何展翔

(南方科技大學(xué) 前沿與交叉科學(xué)研究院 地球與空間科學(xué)系，深圳 518055)

0 前言

電磁勘探技術(shù)經(jīng)歷近百年的發(fā)展到今天，已經(jīng)取得長足進(jìn)步，其研究和應(yīng)用已滲透到社會的各個領(lǐng)域，在能源、礦產(chǎn)、工程、地?zé)岬叵滤辈?、地震及?zāi)害監(jiān)測和預(yù)測、以及地下深部結(jié)構(gòu)研究等方面都發(fā)揮著重要作用[1-2]。毋庸置疑，電磁勘探在地球物理勘探技術(shù)中具有重要的地位[2-3]，但是其發(fā)展落后于其他物探方法，特別是與地震勘探技術(shù)相比差距更大，究其原因，主要還在于其技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性的巨大差異。

地震勘探技術(shù)是推動油氣儲量增長的首要功臣，是石油工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[4]，在石油系統(tǒng)有“成也物探敗也物探”之說，這里的物探即指地震，可見地震勘探在石油工業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。其實，上世紀(jì)中葉以前，物探技術(shù)發(fā)展的早期，地震和重力、磁法、電法等勘探技術(shù)沒有明顯的主次之分，甚至當(dāng)時有些學(xué)者認(rèn)為油氣具有明顯的高電阻率特征，比地下礦化水的電阻率高幾個數(shù)量級，電法在油氣勘探中將會發(fā)揮主導(dǎo)作用。但是由于地震勘探基于彈性波探測，原理上簡單明確，以及由此衍生出的探測精度和工作方法上的優(yōu)勢，自上世紀(jì)60年代以來地震技術(shù)得到了快速的發(fā)展，逐步奠定了在油氣勘探中的主導(dǎo)地位，特別是三維地震勘探技術(shù)推出以來，地震勘探解決地下構(gòu)造問題的能力得到空前提高，不但在油氣勘探中，在煤田、工程等其他勘探領(lǐng)域也處于重要技術(shù)之列。地震勘探的資金投入已經(jīng)占所有物探資金總投入的90%以上，形成了龐大的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系，吸引了無以比擬的人力和財力，反過來，又進(jìn)一步推動了地震技術(shù)的高速發(fā)展。目前，萬道甚至百萬道級地震系統(tǒng)、多波地震、4D地震、井間地震以及三維可視化解釋等新儀器、新方法和新技術(shù)層出不窮[5-6]，使地震勘探技術(shù)步入一個新高度。

雖然電磁勘探技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域甚至比地震勘探還要廣泛[2]，特別是在金屬礦產(chǎn)和地下水勘探領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位[2,7-8]，但在油氣勘探中的應(yīng)用遠(yuǎn)不如地震勘探技術(shù)，僅僅在油氣勘探前期的盆地普查階段應(yīng)用較多，與重力、磁力等方法一起被列為非地震技術(shù)[9]。電磁法在金屬礦產(chǎn)和地下水等勘探領(lǐng)域中具有較好的效果，但這些領(lǐng)域的勘探目標(biāo)較淺，對物探技術(shù)的依賴程度低，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也相對較小。因此，難以吸引足夠的財力、物力和人力以推動其發(fā)展。

對比地震勘探技術(shù)和電磁勘探技術(shù)兩類方法發(fā)展差異發(fā)現(xiàn)(表1)地震和電磁儀器裝備具有相同的電子技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展水平，只是單套系統(tǒng)帶道能力差距非常大，地震儀器發(fā)展到數(shù)萬道，電磁儀器一般100道左右；數(shù)據(jù)采集技術(shù)差異同樣非常明顯，除了由方法本身性質(zhì)決定的激發(fā)接收差異外，覆蓋次數(shù)、采集數(shù)據(jù)量級等都差距甚大；數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)方面，地震早在40年前就依賴大型工作站和商業(yè)化的軟件系統(tǒng)，而電磁勘探以作坊式的處理解釋模式居多，到本世紀(jì)才出現(xiàn)小型軟件系統(tǒng)，近年也開始采用類似地震數(shù)據(jù)處理工作站和軟件系統(tǒng)[10]。

