薛國強等
摘 要： 多道瞬變電磁法（MTEM）具有深度大且探測精度高的特點，是目前電磁法領域研究熱點之一。為推進多道瞬變電磁法深部探測系統的研發，對多道瞬變電磁法的技術特點及地球物理機制進行了分析。首先，對多道瞬變電磁法的關鍵技術進行總結，其特點包括：採用大功率接地源形式；編碼發射；多道觀測；類地震資料處理。然後，指出多道瞬變電磁法的地球物理實質：多道瞬變電磁法屬於近源測深，即通過改變偏移距達到測深目的；接收信號包括系統響應和大地脈衝響應（即含有一次場與二次場的混合場）信號，採用反卷積方法獲取大地脈衝響應。最後，針對中國複雜環境下的深部探測，對現有的多道瞬變電磁法提出改進思路：①把二維觀測系統改進成三維觀測系統，即三維數據採集系統，使其應用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規一維擬地震資料簡單處理改進成三維擬地震成像解釋；③從油氣勘探領域拓展到複雜的深部礦產資源領域。
關鍵詞： 瞬變電磁法；地球物理學；接地源；近源；短偏移；探測深度；三維
中圖分類號： P631.3+25 文獻標誌碼： A
Abstract： Multi-transient electromagnetic method （MTEM） has the merit of detecting deeper target with higher resolution， and becomes one of hot topics. In order to develop MTEM instrument system， Technical characteristics and geophysical mechanics of MTEM were discussed. Firstly， the key technology of MTEM includes that superpower grounded-wire is the source of MTEM； transmitter signal is generated by pseudo random binary sequence （PRBS） form； multi-channel receivers are employed for signal collection； seismic method is adopted in data processing. Secondly， the geophysical mechanics of MTEM include that because of the array layout， MTEM belongs to near-source sounding or geometric sounding， which means that changing the offset distance can finish the deep target； the receiver signals include system and impulse responses， which is an information mixed with primary field and secondary field， and the impulse response can be collected by deconvolution method. Finally， for the deeper buried target detection with complexity condition in China， the new modified MTEM is proposed that two-dimensional data collection system is modified into three-dimensional， so as to make the method more applicable and convenient for exploration and obtain a greater detection depth with higher detection accuracy； traditional one-dimensional pseudo-seismic interpretation is improved into three-dimensional data imaging system； the application scope is enlarge from petroleum exploration to ore deposit investigation.
Key words： transient electromagnetic method； geophysics； grounded wire； near-source； short-offset； detection depth； three-dimensional
0 引 言
瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法[1]。傳統瞬變電磁法是利用回線或者接地導線向地下發射一次場，在一次場斷電後，測量由地下介質感應產生的隨時間變化的二次場，從而達到尋找地質目標體目的的一種地球物理勘探方法[2]。該方法發射波信號頻帶寬，頻譜信息豐富，一次激發便可覆蓋探測所需的頻段，有助於提高工作效率。但是，傳統瞬變電磁法信號弱，易受干擾，探測深度一般只有500 m左右，資料處理也主要限於單道處理，不能很好地適應開展第二空間探礦的需求。
發展深部探測和偏移成像精細解釋成為目前的研究熱點[3-16]。英國愛丁堡大學的Wright等提出了多道瞬變電磁法（Multi-channel Transient Electromagnetic Method， MTEM）的概念和探測油氣目標體的相關技術[17]。該方法借鑑油氣勘探中的地震技術，採用電性源多次發射，陣列式多道接收多次覆蓋的全波場信息，可以對數據進行類地震處理，在同等發射強度的條件下大幅度提高探測精度和深度，使探測深度超過2 000 m。這種方法與傳統瞬變電磁法不同，主要表現為：①採用接地源形式；②編碼發射；③多道觀測，在測量感應電壓的同時，測量發送電流；④通過對接收電壓與發送電流進行反卷積，得到大地脈衝響應，進行類地震資料處理。
2002年，Wright等使用多道瞬變電磁法對法國巴黎附近的一個地下儲氣層進行了調查[18]。其目的是發現地下500 m處油氣層所對應的高阻層。通過反卷積和微分處理得到大地脈衝響應的時間導數，並將結果以共偏距和偏移剖面顯示。這種方式得到的高電阻層很好地反映了已知儲氣層的正確水平位置。2003年，Wright 完成了該方面的博士論文研究[19]，成立了MTEM公司， 進行該技術的商業化應用，並於2005年獲得美國專利[20]。隨後，Ziolkowski等 完成了巴黎附近一個地下儲氣層的二次調查工作[21]。
