海洋可控源电磁法具有提供海底地层电阻率空间分布的能力，在油气层识别和海上油气储层定量评价以及降低海上钻探风险方面发挥着重要作用，已发展成为海上油气勘探中的一种重要方法(Constable，2010).早期采用频域电磁法进行深水域的油气勘探(Eidesmo et al.，2002; Ellingsrud et al.，2002)，频域电磁法相比瞬变电磁法，对深水域海底高阻油气藏具有更高的分辨率；而厚的海水层可以有效的消除空气波的干扰.但深水域勘探开发成本高，而且浅水域的大陆架蕴含有丰富的油气资源，因此海洋电磁法的研究逐渐转向浅水域.瞬变电磁法相比频域电磁法，对浅水域海底高阻油气藏具有更高的分辨率(Strack et al.，2011)，另外频域电磁法在浅水域存在严重的空气波干扰，而瞬变电磁法能够有效的分离空气波与海底地层响应(Weiss，2007)，因此浅水域的瞬变电磁法得到了更多的关注(Barsukov and Fainberg，2014).

近10年来，海洋瞬变电磁法得到了快速的发展.本文主要针对海洋瞬变电磁法的历史发展与现状，三维正反演理论研究及装置类型三个方面进行评述，最后就海洋瞬变电磁方法目前存在的问题及未来发展方向提出个人的见解.

早期成功用于商业勘探开发的是海洋频域电磁法(Eidesmo et al.，2002; Ellingsrud et al.，2002)，随后石油工业界的兴趣带动了海洋频域电磁法的大力发展，目前海洋频域电磁法发展的相对成熟(Constable，2010; Key，2012; Constable，2013)，国内在这方面也做了大量的工作(何展翔等，2009；沈金松等，2012；殷长春等，2014；杨军等，2015).海洋瞬变电磁法的研究则相对较少，早期瞬变电磁法探测海底地层电导率的研究主要集中在加拿大多伦多大学的Edwards课题组(杨建文和Edwards，1998; Edwards，2005).

1986年，Edwards和Chave率先提出采用瞬变电磁法探测海底地层的电导率，并计算了位于导电性海水下方的均匀半空间电偶极子的瞬变电磁响应，他们的这一工作为海洋瞬变电磁法的发展奠定了理论基础(Edwards and Chave，1986).1987年，Cheesman和Edwards等人进一步研究了各种常见发射接收系统在海底的瞬变电磁响应，推荐采用水平同轴电偶极子装置和水平同轴磁偶极子装置，这两类装置的响应曲线存在早晚期时间分离，早期响应反映海底地层的电导率信息，晚期响应反映海水电导率信息，在海底电阻率比海水高的情况下，对海底地层电导率具有较高的灵敏度(Cheesman et al.，1987).1988年，Cheesman和Edwards等人研制成功了时间域水平磁偶极子系统，两次海底试验结果论证了该系统进行海底电导率填图的可行性(Everett et al.，1988).同年6月，Everett和Edwards等人采用时间域水平电偶极子系统进行了首次海上试验，观测结果与实际海底结构相吻合.1993年，Edwards等人研制成功了另外一套新的时域电偶极子海底观测系统，用于研究大西洋洋中脊附近的TAG海底热液活动及多金属硫化矿床内部结构，并于同年4月在大西洋海底的TAG多金属硫化矿床上作了试验.在该次试验中，利用深海探测潜艇Alvin将发射机及接收机携带到3700m深的海底.该次试验非常成功，获得了不少有益的数据.为了深入研究海洋瞬变电磁法的相关理论，Edwards推导了二维磁偶极源及二维电偶极源位于两个半空间分界面上时的时域电磁响应(Edwards，1988)，Everett和Edwards利用有限元方法研究了二维海底构造的时域电磁响应(Everett and Edwards，1991，1993)，他们根据东太平洋海底地震数据建立了相应的二维海底结构的地电模型，分别讨论了TE及TM模式条件下，在岩浆房周围及其内部趋肤电流的扩散情况.注意到在洋中脊附近，由于上地慢岩浆的上升及海底的扩张产生大量平行于洋中脊的裂隙及断裂带，导致海底地壳的电导率常常是各向异性的，电导率沿着裂隙的方向要高于垂直于裂隙的方向，Yu和Edwards研究了横向各向异性电导率对海洋时域电磁响应的影响(Yu and Edwards，1992a，1992b)，1997年，Yu和Edwards进一步研究了三轴各向异性电导率对海洋时域电磁响应的影响，并讨论了采用三种不同电偶极-偶极装置分辨电导率各向异性(Yu et al.，1997).1997年，Edwards第一次将海洋瞬变电磁法用于海底天然气水合物的勘探，针对海底地震方法不能有效的得到海底天然气水合物的上层边界，不易确定海底天然气水合物的总量，而天然气水合物在电性上表现为高阻，采用时间域水平电偶极子系统采集电场数据，辅助地震方法对天然气水合物作出资源评价(Edwards，1997).2000年，Yuan和Edwards采用改进的时间域水平电偶极子系统在Cascadia边缘的海上测试进一步证明了该装置能够有效给出深海天然气水合物储量的定量估计(Yuan and Edwards，2000).2005年，Edwards系统的综述了海洋瞬变电磁法的研究进展(Edwards，2005).

