2016, Vol. 31
2. 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室, 中国科学院电子学研究所, 北京 100190
2. Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Detection Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2010年，国际著名地球物理学家Zhdanov在期刊《Geophysics》创刊75周年的纪念稿中指出：未来电磁地球物理仪器及方法的发展方向将体现出多分量发射、多通道接收、拟地震式数据采集等特点(Zhdanov, 2010).事实上，对Zhdanov这一观点的形成具有重要支撑的是自2000年前后逐渐发展的多道瞬变电磁法(Multi-channel Transient Electromagnetic Method，MTEM).MTEM方法的发展主要经历了早期方法探索、中期试验修正、后期系统化集成等三个发展阶段.早期研究是在项目OG/0305/92/NL-UK支持下进行的(Wright et al., 2002)，主要参与方包括：英国爱丁堡大学、德国科隆大学、法国CGG公司以及德国DMT公司.该项目的最初设想是通过提取同一地点不同时间获取的电磁探测数据间的差异来进行天然气储层监测.基于此目标，DMT公司提供了必要的观测设备，CGG公司选定了实验区域并进行了前期测区调研工作，科隆大学负责EM数据的采集，爱丁堡大学负责对数据的分析与信息提取.
1996年4月和1998年8月，该项目在法国的St. Illier市分别进行了两次实验(Hördt et al. 2000).基于St. Illier市实验的数据，David Wright在Anton Ziolkowski指导下完成了其博士论文，并提出了MTEM方法的雏形要素(Wright, 2003)：一方面，根据当时发表的文献，对MTEM名称的解释为Multicomponent TEM，这与后来的名称Multi-transient TEM所反映出的方法思想尚有区别；另一方面，在这次试验后David Wright提出MTEM方法要求在大地响应观测的同时进行系统响应观测，这一观点后来成为MTEM方法的标志之一.David Wright提出此项要求的原因在于其认为由于每次发射时的大地阻抗环境都会变化，因此单一的系统响应无法适用于每一组观测数据.在Duncan的研究中，选择在靠近发射电极一极处布设电场观测装置的形式进行观测系统响应(Duncan, 1978)，早期MTEM也沿用此方法.随着技术的发展，MTEM系统在后来的工作中利用宽带霍尔传感器进行系统响应观测(Ziolkowski et al., 2006).
2004年，爱丁堡大学主导了一次位于法国南部的方法试验(Ziolkowski et al., 2007)，MTEM方法也在该次试验中基本定型：MTEM方法不同于以往的时间域EM方法，其要求在进行响应观测的同时对发射电流也进行观测，通过对两者进行反卷积处理提取大地冲激响应.此外，有别于St. Illier市试验，David Wright等人研究认为只需要进行轴向源电流与轴向电场观测即可，其他场量、分量观测并不能提供额外信息.如图 1所示，发射电极与接收电极轴向式布设.发射机依然使用美国Zonge公司的GGT-30，发射占空比为100%的双极性方波，发射极间距100 m.接收系统为爱丁堡大学自主研发系统，具有GPS同步及实时质量控制功能，接收极间距同为100 m.在这次试验后期，第一次对基于伪随机编码(Pseudo random binary sequence, PRBS)的发射波形进行了测试.
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图 1 MTEM观测系统示意图 Figure 1 Plan view of a typical MTEM source-receiver configuration |
2007年，挪威Petroleum Geo-Services (PGS)公司完成了对MTEM方法及其同名公司的收购，并于2008年组织了一次海洋MTEM方法试验(Ziolkowski et al., 2009).这次试验标志着MTEM方法由陆地走向海洋，并成为一种在全球市场上与海洋CSEM方法展开竞争的电磁探测方法.
1 MTEM方法特点分析MTEM方法定义是：在地面(或者海洋)布设一定长度的接地(或者接海)导线，用为发射源，在离开发射源一定的距离处，按照轴向装置方式，布设多个接收电极，通过向发射源激发一定形式的伪随机编码电流，使地下目标体受到这种电流一定程度的冲激，并由接收电极接收这种系统响应，最终通过提取大地脉冲响应，达到探测的目的.它的突出特点是：编码发射；拟地震多道观测；提取大地响应，类地震资料处理等.