然而，目前對於多道瞬變電磁法的關鍵技術細節認識還處於初級階段，現有的多道瞬變電磁法技術還不適合地面金屬礦精細勘探，在研發多道瞬變電磁法深部探礦系統前，很有必要對多道瞬變電磁法技術特點及地球物理機制進行分析和研究。
1 關鍵技術分析
多道瞬變電磁法工作原理如圖1所示。多道瞬變電磁法通過發射電極對向大地注入偽隨機電流信號，並通過多個接收電極對採集不同偏移距下的響應數據。接收電極對同軸布置，僅採集電場的軸向分量。其主要工作特點為：發射電極對與接收電極對位於同一條測線上，採取一發多收的觀測系統。這種裝置模式與地震勘探數據觀測方式比較相近，數據處理方法也與地震勘探基本相似，即通過共偏移剖面圖推測地下某一深度目標體的地電信息[18]。
1.1 偽隨機碼發射信號源
多道瞬變電磁法採用偽隨機碼作為發射信號源 （圖1）。 偽隨機碼在一個碼長範圍內隨機分布，但這種隨機分布可以預先確定，且對於下一個碼長可重複實現。偽隨機碼包括2個重要特徵參數： fc為時鐘頻率；n為隨機碼序列長度。每發射2n-1個信號碼後，系統重複發射。與傳統瞬變電磁法階躍波相比，偽隨機碼發射信號源 （Pseudo-random Binary Sequence，PRBS）頻譜較為平坦且頻帶範圍較大，對偽隨機碼進行反卷積處理增加了時間域信號的信噪比[18]。
1.2 多道數據採集方式
在對多道瞬變電磁法進行試驗的初期，接收裝置記錄電場水平分量、垂直分量以及垂直磁場隨時間變化的導數等參數。隨後的建模研究和數據處理結果表明，除了電場水平分量，其他分量沒有反映出地下目標體的更多信息[18]。因此，後期採取了如圖1所示的軸向式工作裝置。
多道瞬變電磁法採用電偶極源進行信號發射，採用電偶極子陣列來記錄大地電磁響應，發射源位置和接收電偶極子之間的偏移距一般為2～4倍目標體深度。整個系統沿測線移動，直至完成整條測線的數據採集工作。各測點大地電壓響應的峰值與大地電阻率及收發距離存在如下近似表達式
由式（1）可以看出，隨著偏移距的增加，接收得到的電壓信號急劇衰減，在偏移距較大時難以獲得質量較好的信號。為了探測埋深為d的目標體，最大偏移距應達到4倍目標體深度，因此，在不同偏移距進行數據採集時，偏移距較大時需要對採集信號強度進行補償。當獲得多個偏移距下的數據後，取收發距離的中點作為記錄點，每個記錄點的響應與源點和記錄點之間地下目標體的整體電性結構有關。與反射法地震勘探相似，可繪製共中心點剖面，實現多道瞬變電磁法觀測數據時間域的多次迭加及空間域的多次覆蓋。
1.3 數據處理
大地可以看作是一個線性時不變系統，把由接地電極發射的源信號看作系統輸入信號， 把所接收的信號看作系統輸出信號（圖2）。根據線性時不變系統的特性，系統輸出信號可表示為[17]
為了較好地記錄與地質體有關的大地脈衝響應，在數據採集和處理時，採用了3個關鍵性技術：①在測量感應電壓時，同時測量發送電流，以便得到測量系統響應；②通過對系統輸出信號與系統響應的反卷積，獲得大地脈衝響應；③通過多次迭加，增加信噪比。
1.4 資料解釋
由於多道瞬變電磁法的數據採集方式、數據處理與地震勘探十分相似，所以其數據處理方式與地震解釋的某些技術相類似。雖然電流在地層中的傳播方式與地震波在相同地層中的傳播方式不同，且所得到的響應也完全不同，但是多道瞬變電磁法仍然可以借鑑地震勘探成熟的數據處理技術。
對大地脈衝響應進一步處理，可以得到3種不同形式的剖面：①脈衝響應共偏移距離剖面，大地脈衝響應的峰值及峰值時刻與地下介質的電阻率相關，將同一偏移距下的大地脈衝響應整理成共偏移距剖面，可以反映地下同一深度的地電信息；②共中心點視電阻率剖面，根據式（3）定義的視電阻率， 得到共中心點的視電阻率-偏移距剖面，該剖面反映不同測點電阻率隨深度的變化關係；③共中心點集一維反演剖面，通過對不同偏移距下脈衝響應曲線的反演擬合，獲得共中心點的視電阻率-深度二維剖面。
2 基礎理論分析
2.1 電偶極源基礎理論
在近區情況下，只有電場水平方向與垂直方向的2個分量與大地電阻率有關，但這2個分量又與頻率無關，其他幾個分量已經不反映地層電性結構。經過時-頻轉換後的數據仍然保留了接地源電磁場響應的基本特徵，並且在數據採集時，無法將感應場與輻射場分開，因此，接地線源近區場不能進行頻率測深，只可以進行幾何測深，即可以通過改變收發距離的辦法達到測深的目的。
2.2 多道瞬變電磁法場的擴散特性分析
對於一個地面上的電偶極源，其發射電磁波的傳播形式有3種（圖3）：①在空氣中傳播的電磁波，即空氣波，由於空氣波的長度比地下傳播的波的長度大很多，所以空氣波可以忽略；②沿大地表層傳播的表層波，對於遠場，表層波是最重要的組成部分；③傳入地下的地層波，在近源探測時，地層波是主要組成部分，不僅可以反映接收點下方的地質信息，還能反映場源和測量點之間所有地層波擴散路徑範圍內的地質信息。
近源條件下，直流場占主導地位，發射源關閉後，場即消失。然而對於遠場來說，渦流場占主導地位，發射源關閉後，場依然存在。對於時間域電磁法，時間和距離具有可交換性，因此，可以通過調整發射頻率和改變收發距離控制探測深度。多道瞬變電磁法是近場探測，且數據採集過程中一次場和二次場無法分離，因此，通過改變偏移距或調整探測系統的排列方式來達到最佳探測效果。通過給出不同點的共偏移距剖面和同一點的共中心點剖面，就可以完成對不同測點、不同深度地質信息的採集。
2.3 多道瞬變電磁法探測深度分析
多道瞬變電磁法採集不同偏移距下電偶極源軸向電場響應，從而獲得地下不同深度的電介質電阻率信息。與傳統的中心回線式瞬變電磁法不同，多道瞬變電磁法的探測深度不僅與時間有關，而且與偏移距和整個地電剖面的電阻率有關。傳統瞬變電磁法測深與直流電測深中直接給出探測深度的計算公式，但是多道瞬變電磁法測深是參數測深與幾何測深的一種結合，需要通過擬合反演方式獲得地下不同深度地質目標體的探測深度。通過峰值及峰值時刻整理成共偏移距道集可以反映固定深度的電阻率信息，此時多道瞬變電磁法的探測深度約為偏移距的一半，因此，在大地脈衝響應峰值集的峰值時刻分析時，偏移距可以定性作為探測深度的一個反映。
3 技術改進方案
3.1 由二維向三維數據採集系統的改進
常規多道瞬變電磁法的數據觀測方式採取了二維軸向式系統[圖4（a）]。這種裝置在構造簡單情況下用於油氣探測和監測，取得一定的應用效果[21]。但是對於複雜地質構造、地形起伏等情況，採用二維觀測系統不利於精細探測。圖4（b）為改進的多道瞬變電磁法三維數據採集系統方案。最大發射電流50 A，最高發射電壓1 000 V，可編碼位數範圍為1～4 095，偽隨機碼發射信號源基準頻率低於10 kHz；動態範圍160 dB，時間同步精度5 μs，採樣率64 kHz，最多可同時測量1 000道。這種方案可實現從地表淺部（500 m）向地下深部（2 000 m）的探測，實現從二維斷面向三維立體的勘查。
