接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术

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，北京 100029

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 Offset Transient Electromagnetic，LOTEM）方法一直发挥着重要作用［1－8］.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，1000～2000m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［9］，对不同电阻率的矿藏［10］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（Controlled Source Audio－frequency Magnetotelluric，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［11－15］，到2010年又有短偏移距的专利［16］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［17］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［18］.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［19］.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［20］：

式中Idl为偶极矩，其中I是供电电流、dl是偶极长度；r是发收距，θ是场点到源点的夹角；σ是大地电导率、μ0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Ex、Ey还与大地电导率有关，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［21］（a）连续三角波和梯形波；（b）阶跃、正弦、梯形单脉冲.Fig.1 Usual TEM excitation wave forms［21］（a）Triangle and trapezoid continuous wave form；（b）Step，sine and trapezoid single pulse.

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、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d仅由观测时间t和地电结构决定，和装置类型、发收距离等无关［22－23］：

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hz为例：

式中J1（λr）为1阶第一类柱Beseel函数，其中λ是r方向的波矢量分量；其中k2i＝jωσiμ0；Gk是地层因子，对于m层大地，有从第m 层向上的递推公式：

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hz（t）曲线.

可见，在早期随着发收距离r的增加，场强hz减小；晚期r增大hz也增大.不过，图2中不同发收距r＝700、1000、2000、3000、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.

图2 两层大地不同偏移距hz（t）曲线Fig.2 Two－layered hz（t）curves with different offset

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.

3.1 全期视电阻率计算

文献［25］给出了电性源由垂直磁场hz（t）出发的视电阻率ρs公式：

式中，g［hz（t）］是隐函数，可用如下级数逼近.

其中系数bi由文献［25］给出，αi由最小二乘法求取，即使目标函数F取极小值.

式中

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的.

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∂hz／∂t.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hz（t）.

3.2 视深度

公式（7）是计算视深度的基础，是电磁法探测深度经典文献［22］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，文献［22］的解析分析和其后的直接时域数值分析［23］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T＝4t，代入式（7），得视深度估算公式：

由（16）式得观测时长估算公式：

式中用电阻率ρ替换了电导率σ.

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.

4.1 工作参数

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1300～1400m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hz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.

图3 两层大地早期、晚期、全期视电阻率对比Fig.3 Two－layered curves of early－time，late－time and whole time（a）G－type；（b）D－type.

表1 河南某盐矿地层电性Table 1 Geo－electric earth of some salt－ore in Henan province

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［20］，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ρn［26］，有

式中m为地层层数.再将ρn≈65Ωm代入公式（17）可知需要的观测时间长度t约为125ms（以光速传播到接收点需要的时间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［26］.因此，观测时长的估算以第一种场为准.查V8仪器的观测时长（表2）可知，要探测赋存深度1300～1400m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Table 2 SOTEM survey time table of V8system

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［27－28］，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r＝700～1000m.而且，为达到一定的信噪比，要求有合理的接地导线源长度AB和供电电流I.当发收距r＝1000m，重复频率f＝1Hz，AB＝1000m、I＝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V（t）曲线Fig.4 EMF curve of field collected data

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5a）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5b是推断地质剖面.进一步地，可以发现在深度1200～1400m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120Ωm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5 盐矿溶腔SOTEM实测成果图（a）视电阻率－深度剖面；（b）地质推断剖面.Fig.5 Result of field data typical section（a）Apparent resistivity section；（b）Interpreted geological section.

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被钻孔验证.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.

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