在地面电磁勘探方法中，长偏移距瞬变电磁法(Long-Offset Transient Electro-Magnetic Method，简称LOTEM)采用了接地导线源的激发方式，在直角坐标中能够产生全部6个电磁场分量，对地下高阻或低阻目标层有良好的反映，在大深度的石油天然气、金属和非金属矿、地热等勘探中发挥着重要作用(Scholl，2010；Strack et al., 1990，Yang sheng，1986).众所周知，瞬变电磁场的早期和过渡期信号强度随收发距增大将急剧减小，为了克服大偏移距时测量信号微弱，信噪比较低的不足，LOTEM常采用不关断的双极性波形电流激发，用以充分利用发送能量，提高信号强度.但是这种波形电流激发的电磁场难以区分一次场和二次场，还需记录发射源的系统响应并进而通过反卷积、积分等数学手段得到地质体的脉冲或阶跃响应；另一方面，采用连续波形电流激发，导致近源勘探极易受发射源噪声干扰，影响探测效果，因此LOTEM的观测范围一般集中于2~20 km范围内(Strack，1992).

瞬变电磁法的探测深度主要由观测时间决定(Spies，1989)，故上世纪70到80年代，前苏联和美国相继出现了短偏移距的研究与试验报道(Goldman et al., 1976；Kaufman and Keller， 1983).此后的短偏移或者说近场探测大多在回线源中进行，且因具有纯二次场观测、高效灵活等特点，在中等深度和浅层的勘探中得到了相当普遍的应用(蒋邦远，1998；牛之琏，2007；闫述等，2009).为了寻求高效率、大深度的电磁探测方法技术，从2010年开始，又出现了大量对近源瞬变电磁勘探的研究.例如，Ziolkowski(2010)提出了短偏移瞬变电磁法的专利，该方法利用伪随机编码信号激发，并采用多通道接收器接收瞬变电场.Cuevas和Alumbaugh(2011)通过海底探矿的全空间解析分析，认为水平电偶极源的近场虽不能反映地层电性，但垂直电偶极的镜像可以消除一次场；随后，Evan等(2012)用数值模拟继续进行垂直电偶极短偏移距的海底探测研究.

实际上，在时域瞬变电磁方法中，只要采用适当的激发波形使一次场和二次场在时间上分开，水平接地导线源的近源区就可以具有深部探测能力.现有地面瞬变电磁仪器，如加拿大Phoenix公司开发的V8多功能电磁法仪和美国Zonge公司生产的GDP-32电法仪器，均有双极性阶跃波形供选择，采用该类波形作为激励源，并在正负供电关断的间隔观测纯二次场，可以实现近源大深度勘探.

随着我国经济的快速发展，浅部资源储备急剧下降，我国矿产资源目前已经进入深部开发阶段，因此在研发大功率、高性能电磁探测装备的同时，寻求瞬变电磁探测新理论、新方法与新技术是十分重要的.近年来，作者在山西、山东、河南、安徽等地金属矿、煤矿、盐矿等勘探任务中，尝试采用与勘探目标体深度相当或更小的偏移距进行工作，探测结果表明：近源探测不仅有较高的信噪比，还有较大的探测深度(陈卫营和薛国强，2013；薛国强等，2013).为了和LOTEM相区别，作者将观测偏移距小于或接近探测深度的接地线源瞬变电磁法称之为短偏移距瞬变电磁法(Short-Offset Transient Electromagnetic，缩写为SOTEM).

1 SOTEM研究意义

在LOTEM的理论中，若收发距大于5倍的发射源长度则将接地导线源作为电偶极子处理(Kaufman and Keller， 1983；米萨克 N 纳比吉安，1992).当收发距小于这个范围时，发射源尺寸不能忽略，此时发射源不能采用偶极子近似，而是以偶极子为基本微元进行积分，由此获得有限场源的表达式，类似的方法也应用于矩形回线源的表达式中(李建平等，2007；翁爱华等，2010).但是，通过这种积分未能恢复偶极子微元本身略去的高阶项，对于短偏移SOTEM来说误差仍然较大，研究长导线源的近源场性质需要更精确的理论公式(闫述等，2011；薛国强等，2014).以往虽有对LOTEM电场水平分量、磁场垂直分量视电阻率特点，以及地形、地表不均匀性等对不同分量的影响的研究(Newman，1989；Hördt et al., 1992；唐新功等，2004；Hördtrad and Scholl， 2004)，但是仍未充分利用各场分量对地质体的不同响应以获取更多的地质信息，限制了根据响应特征采用最佳观测场量的多样性选择.在国内外同行及作者以往工作的基础上，根据时变点电荷载流微元积分理论，分析接地导线源SOTEM电场、磁场各分量的响应及分布特征，以及各分量与地层相互作用特点，纵横向的分辨能力，对高、低阻层的敏感度等，作为SOTEM探测方法技术的理论依据.通过多分量观测、数据处理与数据解释的改进，在适用于SOTEM勘探的精确解析式研究基础上，建立近源探测理论与勘探方法技术体系，满足国民经济和社会发展对矿产资源的需求.