3.2 由一般處理解釋技術向三維偏移成像的改進
在資料處理和解釋中，通過對共偏移距離剖面和共中心點剖面電阻率的數據處理和簡單成像，可推測目標體基本地質與地球物理信息；通過對一系列的單獨共中心點集進行對照一維全波反演，可得到對應油氣藏高阻體的頂部及底部位置。由於常規三維反演的複雜性，需要預先設定目標體的電性參數和幾何參數，所以這種技術目前尚未在現有的多道瞬變電磁法得到應用。發展多道瞬變電磁法系統三維擬地震偏移成像技術是一種較好的發展方向。但是，瞬變電磁場服從擴散方程使得成像技術成為一個挑戰。Lee等建立了波場變換公式[22]，通過積分公式可將瞬變電磁場數據轉換為波場數據。這種方法可以完成複雜情況下的瞬變電磁成像，但由於波場變換公式的不適定性，所以該方法的發展速度相對緩慢。
李貅等提出了從瞬變電磁場到波場的轉換計算方法[23-25]。通過反轉換可以將瞬變電磁數據變為擬地震波場數據，進而可用地震類軟體進行處理，處理結果表明瞬變電磁法數據的解析度提升很大[26-27]。這表明高解析度三維瞬變電磁成像是可行的，為瞬變電磁法三維反演提供了一種新的方法。上述研究對多道瞬變電磁法將是很好的借鑑。
3.3 由油氣勘探領域向深部礦產資源領域拓展
中國正在向深部隱伏礦體精細探測方向發展，「攻深找盲」成為中國新一輪礦產資源勘探的主流。人工源音頻電磁法 （Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT）受發射頻率或發射功率的制約， 找礦深度通常在800 m左右；天然電磁場測深法（Magnetotellurics，MT）雖然具有大深度探測的能力，但場源信號較弱，單一依靠天然電磁場信息的探測方法只能用於油氣普查和金屬礦成礦帶評估，而詳查找礦效果並不理想。因此，為了滿足中國新一輪礦產資源勘探需要，打破國外裝備的壟斷局面，從技術裝備上研製出既能滿足探礦深度（2 000 m）， 又能滿足詳查要求，適合中國地質情況的電磁法裝備勢在必行。
瞬變電磁法以外的其他電磁法勘探方法目前還不能很好地滿足中國「攻深找盲」精細探測的技術要求。目前，中國的電磁法儀器大多數從國外進口，而國外的裝備在設計過程中並未考慮中國礦產資源勘探的實際情況，存在野外施工不方便，成像軟體不適用等問題。在現有的瞬變電磁法技術基礎上，開發新裝備和新技術是解決這一問題且滿足深部找礦的重要途徑之一。
4 結 語
中心回線源瞬變電磁法受到其激發電磁場性質和發射磁矩的限制，探測深度只有數十米到數百米，但使用接地電性源後將使探測深度大大增加。為解決大深度、高精度探測深部礦產的實際難題，多道瞬變電磁法已成為目前的研究熱點。 本文對多道瞬變電磁法的技術特點及地球物理機制進行了分析和研究。為了解決中國複雜環境下的深部探測問題，對現有的多道瞬變電磁法提出改進：①把二維觀測系統改進成三維觀測系統，即三維數據採集系統，使其實用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規一維擬地震資料簡單處理改進成三維擬地震成像解釋；③由油氣勘探領域拓展到複雜的深部礦產資源領域。
參考文獻：
References：
[1] KAUFMAN A A，KELLER G V.Frequency and Transient Soundings[M].Amsterdam：Elsevier，1983.
[2] 納比吉安M N.勘查地球物理電磁法：第1卷，理論[M].趙經祥，王艷君，譯.北京：地質出版社，1992.
NABIGHIAN M N.Electromagnetic Methods in Applied Geophysics：Volume 1，Theory[M].Translated by ZHAO Jing-xiang，WANG Yan-jun.Beijing：Geological Publishing House，1992.
[3] XUE G Q，GELIUS L J，LI X.3D Pseudo-seismic Imaging of Transient Electromagnetic Data：A Feasibility Study[J].Geophysical Prospecting，2013，61（S1）：561-571.
[4] 薛國強，王賀元，閆 述，等.瞬變電磁場時域格林函數解[J].地球物理學報，2014，57（2）：671-678.
XUE Guo-qiang，WANG He-yuan，YAN Shu，et al.Time-domain Green Function Solution for Transient Electromagnetic Field[J].Chinese Journal of Geophysics，2014，57（2）：671-678.
[5] 薛國強，閆 述，陳衛營.接地源短偏移瞬變電磁法研究展望[J].地球物理學進展，2014，29（1）：177-181.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，CHEN Wei-ying.Research Prospect to Grounded-wire TEM with Short-offset[J].Progress in Geophysics，2014，29（1）：177-181.
[6] 薛國強，閆 述，陳衛營.電性源瞬變電磁短偏移探測方法[J].中國有色金屬學報，2013，23（9）：2365-2370.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，CHEN Wei-ying.Exploration Technique Due to Grounded Wire Source with Short-offset[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2013，23（9）：2365-2370.
[7] 薛國強，陳衛營，周楠楠，等.接地源瞬變電磁短偏移深部探測技術[J].地球物理學報，2013，56（1）：255-261.
XUE Guo-qiang，CHEN Wei-ying，ZHOU Nan-nan，et al. Short-offset TEM Technique with a Grounded Wire Source for Deep Sounding[J].Chinese Journal of Geophysics，2013，56（1）：255-261.
