对应，短偏移SOTEM观测剖面很好地反映了地层电性变化。
图5a 盐矿溶腔SOTEM实测成果：视电阻率-深度剖面图
图5b是推断地质剖面。进一步地可以发现在深度1200m～1400m范围内，视电阻率的横向及纵向分布不均匀，在整体的高阻背景下呈现几处120ｍ的低阻等值线封闭区，根据盐矿赋存深度，推断为溶腔的反应。由此圈定了80～120号点、280～400号点、600～640号点的三处溶腔。随后在360号点布设的钻孔，在地下1210m处见盐溶腔，证实了SOTEM的探测效果。
图5b 盐矿溶腔SOTEM实测成果：地质推断剖面
5 结论与展望
当采用阶跃脉冲作为激发源，有足够的观测时长，在满足信噪比和接收机灵敏度的情况下，短偏移SOTEM不仅具有长偏移LOTEM的深部探测能力，而且层状大地表面上接地电性源的场，随着偏移距由长到短，曲线特征从平缓模糊变得陡峭明显，说明SOTEM对地层有更好的分辨能力。当测区的构造不能用一维水平层状大地近似时，较小的偏移距体积效应小，记录点问题较易处理，解释结果的确定性更强，有更广泛的应用适应性。在1400m深度的盐矿溶腔探测中，用小于埋藏深度的1000m短偏移距测出的溶腔为钻孔验证，表明了SOTEM的勘探效果。在深部探测中，为获得高质量实测数据采用的长接地导线源，不能再用电偶极子近似。短偏移的场点与源点更为接近，需要有比沿线做电偶极子积分更精确的理论公式，如以时变点电荷为微元的理论公式，作为进一步的研究基础。此外，接地导线源SOTEM对高阻体的探测能力，其它电场和磁场分量在不同环境、不同地质任务中的应用等，都将是今后要继续深入研究的。可以预计，SOTEM将为提高深部探测的分辨率、发展新的观测和解释技术起到积极的作用。
来源：薛国强，陈卫营，周楠楠等. 接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术.地球物理学报，2013,56(1):255-261,doi:10.6038/cjg201301266.
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薛国强简介
薛国强主要科技推广讲堂学术交流会
薛国强教授宣讲电性源短偏移距瞬变电磁法技术
薛国强，中国科学院地质与地球物理研究所，研究员，学术委员会委员；中国科学院大学岗位教授；中国科学院矿产资源研究重点实验室副主任。在瞬变电磁理论和探测方法方面取得了创新成果，提出用点微元代替传统偶极子微元，推导出电磁响应精确解，构建电磁法近源精细探测理论；创立短偏移瞬变电磁法，由远场观测改进为近场观测模式，相同条件下，探测深度增加2倍，探测精度提升1.5倍，为实现了地下2000m深度精细测量新突破提供支撑，研究成果处于国际领先水平。创新技术在国内20多个矿区得到推广应用，短偏移距瞬变电磁法探测技术被列入陕西省2017年、河南省2019年、中国地球物理学会2020年、自然资源部2020年等标准。已发表发表SCI文章128篇，授权专利60项，出版专著6部。获得国家科技进步二等奖、中国科学院杰出成就奖、中国优秀专利奖、中国地球物理学会科技进步一等奖，中国岩石力学与工程学会技术进步一等奖等国家和省部级科学技术奖10项。
现任《Journal of Engineering and Environmental Geophysics》(SCI)副主编，《applied geophysics》(SCI)常委，《中国矿业大学学报》(EI)、《地球物理学进展》、《矿床地质》、《工程地质学报》编委，兼任中国地球物理学会副秘书长，刘光鼎地球物理科技基金会理事，中国地球物理学会科技推广委员会主任，中国地球物理学会金属矿勘查专业委员副主任。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
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（8）
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（10）
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（13）
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（16）
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薛国强教授宣讲电性源短偏移距瞬变电磁法技术
