0 引言

电磁勘探仪器的发展可追溯到一百多年前法国人马歇尔·斯伦贝谢发明的矿物电测装置，之后逐步推陈出新，快速发展。特别是随着现代物理学、电子科学、计算机技术的迅速进步，电磁法勘探仪器向小型化、轻便化、自动化和智能化等方向发展^[1]。根据电磁场源的不同，发展形成了直流电法仪、被动源电磁仪、人工源感应电磁仪和地质雷达等多种电磁勘探仪器，其中人工源电磁仪器逐渐向多功能电磁法探测系统发展^[2]，这一类仪器系统成为地球物理探测的重要装备。如美国Zonge公司的GDP仪器系列、加拿大Phoenix公司的V8仪器系列等，这些仪器设备占据了中国市场的大部分份额^[3]。“十二五”以来，中国大力支持电磁法探测系统的自主创新研发，取得了显著效果^[4]。中国地质科学院物化探所及吉林大学等研制出国内首套大功率多功能电磁探测系统^[5-7]，中国科学院地质与地球物理研究所研制出可控源音频大地电磁测深与大地电磁测深相结合的SEP系统^[8], 中南大学研发了大深度高精度广域电磁勘探技术并研制了相关的仪器系统^[9]。这些人工源电磁仪器系统能够完成时间域或频率域电磁数据的采集，但都只能采用分立作业方式，即施工时只能选择频率域、时间域或者复电阻率探测方法中的一种，因为这些方法对仪器系统功能、传感器频带范围以及采集参数的设计要求等各不相同。为了一次采集能同时获得时间域和频率域电磁数据，本文提出一种功率大、能够同时采集频率域和时间域电磁数据的方法，并介绍相应的仪器系统——时频双域电磁勘探仪器。该系统经测试和应用，可适用于深部油气、矿产、地热等资源勘探^[10-13]。这套可控源电磁仪器系统具有完全自主知识产权，且完全国产化。本文主要介绍仪器原理及其关键技术，并进行了实际数据采集测试。

1 方法原理

前已述及，人工源电磁法有两个重要分支，即时间域和频率域。频率域电磁法(Frequency electromagnetic, FEM)最具代表的是可控源音频大地电磁法(Controlled source acoustic magnetotelluric, CSAMT)以及近年发展起来的广域电磁法；时间域电磁法(Time electromagnetic, TEM)则以长偏移距瞬变电磁法(Long offset transient electromagne-tics, LOTEM)及磁源瞬变电磁法为代表。研究表明，电性源瞬变电磁法与CSAMT对特定目标的探测能力具有明显差异^[14-15]。由于FEM观测的是总场(即一次场和二次场的叠加)，而LOTEM观测的是二次场^[16]，这就决定了前者只适用于中区和远区探测，而后者可对全区(全期)进行观测。而且，电场和磁场对低阻和高阻目标的分辨率也有差别。因此，电法与磁法、时间域与频率域的一体化是可控源电磁勘探技术的发展方向。

时频电磁(Time frequency electromagnetics, TFEM)法工作方式与常规CSAMT或LOTEM类似，利用两个接地电极A和B连接长导线进行大功率的电脉冲方波激发，在一定距离处接收电磁场。TFEM工作原理如图 1所示，其数据采集步骤简述如下。

(1) 数据采集与控制软件系统中的控制模块将设计好的采集参数发送到发射系统和接收系统。大功率恒流发射机按照控制指令启动恒流方波发送机制，根据设计好的激发参数(包括多个激发频率及每个激发频率的叠加次数等参数)自动发送连续正、负非间隙方波序列(波形如图 1所示)，也可发送间隙方波序列和伪随机方波系列。

(2) 电流通过接地长导线供入地下；通过布设在发射系统附近的采集站记录激发的方波电流信号I(t)。

(3) 输入地下的电流经过大地后形成激励响应Z(t)，被布设在地面的接收系统记录。在每个测点都要布设水平电偶极MN和垂直磁探头，同步、高采样率地记录时域地电信号ΔU(t)，包括电偶极接收的电位差ΔU(t)^MN和磁探头接收的感应电动势$\Delta U{\left( t \right)^{\frac{{{\rm{d}}B}}{{{\rm{d}}t}}}}$，其波形如图 1所示。