[8] 薛國強，李 貅，底青雲.瞬變電磁法理論與應用研究進展[J].地球物理學進展，2007，22（4）：1195-1200.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，DI Qing-yun.The Progress of TEM in Theory and Application[J].Progress in Geophysics，2007，22（4）：1195-1200.
[9] 薛國強，李 貅，底青雲.瞬變電磁法正反演問題研究進展[J].地球物理學進展，2008，23（4）：1165-1172.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，DI Qing-yun.Research Progress in TEM Forward Modeling and Inversion Calculation[J].Progress in Geophysics，2008，23（4）：1165-1172.
[10] 薛國強，閆 述，周楠楠.偶極子假設引起的大回線源瞬變電磁響應偏差分析[J].地球物理學報，2011，54（9）：2389-2396.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，ZHOU Nan-nan.Theoretical Study on the Errors Caused by Dipole Hypothesis of Large-loop TEM Response[J].Chinese Journal of Geophysics，2011，54（9）：2389-2396.
[11] 薛國強，秦克章，李 貅，等.西藏沙讓特大型鉬礦的發現與瞬變電磁法探查[J].地球物理學進展，2011，26（3）：954-960.
XUE Guo-qiang，QIN Ke-zhang，LI Xiu，et al.Discovery and TEM Detection for Large-scale Porphyry Molybdenum Deposit in Tibet[J].Progress in Geophysics， 2011，26（3）：954-960.
[12] 薛國強， 李 貅，戚志鵬，等.瞬變電磁擬地震子波寬度壓縮研究[J].地球物理學報，2011，54（5）：1384-1390.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，QI Zhi-peng，et al.Study of Sharpen the Wave-form of TEM Pseudo-seismic[J]. Chinese Journal of Geophysics，2011，54（5）：1384-1390.
[13] 薛國強，秦克章，黃樹峰，等.大回線源瞬變電磁技術在西藏山南地區探礦中的應用[J].地質與勘探，2011，47（1）：100-106.
XUE Guo-qiang，QIN Ke-zhang，HUANG Shu-feng，et al.Application of Large-loop TEM Technology to Mineral Exploration in the Shannan Area，Tibet[J].Geology and Exploration，2011，47（1）：100-106.
[14] 陳衛營，薛國強.瞬變電磁法多裝置探測技術在煤礦採空區調查中的應用[J].地球物理學進展，2013，28（5）：2709-2717.
CHEN Wei-ying，XUE Guo-qiang.Application on Coal-mine Voids Detection with Multi-device TEM Technology[J].Progress in Geophysics，2013，28（5）：2709-2717.
[15] 陳衛營，薛國強.接地導線源電磁場全域有效趨膚深度[J].地球物理學報，2014，57（7）：2314-2320.
CHEN Wei-ying，XUE Guo-qiang.Effective Skin Depth of Whole EM Field Due to a Grounded Wire Source[J].Chinese Journal of Geophysics，2014，57（7）：2314-2320.
[16] 周楠楠，薛國強，李 海.回線源瞬變電磁水平分量對薄層的分辨能力[J].地球物理學進展，2014，29（5）：2347-2355.
ZHOU Nan-nan，XUE Guo-qiang，LI Hai.Distinguishing Ability to Thin Layer of Loop-source TEM Horizontal Components[J].Progress in Geophysics，2014， 29（5）：2347-2355.
[17] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Hydrocarbon Detection with a Multi-channel Transient Electromagnetic Survey[C]∥SEG.SEG Technical Program Expanded Abstracts 2001.Tulsa：SEG，2001：1435-1438.
[18] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Hydrocarbon Detection and Monitoring with a Multicomponent Transient Electromagnetic（MTEM） Survey[J].The Leading Edge，2002，21（9）：852-864.
[19] WRIGHT D A.Detection of Hydrocarbons and Their Movement in a Reservoir Using Time-lapse Multi-transient Electromagnetic（MTEM） Data[D].Edinburgh：University of Edinburgh，2003.
[20] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Detection of Subsurface Resistivity Contrasts with Application to Location of Fluids：USA，US6914433 B2[P].2005-07-05.
[21] ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A，WRIGHT D A. Multi-transient Electromagnetic Demonstration Survey in France[J].Geophysics，2007，72（4）：F197-F209.
[22] LEE S，MCMECHAN G A，AIKEN C L V.Phase-field Imaging：The Electromagnetic Equivalent of Seismic Migration[J].Geophysics，1987，52（5）：678-693.
[23] 李 貅，薛國強.瞬變電磁法擬地震偏移成像研究[M].北京：科學出版社，2013.
LI Xiu，XUE Guo-qiang.Study on Pseudo-seismic Migration Imaging of Transient Electromagnetic Method[M].Beijing：Science Press，2013.
[24] 李 貅，薛國強，劉銀愛，等.瞬變電磁合成孔徑成像方法研究[J].地球物理學報，2012，55（1）：333-340.
LI Xiu，XUE Guo-qiang，LIU Yin-ai，et al.A Research on TEM Imaging Method Based on Synthetic-aperture Technology[J].Chinese Journal of Geophysics，2012，55（1）：333-340.
[25] 李 貅，戚志鵬，薛國強，等.瞬變電磁虛擬波場的三維曲面延拓成像[J].地球物理學報，2010，53（12）：3005-3011.
LI Xiu，QI Zhi-peng，XUE Guo-qiang，et al.Three Dimensional Curved Surface Continuation Image Based on TEM Pseudo Wave-field[J].Chinese Journal of Geophysics，2010，53（12）：3005-3011.
[26] XUE G Q，YAN Y J，LI X.Control of Waveform Dispersion Effect and Applications in TEM Imaging Technique for Identifying Underground Objects[J]. Journal of Geophysics and Engineering，2011，8（2）：195-201.
[27] XUE G Q，BAI C Y， LI X.Extracting the Virtual Reflected Wavelet from TEM Data Based on Regularizing Method[J].Pure and Applied Geophysics，2012，169（7）：1269-1282.