令人振奮的是，電磁勘探迎來了前所未有的機(jī)遇。習(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出"向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題"。向深部進(jìn)軍必須首先"洞察"深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、空間特征、巖礦石分布等重大問題?？梢婋姶乓云鋵ξ镄宰R別的獨特優(yōu)勢將在如下幾個方面獲得發(fā)展良機(jī)：①油氣及非常規(guī)油氣勘探難度越來越大，油田開發(fā)向深層超深層的勘探開發(fā)需要新技術(shù)，電磁勘探識別流體的優(yōu)勢將與地震方法聯(lián)合而得到更廣泛的開發(fā)和應(yīng)用；②礦產(chǎn)勘探面臨更深的、隱伏的目標(biāo)，傳統(tǒng)的勘探方法難以繼續(xù)獲得好的效果，而電磁勘探具相對好的縱向分辨率又不受高陡高速地層影響，在金屬非金屬礦產(chǎn)勘探中的優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮；③地下水及地?zé)豳Y源成為人們基本生活和清潔能源開發(fā)的急切需求，作為地下水及地?zé)豳Y源勘探的主要方法，電磁勘探將發(fā)揮更大的作用；④工程與環(huán)境地質(zhì)勘查，隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程加快，對城市地下結(jié)構(gòu)及其他建設(shè)工程地基要求更高，必然對電磁解決地質(zhì)問題的能力給予更高期待；⑤深部殼幔結(jié)構(gòu)及災(zāi)害預(yù)測，研究地殼巖石圈變形及地震、火山以及其他自然災(zāi)害預(yù)測等將成為電磁探測方法發(fā)揮更大作用的領(lǐng)域；⑥海洋和空間電磁測量，特別是海洋資源成為本世紀(jì)各國爭搶戰(zhàn)略重點，我國廣大海域資源豐富，但勘探程度很低，電磁勘探將大有作為。下面對此做進(jìn)一步分析。

表1 地震勘探與電磁勘探技術(shù)的對比Tab.1 Comparison between seismic and EM

1 電磁勘探技術(shù)的作用和機(jī)遇

1.1 油氣勘探開發(fā)中的作用和機(jī)遇

電磁勘探在油氣勘探中主要應(yīng)用于盆地普查，探測沉積層發(fā)育情況、基底深度及大的斷裂帶等。隨著油氣勘探開發(fā)難度加大，且逐步朝邊遠(yuǎn)地區(qū)、油區(qū)深層、復(fù)雜結(jié)構(gòu)地區(qū)轉(zhuǎn)移；特別是，在油田開發(fā)后期，進(jìn)入注水開采階段，剩余油氣分布不清、采收率比較低。由于油-水的波阻抗差異很小，地震勘探在油田開發(fā)中發(fā)揮作用的難度較大，而油-水的電阻率和介電常數(shù)差異非常大。因此，電磁勘探在油田勘探開發(fā)中迎來了新的機(jī)遇，如果能夠有效解決電阻率勘探探測深度與精度等問題，必然爆發(fā)出其藴藏的潛力。

圖1 電阻率-極化率交會評價圖Fig.1 Resistivity-polarity intersection evaluation map

電磁油氣勘探技術(shù)從上世紀(jì)80年代就在俄羅斯取得了很好的效果，甚至出臺了必須有電磁資料才能鉆探的規(guī)定[11]。本世紀(jì)以來，在石油系統(tǒng)時頻電磁法在油氣勘探中得到推廣應(yīng)用，取得了明顯的效果[12-13]。圖1是統(tǒng)計了近400口探井的儲層電阻率、極化率與鉆探油氣情況關(guān)系圖，表明電阻率-極化率相對高的儲層與探井為工業(yè)油氣流吻合率高于75%，而電阻率-極化率低的儲層為干井的吻合率高于80%。國際上，海洋電磁已經(jīng)成為海洋油氣目標(biāo)鉆探的必要資料，應(yīng)用海洋電磁使海洋油氣鉆探成功超過了75%[14-15]。由于探測深度加大和精度的提高，電磁勘探在新區(qū)新領(lǐng)域?qū)ふ矣欣繕?biāo)、復(fù)雜構(gòu)造帶協(xié)同地震構(gòu)造成像、檢測圈閉的油氣以及頁巖氣“甜點”識別等都能發(fā)揮重要作用。

油田開發(fā)中的井筒電磁方法的是最具潛力的技術(shù)[16]，包括井-地、地-井和井間三種方式，其中井間電磁上世紀(jì)末顯示出在油田開發(fā)中的天然優(yōu)勢和價值。因此，本世紀(jì)初斯倫貝謝將相關(guān)公司統(tǒng)統(tǒng)收編，幾乎壟斷了該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用；國內(nèi)井地電磁法研究與應(yīng)用，在國內(nèi)、外十多個油田進(jìn)行油水界面圈定，取得良好效果[17]；總的來說井筒電磁在油田開發(fā)中的作用主要有：識別和區(qū)分商業(yè)油氣藏、識別水淹區(qū)和死油區(qū)、注氣/注水目標(biāo)動態(tài)監(jiān)測、儲層油氣飽和度參數(shù)預(yù)測等。可見電磁技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中將逐步向勘探后期和開發(fā)領(lǐng)域延伸，潛力巨大。