在海洋电磁法勘探研究领域逐渐从深水域转移到浅水域之后，海洋瞬变电磁法受到更多关注，越来越多的学者和机构开始研究海洋瞬变电磁法.1998年，王一新，王家林和王家映等人研制了共轴水平磁偶极-偶极装置的海洋瞬变电磁探测系统和解释软件，并且在东海浅海域进行了实地试验，取得了一定的效果(王一新等，1998).2004年，张胜叶，杨海霞和罗延钟研究了海底天然气水合物的瞬变电磁响应.2006年，MTEM公司的Ziolkowski等人在苏格兰10~20 m浅海域进行了多道瞬变电磁方法(MTEM)的测试，发射电流50A，收发距600~8000 m，目标体最大埋深2 km，测试结果证明了MTEM能够有效的探测浅海域的电阻体(Ziolkowski et al.，2006).Weiss分析了浅水域(小于300 m)中瞬变电磁响应特征，早期的空气波信号和晚期的海底地层响应存在一个清晰的分界，可以有效的去除空气波干扰，建议在浅水域采用瞬变电磁法(Weiss，2007).Avdeeva，Commer和Newman采用FDTD算法研究了海洋瞬变电磁法的勘探能力，结果表明，在浅水域，采用脉冲源的的瞬变电磁法，相比采用阶跃源的瞬变电磁法和频域电磁法，对于海底高阻异常具有更大的分辨率(Avdeeva et al.，2007).2008年，KMS公司报告了浅水域瞬变电磁法的第一次商业测试，取得了很好的效果(Allegar et al.，2008).2010年，李予国和Constable分析了浅水域的瞬变电磁响应，结果表明在浅水域瞬变电磁法可以采用更易使用的表面拖拽系统(Li and Constable，2010).2013年，Connell和Key详细的讨论了浅水域的频域电磁法和瞬变电磁法的分辨率分析，结果表明，需要采用紧凑的宽频带波形的频域响应才能够给出与瞬变电磁法相当的分辨率(Connell and Key，2013).

近几年来，随着海洋瞬变电磁法得到了越来越多的关注，海洋瞬变电磁法的理论研究得到了较大的发展，特别是在三维数值模拟算法方面有了很多的成果.

2007年，Maaø提出了一种基于数学变换减少迭代时间步的时域有限差分算法，简单的海洋三维模型的模拟结果表明该算法相比固定时间步长的时域有限差分算法，速度提高40倍(Maaø，2007).2008年，Börner，R.U.等人采用基于Krylov子空间投影的模型降阶技术快速计算接收点处的近似频域解，结合Fourier变换得到时间域的解(Börner et al.，2008).2008年，Mulder等人采用基于多重网格的有限体积法和时频变换算法实现了海洋瞬变电磁法的三维数值模拟(Mulder et al.，2008).2008年，Singer采用修正的迭代耗散方法的积分方程法和时频变换算法实现了海洋瞬变电磁法的三维数值模拟(Singer，2008).2010年，Swidinsky和Edwards采用薄板的积分方程法近似求解海底三维高阻薄层的瞬变电磁响应(Swidinsky and Edwards，2010).2010年，Mittet利用波场变换进一步提高了时域有限差分模拟海洋三维瞬变电磁响应的速度(Mittet，2010).2011年，Zaslavsky等人采用一种广义的谱Lorenz分解算法(SLDM)模拟了考虑IP效应的海洋瞬变电磁响应(Zaslavsky et al.，2011).2010年，Um采用时域有限元方法模拟了阶跃源的海洋瞬变电磁法的三维响应(Um et al.，2010).2012年，Um将该方法扩展到多发射源的情况(Um et al.，2012).2012年，付昊桓和Um等人实现了该算法的并行化(Wang et al.，2012).2013年，Sommer实现了三维SLDM程序的GPU并行化，有效的提高了计算效率(Sommer et al.，2013).2013年，Zaslavsky等人采用基于广义SLDM方法的高斯牛顿方法实现了海洋瞬变电磁法的三维反演，并且给出了一个简化的二维反演的例子(Zaslavsky et al.，2013).2014年，Holten，Commer和Newman实现了各向异性模型海洋瞬变电磁法的三维非线性共轭梯度反演，并且给出了一个垂直发射垂直接收系统的海洋瞬变电磁的三维反演结果(Holten et al.，2014).