摘 要： 多道瞬變電磁法（MTEM）具有深度大且探測精度高的特點，是目前電磁法領域研究熱點之一。為推進多道瞬變電磁法深部探測系統的研發，對多道瞬變電磁法的技術特點及地球物理機制進行了分析。首先，對多道瞬變電磁法的關鍵技術進行總結，其特點包括：採用大功率接地源形式；編碼發射；多道觀測；類地震資料處理。然後，指出多道瞬變電磁法的地球物理實質：多道瞬變電磁法屬於近源測深，即通過改變偏移距達到測深目的；接收信號包括系統響應和大地脈衝響應（即含有一次場與二次場的混合場）信號，採用反卷積方法獲取大地脈衝響應。最後，針對中國複雜環境下的深部探測，對現有的多道瞬變電磁法提出改進思路：①把二維觀測系統改進成三維觀測系統，即三維數據採集系統，使其應用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規一維擬地震資料簡單處理改進成三維擬地震成像解釋；③從油氣勘探領域拓展到複雜的深部礦產資源領域。
關鍵詞： 瞬變電磁法；地球物理學；接地源；近源；短偏移；探測深度；三維
中圖分類號： P631.3+25 文獻標誌碼： A
Abstract： Multi-transient electromagnetic method （MTEM） has the merit of detecting deeper target with higher resolution， and becomes one of hot topics. In order to develop MTEM instrument system， Technical characteristics and geophysical mechanics of MTEM were discussed. Firstly， the key technology of MTEM includes that superpower grounded-wire is the source of MTEM； transmitter signal is generated by pseudo random binary sequence （PRBS） form； multi-channel receivers are employed for signal collection； seismic method is adopted in data processing. Secondly， the geophysical mechanics of MTEM include that because of the array layout， MTEM belongs to near-source sounding or geometric sounding， which means that changing the offset distance can finish the deep target； the receiver signals include system and impulse responses， which is an information mixed with primary field and secondary field， and the impulse response can be collected by deconvolution method. Finally， for the deeper buried target detection with complexity condition in China， the new modified MTEM is proposed that two-dimensional data collection system is modified into three-dimensional， so as to make the method more applicable and convenient for exploration and obtain a greater detection depth with higher detection accuracy； traditional one-dimensional pseudo-seismic interpretation is improved into three-dimensional data imaging system； the application scope is enlarge from petroleum exploration to ore deposit investigation.
Key words： transient electromagnetic method； geophysics； grounded wire； near-source； short-offset； detection depth； three-dimensional
0 引 言
瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法[1]。傳統瞬變電磁法是利用回線或者接地導線向地下發射一次場，在一次場斷電後，測量由地下介質感應產生的隨時間變化的二次場，從而達到尋找地質目標體目的的一種地球物理勘探方法[2]。該方法發射波信號頻帶寬，頻譜信息豐富，一次激發便可覆蓋探測所需的頻段，有助於提高工作效率。但是，傳統瞬變電磁法信號弱，易受干擾，探測深度一般只有500 m左右，資料處理也主要限於單道處理，不能很好地適應開展第二空間探礦的需求。
發展深部探測和偏移成像精細解釋成為目前的研究熱點[3-16]。英國愛丁堡大學的Wright等提出了多道瞬變電磁法（Multi-channel Transient Electromagnetic Method， MTEM）的概念和探測油氣目標體的相關技術[17]。該方法借鑑油氣勘探中的地震技術，採用電性源多次發射，陣列式多道接收多次覆蓋的全波場信息，可以對數據進行類地震處理，在同等發射強度的條件下大幅度提高探測精度和深度，使探測深度超過2 000 m。這種方法與傳統瞬變電磁法不同，主要表現為：①採用接地源形式；②編碼發射；③多道觀測，在測量感應電壓的同時，測量發送電流；④通過對接收電壓與發送電流進行反卷積，得到大地脈衝響應，進行類地震資料處理。
2002年，Wright等使用多道瞬變電磁法對法國巴黎附近的一個地下儲氣層進行了調查[18]。其目的是發現地下500 m處油氣層所對應的高阻層。通過反卷積和微分處理得到大地脈衝響應的時間導數，並將結果以共偏距和偏移剖面顯示。這種方式得到的高電阻層很好地反映了已知儲氣層的正確水平位置。2003年，Wright 完成了該方面的博士論文研究[19]，成立了MTEM公司， 進行該技術的商業化應用，並於2005年獲得美國專利[20]。隨後，Ziolkowski等 完成了巴黎附近一個地下儲氣層的二次調查工作[21]。