1.2 礦產(chǎn)資源勘探中的作用和機(jī)遇

近年來，我國礦產(chǎn)資源年開采量超過60×108t，而且需求還在不斷增加，但是礦產(chǎn)資源儲備卻在急劇下降。而一直以來我國礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)的平均深度小于500 m，地表礦、淺部礦、易識別礦已經(jīng)開發(fā)殆盡，剩余淺部礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要，礦產(chǎn)勘探必然向隱伏的、深部的、難識別的礦產(chǎn)資源進(jìn)軍，這些深部礦產(chǎn)將成為當(dāng)代和未來資源需求的主要來源[18-19]。因此，突破深部“第二找礦空間”，加大深部勘查成為急需。據(jù)相關(guān)領(lǐng)域研究測算，如果我國固體礦產(chǎn)勘查深度達(dá)到2 000 m，資源儲量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番。地下1 000 m～5 000 m的空間資源探測將是我國地質(zhì)勘查工作需要開拓的新領(lǐng)域。因此，向深部資源進(jìn)軍是國家發(fā)展戰(zhàn)略，作為深地礦產(chǎn)資源勘探的主要技術(shù)電磁探測遇到了難得的機(jī)遇。

電磁勘探技術(shù)在礦產(chǎn)勘探中的地位遠(yuǎn)比在油氣勘探中重要，作為礦產(chǎn)勘探中的常規(guī)勘探技術(shù)，電磁勘探發(fā)揮了重要作用[17]。但是由于傳統(tǒng)礦產(chǎn)勘探開掘一般比較淺，對物探技術(shù)的依賴程度低，實際礦產(chǎn)勘探開掘中，常常采用地面地質(zhì)加上坑探和淺鉆，就解決了大部分目標(biāo)定位和評價問題。而深部的、隱伏的、難識別的礦產(chǎn)資源是當(dāng)今地球物理勘探還未曾涉足的技術(shù)領(lǐng)域，找礦難度會更大[19]，同時深部礦產(chǎn)鉆探開采的成本高、風(fēng)險大，傳統(tǒng)做法難以發(fā)揮作用，物探技術(shù)必將成為深部資源勘探開發(fā)的關(guān)鍵和先鋒[20-21]，也必然遲早都會形成“成也物探敗也物探”的共識(目前還沒有得到充分認(rèn)識)。同時，由于礦產(chǎn)資源的特殊地質(zhì)構(gòu)造背景和物性特征，即礦床常常形成和賦存于劇烈構(gòu)造活動帶而不是相對平穩(wěn)的沉積盆地環(huán)境，其圍巖多為火山巖、變質(zhì)巖類，這些地層產(chǎn)狀陡立，且為相對高速，地震勘探環(huán)境及條件都不好，而其電性、磁性特征與圍巖差異明顯。因此，電磁勘探比地震勘探技術(shù)要具有優(yōu)勢，這正是礦產(chǎn)勘探中電磁遠(yuǎn)比地震更重要的原因。隨著礦產(chǎn)資源勘探向深部進(jìn)軍的步伐加快，必然推動電磁勘探技術(shù)的更快發(fā)展[21]?？傊姶趴碧郊夹g(shù)在深地礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中將成為先鋒，發(fā)揮舉足輕重的作用。

1.3 地下水及地?zé)豳Y源勘探中的作用和機(jī)遇

電磁勘探在水資源及地?zé)豳Y源勘探中是主導(dǎo)技術(shù)[22-23]，甚至比礦產(chǎn)勘探中還要重要，主要在于電磁勘探對地下流體的敏感性，地下水探測中電磁方法一直肩負(fù)著責(zé)無旁貸的使命。為應(yīng)對水資源危機(jī)，突破傳統(tǒng)的找水技術(shù)和模式，開發(fā)新興的電磁勘探技術(shù)將電阻率-極化率聯(lián)合進(jìn)行地下水勘探是一個嶄新的方向。