由于海洋瞬变电磁方法三维数值模拟和反演理论的复杂性，多数研究主要集中在提高计算速度方面，目前虽然取得了一定的研究进展，但是距离实际应用还有一定的差距，因此提高计算速度依然是未来海洋瞬变电磁方法三维正反演研究的一个主要方向.

目前海洋瞬变电磁法主要有四类装置：深拖拽水平发射-固定阵列接收装置；深拖拽水平发射-水平接收装置；海底垂直发射-垂直接收装置；浅拖拽水平发射-水平接收装置.

(Ⅰ)深拖拽水平发射-固定阵列接收装置

最常见的海洋电磁法装置是采用海底随船拖拽发射水平偶极源、海底固定接收系统(Constable，2010).发射源位于海床上方30~100 m处，接收机固定于海床，该装置主要用于频域方法，也可用于时域方法.它具有以下优点：

(1) 由于接收的高阻异常信号不经过海水层的衰减，因此能够得到最大的异常响应.

(2) 采用阵列式接收，能够同时采集沿测线方向(inline)，垂直测线方向(broadside)和方位角方向(azimuth)的三维数据，用于三维数据解释.

(Ⅱ)深拖拽水平发射-水平接收装置

另一种常见的海洋电磁法装置是采用海底拖拽发射水平电偶极源、海底拖拽接收装置(Edwards，2005).该装置可以采用与一条船同时拖拽发射拖拽接收的工作方式，或者一条船拖拽发射、另一条船拖拽接收的工作方式.该装置的发射接收均位于海床上方30~100 m处.相比海底固定接收装置，主要的区别在于：发射接收系统都是采用随船拖拽，相比固定接收装置，速度快，但是随船拖拽接收装置系统只能接收沿测线方向的数据.

总的来说，这两类深拖拽装置都存在一些明显的缺点：

(1) 采用水平电偶极源，需要大的收发距，一般收发距为目标体埋深的4倍到8倍.

(2) 由于大的收发距，测量数据是大范围地下区域的电阻率体积平均效应，因此分辨率低.

(3) 勘探深度有限，一般不超过2000 m.

(4) 发射源一般位于海床上方30~100 m处，接收机位于海底或随船拖拽，收发距大，操作复杂，工作效率低下，成本高.

(Ⅲ)海底垂直发射-垂直接收装置

针对上述两类主要装置需要大收发距的缺点，Scholl和Edwards设计了一种类似于井地测量的装置——采用钻井中放置垂直电偶极发射源，海底阵列接收；并指出该装置对高阻异常体具有更大的灵敏度(Scholl and Edwards，2007).随后挪威Petromarker公司推出了一种更易实现的垂直发射垂直接收的海洋瞬变电磁装置(Holten et al.，2009)，相比传统的海洋电磁法装置，该装置具有一些明显的优点：

(1) 采用短收发距(500 m)，水平分辨率更高(5 km²)；

(2) 垂直电磁场相比水平电磁场对于海底高阻薄层更灵敏，因此垂直分辨率更高(30~100 m)；

(3) 采用大电流的发射源(5000 A)和改进的接收系统(噪声水平下降到约1 nV/m)，理论上勘探深度可以达到海底5000 m；

(4) 在时间域测量电磁场垂直分量，不受海水深度的影响，因此可以同时应用于浅水域和深水域；

(5) 能够探测和分辨垂直放置的电阻性目标体.