然而，目前對於多道瞬變電磁法的關鍵技術細節認識還處於初級階段，現有的多道瞬變電磁法技術還不適合地面金屬礦精細勘探，在研發多道瞬變電磁法深部探礦系統前，很有必要對多道瞬變電磁法技術特點及地球物理機制進行分析和研究。
1 關鍵技術分析
多道瞬變電磁法工作原理如圖1所示。多道瞬變電磁法通過發射電極對向大地注入偽隨機電流信號，並通過多個接收電極對採集不同偏移距下的響應數據。接收電極對同軸布置，僅採集電場的軸向分量。其主要工作特點為：發射電極對與接收電極對位於同一條測線上，採取一發多收的觀測系統。這種裝置模式與地震勘探數據觀測方式比較相近，數據處理方法也與地震勘探基本相似，即通過共偏移剖面圖推測地下某一深度目標體的地電信息[18]。
1.1 偽隨機碼發射信號源
多道瞬變電磁法採用偽隨機碼作為發射信號源 （圖1）。 偽隨機碼在一個碼長範圍內隨機分布，但這種隨機分布可以預先確定，且對於下一個碼長可重複實現。偽隨機碼包括2個重要特徵參數： fc為時鐘頻率；n為隨機碼序列長度。每發射2n-1個信號碼後，系統重複發射。與傳統瞬變電磁法階躍波相比，偽隨機碼發射信號源 （Pseudo-random Binary Sequence，PRBS）頻譜較為平坦且頻帶範圍較大，對偽隨機碼進行反卷積處理增加了時間域信號的信噪比[18]。
1.2 多道數據採集方式
在對多道瞬變電磁法進行試驗的初期，接收裝置記錄電場水平分量、垂直分量以及垂直磁場隨時間變化的導數等參數。隨後的建模研究和數據處理結果表明，除了電場水平分量，其他分量沒有反映出地下目標體的更多信息[18]。因此，後期採取了如圖1所示的軸向式工作裝置。
多道瞬變電磁法採用電偶極源進行信號發射，採用電偶極子陣列來記錄大地電磁響應，發射源位置和接收電偶極子之間的偏移距一般為2～4倍目標體深度。整個系統沿測線移動，直至完成整條測線的數據採集工作。各測點大地電壓響應的峰值與大地電阻率及收發距離存在如下近似表達式
由式（1）可以看出，隨著偏移距的增加，接收得到的電壓信號急劇衰減，在偏移距較大時難以獲得質量較好的信號。為了探測埋深為d的目標體，最大偏移距應達到4倍目標體深度，因此，在不同偏移距進行數據採集時，偏移距較大時需要對採集信號強度進行補償。當獲得多個偏移距下的數據後，取收發距離的中點作為記錄點，每個記錄點的響應與源點和記錄點之間地下目標體的整體電性結構有關。與反射法地震勘探相似，可繪製共中心點剖面，實現多道瞬變電磁法觀測數據時間域的多次迭加及空間域的多次覆蓋。
1.3 數據處理
大地可以看作是一個線性時不變系統，把由接地電極發射的源信號看作系統輸入信號， 把所接收的信號看作系統輸出信號（圖2）。根據線性時不變系統的特性，系統輸出信號可表示為[17]
為了較好地記錄與地質體有關的大地脈衝響應，在數據採集和處理時，採用了3個關鍵性技術：①在測量感應電壓時，同時測量發送電流，以便得到測量系統響應；②通過對系統輸出信號與系統響應的反卷積，獲得大地脈衝響應；③通過多次迭加，增加信噪比。
1.4 資料解釋
由於多道瞬變電磁法的數據採集方式、數據處理與地震勘探十分相似，所以其數據處理方式與地震解釋的某些技術相類似。雖然電流在地層中的傳播方式與地震波在相同地層中的傳播方式不同，且所得到的響應也完全不同，但是多道瞬變電磁法仍然可以借鑑地震勘探成熟的數據處理技術。
對大地脈衝響應進一步處理，可以得到3種不同形式的剖面：①脈衝響應共偏移距離剖面，大地脈衝響應的峰值及峰值時刻與地下介質的電阻率相關，將同一偏移距下的大地脈衝響應整理成共偏移距剖面，可以反映地下同一深度的地電信息；②共中心點視電阻率剖面，根據式（3）定義的視電阻率， 得到共中心點的視電阻率-偏移距剖面，該剖面反映不同測點電阻率隨深度的變化關係；③共中心點集一維反演剖面，通過對不同偏移距下脈衝響應曲線的反演擬合，獲得共中心點的視電阻率-深度二維剖面。
2 基礎理論分析
2.1 電偶極源基礎理論
在近區情況下，只有電場水平方向與垂直方向的2個分量與大地電阻率有關，但這2個分量又與頻率無關，其他幾個分量已經不反映地層電性結構。經過時-頻轉換後的數據仍然保留了接地源電磁場響應的基本特徵，並且在數據採集時，無法將感應場與輻射場分開，因此，接地線源近區場不能進行頻率測深，只可以進行幾何測深，即可以通過改變收發距離的辦法達到測深的目的。
2.2 多道瞬變電磁法場的擴散特性分析
對於一個地面上的電偶極源，其發射電磁波的傳播形式有3種（圖3）：①在空氣中傳播的電磁波，即空氣波，由於空氣波的長度比地下傳播的波的長度大很多，所以空氣波可以忽略；②沿大地表層傳播的表層波，對於遠場，表層波是最重要的組成部分；③傳入地下的地層波，在近源探測時，地層波是主要組成部分，不僅可以反映接收點下方的地質信息，還能反映場源和測量點之間所有地層波擴散路徑範圍內的地質信息。
近源條件下，直流場占主導地位，發射源關閉後，場即消失。然而對於遠場來說，渦流場占主導地位，發射源關閉後，場依然存在。對於時間域電磁法，時間和距離具有可交換性，因此，可以通過調整發射頻率和改變收發距離控制探測深度。多道瞬變電磁法是近場探測，且數據採集過程中一次場和二次場無法分離，因此，通過改變偏移距或調整探測系統的排列方式來達到最佳探測效果。通過給出不同點的共偏移距剖面和同一點的共中心點剖面，就可以完成對不同測點、不同深度地質信息的採集。
2.3 多道瞬變電磁法探測深度分析
多道瞬變電磁法採集不同偏移距下電偶極源軸向電場響應，從而獲得地下不同深度的電介質電阻率信息。與傳統的中心回線式瞬變電磁法不同，多道瞬變電磁法的探測深度不僅與時間有關，而且與偏移距和整個地電剖面的電阻率有關。傳統瞬變電磁法測深與直流電測深中直接給出探測深度的計算公式，但是多道瞬變電磁法測深是參數測深與幾何測深的一種結合，需要通過擬合反演方式獲得地下不同深度地質目標體的探測深度。通過峰值及峰值時刻整理成共偏移距道集可以反映固定深度的電阻率信息，此時多道瞬變電磁法的探測深度約為偏移距的一半，因此，在大地脈衝響應峰值集的峰值時刻分析時，偏移距可以定性作為探測深度的一個反映。
3 技術改進方案
3.1 由二維向三維數據採集系統的改進
常規多道瞬變電磁法的數據觀測方式採取了二維軸向式系統[圖4（a）]。這種裝置在構造簡單情況下用於油氣探測和監測，取得一定的應用效果[21]。但是對於複雜地質構造、地形起伏等情況，採用二維觀測系統不利於精細探測。圖4（b）為改進的多道瞬變電磁法三維數據採集系統方案。最大發射電流50 A，最高發射電壓1 000 V，可編碼位數範圍為1～4 095，偽隨機碼發射信號源基準頻率低於10 kHz；動態範圍160 dB，時間同步精度5 μs，採樣率64 kHz，最多可同時測量1 000道。這種方案可實現從地表淺部（500 m）向地下深部（2 000 m）的探測，實現從二維斷面向三維立體的勘查。
