2018, Vol. 61
2. 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;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
时间域和频率域人工源电磁法，能够可控地改变发射场源的时间序列或频率，使向地下发射的电磁场由浅入深传播，达到探测不同深度地层的目的(Kaufman and Keller, 1983；Nabighian，1988).由于较高的信噪比、探测精度和工作效率，人工源电磁法在石油天然气、矿产资源、环境与工程等领域的资源勘查和矿山安全保障方面得到了广泛的应用.与场源来自高空的天然源MT方法不同，由于人工源的加入，观测点与场源的距离(发-收距)成为人工源电磁法勘探中需要考虑的重要因素，甚至是能否获得成功探测的关键.如何处理发-收距问题，不仅是对电磁理论深刻理解的结果(Kaufman and Keller, 1983)，也是通过将观测点向近源区推进，减小体积效应、增大信噪比、提高数据观测质量以及提高探测精度的一个重要途径.
电磁法的近源勘探，最初由时间域的中心回线TEM装置(蒋邦远，1998；牛之琏，2007)实现，然后根据时间域自有场(稳定电荷和电流场在场源附近占优，随源存在和消失)和辐射场(电磁场间的交互感应，场离开场源向外辐射)在时间上的分离性，实现了接地导线源的短偏移距SOTEM勘探(薛国强等，2013).在频率域的CSAMT测量中，如果能用某些方法去掉自有场，也可望有新的近源探测方法出现.由于解析解是电磁法的理论基础、视电阻率是和不同装置相联系的重要参量，定量反演是在正演基础上的程序化过程，因此本文以正演解析解和视电阻率为出发点，针对回线源和接地导线源的方法原理、观测仪器、应用实例等内容，分别概述了时域和频率的近源探测的发展过程和现状，展望进一步的工作.
1 时域电磁法回线装置的近源探测时间域可控源电磁探测方法的基本原理是：位于地表的发射回线中的双极性阶跃脉冲(图 1)激励，在脉冲关断的间隙观测地下涡流产生的二次场.随着观测时间增加，感应场通过扩散过程穿透到更大深度(Kaufman and Keller, 1983；Nabighian，1988)，从接收线圈检测到的衰减曲线获得地下不同深度电导率变化信息.
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图 1 双极性矩形脉冲激励源 Fig. 1 Bipolar rectangular pulse excitation source |
对于典型的共中心回线源瞬变电磁装置，由于采用供电关断后的观测方式，可从时间上将自有场和辐射场分离了开来，实现了频域率中无法实现的同点测量(图 2a, 2b, 2c).为便于求得正演解析公式，将图 2所示方形回线视为圆形回线，圆柱坐标系下，接收线圈中的感生电动势为
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图 2 时域TEM回线发射的近源装置 (a)共回线；(b)重叠回线；(c)中心回线；(d)修正中心回线. Fig. 2 Near-source confuguration of time-domain loop-source TEM (a) Common loop; (b) Coincident loop; (c) Central loop; (d) Modified central loop. |
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(1) |
式中，L－1表示Laplace逆变换，t为观测时间，ω为角频率，J1为一阶Bessel函数，a为发射回线半径.此外有：
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(2) |
其中I为发射电流，Rn为地层总反射系数(石显新，2005).由于实际工程中方形回线铺设方便，发射圆回线半径a与方形回线边长L之间的关系为
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(3) |
式(1)中的单Bessel函数变为双重Bessel函数可展开为
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(4) |
式中的b、n是接收线圈的半径和匝数.
根据式(4)导出的视电阻率公式为
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(5) |
式中ST和SR分别为发射和接收回线的面积.扩散深度为(Spies，1989)
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(6) |
进一步地，通常认为发射回线中部磁场较为均匀，为了提高实际工作效率，故将发射回线中部1/3作为观测区，如图 2d所示修正中心回线装置.
