多道瞬變電磁法（MTEM）技術(shù)分析

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(lǐng)域研究熱點之一。為推進多道瞬變電磁法深部探測系統(tǒng)的研發(fā)，對多道瞬變電磁法的技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)，其特點包括：采用大功率接地源形式；編碼發(fā)射；多道觀測；類地震資料處理。然后，指出多道瞬變電磁法的地球物理實質(zhì)：多道瞬變電磁法屬于近源測深，即通過改變偏移距達到測深目的；接收信號包括系統(tǒng)響應(yīng)和大地脈沖響應(yīng)（即含有一次場與二次場的混合場）信號，采用反卷積方法獲取大地脈沖響應(yīng)。最后，針對中國復(fù)雜環(huán)境下的深部探測，對現(xiàn)有的多道瞬變電磁法提出改進思路：①把二維觀測系統(tǒng)改進成三維觀測系統(tǒng)，即三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其應(yīng)用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規(guī)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(lǐng)域拓展到復(fù)雜的深部礦產(chǎn)資源領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 瞬變電磁法；地球物理學(xué)；接地源；近源；短偏移；探測深度；三維

中圖分類號： P631.3+25 文獻標志碼： 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(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間域人工源電磁探測方法[1]。傳統(tǒng)瞬變電磁法是利用回線或者接地導(dǎo)線向地下發(fā)射一次場，在一次場斷電后，測量由地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的隨時間變化的二次場，從而達到尋找地質(zhì)目標體目的的一種地球物理勘探方法[2]。該方法發(fā)射波信號頻帶寬，頻譜信息豐富，一次激發(fā)便可覆蓋探測所需的頻段，有助于提高工作效率。但是，傳統(tǒng)瞬變電磁法信號弱，易受干擾，探測深度一般只有500 m左右，資料處理也主要限于單道處理，不能很好地適應(yīng)開展第二空間探礦的需求。

發(fā)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(xué)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(guān)技術(shù)[17]。該方法借鑒油氣勘探中的地震技術(shù)，采用電性源多次發(fā)射，陣列式多道接收多次覆蓋的全波場信息，可以對數(shù)據(jù)進行類地震處理，在同等發(fā)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(tǒng)瞬變電磁法不同，主要表現(xiàn)為：①采用接地源形式；②編碼發(fā)射；③多道觀測，在測量感應(yīng)電壓的同時，測量發(fā)送電流；④通過對接收電壓與發(fā)送電流進行反卷積，得到大地脈沖響應(yīng)，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(diào)查[18]。其目的是發(fā)現(xiàn)地下500 m處油氣層所對應(yīng)的高阻層。通過反卷積和微分處理得到大地脈沖響應(yīng)的時間導(dǎo)數(shù)，并將結(jié)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(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，并于2005年獲得美國專利[20]。隨后，Ziolkowski等 完成了巴黎附近一個地下儲氣層的二次調(diào)查工作[21]。

然而，目前對于多道瞬變電磁法的關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)認識還處于初級階段，現(xiàn)有的多道瞬變電磁法技術(shù)還不適合地面金屬礦精細勘探，在研發(fā)多道瞬變電磁法深部探礦系統(tǒng)前，很有必要對多道瞬變電磁法技術(shù)特點及地球物理機制進行分析和研究。

1 關(guān)鍵技術(shù)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(fā)射電極對向大地注入偽隨機電流信號，并通過多個接收電極對采集不同偏移距下的響應(yīng)數(shù)據(jù)。接收電極對同軸布置，僅采集電場的軸向分量。其主要工作特點為：發(fā)射電極對與接收電極對位于同一條測線上，采取一發(fā)多收的觀測系統(tǒng)。這種裝置模式與地震勘探數(shù)據(jù)觀測方式比較相近，數(shù)據(jù)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(fā)射信號源

多道瞬變電磁法采用偽隨機碼作為發(fā)射信號源 （圖1）。 偽隨機碼在一個碼長范圍內(nèi)隨機分布，但這種隨機分布可以預(yù)先確定，且對于下一個碼長可重復(fù)實現(xiàn)。偽隨機碼包括2個重要特征參數(shù)： fc為時鐘頻率；n為隨機碼序列長度。每發(fā)射2n-1個信號碼后，系統(tǒng)重復(fù)發(fā)射。與傳統(tǒng)瞬變電磁法階躍波相比，偽隨機碼發(fā)射信號源 （Pseudo-random Binary Sequence，PRBS）頻譜較為平坦且頻帶范圍較大，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(shù)據(jù)采集方式