另外，應(yīng)對全球變暖的生態(tài)危機(jī)減少碳排放成為人類的唯一對策，油氣將必然被其他清潔可再生能源替代，其中地?zé)崮軐⒄加兄匾囊幌?，地?zé)嵋殉蔀槟茉纯碧降男履繕?biāo)[24]。我國地?zé)豳Y源勘探方興未艾、資源潛力巨大，淺層中低溫地?zé)豳Y源不能滿足發(fā)展需求，高溫地?zé)豳Y源勘查后備資源嚴(yán)重不足，干熱巖地?zé)豳Y源勘查遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，沒有開展相關(guān)勘查評價工作。其中淺層中低溫及高溫水熱型地?zé)豳Y源勘探對物探依賴程度相對較低，常規(guī)電磁勘探能夠解決大部分問題[24-25]；而深層地?zé)峒案蔁釒r勘探開發(fā)對物探技術(shù)依賴程度高，無論是在遠(yuǎn)景區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源勘查評價，還是針對有利目標(biāo)區(qū)落實干熱巖目標(biāo)鉆探井位，甚至在干熱巖能源開發(fā)中人工壓裂監(jiān)測都需要發(fā)展高精度大深度電磁勘探技術(shù)。因此，電磁勘探在地?zé)豳Y源勘查評價及勘探開發(fā)中將發(fā)揮排頭兵的作用[26]，并由此必將極大地推動電磁勘探技術(shù)的進(jìn)步。

1.4 工程與環(huán)境地質(zhì)勘查中的作用和機(jī)遇

隨著社會工業(yè)化和現(xiàn)代化建設(shè)加快，電磁探測在城市、水利、 鐵路、公路、機(jī)場等工程建設(shè)方面發(fā)揮著不可或缺的作用，在管線探查、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測及考古等方面同樣是備受重視[27]。電磁方法解決的具體主要地質(zhì)問題包括：①區(qū)域穩(wěn)定性評價；②覆益層厚度、風(fēng)化層厚度及確定基巖的起伏；③隱狀斷層破碎帶的位置、規(guī)模及延伸方向；④含水層位置、厚度等參數(shù)；⑤地下管網(wǎng)檢測等。

商務(wù)英語專業(yè)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性，因此，在對教學(xué)效果進(jìn)行測試與評價時，不能沿用專業(yè)英語的測評手段，而要體現(xiàn)商務(wù)英語專業(yè)自身特點。對于獨立學(xué)院來說，可以采用以下幾種方式對商務(wù)英語專業(yè)教學(xué)效果進(jìn)行測試與評價：

可見，工程物探勘查工作是社會工程建設(shè)的基礎(chǔ)，事關(guān)大橋、鐵路、水庫、高樓等社會基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命安全的大問題[27-28]，因此，怎么強(qiáng)調(diào)和重視都不為過。如果為了加快工程建設(shè)，對工程建設(shè)的勘察工作不重視，必然出現(xiàn)大橋垮塌、鐵路路基沉陷、水壩裂縫漏水、高樓傾斜等重大事故，甚至災(zāi)難。2018年7月，老撾水電站發(fā)生潰壩事件，導(dǎo)致水庫蓄水下泄，淹沒老撾南部數(shù)個村莊，造成數(shù)百人死亡或失蹤，6 000多人流離失所。主要原因就是水壩部分結(jié)構(gòu)沉陷、形成裂縫所致。分析可知，這類事故出現(xiàn)至少有三個環(huán)節(jié)是地質(zhì)地球物理工作存在欠缺：①水壩工程勘察不到位，原位地基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；②水壩建設(shè)過程中檢測不到位，沒有檢測發(fā)現(xiàn)豆腐渣工程；③水壩發(fā)電后期監(jiān)測不到位，沒有及時測預(yù)警?？梢姽こ痰鼗辈榧肮こ虣z測、監(jiān)測是何等重要。

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)加快，各類大型工程上馬，迫切需要更高精度的勘察方法、更準(zhǔn)確的檢測方法、更靈敏的監(jiān)測方法[27-28]。電磁探測和監(jiān)測方法在這些方面將大有用武之地。

1.5 地殼結(jié)構(gòu)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的作用和機(jī)遇

上天容易入地難，人類探索地下奧秘的所有認(rèn)識只是觸及了地球之皮毛。正確認(rèn)識深部地殼結(jié)構(gòu)、運動和巖石圈的組成等對于社會建設(shè)、生活安全和人類未來發(fā)展都具有及其重要的意義[29]。所有礦產(chǎn)資源，如石油、地?zé)峒敖饘俜墙饘俚V床等都與地殼結(jié)構(gòu)和運動相關(guān)；所有天災(zāi)，如火山、地震、海嘯等都是巖石圈運動及其“余動”所致[30]；所有人類建筑，如水庫水壩、地鐵高鐵等都需要考慮地基及其裂縫斷層等。地球物理方法是對下地殼的結(jié)構(gòu)、運動、斷裂和巖石圈的組成觀測的最重要手段[29]，而電磁法更是淺至地表微裂隙深到莫殼面及深部巖漿活動探測的最主要手段之一[31-34]。