由于发射回线中心磁场均匀的假设，引起了修正中心回线的边缘效应，当中心点以外的观测点仍然沿用了中心回线视电阻率公式(5)，由此产生的解释误差在深部陷落柱、导水小断层等精细勘探中不可忽视.为此，将修正中心回线与大定源回线(图 3)的视电阻率公式统一起来(石显新等，2009)，即对于矩形回线内任意测点(图 2d)，视电阻率公式为
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图 3 大定源回线TEM装置 Fig. 3 Large fixed loop TEM configuration |
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(7) |
式中，u2=Z(a0+a1y+…+a9y9)是与电阻率有关的函数(蒋邦远，1998)，Lx和Ly分别是发射回线短边和长边的边长，通常修正中心回线的边长Lx=Ly.
可用于地面回线源瞬变电磁勘探的仪器国外有加拿大Phoenix Geophysics公司的V-8多功能电磁法仪，美国Zonge公司的GDP-32多功能电法工作站，加拿大Geonics公司的PROTEM瞬变电磁系统，澳大利亚EMIT公司的SMARTEM-V；国内有重庆奔腾的WTEM，中国地质大学(武汉)的CUZGTEM，长沙白云的MSD-1，还有西安强源物探研究所的大功率单脉冲EMRS-3等.
水平分层大地上的回线源激发方式，使得地中感应电流仅在水平面中流动、不与地层界面相交，对探测低阻薄层非常有利(Kaufman and Keller, 1983)，其中的修正中心回线TEM由于具有极高的工作效率，已经成为煤田水文地质勘探的首选方法.这方面的应用实例，广泛地见于《煤田地质与勘探》、《煤炭学报》、《Applied Geophysics》、《Leading Edge》、《Journal of Environmental & Engineering Geophysics》等刊物.
2 接地导线源短偏移距瞬变电磁法水平层状大地上接地导线源装置激发的6个场分量，对低阻和高阻地层均有较好的敏感度，且有较大的探测深度.图 4是时变接地导线源除Ez外其余5个分量的场分布(闫述等，2017).与时域回线源不同的是，传统的时域接地导线源TEM继承了频域接地导线源CSAMT的观测方式：在发-收距大于4~6倍探测深度范围内观测，以便像时谐场那样通过距离分离自有场和辐射场，获得时变探测能力.这种接收点远离场源的观测方式称为LOTEM，通常情况下，LOTEM观测Ex和Hz两个场量(Strack et al., 1990；严良俊等，1999).众所周知，随收发距离增大场的强度下降，长偏移距在信噪比方面抵消了接地导线源带来的益处.为此，薛国强等(2013)依据时域中心回线TEM的探测原理，选用适当的发射波形，如矩形脉冲激励源关断后(图 1)的观测方式，分离自有场获得近源探测能力，提出短偏移距瞬变电磁法测量方法，并定名为SOTEM，将接地导线源瞬变电磁法的测区由远区扩大到中近区.
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图 4 时变接地导线源的场分布(阴影部分为观测区) (a) Ex、Hy和Hz分量; (b) Ey和Hx分量. Fig. 4 Field distribution of time-varying grounded wire source(stippled areas indicate observation zones) (a) Ex, Hy and Hz components; (b) Ey and Hx components. |
当观测点从远离源的区域推进到近源处以后，偶极子假设引起的误差不容忽视(薛国强等，2011; Zhou et al., 2013, 2015b)，因此出现了将偶极子叠加求得有限长度接地导线源近似解的方法(李建平等，2007；张成范等，2009; Zhou and Xue, 2014).进一步地，为了获得全场区接地导线源的精确解，将时变载流点电荷作为基本微元沿源积分，获得全场区有限长度接地导线源精确解.根据薛国强等(2014)提供的基本解，SOTEM垂直磁场Hz随时间的变化率公式为
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(8) |
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(9) |
由式(8)和式(9)所表示的全场区全时期视电阻率参量需用迭代方法求出：在确定的装置参数和时间t情况下，将估算视电阻率值ρ代入式(8)和式(9)后，得到感生电动势ε(t)，与实测值ε(t)比较，如果两者间误差达到规定标准，停止迭代，否则迭代继续进行，直至满足精度要求.