3.2 由一般處理解釋技術向三維偏移成像的改進
在資料處理和解釋中，通過對共偏移距離剖面和共中心點剖面電阻率的數據處理和簡單成像，可推測目標體基本地質與地球物理信息；通過對一系列的單獨共中心點集進行對照一維全波反演，可得到對應油氣藏高阻體的頂部及底部位置。由於常規三維反演的複雜性，需要預先設定目標體的電性參數和幾何參數，所以這種技術目前尚未在現有的多道瞬變電磁法得到應用。發展多道瞬變電磁法系統三維擬地震偏移成像技術是一種較好的發展方向。但是，瞬變電磁場服從擴散方程使得成像技術成為一個挑戰。Lee等建立了波場變換公式[22]，通過積分公式可將瞬變電磁場數據轉換為波場數據。這種方法可以完成複雜情況下的瞬變電磁成像，但由於波場變換公式的不適定性，所以該方法的發展速度相對緩慢。
李貅等提出了從瞬變電磁場到波場的轉換計算方法[23-25]。通過反轉換可以將瞬變電磁數據變為擬地震波場數據，進而可用地震類軟體進行處理，處理結果表明瞬變電磁法數據的解析度提升很大[26-27]。這表明高解析度三維瞬變電磁成像是可行的，為瞬變電磁法三維反演提供了一種新的方法。上述研究對多道瞬變電磁法將是很好的借鑑。
3.3 由油氣勘探領域向深部礦產資源領域拓展
中國正在向深部隱伏礦體精細探測方向發展，「攻深找盲」成為中國新一輪礦產資源勘探的主流。人工源音頻電磁法 （Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT）受發射頻率或發射功率的制約， 找礦深度通常在800 m左右；天然電磁場測深法（Magnetotellurics，MT）雖然具有大深度探測的能力，但場源信號較弱，單一依靠天然電磁場信息的探測方法只能用於油氣普查和金屬礦成礦帶評估，而詳查找礦效果並不理想。因此，為了滿足中國新一輪礦產資源勘探需要，打破國外裝備的壟斷局面，從技術裝備上研製出既能滿足探礦深度（2 000 m）， 又能滿足詳查要求，適合中國地質情況的電磁法裝備勢在必行。
瞬變電磁法以外的其他電磁法勘探方法目前還不能很好地滿足中國「攻深找盲」精細探測的技術要求。目前，中國的電磁法儀器大多數從國外進口，而國外的裝備在設計過程中並未考慮中國礦產資源勘探的實際情況，存在野外施工不方便，成像軟體不適用等問題。在現有的瞬變電磁法技術基礎上，開發新裝備和新技術是解決這一問題且滿足深部找礦的重要途徑之一。
4 結 語
中心回線源瞬變電磁法受到其激發電磁場性質和發射磁矩的限制，探測深度只有數十米到數百米，但使用接地電性源後將使探測深度大大增加。為解決大深度、高精度探測深部礦產的實際難題，多道瞬變電磁法已成為目前的研究熱點。 本文對多道瞬變電磁法的技術特點及地球物理機制進行了分析和研究。為了解決中國複雜環境下的深部探測問題，對現有的多道瞬變電磁法提出改進：①把二維觀測系統改進成三維觀測系統，即三維數據採集系統，使其實用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規一維擬地震資料簡單處理改進成三維擬地震成像解釋；③由油氣勘探領域拓展到複雜的深部礦產資源領域。
參考文獻：
References：
[1] KAUFMAN A A，KELLER G V.Frequency and Transient Soundings[M].Amsterdam：Elsevier，1983.
[2] 納比吉安M N.勘查地球物理電磁法：第1卷，理論[M].趙經祥，王艷君，譯.北京：地質出版社，1992.
NABIGHIAN M N.Electromagnetic Methods in Applied Geophysics：Volume 1，Theory[M].Translated by ZHAO Jing-xiang，WANG Yan-jun.Beijing：Geological Publishing House，1992.
[3] XUE G Q，GELIUS L J，LI X.3D Pseudo-seismic Imaging of Transient Electromagnetic Data：A Feasibility Study[J].Geophysical Prospecting，2013，61（S1）：561-571.
[4] 薛國強，王賀元，閆 述，等.瞬變電磁場時域格林函數解[J].地球物理學報，2014，57（2）：671-678.
XUE Guo-qiang，WANG He-yuan，YAN Shu，et al.Time-domain Green Function Solution for Transient Electromagnetic Field[J].Chinese Journal of Geophysics，2014，57（2）：671-678.
[5] 薛國強，閆 述，陳衛營.接地源短偏移瞬變電磁法研究展望[J].地球物理學進展，2014，29（1）：177-181.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，CHEN Wei-ying.Research Prospect to Grounded-wire TEM with Short-offset[J].Progress in Geophysics，2014，29（1）：177-181.
[6] 薛國強，閆 述，陳衛營.電性源瞬變電磁短偏移探測方法[J].中國有色金屬學報，2013，23（9）：2365-2370.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，CHEN Wei-ying.Exploration Technique Due to Grounded Wire Source with Short-offset[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2013，23（9）：2365-2370.
[7] 薛國強，陳衛營，周楠楠，等.接地源瞬變電磁短偏移深部探測技術[J].地球物理學報，2013，56（1）：255-261.
XUE Guo-qiang，CHEN Wei-ying，ZHOU Nan-nan，et al. Short-offset TEM Technique with a Grounded Wire Source for Deep Sounding[J].Chinese Journal of Geophysics，2013，56（1）：255-261.