電磁場和大地電阻率被認(rèn)為是對地震及火山前兆反應(yīng)最靈敏的物理量之一, 通過觀測電磁場異常變化可直接用于監(jiān)測地震及火山爆發(fā)前兆異常。地表電阻率變化也是其他一些自然災(zāi)害，如滑坡、水壩大堤垮塌等重要信息，采用電磁探測方法能夠?qū)ι襟w和堤壩進(jìn)行“體檢”提前發(fā)現(xiàn)隱藏的“病灶”，以及對滑坡、水壩、大堤等進(jìn)行監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行預(yù)警。

大地電磁測深法以其探測深度大、對地下流體、溫度及巖性等反映靈敏、實施成本較低等優(yōu)點，在地殼、上地幔結(jié)構(gòu)探測中得到廣泛應(yīng)用；其研究成果為陸殼板塊及板塊內(nèi)各構(gòu)造區(qū)的深部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究提供了有價值的數(shù)據(jù)。在青藏高原、華北克拉通等深部構(gòu)造研究熱點地區(qū)的電磁探測成果屢次更新人們的認(rèn)識[31-34]，為我們認(rèn)識地下深部奧秘提供了豐富的想象。

隨著我國深地深探測戰(zhàn)略的實施，未來對深部地殼研究必將更加重視和更加深入，電磁探測將在地殼結(jié)構(gòu)及地質(zhì)災(zāi)害研究中起到更加重要的作用，必將為深部地殼和自然災(zāi)害的認(rèn)識提供戰(zhàn)略性的方向和超前的認(rèn)識。

1.6 海洋探測中的作用和機(jī)遇

我國油氣對外依存度達(dá)到70%以上，加快海洋油氣、可燃冰等礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)是國家能源安全的戰(zhàn)略需要。自然資源部提出“十三五”創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃，我國將向地球深部進(jìn)軍，全面實施深地探測、深海探測、深空對地觀測戰(zhàn)略，爭取2030年成為地球深部探測領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。我國有超過上百萬平方公里的深海海域。賦藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)等戰(zhàn)略資源。我國三大油公司都提出再建海上大慶的中遠(yuǎn)期規(guī)劃。全球所有的大石油公司都將未來油氣儲量產(chǎn)量增長的希望寄予深海。除油氣之外，可燃冰、金屬礦產(chǎn)等資源將主要依賴深海。深海更是研究生命起源、地球演化、氣候變化等科學(xué)問題的前沿領(lǐng)域。向海洋向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍是歷史發(fā)展的必然，是時代賦予我們的重要使命。但我國海洋勘探開發(fā)技術(shù)還處于較低水平，我國領(lǐng)海區(qū)域勘探程度很低。特別是我國廣大海域海洋電磁勘探幾乎是空白。

而國際上，本世紀(jì)以來，海洋電磁勘探得到快速發(fā)展，海洋油氣勘探中的應(yīng)用受到廣泛重視[35-36]。隨著上世紀(jì)末海洋電磁在深水勘探中取得了成功后[14-15]，幾乎所有的石油巨頭都開始采用這一技術(shù)評價鉆探目標(biāo)。因此，海洋電磁油氣勘探技術(shù)將對我國領(lǐng)海的油氣勘探具有重要的戰(zhàn)略意義。

不僅如此，在海洋金屬礦產(chǎn)、可燃冰等資源的勘探中電磁勘探是主要方法之一，而這些海洋資源的勘探將更大程度地依賴電磁勘探，正因為此，我國科技發(fā)展計劃連續(xù)4個五年計劃支持海洋可控源電磁勘探技術(shù)的研發(fā)，并取得了長足進(jìn)步[37-38]，在可燃冰勘探中也取得了明顯效果[39]。因此，隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，對海洋資源需求劇增，海洋資源勘探必將迎來新高潮，海洋電磁將在海洋資源勘探中發(fā)揮重要的作用。

2 電磁勘探技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

不可置否，電磁勘探技術(shù)迎來了一個發(fā)展的春天。但是，目前電磁勘探技術(shù)還不能滿足實際勘探的需求，由于長期投入不足，電磁勘探積累了諸多難題包括理論、機(jī)理及采集、處理、解釋等多個方面，影響了方法的進(jìn)一步發(fā)展，如何面對這些挑戰(zhàn)并尋求發(fā)展方向呢？下面對此進(jìn)行討論，以求起到拋磚引玉的作用。