SOTEM所用仪器与LOTEM相同，如德国Metrontx公司的DEMS-IV系统，发射机输出电压600 V，最大输出电流200 A；加拿大Phoenix Geophysics公司的V-8、美国Zonge公司的GDP-32等都有LOTEM功能，其中V-8的T-200发射机最大输出电压1600 V，最大输出电流160 A，GDP-32配置的GGT30发射机最大输出电压1000 V，最大输出电流45 A；配TEM67发射机的加拿大Geonics公司PROTEM等.
薛国强等在山西、山东、河南、安徽等地金属矿、煤矿、盐矿采用SOTEM进行了大深度探测(Chen et al., 2015; Zhou et al., 2015a, 2016a, b, 2017).如山东某煤矿的煤系地层顶部和底板含水区圈定，使用仪器为加拿大凤凰公司V-8综合电法仪，发射源AB=1000 m，MN=50 m，收发距r=1000~1500 m，探测深度1500 m，发送基频2.5 Hz，发送电流I=20 A，探头接收面积40000 m2.图 5是第三系底界面以上50 m顺层视电阻率切片图.圈出的低阻区(蓝色区域)与实际资料吻合.
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图 5 第三系底界面以上50m顺层视电阻率切片 Fig. 5 Bed-parallel slices of apparent resistivity 50 m above Tertiary base |
频率域的人工源电磁法主要包括Cagniard视电阻率(Cagniard，1953)定义形式的CSAMT法(何继善，1990)和单分量视电阻率定义形式的频率测深法(陈明生和闫述，1995；李毓茂，2012).其中，CSAMT有标量、矢量和张量三种装置形式.最常用的是标量装置，观测Ex和Hy分量(图 4a)；矢量装置观测Ex、Ey，Hx、Hy分量(图 4b)；张量装置是采用两个正交接地导线源的矢量装置.Cagniard电阻率公式为
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(10) |
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(11) |
以上公式仅在远区场条件下成立(杨儒贵，2008).从MT发展起来的CSAMT虽然继承了上述比值电阻率定义，但在勘探工程中，发射机功率、接收机灵敏度和日益严重的电磁干扰，都对大收发距形成了限制，使得远区场的条件不易满足.
电磁频率测深是相对独立发展的.1960年代初，前苏联出现了第一代频率测深仪器和相应的野外工作方法.我国于1967年开始研究电磁频率测深方法，1971年研制出第一台电磁频率测深仪器PC-1型，1983—1994年甘肃煤普查队研制出了ZP-1型瞬变电磁仪器，湖南物探队等单位也研制了电磁频率测深仪器(李毓茂，2012).由于受当时仪器的限制，大多只观测Ex分量，采用全区场公式为
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(12) |
式中各参数见闫述等(2017).
由于发射电流已知，故可设式(12)中地层参数Gk=Gξ=1并取远区渐进后，有单分量视电阻率为
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(13) |
实测中，式(13)转为
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(14) |
式中AB和MN分别表示发射导线和接收导线的长度，这是野外工作中的习惯表示.
趋肤深度计算(Spies，1989)公式为
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(15) |
当进入近区场后，由式(14)计算出的视电阻率是真实电阻率的一半，且电场的假极值依然存在.因此，出现了许多改善视电阻率算法的研究工作(殷长春和朴化荣，1991；毛先进和鲍光淑，1996).不过在另一方面，假极值却使得曲线拟合反演有较好的效果，当地层可视为近似水平时，如煤系建造勘探中，将公式(12)代入反演程序，如广义逆矩阵反演(陈明生和闫述，1995)，可以取得不错的解释效果.
电磁频率测深以获得较强信号为主要目的，野外施工中当实测曲线进入近区渐近线2~3个频点后结束观测，然后进行曲线反演拟合获得地层结构，最大限度地把观测区从远区扩大到了仍然具备频测能力的中区.为了尽量减小偶极子假设引起的误差(何继善，1990)，电磁频率测深采用了赤道偶极装置，即式(12)和(13)中θ=90°，只在发射回线的中垂线上观测，每观测一个测点后，发射和接收同时移动观测下一个测点，工作效率不高.