将该装置用于Luva区域油气勘探，发现了一个电阻率反差不大的油气柱的存在，其埋深位于海底1700 m(Holten et al.，2009).因为该装置具有明显的优点，大量的学者对这一发射接收系统进行了深入研究.Goldman等人考察了海岸线对采用垂直源的海洋瞬变电磁响应的影响(Goldman et al.，2011).Hunziker等人详细的分析了空气波对垂直发射垂直接收装置的瞬变电磁响应的影响(Hunziker et al.，2011).Imamura等利用海洋瞬变电磁法勘探海底硫化物(SMS)，垂直电偶极得到SMS上覆盖层的电导率，水平电偶极得到SMS的厚度，建议采用多种不同的发射和接收装置改善反演结果(Imamura et al.，2012).Jang等人分析了垂直发射垂直接收装置用于海底高阻体探测的瞬变电磁响应(Jang et al.，2013).Singer和Atramonova研究了三维非均质地层对垂直发射垂直接收装置的瞬变电磁响应影响，由于垂直电偶极进入层状介质只是TM波部分，地层横向不均匀性对垂直电场的影响很小(Singer and Atramonova，2013).针对浅水域采用垂直发射垂直接收装置功率不足的问题，Barsukov和Fainberg研究了浅水域TEM短收发距(近场)情况下，采用水平电偶极发射、垂直电偶极接收HED-Ez(t)数据的灵敏度，并且与常规大的水平电偶极发射、水平电偶极接收HED-Ex(f)进行比较，说明HED-Ez(t)在浅水域对于高阻异常体有更大的分辨率和更大的灵敏度(Barsukov and Fainberg，2014).该装置系统目前仍处于进一步的发展中(Helwig et al.，2013)，但总的来说，该装置存在以下缺点：

(1) 发射源要尽可能的垂直，虽然垂直源不产生空气波，但水平源存在空气波，而且水平源的水平电场要比垂直源的垂直电场大2到3个数量级，这意味着源和接收之间的倾角要非常小，数值模拟表明，垂直源倾斜0.05，空气波增大了20%.

(2) 垂直发射垂直接收装置在测量上，在海上勘探记录数据时，发射器和接收器都是固定的，在一次勘探数据记录后，下一次测量时需要重新配置发射接收设备，因此工作效率较低.

图 1

Fig. 1

图 1 深拖拽水平发射-固定阵列接收装置(Constable，2010) Fig. 1 Deep towed horizontal transmitter-fixed receiver array configuration

图 2

Fig. 2

图 2 深拖拽水平发射-水平接收装置(Edwards，2005) Fig. 2 Deep towed in-line transmitter-receiver configuration

图 3

Fig. 3

图 3 海底垂直发射-垂直接收装置(Holten et al.，2009) Fig. 3 Vertical transmitter-vertical receiver configuration

图 4

Fig. 4

图 4 浅拖拽水平发射-水平接收装置(Petroleum Geo-Services) Fig. 4 Shallow towed in-line transmitter-receiver configuration

(Ⅳ) 浅拖拽水平发射-水平接收装置

2010年，针对海底深拖拽发射-固定或拖拽接收装置工作效率低下的缺点，Petroleum Geo-Services(PGS)公司(Anderson and Mattson，2010)和Constable课题组( Weitemeyer and Constable，2010)分别独立的设计了多收发距的海面浅拖拽发射接收装置，该装置主要用于浅水域勘探(设计水深范围50~400 m).以PGS公司的系统为例，水平电偶极发射源位于水面下方10 m处，拖拽的接收电缆位于水面下方100 m处，允许较快的拖拽速度，相比传统的海底发射接收的工作方式，效率提高了近10倍.其主要优点包括：

(1) 发射接收装置均位于浅层海水中，相比深拖拽装置更易使用，数据获取速度和海上拖拽二维地震速度相同(4~5节或2 m每秒)，因此数据获取高效，平均每天可采集150 km 的数据.

(2) 能与海洋二维地震联合作业，同时采集电磁和地震数据，不需要专门的电磁数据采集人员，有效的降低工作成本，提高工作效率.

(3) 接收电缆上布设多个接收机(典型的接收电缆长6300 m，收发距范围1000~7300 m，布设22个接收机，接收偶极长度最小50 m，最大的1100 m)，采集高密度的数据，能够提高信噪比，改进分辨率.