(4) 对记录的ΔU(t)和I(t-τ)做反褶积处理，获得大地响应R(τ)。

对于一个线性、时不变系统，任何时间序列输入信号I(t)与输出信号ΔU(t)之间的关系可用卷积积分形式表示为

$ \Delta U(t) = \int_{ - \infty }^\infty {\dot R} (\tau )I(t - \tau ){\rm{d}}\tau = \dot R(t)*I(t) $

(1)

式中：$\dot R$(τ)表示大地的脉冲响应函数；$\dot R$(t)表示$\dot R$(τ)的积分函数。

对同一周期内正、负两个半周期的时域信号进行反转，再进行叠加，获得时间域电磁数据Z(t)，其中包括电场e(t)和磁感应电动势ε(t)。Z(t)的表达式为

$ Z(t) = \left[ {\sum\limits_{k = 1}^n {\sum\limits_{k = 1}^2 R } {{(\tau )}_k}} \right]/2n $

(2)

式中：n为激发周期数；函数R(τ)表示$\dot R$(t)经叠加后的函数。

另一方面对每个激发周期(未叠加)的时间域电磁数据Z(t)进行FFT变换，获得3M个(M表示频点数)频率(包括基波及3次、5次谐波)的电磁场频谱

$ Z({\rm{j}}\omega ) = \int_{ - \infty }^\infty {\dot Z} (t){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\omega t}}{\rm{d}}t $

(3)

式中：j为虚数单位；$\dot Z\left( t \right)$表示未叠加的时域信号。这里Z(jω)包含电场E(jω)和磁场dB/dt(jω)。

可见，时频电磁法与常规电磁方法不同之处是可同时获得时、频域两套数据。其中，时间域主要为长周期信号，对应的激发周期大于4s。一般包括4、8、10、16、20、32、40、64、128s等多条衰减曲线，每条曲线都是由包括数条较短周期的信号叠加而成，资料处理中可以对长周期衰减曲线进行处理；频率域为从高频(128Hz)到低频(1/128Hz)的一条频谱曲线，为了加密频率点，除基频外，频率点还包括3次和5次谐波频率。

2 时频双域探测可行性分析

众所周知，CSAMT和LOTEM两种方法采用的装置类型完全一样，但业内对可控源电磁勘探一直是时域和频域分立作业。其原因在于时域方法一般测量垂直磁感应分量，而频域方法主要测量电场水平分量，两者的信号量值差异较大，传统仪器动态范围难以两全其美。但是，随着现代电子仪器技术的进步，仪器动态范围已经得到极大的扩展。为了进一步研究时频双域探测的条件和可行性，本文进行相应目标的数值模拟研究，以分析频域电场和时域磁场信号的差异以及量值变化范围。

设计一个电阻率为100Ω·m的均匀半空间模型，在4km深处存在一维低阻薄层(厚度为深度的1/10，电阻率为10Ω·m)，这样就构成了一个三层模型。采用大场源，发射电极的极距AB =8km，接收点在AB垂直平分线上0.5km和10.0km处(即收发距r=0.5或10.0km)，模拟计算该薄层对电场和磁感应分量影响的频率范围、强度和薄层产生的扰动异常。

r=10.0km时的电、磁场模拟结果如图 2所示。模拟计算的低阻薄层的扰动频率范围是1~30Hz。1Hz时磁场振幅和电场振幅分别为3×10^-5nT/s、2×10^-5V·A^-1·m^-2，对应的异常变化幅度分别为0.0005nT/s和4×10^-6V·A^-1·m^-2。

当收发距r很小时(0.5 km)，模拟计算结果如图 3所示。模型中低阻薄层的扰动频率范围是1~30Hz。1Hz时磁场和电场振幅分别为8×10^-5nT/s、4×10^-4V·A^-1·m^-2，异常扰动幅度分别为2×10^-4nT/s、2×10^-5V·A^-1·m^-2。