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(dǎo)數(shù)等參數(shù)。隨后的建模研究和數(shù)據(jù)處理結(jié)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，后期采取了如圖1所示的軸向式工作裝置。

多道瞬變電磁法采用電偶極源進行信號發(fā)射，采用電偶極子陣列來記錄大地電磁響應(yīng)，發(fā)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(tǒng)沿測線移動，直至完成整條測線的數(shù)據(jù)采集工作。各測點大地電壓響應(yīng)的峰值與大地電阻率及收發(fā)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(zhì)量較好的信號。為了探測埋深為d的目標體，最大偏移距應(yīng)達到4倍目標體深度，因此，在不同偏移距進行數(shù)據(jù)采集時，偏移距較大時需要對采集信號強度進行補償。當獲得多個偏移距下的數(shù)據(jù)后，取收發(fā)距離的中點作為記錄點，每個記錄點的響應(yīng)與源點和記錄點之間地下目標體的整體電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。與反射法地震勘探相似，可繪制共中心點剖面，實現(xiàn)多道瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)時間域的多次迭加及空間域的多次覆蓋。

1.3 數(shù)據(jù)處理

大地可以看作是一個線性時不變系統(tǒng)，把由接地電極發(fā)射的源信號看作系統(tǒng)輸入信號， 把所接收的信號看作系統(tǒng)輸出信號（圖2）。根據(jù)線性時不變系統(tǒng)的特性，系統(tǒng)輸出信號可表示為[17]

為了較好地記錄與地質(zhì)體有關(guān)的大地脈沖響應(yīng)，在數(shù)據(jù)采集和處理時，采用了3個關(guān)鍵性技術(shù)：①在測量感應(yīng)電壓時，同時測量發(fā)送電流，以便得到測量系統(tǒng)響應(yīng)；②通過對系統(tǒng)輸出信號與系統(tǒng)響應(yīng)的反卷積，獲得大地脈沖響應(yīng)；③通過多次迭加，增加信噪比。

1.4 資料解釋

由于多道瞬變電磁法的數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)處理與地震勘探十分相似，所以其數(shù)據(jù)處理方式與地震解釋的某些技術(shù)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(yīng)也完全不同，但是多道瞬變電磁法仍然可以借鑒地震勘探成熟的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

對大地脈沖響應(yīng)進一步處理，可以得到3種不同形式的剖面：①脈沖響應(yīng)共偏移距離剖面，大地脈沖響應(yīng)的峰值及峰值時刻與地下介質(zhì)的電阻率相關(guān)，將同一偏移距下的大地脈沖響應(yīng)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(jù)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(guān)系；③共中心點集一維反演剖面，通過對不同偏移距下脈沖響應(yīng)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(chǔ)理論分析

2.1 電偶極源基礎(chǔ)理論

在近區(qū)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(guān)，但這2個分量又與頻率無關(guān)，其他幾個分量已經(jīng)不反映地層電性結(jié)構(gòu)。經(jīng)過時-頻轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)仍然保留了接地源電磁場響應(yīng)的基本特征，并且在數(shù)據(jù)采集時，無法將感應(yīng)場與輻射場分開，因此，接地線源近區(qū)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(fā)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

對于一個地面上的電偶極源，其發(fā)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，由于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，對于遠場，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(zhì)信息，還能反映場源和測量點之間所有地層波擴散路徑范圍內(nèi)的地質(zhì)信息。

近源條件下，直流場占主導(dǎo)地位，發(fā)射源關(guān)閉后，場即消失。然而對于遠場來說，渦流場占主導(dǎo)地位，發(fā)射源關(guān)閉后，場依然存在。對于時間域電磁法，時間和距離具有可交換性，因此，可以通過調(diào)整發(fā)射頻率和改變收發(fā)距離控制探測深度。多道瞬變電磁法是近場探測，且數(shù)據(jù)采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(diào)整探測系統(tǒng)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(zhì)信息的采集。