1)伪随机编码源发射
PRBS编码波形的运用成为MTEM的一个显著特点.引入PRBS有助于提升信噪比，实现对不相关噪声更有效地抑制.引入PRBS波形后，原本为提取大地冲激响应的反卷积技术逐渐过渡为基于PRBS码型的系统辨识技术.使用PRBS波形的MTEM被称作第二代MTEM (Hobbs et al., 2006)，其基本的系统参数如下：码长1至12阶可调、发射电流20至50 A可调、发射电压750至1000 V可调、接收机采样率600至15 kHz多档可调.其后的第三代MTEM与第二代没有方法上的区别，仅在系统参数上进行了升级：码长1至18阶可调、发射电流20至80 A可调、发射电压750至1000 V可调、接收机采样率200至32 kHz多档可调.其中最显著的变化是接收机采样率范围的扩大，说明系统将可适应范围更大的收发偏移距，从而使探测深度浅部更浅、深部更深，码长范围与最大发射电流的变化也体现了这一系统观测能力的提升.
2)采取轴向阵列式观测方式
如图 1所示，MTEM使用长接地导线源，进行轴向感应电场(大地响应)阵列式观测.在发射时，使用宽带霍尔传感器观测真实发射波形以获取系统响应.MTEM的观测过程按照阵列式观测、多发射位置响应叠加的原则进行，即：首先在预设测线的预设区域布设观测阵列，之后使用发射系统依次在预设测线上的预设位置上进行发射；完成后将观测阵列搬移到下一预设观测区域，再依次在预设位置上进行发射.重复上述流程直至观测阵列覆盖所有预设观测区域.在对多道瞬变电磁法进行试验的初期，接收装置记录电场水平分量、垂直分量，以及垂直磁场随时间的导数等参数.随后的建模研究和数据处理结果表明，除了电场水平分量，其他分量并没有反映出地下目标体的更多的信息.
采用电偶极源进行信号发射，采用电偶极子阵列来记录大地电磁响应，发射源位置和接收电偶极子之间的偏移距一般为2倍目标体深度至4倍目标体深度.随着偏移距的增加，接收得到的电压信号将急剧衰减，在偏移距较大时难以获得质量较好的信号.为了探测埋深为的目标体，其最大偏移距应达到四倍目标体深度.因此在不同偏移距进行数据采集时，在偏移距较大时需要对对采集信号强度进行补偿.当获得多个偏移距下的数据后，取收源点和接收点的中点作为记录点.可以实现多道瞬变电磁法观测数据的时间域多次迭加和空间域多次覆盖.
3)提取大地脉冲响应
MTEM方法中所使用的术语“系统响应”沿袭自LOTEM方法(Strack, 1992)，认为大地脉冲响应是输入信号，而由实际发射波形与数据采集设备整体引起的对大地冲激响应观测的失真总效果是系统.此系统也可被看作一个滤波器，由于要求其仅体现收发系统的特性，故在早期Duncan的研究中将之称作“零大地异常滤波器”(Duncan, 1978).可见，使用术语“系统响应”，即认为对大地脉冲响应的提取过程是对输入信号的重构.
大地可以看作是一个线性时不变系统，把由接地电极发射的源信号看作系统输入，把所接收的信号看作系统输出信号，根据线性时不变系统特性，输出信号可表示为
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(1) |
式中：ag(xs, xr, t)表示输出信号，s(xs, xr, t)表示与发射信号、收发距离等有关的系统响应，g(xs, xr, t)表示来自地质目标体的大地脉冲响应; n(xr, t)表示噪声.
多道瞬变电磁法采用伪随机码作为发射信号源，与传统瞬变电磁法阶跃源相比，伪随机码发射信号源频谱较为平坦且频带范围较大，对伪随机码进行反卷积处理增加了时间域信号的信噪比.通过对观测信号与系统响应的反卷积，获得大地脉冲响应.