由于SOTEM在近源小偏移距范围内观测，相较于LOTEM，SOTEM信号的信噪比有很大的提高.但对于日益增长的电磁干扰来说还不够，在野外强干扰测区采集的数据信噪比仍然较低，还可在数据处理环节寻求改进.目前，国内外的瞬变电磁仪，如加拿大Phoenix公司的V8、美国Zonge公司的GDP-32、澳大利亚Alpha Geo-science公司的Terra TEM，及国内白云仪器厂的MSD系列等，在双极性阶跃电流发射间隙，采样几千个数据(例如V8为3058～3076个)，反向叠加增强有用信号抵消直流分量和低频干扰后，再对3000多个采样点数据进行横向叠加平均：根据从早到晚时间道信噪比逐渐降低的特点，参加平均的采样点数目按一定规律逐渐增加，一般最终获得20～40个时间道的数据.这种零均值干扰假设下的噪声抑制方法，在有色噪声、固定干扰噪声的环境中失效.虽然有色噪声在电磁勘探领域引起了关注(邵敏等，2008)，但国内外仪器的标配软件仍然是直接对横向叠加平均后的几十道数据进行处理解释.作者以Phoenix公司V8仪器为例，从输出数据中提取未叠加平均的3000多个原始数据，进行频谱分析，根据干扰噪声的特点选择适当的噪声去除技术.此外，不同噪声对不同场分量造成的干扰是不同的(陈明生和闫述，1995；底青云和王若，2007；邱卫忠等，2011)，本文提出的多通道、多分量观测，通过选择适当的观测场量以及不同观测分量的组合可以最佳地规避干扰或最大程度地去除干扰.

作为完整电磁勘探系统的组成部分，数据解释占有重要位置，采用视电阻率参数解释是主要手段之一.在发展2D、3D反演解释，解决复杂地质构造问题的同时(Haber et al., 2004；Oldenburg et al., 2013)，建立在水平分层大地理论公式基础上的视电阻率算法的研究一直在进行着.与直流电阻率法不同的是，时变电磁场与地下电阻率之间的关系十分复杂.所以计算视电阻率时不仅要将分层理论公式退化为均匀大地公式，还要进一步地取近区或远区渐进式求解视电阻率.由视电阻率的定义和上述算法可知，当大地为非均匀半空间或未满足场区条件时，视电阻率所反映的地层剖面与实际情况有较大的差距.各种视电阻率的改进工作，就是追求视电阻率曲线和真实大地电阻率剖面逼近的过程.为此，针对回线源全区(全期)公式通过迭代计算视电阻率的研究(白登海等，2003)，利用时间平移伸缩性直接求解的算法等(王华军，2008)；针对长偏移距LOTEM有采用二分搜索算法的全期视电阻率(陈清礼等，2009).虽然全区(全期)算法比远、近区渐进法前进了一步，但是全期视电阻率对于三层以上的多层地质模型还是具有一定的粗糙性，不能满足精细探测的需求，为此作者提出从分层大地理论公式出发，拟合反演地层真电阻率与层厚的方法.与频域CSAMT信号不同的是，阶跃电流关断后观测的时域TEM信号呈指数衰减形式，缺乏CSAMT信号与地层有关的特征点，拟合反演的多解性比较严重.加之以往拟合反演层数较少，生成的电阻率-剖面对地层的直观表现力不够，在实际中的应用并不普遍.因此需要对拟合反演算法进行改进，获得更精确的地电解释剖面.

2 SOTEM关键问题

(1)SOTEM各分量的响应特征及与地层相互作用研究.计算典型的二层D、G，三层H、A、K、Q及三层以上模型各场分量的响应曲线；研究各场量对高、低阻层的敏感程度；目标层上覆高或低阻层时的异常强弱；高、低阻薄层的响应与等值性；时间道数与地层分辨率之间的关系；各分量的纵向与横向分辨能力.