薛国强等在山西阳曲地区应用中煤科工集团西安研究院研制的DP-1数字频率测深仪进行频率测深勘探, 用于寻找含煤构造.工作中只测电场振幅曲线Ex分量一个参数, 发收距r=2000 m、AB=500 m、MN=200 m，赤道偶极装置，发射电流10 A，观测电场Ex分量.推断解释的煤田储量为10多亿吨，钻探资料证明该结论正确(薛国强和孟令杰，2004).
3.2 广域电磁法进入2000年之后，随着加拿大PhoenixGeophysics公司的V8、美国Zonge公司的GDP32等仪器占据市场主流地位，国产频率测深仪器不再多用.同时，广域电磁法的优势得到普遍认可，观测范围不再限制于4~6倍探测深度的距离，测点可向近源方移动，像电磁频率测深那样可以充分利用中区勘探能力，进一步提高了观测速度、精度和野外效率(何继善，2010).
广域电磁法视电阻率表达式从均匀大地全场区公式中导出：即令公式(12)中的Gk=Gξ=1，有：
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(16) |
整理后，得：
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(17) |
与视电阻率公式(13)不同的是，式(17)右边的分母是ikr的函数，其中仍然含有未知的电阻率ρ.为了将视电阻率提取出来，广域电磁法提出的方法是(何继善，2010；余云春，2010；袁博，2013)：ρ采用计算机迭代的办法.首先取一个可能的电阻率ρ，同时代入发送电流I、导线源的长度l、收发距r、方位角θ和工作频率f到式(17)中.根据得到的Ex与实测到的Ex相差多少.反复修改选取的ρ值，逐次迭代，直到得到的Ex与实测到的Ex符合精度要求为止.并且把最后选取的ρ值作为该装置、该工作条件下大地的视电阻率的最佳值.为了减少迭代次数，尽快地找到最佳值，可以采用数学上的优选法.
当r < 6l，即观测点到发射导线中心的距离小于6倍的导线源长度时，视电阻率需沿发射导线积分, 公式为
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(18) |
式(17)和(18)所定义的视电阻率也称为广域视电阻率，当采用接地导线源观测Ex分量时，称为E-Ex方式的广域电磁法.若式(17)和(18)中的频率为0，则化为直流视电阻率.
显然，如加拿大Phoenix Geophysics公司的V-8、美国Zonge公司的GDP-32等同样适用于广域电磁法勘探.除此以外，湖南继善高科技有限公司自行研发有GY-1型广域电磁仪，最新研制的升级版为JSGY-2广域电磁仪.自2008年以来，随着广域电磁法研究不断深入(余云春，2010；袁博，2013)，该方法在青海柴达木盆地、大庆徐家围子、内蒙古大杨树盆地、内蒙古查干、新疆吐哈盆地、山西朔州、安徽淮南、山东招远金矿、安徽铜陵冬瓜山铜矿、内蒙古额尔古纳、湖南洞庭湖盆地、河南栾川、重庆城口和贵州六盘水等地开展了大量野外实验与研究工作.在常规油气勘探、深部金属矿勘探、地热调查和煤田采空区勘探等领域都取得了很好的应用效果(王宏宇，2013).
4 展望在人工源电磁法发展的过程中，从时域回线源实现了频域中无法实现的近源(同点)探测开始，通过选择适当的发射波形和观测时机，将导线源的观测点从远区推进到包括中区和近区在内的全部场区，从LOTEM发展到SOTEM(从SOTEM的全场区观测特性来看，更确切的名称应该为WOTEM，Wide-Offset TEM).WOTEM在现有仪器装备条件下, 为深部资源探测提供了新的技术手段，可望在资源勘查、灾害地质、工程地质、水文地质等方面发挥更大的作用.
在频域电磁探测方面，广域电磁法和所定义的广义视电阻率将观测点从远区扩大到中区，提高了工作效率和解释精度.如果设法分离频域自有场与辐射场，将观测点推向近区不仅可以进一步增大勘探深度、提高信噪比，对人工源电磁场本身的发展也具有相当的价值.相信在国内外同行的共同努力下，短偏移电磁探测将会得到进一步的发展.
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