2.1 在地球探測中固有局限性的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

前面已經(jīng)述及電磁勘探與地震勘探發(fā)展的巨大差異問題，其實深層次的關(guān)鍵問題還是電磁波場特性在地球探測方面的局限性或者缺陷所致。電磁勘探正是利用電磁波場在地下傳播和擴(kuò)散的特性，由于電磁波場頻率不同具有的特征也不同，因此，出現(xiàn)了諸多不同的電磁波場探測方法，圖2是頻率從低到高所對應(yīng)的探測方法。

可見，電磁探測幾乎利用了全部頻率段的電磁波。只是在高頻段的方法被稱之為地質(zhì)雷達(dá)和遙感等，這里主要討論低頻電磁方法。

由于低頻電磁法具有非常復(fù)雜的波場特性，有多種不利于有效探測的影響[40-42]：體積效應(yīng)、靜態(tài)位移效應(yīng)、場源效應(yīng)、復(fù)印效應(yīng)、陰影效應(yīng)等。這些均是致使電磁勘探效果不理想的重要原因。

如圖3(a)是可控源電磁勘探中具有淺層不均勻體的半空間模型；圖3(b)是平行激發(fā)場源x測線視電阻率斷面，異常體遠(yuǎn)離測線但正演剖面上顯示的不均勻體非常清楚，可見體積效應(yīng)和復(fù)印效應(yīng)的影響相當(dāng)嚴(yán)重；圖3(c)是與場源垂直的y測線不同收發(fā)距的視電阻率剖面，可見近區(qū)、過渡區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)與不均勻體場源效應(yīng)疊加后問題的復(fù)雜性。由于體積效應(yīng)，電磁勘探不可避免的存在旁側(cè)異常體的響應(yīng)，非測點正下方的目標(biāo)在剖面中形成了非常明顯的異常，而淺部不均勻電性體產(chǎn)生的靜態(tài)位移效應(yīng)，可以使電磁探測結(jié)果面目全非；同樣，可控源電磁勘探發(fā)射場源與接收測點之間的三維地質(zhì)體的復(fù)印效應(yīng)/場源陰影效應(yīng)等，是影響勘探效果的重要因素[43-44]，甚至大地電磁也存在陰影效應(yīng)[45]，對于這些影響目前的電磁勘探技術(shù)還沒有有效的手段去消除，其影響常常被忽視，然而研究表明這些影響會產(chǎn)生很多假異常，使勘探成果真假難辨。

三維正反演模擬技術(shù)的發(fā)展為我們揭開和解決這些效應(yīng)和影響提供了有效工具[46-49]。通過多場源覆蓋模擬的數(shù)值計算和反演，可以發(fā)現(xiàn)單場源數(shù)據(jù)反演與雙場源數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演結(jié)果差異明顯，多個場源參與的反演能夠比較好的消除或壓制場源效應(yīng)。

圖2 電磁波頻譜與電磁探測方法的對照示意圖Fig.2 A contrast diagram of electromagnetic wave spectrum and electromagnetic detection method

圖3 CSAMT勘探解釋圖Fig.3 CSAMT exploration interpretation map(a)可控源電磁勘探具有淺層不均勻體的半空間模型；(b)平行激發(fā)場源x測線視電阻率斷面；(c)與場源垂直的y測線不同收發(fā)距的視電阻率剖面

顯然，全域的、全覆蓋的、均勻照明度的三維電磁勘探技術(shù)是未來改變可控源電磁勘探效果的關(guān)鍵。據(jù)此，我們應(yīng)該開展多次覆蓋的三維勘探，獲取從場源至測區(qū)、全波場區(qū)、全頻率段的面積性和照明度相對均勻的數(shù)據(jù)。多場源的采集、多場源數(shù)據(jù)處理及其實用的三維快速反演等是電磁勘探的主攻方向。

2.2 電磁勘探巖石導(dǎo)電物理機(jī)理挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

電磁勘探的基礎(chǔ)就是地層巖石的傳導(dǎo)特性。眾所周知，地層巖石主要是通過多相孔隙中離子導(dǎo)電來實現(xiàn)的，然而，目前電磁方法對此采用簡化近似的電導(dǎo)率模型，其實低頻電磁法勘探機(jī)理應(yīng)該全面考慮地層孔隙流體離子導(dǎo)電引發(fā)的頻散特性，建立起考慮包括電磁感應(yīng)、激發(fā)極化以及電化學(xué)等多種效應(yīng)在內(nèi)的一體化復(fù)電阻率等效模型?，F(xiàn)今廣泛應(yīng)用的人工源電磁法主要研究電阻率異常，而激發(fā)極化效應(yīng)(IP效應(yīng))常常被“遺棄”，識別出這類IP效應(yīng)便可以檢測油氣藏、提高目標(biāo)探測精度，否則其可能成為電阻率異常的干擾，影響勘探精度。