2.3 多道瞬變電磁法探測深度分析

多道瞬變電磁法采集不同偏移距下電偶極源軸向電場響應(yīng)，從而獲得地下不同深度的電介質(zhì)電阻率信息。與傳統(tǒng)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(guān)，而且與偏移距和整個地電剖面的電阻率有關(guān)。傳統(tǒng)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(shù)測深與幾何測深的一種結(jié)合，需要通過擬合反演方式獲得地下不同深度地質(zhì)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，在大地脈沖響應(yīng)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(shù)改進方案

3.1 由二維向三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進

常規(guī)多道瞬變電磁法的數(shù)據(jù)觀測方式采取了二維軸向式系統(tǒng)[圖4（a）]。這種裝置在構(gòu)造簡單情況下用于油氣探測和監(jiān)測，取得一定的應(yīng)用效果[21]。但是對于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、地形起伏等情況，采用二維觀測系統(tǒng)不利于精細探測。圖4（b）為改進的多道瞬變電磁法三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案。最大發(fā)射電流50 A，最高發(fā)射電壓1 000 V，可編碼位數(shù)范圍為1～4 095，偽隨機碼發(fā)射信號源基準頻率低于10 kHz；動態(tài)范圍160 dB，時間同步精度5 μs，采樣率64 kHz，最多可同時測量1 000道。這種方案可實現(xiàn)從地表淺部（500 m）向地下深部（2 000 m）的探測，實現(xiàn)從二維斷面向三維立體的勘查。

3.2 由一般處理解釋技術(shù)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(shù)據(jù)處理和簡單成像，可推測目標體基本地質(zhì)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(yīng)油氣藏高阻體的頂部及底部位置。由于常規(guī)三維反演的復(fù)雜性，需要預(yù)先設(shè)定目標體的電性參數(shù)和幾何參數(shù)，所以這種技術(shù)目前尚未在現(xiàn)有的多道瞬變電磁法得到應(yīng)用。發(fā)展多道瞬變電磁法系統(tǒng)三維擬地震偏移成像技術(shù)是一種較好的發(fā)展方向。但是，瞬變電磁場服從擴散方程使得成像技術(shù)成為一個挑戰(zhàn)。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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波場數(shù)據(jù)。這種方法可以完成復(fù)雜情況下的瞬變電磁成像，但由于波場變換公式的不適定性，所以該方法的發(fā)展速度相對緩慢。

李貅等提出了從瞬變電磁場到波場的轉(zhuǎn)換計算方法[23-25]。通過反轉(zhuǎn)換可以將瞬變電磁數(shù)據(jù)變?yōu)閿M地震波場數(shù)據(jù)，進而可用地震類軟件進行處理，處理結(jié)果表明瞬變電磁法數(shù)據(jù)的分辨率提升很大[26-27]。這表明高分辨率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鑒。

3.3 由油氣勘探領(lǐng)域向深部礦產(chǎn)資源領(lǐng)域拓展

中國正在向深部隱伏礦體精細探測方向發(fā)展，“攻深找盲”成為中國新一輪礦產(chǎn)資源勘探的主流。人工源音頻電磁法 （Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics，CSAMT）受發(fā)射頻率或發(fā)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于油氣普查和金屬礦成礦帶評估，而詳查找礦效果并不理想。因此，為了滿足中國新一輪礦產(chǎn)資源勘探需要，打破國外裝備的壟斷局面，從技術(shù)裝備上研制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(zhì)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(shù)要求。目前，中國的電磁法儀器大多數(shù)從國外進口，而國外的裝備在設(shè)計過程中并未考慮中國礦產(chǎn)資源勘探的實際情況，存在野外施工不方便，成像軟件不適用等問題。在現(xiàn)有的瞬變電磁法技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)新裝備和新技術(shù)是解決這一問題且滿足深部找礦的重要途徑之一。

4 結(jié) 語

中心回線源瞬變電磁法受到其激發(fā)電磁場性質(zhì)和發(fā)射磁矩的限制，探測深度只有數(shù)十米到數(shù)百米，但使用接地電性源后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(chǎn)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(shù)特點及地球物理機制進行了分析和研究。為了解決中國復(fù)雜環(huán)境下的深部探測問題，對現(xiàn)有的多道瞬變電磁法提出改進：①把二維觀測系統(tǒng)改進成三維觀測系統(tǒng)，即三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其實用性更強且更方便，探測深度大，精度高；②把常規(guī)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(lǐng)域拓展到復(fù)雜的深部礦產(chǎn)資源領(lǐng)域。

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