根据目前最新电磁仪器的行业水平^[17-18]，能够检测到的电场强度最小值为0.1μV/m，对应导线源激发下的感应电场强度为1×10^-7V·A^-1·m^-2；能够检测到的磁场强度最小值与频率相关，在1Hz时低频磁棒的灵敏度能够达到0.1pT，即1×10^-5nT。由模拟结果对比可见，无论在收发距为10km的远处，还是在0.5km的近处，时频双域电磁仪都能够进行有效的信号检测。

可见，目前的电磁勘探仪器系统的灵敏度足以有效检测到微弱的电磁信号。现在电磁勘探的主要难点是从含噪信号中检测并分离出有效信号，这需要设计合理的采集参数^[19]。

3 时频仪器系统关键技术及主要指标

大功率时频双域电磁勘探仪器主要包括大功率恒流发射系统和节点式/组网式时频电磁采集系统。其中发射系统包括发电机、逆变器及接地长导线等。逆变器主要由恒流输出、整流逆变和控制三部分构成。节点式/组网式时频电磁采集系统包括采集站、电磁探头和数据采集与控制软件等。其中，电磁探头包括测量磁感应的垂直磁探头和测量水平电场分量的电偶极。数据采集与控制软件是时频双域电磁仪器的核心部分，该软件系统通过GPS控制发射和接收的同步并按照设计参数完成整个数据采集工作，可同时完成现场数据的处理和分析。主要关键技术及技术指标分述如下。

3.1 大功率励磁反馈恒流发射技术

时频双域电磁仪可以分为恒流和恒压两种。早期主要发展的是恒压时频双域电磁仪，近年开始研发恒流式时频双域电磁仪。时频电磁发电机输出电流是稳流发射，输出电流纹波幅度变化小于2%，发射波形可以是正负方波、间歇方波、伪随机波等。恒流发射原理如图 4所示。在工作之前设置好每个激发频率的工作电流。工作时，实时对发电机的输出电流取样，并与设置电流进行比较：若负载增大，发电机电流下降，这时励磁控制器里的移相触发脉冲前移，增加可控硅的导通时间，使励磁电流增大，发电机输出电压升高，负载电流上升；反之，则降低发电机电压，电流下降，维持发电机输出负载电流不变。

图中I₁、I₂、I₃分别代表交流电的三相输出

3.2 微弱电磁信号抑噪采集技术

时频双域电磁采集系统可分为多道模拟传输时频双域电磁仪、节点式数字时频双域电磁仪和分布式时频双域电磁仪等，可以形成多种不同的激发—接收组合。时频电磁采集系统具有高密采样、数据存储快、实时传输、自标定、GPS同步、阻抗测量等优势，任意一个采集站可以设置为汇聚站，主机与汇聚站之间通过WIFI连接，汇聚站与其他采集站之间通过大线电缆连接。感应磁探头包括感应磁传感器及与之配套的电池盒及多路充电器。

时频接收系统在采集控制软件下工作。在数据采集前进行采集参数设计，并检查仪器状态和各道的接通情况，然后采集背景信号(一般为5min)，并分析噪声的主要频率f_R(i)(i表示频点号)，同时与发射系统通信，进行同步，即可进行数据采集。采集控制部分采用高性能芯片，用于控制采样时钟的生成、实时时钟等与时间相关任务的调度和执行，电压、电流、温度等传感器数据的采集，采集系统的控制和数据缓冲，有线数据的通信，以及GPS信息解码和标定信号的生成等复杂控制与数据通信任务。其工作原理见图 5。

当24位数字信号进入DSP后，首先根据实测干扰测试频率f_R(i)的多重陷波，压制相关干扰；然后针对周期信号检测梳状滤波增强信噪比，并同时采用其他针对微弱电磁信号检测的数字滤波算法；再进行时间域的相关检测，以及频率域的傅里叶变换、叠加等处理；最后输出电磁场数据。其工作原理见图 6。