4)采用电磁法勘探中的几何测量和感应测量结合的思路解释资料
由于MTEM具有近源几何测深的特性，可以通过改变偏移距离达到测深的目的，其观测方式与直流电阻率方法中的偶极-偶极装置相似，故在源电极和接收电极的位置为已知的情况下，可以采取直流电阻率反演方法进行解释.首先在由电流峰值时间和偏移距离计算出视电阻率，并形成共偏移距离剖面的基础上，根据电阻率方法中的偶极-偶极装置探测技术, 找到偏移距与探测深度之间的关系式, 并对各偏移距所对应的深度进行估算.
这种装置模式与地震勘探数据观测方式比较相近，数据处理方法也与地震勘探基本相似，即通过共偏移剖面图，来推测地下某一深度目标体的地电信息.由于多道瞬变电磁法的数据采集方式、数据处理与地震勘探十分相似，因此其数据处理方式与地震解释的某些技术相类似.虽然电流在地层中的传播方式与地震波在相同地层中的传播方式不同，所得到的响应也完全不同，但是，多道瞬变电磁法仍然可以借鉴地震勘探成熟的数据处理技术.可以得到3种不同形式的剖面:
(1)脉冲响应共偏移距离剖面，大地脉冲响应的峰值与峰值时刻与地下介质的电阻率相关，将同一偏移距下的大地脉冲响应整理成共偏移距剖面，可以反映地下同一深度的地电信息.
(2)共中心点视电阻率剖面，该剖面反映不同测点电阻率随深度的变化关系.
(3)共中心点集1D反演剖面，通过对不同偏移距下脉冲响应曲线的反演拟合后，获得共中心点的视电阻率--深度二维剖面.
2 应用实例介绍相比于其他电磁法，多道瞬变电磁法具有更大的探测深度、更高的精度，且对高阻体较为敏感.同时，多道瞬变电磁法已发展为可用于陆上、海陆过渡带和海上探测的地球物理方法.基于以上特点，多道瞬变电磁法在油气资源探测、油藏开采和生产的4D监测等方面得到了应用，并取得了较好的探测效果.
2.1 陆地探测在1994年和1996年，在法国St. Illier市某天然气地下储气库进行了两次测试数据的采集.此次探测的目标是监测该储气库在两年间的储气量的变化，此次探测的测线布置图如图 2所示.在2001年，David Wright在其博士论文研究中，对测试数据进行处理并从中提取出了大地脉冲响应.大地脉冲响应的一阶导数的成像结果与已知高阻天然气储层的水平范围吻合，如图 3所示.此次试验验证了多道瞬变电磁法探测高阻体的有效性，使得后续的仪器装备的研发和数据解释技术的发展成为可能.
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图 2 测线布置示意图及其与地下油藏的相对位置(Wright et al., 2001) Figure 2 Diagram of survey lines and related location of underground reservoir (Wright et al., 2001) |
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图 3 1994年(a)和1996年(b)试验采集数据的大地脉冲响应共1000 m偏移距剖面(Hobbs et al., 2006) Figure 3 Impulse response from the test data with common 1000m offset profile in 1994 (a) and 1996 (b) (Hobbs et al., 2006) |
图 2为该次实验的装置野外布设示意图.图上蓝点表示试验中各发射极点的位置，红十字表示观测点的位置.在试验中，系统沿测线进行阵列式多分量发射，阵列式多场量、多分量观测.发射机使用美国Zonge公司的GGT-30发射机发射占空比100%的双极性方波，发射极间距为250 m，进行轴向和赤道向源电流发射.观测点上使用DMT公司提供的TEAMEX接收机进行轴向、赤道向电场及垂直磁场观测，电场观测的极间距为125 m.