(4) 发射接收位于浅层海水中，能够最小化海底局部不均匀的影响.

2010年，李予国和Constable分析了浅水域的瞬变电磁响应，在浅水域，相比深拖拽装置，浅拖拽装置接收的早期信号要弱，但是在晚期，也是高阻油气藏异常显示时间区域，两种拖拽装置的响应是非常相似的，浅拖拽装置不仅能够显示有效的高阻异常，而且信号强度并没有明显的减弱(Li and Constable，2010).因此，浅拖拽装置相比深拖拽装置有着显著的优点，该装置系统在最近几年得到了极大的关注(Mattsson et al.，2012; Engelmark et al.，2013; Mattsson，2014; Zhdanov et al.，2014).但是，浅拖拽装置依然是一种拖拽发射-接收装置，因此依然具有拖拽系统的缺点：

(1) 只能接收沿测线(inline)方向的电磁场数据.

(2) 虽然布设了多个接收机，但是异常响应仍然分布在大的收发距区域.

(3) 由于海水对电磁波的吸收，浅拖拽装置目前只能应用于浅水域(水深小于400 m).

除了上述4类主要的用于海底高阻油气藏的瞬变电磁装置以外，国际上还有几个研究机构专注于海底矿床勘查，采用类似于地面瞬变电磁法常用的中心回线装置.2006年，国内林君课题组首次研究了海水为均匀半空间和有限海水深度两种情况下中心回线、重叠回线和垂直磁偶极装置分别位于水下时瞬变电磁理论响应(刘长胜和林君，2006)，并进一步研究了浅海底瞬变电磁法带宽对浅层分辨的影响(周逢道和林君，2007)，中心回线装置在海底的瞬变响应特征(刘长胜等，2010)，中心回线关断时间对海洋电磁响应影响(周逢道等，2012).2012年，Edwards课题组采用中心线圈装置的海洋瞬变电磁法勘查海底矿产.该装置有2个明显的优点：

(1) 简化导航，因为发射接收同心；

(2) 简化操作，因为只有一个装备需要部署.

计算模型来自真实的海洋矿产资源勘查的情况，包括埋深0~5 m厚的覆盖层，导电矿体5~30 m厚.模拟和分辨率分析表明：发射电流20A，50平方m的发射线圈，该装置能够有效的确定矿体的埋深和厚度(Swidinsky et al.，2012).2011年，Swidinsky和Edwards等人设计了固定发射拖拽接收系统用于监测已知区域的天然气水合物矿床(Swidinsky and Edwards，2011).2011年，Nakayama等人在采用海洋瞬变电磁法勘探海底热液矿床时，采用同轴的5m*5m的发射接收线圈，计算线圈中心的磁场和电场，采用ROV(遥控潜水器)控制保证发射接收装置总是位于海底表面上方1m或10m处，结果表明TEM响应对于异常体的边界和厚度都灵敏，并且信号水平在可测范围内(Nakayama et al.，2011).2014年，Nakayama等人设计了一个改进的方框线圈系统来测量IP效应，发现海底硫矿具有比陆地更大的IP效应(Saito and Nakayama，2014).

4.1 海洋瞬变电磁方法近些年来得到了快速的发展，取得了明显的进步，装置系统方面，目前已经具有了多种不同的装置系统，可用于不同情况的勘探(勘探高阻性油气或导电性矿床)；仪器方面，接收系统和发射系统的稳定性和通用性也改善了很多；算法方法，已经有了可实用的一维和多维正反演代码.尽管有了这些进步，海洋瞬变电磁法的商业市场并没有明显的扩大，导致这一现象的原因主要在于以下几点：

(1) 目前数据采集成本高，特别是三维数据采集非常昂贵.

(2) 电磁方法没有很好的集成到整个勘探流程系统中，联合的地震/电磁解释往往只是简单的地震反射区域的电阻率成像.

4.2 为了能够有效的扩展海洋瞬变电磁法的应用市场，未来海洋瞬变电磁法的研究可以从以下三个方面寻找突破：

(1) 探索新的装置系统，能够明显的节约数据采集成本，提高海洋瞬变电磁法的市场竞争力.

(2) 寻求海洋瞬变电磁法与其他方法的联合解释技术，提高海洋瞬变电磁法数据解释的有效性.

(3) 海洋瞬变电磁法的三维正反演理论依然有待进一步的突破.

致 谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！