随着我国浅部资源的消耗殆尽，国家提出加强“第二深度空间”探矿以及“攻深探盲”的资源战略(滕吉文，2006).为实现地下500~2000 m深度范围内矿产资源的有效探测，需在已有基础之上完善或创新更多行之有效的地球物理勘探方法.瞬变电磁法(transient electromagnetic method，TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法.它是利用不接地回线(磁性源)或接地线源(电性源)向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法.TEM可以在距离发射源很近的区域实现大深度的探测，并可以实现频率域电磁法无法实 现的同点观测(Nabighian，1979；Kaufman and Keller，1983； 朴化荣，1990；牛之琏，1992).时间域电磁法是近年来发展很快的电法勘探分支方法，在国际上有人称作是电法的“二次革命”.目前TEM已广泛应用于金属矿勘探、构造填图、油气田、煤田、地下水、冻土带、海洋地质、水文工程地质及工程检测等领域(李貅，2002；嵇艳菊等，2005；薛国强等，2007；陈卫营，2013; 韩自强等，2015).

传统的TEM工作多采用磁性源装置形式或电性源长偏移距形式(LOTEM).磁性源TEM体积效应小、探测精度高，但是探测深度较小(一般不超过500 m)并且对高阻目标体不敏感；LOTEM探测深度大(可达10 km)，但是精度一般不高.为此，最近人们对采用电性源激发并在小偏移距范围内观测纯二次场信号的短偏移TEM装置越来越感兴趣，薛国强等(2013)将该种装置命名为SOTEM.大量的理论与实践证明，SOTEM装置相较于磁性源瞬变 电磁法，大大提升了探测深度，相较于LOTEM提高了探测精度(Ziolkowski，2010；Cuevas and Alumbaugh，2011；薛国强等，2013；Xue et al.，2014; Chen et al.，2015；Zhou et al.，2015；王显祥等，2015).

但是，目前对该方法的研究和应用尚不普遍也不完善，主要原因是相较于磁性源TEM，SOTEM的电磁场理论更为复杂，并且缺乏配套的数据处理解释软件，涉及二、三维的研究和应用几乎没有进行.而在一维理论下，详细研究电性源电磁场的各种特性是深入理解方法内涵、推动方法发展的有效途径.本文基于电性源瞬变电磁一维正演理论，研究了SOTEM地下感应电流扩散、电磁场响应平面分布、多偏移距衰减等特性，以及SOTEM的最佳观测区 域问题.研究结果对进一步研究和推广应用SOTEM具有指导意义.

电性源短偏移距瞬变电磁法(Short-offset transient electromagnetic method，简称SOTEM)是在传统LOTEM法基础上提出的一种新型瞬变电磁工作装置.它利用长约500~2000 m的接地长导线为发射源，供以强度一般为10~40 A的双极性矩形阶跃电流，并在小于2倍探测深度的偏移距范围内观测瞬变电磁场(图 1).与LOTEM采用连续波形激励、在大偏移距处(一般3~8倍探测深度)观测总场响应不同，SOTEM在小偏移距范围内观测纯二次场响应.这种工作方式一方面提高了观测信号的信噪比，另一方面减小了体积效应的影响，从而大大降低了数据处理的难度并提高了处理结果的准确度(薛国强等，2013；陈卫营和薛国强，2013).实际工作中，一般观测垂直磁场分量随时间的导数(感应电压)和水平电场分量.目前SOTEM的主要数据处理流程包括预处理、全期视电阻率计算和一维反演三个步骤.笔者将SOTEM应用于河南、山东、安徽等地的 盐腔、煤田、金属矿等领域的实际勘探证明，SOTEM 能够很好地实现地下2000 m深度以内的精细探测(薛国强等，2013; Xue et al.，2014; Chen et al.，2015； Li，2015).

图 1

Fig. 1

图 1 SOTEM 装置示意图Fig. 1 Diagram of SOTEM field setup

目前，SOTEM的研究与应用主要基于1D正反演理论.纳比吉安(1992)给出了电偶极子源在层状1D大地模型表面产生的瞬变响应的计算方法.鉴于SOTEM偏移距较小，偶极子假设条件(一般认为当偏移距大于5倍的发射源长度时)不成立，因此在计算时需先对发射源进行偶极子分割，分段计算响应再进行积分求和得到整个源的响应(周楠楠等，2012).下文中对SOTEM响应特性与观测区域特性的研究便是基于上述1D正演理论.