[8] 薛國強，李 貅，底青雲.瞬變電磁法理論與應用研究進展[J].地球物理學進展，2007，22（4）：1195-1200.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，DI Qing-yun.The Progress of TEM in Theory and Application[J].Progress in Geophysics，2007，22（4）：1195-1200.
[9] 薛國強，李 貅，底青雲.瞬變電磁法正反演問題研究進展[J].地球物理學進展，2008，23（4）：1165-1172.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，DI Qing-yun.Research Progress in TEM Forward Modeling and Inversion Calculation[J].Progress in Geophysics，2008，23（4）：1165-1172.
[10] 薛國強，閆 述，周楠楠.偶極子假設引起的大回線源瞬變電磁響應偏差分析[J].地球物理學報，2011，54（9）：2389-2396.
XUE Guo-qiang，YAN Shu，ZHOU Nan-nan.Theoretical Study on the Errors Caused by Dipole Hypothesis of Large-loop TEM Response[J].Chinese Journal of Geophysics，2011，54（9）：2389-2396.
[11] 薛國強，秦克章，李 貅，等.西藏沙讓特大型鉬礦的發現與瞬變電磁法探查[J].地球物理學進展，2011，26（3）：954-960.
XUE Guo-qiang，QIN Ke-zhang，LI Xiu，et al.Discovery and TEM Detection for Large-scale Porphyry Molybdenum Deposit in Tibet[J].Progress in Geophysics， 2011，26（3）：954-960.
[12] 薛國強， 李 貅，戚志鵬，等.瞬變電磁擬地震子波寬度壓縮研究[J].地球物理學報，2011，54（5）：1384-1390.
XUE Guo-qiang，LI Xiu，QI Zhi-peng，et al.Study of Sharpen the Wave-form of TEM Pseudo-seismic[J]. Chinese Journal of Geophysics，2011，54（5）：1384-1390.
[13] 薛國強，秦克章，黃樹峰，等.大回線源瞬變電磁技術在西藏山南地區探礦中的應用[J].地質與勘探，2011，47（1）：100-106.
XUE Guo-qiang，QIN Ke-zhang，HUANG Shu-feng，et al.Application of Large-loop TEM Technology to Mineral Exploration in the Shannan Area，Tibet[J].Geology and Exploration，2011，47（1）：100-106.
[14] 陳衛營，薛國強.瞬變電磁法多裝置探測技術在煤礦採空區調查中的應用[J].地球物理學進展，2013，28（5）：2709-2717.
CHEN Wei-ying，XUE Guo-qiang.Application on Coal-mine Voids Detection with Multi-device TEM Technology[J].Progress in Geophysics，2013，28（5）：2709-2717.
[15] 陳衛營，薛國強.接地導線源電磁場全域有效趨膚深度[J].地球物理學報，2014，57（7）：2314-2320.
CHEN Wei-ying，XUE Guo-qiang.Effective Skin Depth of Whole EM Field Due to a Grounded Wire Source[J].Chinese Journal of Geophysics，2014，57（7）：2314-2320.
[16] 周楠楠，薛國強，李 海.回線源瞬變電磁水平分量對薄層的分辨能力[J].地球物理學進展，2014，29（5）：2347-2355.
ZHOU Nan-nan，XUE Guo-qiang，LI Hai.Distinguishing Ability to Thin Layer of Loop-source TEM Horizontal Components[J].Progress in Geophysics，2014， 29（5）：2347-2355.
[17] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Hydrocarbon Detection with a Multi-channel Transient Electromagnetic Survey[C]∥SEG.SEG Technical Program Expanded Abstracts 2001.Tulsa：SEG，2001：1435-1438.
[18] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Hydrocarbon Detection and Monitoring with a Multicomponent Transient Electromagnetic（MTEM） Survey[J].The Leading Edge，2002，21（9）：852-864.
[19] WRIGHT D A.Detection of Hydrocarbons and Their Movement in a Reservoir Using Time-lapse Multi-transient Electromagnetic（MTEM） Data[D].Edinburgh：University of Edinburgh，2003.
[20] WRIGHT D A，ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A.Detection of Subsurface Resistivity Contrasts with Application to Location of Fluids：USA，US6914433 B2[P].2005-07-05.
[21] ZIOLKOWSKI A，HOBBS B A，WRIGHT D A. Multi-transient Electromagnetic Demonstration Survey in France[J].Geophysics，2007，72（4）：F197-F209.
[22] LEE S，MCMECHAN G A，AIKEN C L V.Phase-field Imaging：The Electromagnetic Equivalent of Seismic Migration[J].Geophysics，1987，52（5）：678-693.
[23] 李 貅，薛國強.瞬變電磁法擬地震偏移成像研究[M].北京：科學出版社，2013.
LI Xiu，XUE Guo-qiang.Study on Pseudo-seismic Migration Imaging of Transient Electromagnetic Method[M].Beijing：Science Press，2013.
[24] 李 貅，薛國強，劉銀愛，等.瞬變電磁合成孔徑成像方法研究[J].地球物理學報，2012，55（1）：333-340.
LI Xiu，XUE Guo-qiang，LIU Yin-ai，et al.A Research on TEM Imaging Method Based on Synthetic-aperture Technology[J].Chinese Journal of Geophysics，2012，55（1）：333-340.
[25] 李 貅，戚志鵬，薛國強，等.瞬變電磁虛擬波場的三維曲面延拓成像[J].地球物理學報，2010，53（12）：3005-3011.
LI Xiu，QI Zhi-peng，XUE Guo-qiang，et al.Three Dimensional Curved Surface Continuation Image Based on TEM Pseudo Wave-field[J].Chinese Journal of Geophysics，2010，53（12）：3005-3011.
[26] XUE G Q，YAN Y J，LI X.Control of Waveform Dispersion Effect and Applications in TEM Imaging Technique for Identifying Underground Objects[J]. Journal of Geophysics and Engineering，2011，8（2）：195-201.
[27] XUE G Q，BAI C Y， LI X.Extracting the Virtual Reflected Wavelet from TEM Data Based on Regularizing Method[J].Pure and Applied Geophysics，2012，169（7）：1269-1282.
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