在多道瞬变电磁法基本原理、数据处理、解释技术和装备仪器的研发基本完成后，2004年MTEM公司在法国南部某天然气地下储气库进行了演示试验.此次试验无任何先验信息，仅通过多道瞬变电磁法的探测结果来推测储气层的位置，以此来展示多道瞬变电磁法对高阻油气资源的探测能力.采集到的数据经过大地脉冲响应提取后，分别以共偏移距剖面图、视电阻率拟断面图、2D直流电阻率反演和1D全波形OCCAM反演的形式给出了最终的探测结果，图 4给出了其中数据2D直流电阻率反演的结果，探测结果一致的给出了天然气层的水平位置和顶板深度.此次演示实验一方面确定多道瞬变电磁法的各项关键技术，另一方面也证明了多道瞬变电磁法在油气资源探测方面存在的巨大潜力.
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图 4 2D直流电阻率反演结果(Ziolkowski et al., 2007) Figure 4 Inversion results of 2D DC resistivity |
陆上MTEM探测取得的成功促进了该项技术向海上油气资源探测领域的拓展.2005年，MTEM公司在苏格兰的福斯湾10~20 m浅海域进行了海上多道瞬变电磁法并取得成功.随后，MTEM公司开始着手研发海上多道瞬变电磁法仪器装备，并将多道瞬变电磁法的研究重心转换到海上油气资源探测.
最初，海上MTEM探测主要在浅水域进行，将发射电极和接收机阵列布置在海底进行数据的采集工作.采用此种装置形式，在北海Harding油田、Alvheim油田等进行了油气资源探测试验(Ziolkowski et al., 2009, 2011).其中，在2007年和2008年对北海Harding油田进行了重复探测试验，试验结果表明，两次MTEM探测结果具有良好的一致性，且反演结果清晰的以高阻体的形式给出了Harding油田的具体形态和边界，从而验证了多道瞬变电磁法法具备进行油气资源能力.
然而，采用海上多道瞬变电磁法装置形式探测效率较低.因此，PGS公司将海上多道瞬变电磁法进一步发展为海上拖曳式电磁探测系统.该系统与最初海上多道瞬变电磁法的区别在于采用探测船将发射电极和接收阵列以拖缆的形式置于海底与海面之间，在航行过程中进行数据采集.另外，该系统能在一次海上航行中同时采集反射地震数据和多道瞬变电磁数据.通过反射地震成像提供高精度的地下介质构造信息，由多道瞬变电磁法来确定构造中各部分的电阻率信息，通过二者的结合可以很大程度减小地球物理方法的多解性，获得更可靠的探测结果.
近年来PGS公司在北海Poen油气田，布雷塞、本特利和克拉肯等区域，巴伦支海Snøhvit油田、Johan Castberg区域以及巴伦支海东南部等区域进行海上拖曳式瞬变电磁法探测(Mckay et al., 2015).图 5给出了在北海布雷塞、本特利和克拉肯海域的拖曳式电磁探测系统的探测结果.其中上图为地震成像结果，下图为利用反射地震数据的成像结果进行电磁数据的约束反演得到的电阻率剖面.从图中可以看到，通过电磁法的反演有效的确定了两处高阻油气藏的位置.
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图 5 2012年在英国北海进行的MTEM探测数据2.5D反演结果：反射地震成像结果(a)，MTEM反演结果与地震成像结果结合(b) (Mckay et al., 2015) Figure 5 2.5D inversion results of MTEM observation data of UK North Sea in 2012: reflection seismic imaging result (a), combine MTEM inversion results with seismic imaging result (b) (Mckay et al., 2015) |
多道瞬变电磁法的数据采集方式类似于地震勘探技术，采用电性源多次发射，阵列式多道接收多次覆盖的全波场信息，可以对数据进行类地震处理，在同等发射强度的条件下大幅度提高探测精度和深度.开展这一方法的研究具有重要的意义.
3.2多道瞬变电磁法发展的时间比较短，虽然有较好的应用实例，但是方法还没有推广，应用也不普遍.对于这种方法所涉及的电磁场响应和传播特性以及方法技术细节认识还处于探索研究阶段.由于我们国家地质构造的复杂性和特殊性，现有的多道瞬变电磁法技术还不适合地面金属矿精细勘探，在研发多道瞬变电磁法深部探矿系统前，很有必要对多道瞬变电磁法技术特点及地球物理机制进行分析和研究.
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