地面观测到瞬变电磁场的响应是由大地感应涡 流产生的，根据Lewis和Lee(1978)、Nabighian(1979)、Reid和Macnae(1998)、Wang(2002)、闫述等(2002)的研究，我们知道大地中的感应电流可近似地用圆形电流环来等效，即等效电流可以形象地表示为由发射源吹出的“烟圈”.“烟圈”随时间的扩散过程可以用地下电场等值线来描述.在电性源瞬变电磁中，由于接地电极的存在，大地成为发射源的一部分，与长导线共同组成回路.相较于水平或垂直不接地回线源中仅存在沿发射源流动的电流，长导线-大地系统在地下电流方向要复杂的多，不仅存在水平感应电流还存在垂直感应电流，这也就导致了对应电磁场扩散及分布的复杂性(Key，2009).

为了研究这两个方向的感应电流的扩散特性，计算了长度为200 m的电性源(发射电流10 A)在均匀半空间(电阻率为100 Ωm)产生的水平感应电流和垂直感应电流.图 2为两个不同时刻(1 ms和3 ms)的水平感应电流的地下扩散图.电性源的水平感应电流由两部分组成：上部水平感应电流和下部水平感应电流(图 1a中红色虚线圈定区域)(Um et al.，2012).上部水平电流最大值在全期范围内都集中在场源附近.下部感应水平电流又称作“返回电流”(Gunderson et al.，1986)，向下扩散速度较快但是振幅要比上部电流小.由于水平电流的 最大值一直离场源较近，所以当在场源附近存在不均匀体时电性源的电磁响应会产生静态偏移效应(Newman，1989).

图 2

Fig. 2

图 2 电性源水平感应电流随时间扩散图 (a) t=1 ms； (b) t=3 ms.Fig. 2 Diffusion plots of horizontal induced current

图 3为电性源在两个不同时刻(1 ms和3 ms)激发的垂直感应电流的地下扩散图.垂直感应电流表现出了许多重要的特性.首先，垂直感应电流极大值集中于两个接地电极的下方，并逐渐向外、向下扩散；而在发射源中点的正下方不存在垂直感应电流，这是由于垂直电场分量仅由相互对称的两个接地项激励，因此在对称点上正负抵消为零(纳比吉安，1992).其次，垂直感应电流的强度随时间的衰减速度较水平感应电流更快，3 ms时的垂直电流强度比1 ms时衰减了近10倍，而水平感应电流仅衰减了7倍左右.另外，通过对比两种感应电流的振幅强度，发现在给定时间，垂直感应电流极大值的振幅差不多仅为水平感应电流的20%.也就是说垂直感应电流较水平感应电流具有振幅小、衰减快的特性.

图 3

Fig. 3

图 3 电性源垂直感应电流随时间扩散图 (a) t=1 ms； (b) t=3 ms.Fig. 3 Diffusion plots of vertical induced current

图 4为回线源产生的水平感应电流和电性源产生的水平、垂直感应电流在不同时刻的极大值扩散路径图.Nabighian(1979)和牛之琏(1992)对于回线源的感应电流都做了比较详细的研究，指出感应电流的极大值大致沿与地面呈30°角的方向扩散.而图 4所示的电性源垂直感应电流极大值大致沿与地面呈45°角的方向扩散，水平感应电流极大值则是垂直向下扩散.图 4更加形象地显示出在三种感应电流中，电性源的垂直感应电流扩散速度最快，其次为回线源水平感应电流，扩散最慢的为电性源水平感应电流.

图 4

Fig. 4

图 4 感应电流极大值扩散路径Fig. 4 Locus of the induction current maximum

目前在陆地环境的SOTEM工作中，直接测量垂直电场分量具有一定困难，但是，Kaufman和Keller(1983)指出垂直感应电流在高阻薄层界面产生的积累电荷对于高阻薄层的探测极为有利.正是基于电性源这种在高阻体探测方面的优越性，本方法在油气田、采空区等高阻目标体勘探领域发挥着不可替代的作用.

地下感应电流的扩散特性决定了地面电磁场的扩散与分布，研究电性源瞬变电磁场随时间在地面的扩散、分布规律对分析电磁场特性、选择合适的电磁分量进行观测具有重要的意义.置于地表的电偶极源在直角坐标系下可以产生全部六个电磁场分量，它们分别是E_x、E_y、E_z和H_x、H_y、H_z，虽然这六个场量都包含了地下介质的电性结构信息，对地层都具有探测能力，但在实际的地面工作中，E_z分量不易观测，因此在下述计算、分析中，暂不考虑E_z分量.计算了电阻率为100 Ωm的均匀半空间(由于E_y在均匀半空间表面产生的响应为零，因此计算E_y时所用模型为含一低阻薄层(埋深500 m，厚度50 m，电阻率10 Ωm)的均匀半空间)情况下E_x、E_y、H_x、H_y、H_z五个分量在不同时刻、不同位置的响应值，并绘制了两个时刻的响应平面分布图，上述计算中发射源参数为长度1000 m，电流强度10 A.