3.3 时频电磁仪器系统主要性能指标

时频电磁仪器系统的发射系统已经推出多个类型的产品，目前最新的为第三代，即TFEM-T3型时频发射系统。该系统为超高压电磁发射仪，可实现最大负载电压2000V、最大功率300kW，具备紧急制动和长时间输出等功能。该系统的主要指标见表 1~表 3。

4 试验及应用效果 4.1 仪器系统试验

为了对比测试仪器的数据采集效果，东方地球物理公司(BGP)在河北任丘油田附近对自主研发的时频电磁采集仪器与凤凰公司V8系统所采集的时序信号进行了对比试验，这两套系统采用相同的电磁感应器(电极和磁探头)。

试验装置参数：场源AB =6.3km，收发距为7.2km，发射电流为113A。图 7所示是这两套系统在相同装置参数下采集的一个周期的电场和磁感应场信号的对比，可见两者获得的时序信号完全一致，均方误差在2%以内，表明BGP自主研发的时频电磁采集仪器系统性能总体上达到了国际同类仪器水平。

4.2 产业化应用

经过十余年的研究、试验和应用，时频电磁技术及仪器系统得到不断完善，应用效果明显。目前，BGP已经生产大功率时频电磁发射系统十二套，形成了从TFEM-1到TFEM-3型等多种型号，功率从150kW到300kW、输出电流从80A到200A等系列产品。时频电磁采集站包括模拟、组网式和节点式多种类型，可以适应不同探区地形地貌，总道数可达近2000道。截止2018年底，BGP开展的时频电磁剖面采集长度超过30000km，涉及10块面积性的三维时频勘探。其中2014年在新疆某油田区的三维时频电磁勘探为世界上首次开展三维时频电磁勘探，共动用时频电磁节点仪器930道，布设了四方位激发场源，实现四次覆盖激发，完成三维面积102.7km²、测点1176个。

图 8是在新疆山前MS地区采集的时频电磁测深剖面。偏移距为8.3km，最大激发周期为40s，低频发射电流为110A。根据工区资料，探区的平均电阻率为73.5Ω·m，根据前面模拟方法，可以计算出有效探测深度超过10km。

从该电阻率反演剖面可见，其有效探测深度达到10km，在深度5~7km仍然可清晰地看出深部上石炭统发育了上、下两套高阻火成岩岩层序列，其间为低阻沉积岩层。根据该地区地质资料，深部高阻团块状异常是火山岩(玄武岩、安山岩、流纹岩等)的反应。钻探证明，这些火山岩大多是油气储层。据此在该剖面圈定了9个有利储层目标(见图中圈码)。剖面中相对低阻的异常是碎屑岩、凝灰岩的反应，在该地区一般为良好盖层。另外，电性剖面对深层(大于7km)火山机构的发育特征也有所反应。剖面左段为山前逆掩带，清晰揭示出山前石炭系下伏的二叠系，并且可见多次叠置和高角度逆冲的特征，为该地区进一步开展三维地震勘探及钻探部署提供了非常有价值的资料。后续针对盆地腹部的⑤号和⑨号火山岩储层的钻探都获得了工业油气流。目前该探区已经形成探明地质储量达10亿吨的大型油气田，时频电磁资料起到了重要的参考作用。

5 认识与结论

(1) 时频电磁法是一种针对深部油气资源勘探的可控源电磁勘探方法。根据时频一体化探测理念，BGP时频电磁研发团队实现了时频双域电磁仪器系统的自主创新与研发。理论测试和实际试验对比表明，其发射系统和接收系统技术指标均达到国际同类仪器同等水平。

(2) 大量的油田应用案例统计表明，时频电磁应用于目标含油气评价可以降低钻探风险，提高油气勘探开发效益。

(3) 基于电磁法勘探的原理和方法技术，该仪器系统可大面积工业化推广应用于其他深部矿产及地热资源探测，能够有力地支撑国家“深地探测”战略，为中国深地资源勘探提供技术支撑。

感谢中科院电子所在磁探头研发中的创新和技术支持！