對于巖礦石的激發(fā)極化效應(yīng)，微觀上表現(xiàn)為巖礦石的頻散特性，傳統(tǒng)認(rèn)為是離子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)。以廣義的Maxwell-Wagner理論為基礎(chǔ)的雙電層極化機(jī)制，被廣泛地用來解釋離子導(dǎo)電的巖石電性參數(shù)頻散現(xiàn)象[50]。巖石電性參數(shù)頻散特性可以通過等效電路的方式建立相應(yīng)的復(fù)電阻率物理數(shù)學(xué)模型來研究。目前，主要的復(fù)電阻率等效模型有十多種，其中較為經(jīng)典的有Cole-Cole模型、Wait模型、Dias模型、Warburg模型以及Vinogar-Waxman模型、GEMTIP模型等[51-54]。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，目前公認(rèn)有效的巖礦石微觀激發(fā)極化效應(yīng)的復(fù)電阻率等效模型大多基于室內(nèi)巖礦石在高頻(10 Hz～100 MHz)和弱電流(mA級)的微觀測試結(jié)果，主要在測井領(lǐng)域應(yīng)用較多。而低頻可控源電磁法，需要布設(shè)大場源、一定的偏移距、采用較強(qiáng)電流低頻(0.01 Hz～100 Hz)激發(fā)，整個激發(fā)-接收回路不單涉及油氣儲層激發(fā)極化效應(yīng)，還包括傳統(tǒng)方法提出的淺層黃鐵礦化暈，以及油氣藏上方蝕變帶、激發(fā)電極的氧化還原反應(yīng)，甚至回路中其他金屬礦化等的激發(fā)極化效應(yīng)，由微觀雙電層激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的宏觀異常。因此，簡單引用前人的單一等效模型顯然不足以表征可控源電磁勘探整個回路的巖礦石頻散特征，盡管已經(jīng)有不少考慮不同復(fù)電阻率等效模型研究激發(fā)極化異常的相關(guān)文獻(xiàn)[55-57]，但考慮可控源電磁勘探全回路中不同地層巖礦石的等效模型及其激發(fā)極化異常特征等問題尚需探索。筆者在多年的實踐中發(fā)現(xiàn)，單一的等效模型不足以表征低頻可控源電磁法的飄散特性，例如，在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖采用TFEM獲得的時域衰減曲線，顯然可判斷出很強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)，但采用Cole-Cole模型、Dias模型等都難以擬合。該探區(qū)近年發(fā)現(xiàn)了億噸級的油田，其異常卻不能用已有模型擬合，顯然強(qiáng)電流激發(fā)下，油氣儲層激發(fā)極化機(jī)理與已知的有差別；再如在沙特全球最大的單構(gòu)造油田嘎瓦大油田進(jìn)行的井地電磁勘探，我們把激發(fā)電極下到井下油層中進(jìn)行激發(fā)并于地面測量電場，得到的雙頻振幅曲線與已知儲層含有飽和度變化趨勢完全一致(圖4)。而根據(jù)該區(qū)地震和電測井建立的三維模型，用Cole-Cole模型計算的剖面曲線無論怎么修改參數(shù)也與實測剖面曲線相去甚遠(yuǎn)(圖5)，這表明Cole-Cole模型不適合描述該探區(qū)的流體離子極化現(xiàn)象。

如果是儲層中礦化水等離子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)，則激電異常與含水飽和度正相關(guān)，不能解釋激電效應(yīng)?？梢?，在強(qiáng)電流激發(fā)下油氣儲層產(chǎn)生的激發(fā)極化異常，其機(jī)理及等效模型還有鮮為人知的一面[58]，有可能在電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體之外還存在第三類導(dǎo)體，其IP效應(yīng)機(jī)理需要我們探索！

總之，可控源電磁勘探的機(jī)理理論完善，特別是時頻電磁和海洋可控源電磁等在大功率場源強(qiáng)電流激發(fā)下，研究深層目標(biāo)的激發(fā)極化效應(yīng)機(jī)理及異常提取方法對提高目標(biāo)的精確探測尤為重要。大功率可控源電磁勘探采用復(fù)電阻率等效模型來改進(jìn)表征與建模，同時研究電阻率和極化率兩種類型的電性異常是電磁勘探技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

圖4 井中激發(fā)地面測量發(fā)現(xiàn)的激發(fā)極化效應(yīng)Fig.4 Induced polarization effect discovered in excited ground survey in well(a)激發(fā)井情況；(b)不同激發(fā)源0.5 Hz雙頻振幅曲線