平面分布图(图 5)更清晰地显示出E_x的扩散与分布特性：在平面各个方向分布均匀，全期探测范围内电场极大值集中于发射源附近，离发射源越远信号强度就越低，这与前面分析的上部水平感应电流集中于发射源附近相吻合.

图 5

Fig. 5

图 5 不同时刻Ex平面分布图 (a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig. 5 Distribution plane maps of Ex at different times

图 6所示的平面分布图表现出，E_y场值的分布极不均匀，极值集中于四个象限内.根据纳比吉安(1992)可知水平电场E_y的表达式中仅包含接地项，因此根据电磁场矢量叠加原理，两个极性相反的电极导致场在赤道向Φ=90°以及轴向Φ=0°区域等于零，在Φ=45°时场值最大.图 7所示的水平磁场H_x分布特征与E_y的分布特征基本上类似.

图 6

Fig. 6

图 6 不同时刻Ey扩散平面图 (a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig. 6 Distribution plane maps of Ey at different times

图 7

Fig. 7

图 7 不同时刻Hx扩散平面图 (a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig. 7 Distribution plane maps of Hx at different times

从平面分布图 8也可以看出，正向的水平磁场集中于发射源附近，这是因为H_y是由发射源中与电流方向一致的正向感应电流激发而来；而负向水平磁场则集中于两侧离发射源一定距离的范围，这是因为此处的H_y是由负向的“返回电流”感应得到的.H_y场随时间扩散，但是极值一直集中在线源处，这是因为产生水平磁场的垂向感应电流的极值是沿发射源所在平面垂直向下扩散的.

图 8

Fig. 8

图 8 不同时刻Hy扩散平面图 (a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig. 8 Distribution plane maps of Hy at different times

图 9说明H_z的极值分布于发射源两侧，并随时间推移沿发射源中垂线逐渐向远处移动.分析对比上述五个分量，可以发现，E_x和H_z这两个分量在平面内分布较为均匀、简单，特别是在沿发射源导 线和其中垂线的方向上，这对保证同一测线上各测点所测响应幅值趋于均匀非常重要.而E_y和H_x由于响应仅由接地项激发，致使场分布呈明显的四象限分布，在与发射源平行的方向上极不均匀.H_y则由于返回电流的作用，在全期内出现方向相反的两种场，使测量响应存在变号现象.所以，为了使观测得到的电磁响应简单、易于处理，我们要尽量选择场分布均匀、简单的分量.

图 9

Fig. 9

图 9 不同时刻Hz扩散平面图 (a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig. 9 Distribution plane maps of Hz at different times

上面对电磁场各分量在固定时刻的平面分布特性进行了分析，而指定位置处在整个观测时间范围内的衰减曲线是实际观测时主要分析的对象.为了说明不同偏移距处各分量的响应衰减特性，计算了与上节中所用模型和发射源相同时(对于E_y同样采用含中间低阻薄层的半空间模型)四个偏移距处(分别为1000 m，2000m，3000 m和5000 m)的响应衰减曲线，如图 10所示.

图 10

Fig. 10

图 10 不同偏移距r处各分量衰减曲线 (a) Ex； (b) Ey； (c) Hx； (d) Hy； (e) Hz.Fig. 10 Decay curvers of each component at different offsets

从图 10a可以看出，水平电场E_x随偏移距增大，信号强度在早期时间段内急剧减小，而在晚期时间段内不同偏移距处的响应强度趋于一致.E_y的计算结果如图 10b所示，可以看出，随着偏移距的增大，E_y早期响应的强度明显降低，而晚期道的信号强度则相差不大，这说明E_y场值的极值在全期内都集中于发射源附近，并不随时间推移向外扩散，这与E_x表现出类似的性质.图 10b中曲线最明显的特征是在1~10 ms之间每条衰减曲线都出现一个突然下降的极小值点，而其他地质模型(含高阻薄层的半空间)则不会出现该现象，因此可以推断，模型中的低阻薄层是造成上述信号急速衰减的原因.E_y这种对低阻薄层反应灵敏、表象剧烈的特性可被利用.水平磁场H_x也仅由接地项激发，因此场的衰减与E_y非常类似，但是从图 10c可以看出，随着偏移距增大，H_x早期信号强度减小而晚期信号强度增强，这说明H_x的极值是随时间推移逐渐向外扩散的，这点与E_y是不同的.水平磁场H_y的计算结果表明，在计算时间范围内H_y存在正、负两个方向的场量，早期道场值为负，晚期道场值为正(图 10d).垂直磁场H_z的信号强度在早期随偏移距增大而减小，在晚期随偏移距增大而增大(图 10e).