(2)记录点、场源复印和阴影效应等问题研究.瞬变电磁勘探属于典型的体积勘探，电磁波主要以地层波的方式从发射源传播到接收点，因此接收信号反映的是接收点与发射源之间的综合地电信息.这种电磁波传播方式极易受到地表局部不均匀体的干扰，造成场源复印和阴影效应.需要研究如何确定SOTEM的记录点以及各种效应对观测数据的影响规律及校正方法.

(3)噪声去除方法研究.研究不同噪声源、不同极化方式噪声对各场量的影响，研究通过观测不同场量或场分量的组合，最小化规避和最优化去除噪声的方法.

(4)SOTEM探测施工方法研究.根据地质任务、探测深度、测区地质地形与环境、测区噪声类型等因素选择合适的观测场量、发收距、发送基频、观测时长、叠加次数、发射导线长度、接收导线长度或接收磁棒性能等工作参数.

(5)拟合反演算法的改进.水平分层大地公式拟合反演的结果为地层真电阻率和厚度，但以往反演层数较少，生成的电阻率-剖面对地层的表现力较差；瞬变场实测曲线的衰减特性，使得拟合反演的等值性、多解性、稳定性问题较频域CSAMT严重，针对此问题应研究改进的算法.

3 SOTEM研究方法

(1)采用时变点电荷微元理论推导电磁场分量精确表达式.SOTEM精确表达式是全区、全期适用的，各场区、各时段之间的场结构是渐变和平滑过渡的.因此在解析分析各分量在各场区、各时段的响应特征时，统一采用SOTEM理论公式.

(2)采用数值模拟和物理模拟等手段对场附加效应进行研究.SOTEM基本理论在水平分层大地模型上建立，对涉及的场源效应、阴影效应等2D、3D问题，采用2D、3D数值模拟、实验室物理、野外实测等技术思路进行研究.

(3)通过人工合成和实测数据进行噪声剔除研究.针对不同类型的噪声源，研究最佳的物理和数学去噪方法.

(4)由按层数反演改进为按时间道数的曲线拟合反演.以往在对曲线拟合反演时，所假设的地电模型层数较少(一般3~10层)，导致解释精度不高；如果在拟合时，使地电模型的层数等于时间道数，即每一道数据对应一个电性层，并根据地质资料和定性分析结果增加约束条件进行反演，可改善解释精度.

(4)野外实测.在已知地层和构造的测区，根据研究的需要，选定探测目标，按照1:1的比例，进行探测方法、噪声测试与去噪、数据处理解释实验.

(5)推广应用.在不断完善SOTEM理论、方法、技术的同时，大力推广该方法的应用性.发现并克服实际生产中遇到的新问题，逐步形成一套较为完善、系统的SOTEM探测理论，并建立适用于SOTEM的方法技术实施规程，进一步地指导和推广该方法的应用.

4 结 论

总之，由于国民经济的快速发展，产生了深部探矿的国家战略需求，凝练出新的科学问题.作者提出在接地长导线的近源区观测纯二次场的瞬变电磁方法并命名为短偏移距瞬变电磁法(SOTEM).通过对SOTEM场响应、观测参数设计、资料处理以及数据精细反演等几个关键技术的进一步深入研究，形成SOTEM深部探测方法，为电磁法探测技术的发展做出应有的贡献.做出的创新性工作有：

(1)提出新的瞬变电磁SOTEM观测方法及装置.通过对时域瞬变场和频域稳态场本质区别的研究，指出了可分离一次场和二次场的波源类型，将接地导线源长偏移距LOTEM的观测区，扩大到短偏移区域，提出了短偏移瞬变电磁法(SOTEM).

(2)采取适合的观测装置和数据处理方法，可以实现全部6个电磁场分量的观测和处理，充分利用了不同场分量在不同地质任务中的优越性.根据勘探任务目的、地质条件和环境条件选择合适的观测场量或者观测场量的组合，以获取更多的地质信息、解决更多的地质问题.

(3)提取仪器输出数据中反向叠加前的原始采样数据，经过频谱分析、时频分析，根据干扰噪声的特点，采取不同的噪声抑制技术.将国内外主要瞬变仪厂家标配的适合抑制零均值噪声的数据处理软件，扩展到适合有色噪声的处理.通过提高观测数据质量，保证探测精度.

(4)提出按时间道数进行精细拟合反演.地层层数等于时间道数的拟合反演，不仅使得广义逆矩阵的参数矩阵解得真值，还使地层真电阻率和厚度的定量解释结果，不再用列表的方式表现，可以形成精细程度等于时间道数的电阻率-深度剖面，实现了定量结果的图形化.