需要说明的是，虽然目前瞬变电磁工作中，还是以观测磁场随时间的导数(感应电压)为主，但是随着高温超导技术的发展，直接观测磁场强度已成为现实，并显示出许多优点(戴远东和王世光，1996；陈晓东等，2002).作者通过对H_z与∂B/∂t之间的对比发现，两种物理量在分布与衰减方面表现出相似的特性，因此本文对磁场分量的讨论仅以磁场强度为例.

前面已经分析了SOTEM地下感应电流的扩散特性以及目前主要观测的E_x和H_z(∂B/∂t)分量的信号衰减和分布特性，指出需在合适的区域观测相应的电磁场分量，以确保信号的强度和分布适于观测和处理.而在实际工作中，针对不同的探测目标体，不仅要考虑观测合适的电磁场分量，还需选择合适的观测区域，以达到最佳的探测效果.为了定量分析E_x和H_z对不同地层敏感区域的分布特性，我们以如图 11所示的中间薄层模型为例，计算了薄层相对围岩分别为低阻和高阻时的电磁场响应，并利用(1)式定义的相对异常进行定量对比.计算中发射源参数为发射源长1000 m，发送电流10 A.

图 11

Fig. 11

图 11 低阻和高阻中间薄层模型Fig. 11 Conductive or resistive thin layer in a half-space

图 12为以每个观测点处的最大P_i值绘制而成的平面分布图.分析图 12可以得出如下的结论：H_z对低阻薄层的敏感程度远大于对高阻薄层的，其敏感区域集中于发射源附近；E_x对低阻、高阻薄层的 敏感程度相当，但是对低阻薄层的敏感区域主要集 中于赤道区域，而对高阻薄层的敏感区域主要集中于轴向区域，并且这两个敏感区域都处于离发射源一定距离的位置.该距离与目标体的深度与围岩的电阻率有关，因此在利用E_x分量进行探测时，应先根据已知信息估算围岩电阻率和目标体埋深，从而选择合适的观测区域.

图 12

Fig. 12

图 12 最大相对异常平面分布图 (a) Hz对低阻薄层Pimax平面分布； (b) Hz对高阻薄层Pimax平面分布； (c) Ex对低阻薄层Pimax平面分布； (d) Ex对高阻薄层Pimax平面分布 Fig. 12 Distribution of relative anomaly maximum Pimax (a) Hz component for conductive layer； (b) Hz component for resistive layer； (c) Ex component for conductive layer； (d) Ex component for resistive layer.

接地导线源在地下既能激发水平向感应电流也能激发垂直向感应电流，水平感应电流又分为上部 水平感应电流和下部水平感应电流(又称作返回电 流)，水平感应电流的极大值主要集中于发射源附近

并垂直向下扩散；垂直感应电流极大值沿与地面呈45°角的方向向下、向外扩散，并且具有较低的振幅和较快的扩散速度.电性源激发的六个方向的电磁场分量都具有对地的探测能力，但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点，大多数情况仅利用垂直磁场分量H_z(∂B/∂t)和水平电场分量E_x.其中，H_z仅对低阻目标体敏感，且敏感区域集 中于赤道向区域；E_x既对低阻体敏感也对高阻体敏感，对低阻体的敏感区域集中于赤道向区域，而对高阻体的敏感区域集中于轴向区域，实际工作中需要根据目标体深度及围岩电性合理选择观测区域.

目前，随着深部探测需求的增加，与“电性源”及“短偏移距”相关的研究工作也越来越多，表明该工作装置具有很强的探测能力有待开发.本文仅对电性源瞬变场响应的基本特性做出了研究和分析，旨在实现对SOTEM方法的深入理解，为后续工作建立理论基础.今后的研究应着重于SOTEM响应精确计算、二、三维正演、反演成像技术、多分量综合应用、附加效应消除等领域.