圖5 實測曲線與理論曲線對比Fig.5 Comparison of measured and theoretical curves

2.3 電磁勘探高精度采集技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

電磁勘探的采集技術(shù)，與地震采集技術(shù)相比，亦或是電磁數(shù)據(jù)反演處理技術(shù)相比，都遠(yuǎn)沒有受到相應(yīng)的關(guān)注和重視，甚至電磁采集技術(shù)這個提法都鮮見，網(wǎng)上搜索到的也是不多。其實采集技術(shù)是每個物探方法的基礎(chǔ)，俗話說“基礎(chǔ)不牢地動山搖”。首先，需要針對目標(biāo)的地質(zhì)模型及噪音水平，開展可行性研究，以確定能否有效解決地質(zhì)問題，然后根據(jù)噪音情況及目標(biāo)要求，在三維模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程設(shè)計，對儀器裝備進(jìn)行遴選，優(yōu)化施工方法，確定質(zhì)量控制措施，采集過程中的每一步都事關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量，由此可見，采集技術(shù)是目前電磁勘探技術(shù)發(fā)展最大的攔路虎和最關(guān)鍵的因素之一。不像數(shù)據(jù)處理有一臺計算機(jī)就可以開展研究，而采集方法技術(shù)需要依賴探測儀器和采集軟件，以及方法技術(shù)試驗，門檻比較高，創(chuàng)新比較難，也難以找到方向和取得好的成果。其實，借鑒現(xiàn)代地震勘探采集技術(shù)即可找到電磁勘探采集技術(shù)的發(fā)展方向和目標(biāo)。目前，地震采集技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)10萬道級、國外甚至邁向100萬道級。東方地球物理公司2014年在準(zhǔn)噶爾盆地依托瑪131井區(qū)已經(jīng)實施一次6萬道級、20臺可控震源作業(yè)、覆蓋次數(shù)達(dá)到1 260次的三維地震采集工程[59]。因此，電磁勘探首要的發(fā)展方向和目標(biāo)就是在采集方法上實現(xiàn)三維采集的實質(zhì)性突破，實現(xiàn)多場源覆蓋激發(fā)和均勻照明，數(shù)百上千道儀器同步采集。東方地球物理公司2014年在塔里木克拉托構(gòu)造帶實施了第一塊真正意義上的三維時頻電磁采集[60]，采用四個場源四次覆蓋激發(fā)，600余道節(jié)點儀，小面元同步采集，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量得到有效提高，也只是邁開一小步。

那么在三維采集中需要解決什么問題、采用什么技術(shù)手段、達(dá)到什么目標(biāo)呢？首先，需要針對地質(zhì)目標(biāo)的采集設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行可行性研究明確采用的方法能否解決地質(zhì)問題，以及通過正反演模擬確定采用什么樣的采集施工參數(shù)，比如采集頻率范圍、場源激發(fā)電流、收發(fā)距等，最終確定采集儀器并形成切實可行的工程技術(shù)設(shè)計[61]；其次，需要根據(jù)工程設(shè)計指標(biāo)要求的質(zhì)量控制技術(shù)，數(shù)據(jù)采集工程各個步驟是否達(dá)到設(shè)計要求，必須在現(xiàn)場進(jìn)行評估分析，比如接地電阻、激發(fā)電流、信號強(qiáng)度等，并隨時對每道工序進(jìn)行評價和驗收；再次，需要針對探區(qū)干擾的現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析評價技術(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理，評價噪音水平，制定壓制噪音的方案，以提高采集數(shù)據(jù)信噪比。眾所周知，隨著全球工業(yè)化程度加快，各種人文干擾成為電磁勘探技術(shù)提高精度的攔路虎。大地電磁勘探技術(shù)規(guī)程評價數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是：MT檢查點前后兩次重復(fù)采集的視電阻率曲線，其40個頻率的數(shù)據(jù)均方相對誤差能夠達(dá)到5%以下就是優(yōu)級品，也就是說光是數(shù)據(jù)采集就有約5%的誤差，如何提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是電磁勘探技術(shù)中提高勘探精度、發(fā)掘其勘探潛力面臨的第一大挑戰(zhàn)。我國極低頻電磁系統(tǒng)工程建設(shè)有可能從根本上改善傳統(tǒng)大地電磁數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，其建設(shè)的超大功率極低頻電磁場源[62]，將覆蓋我國除南海及西部邊遠(yuǎn)區(qū)域以外的地域，從而實現(xiàn)大地電磁高精度數(shù)據(jù)采集。對于可控源電磁方法來說，偽隨機(jī)電磁勘探系統(tǒng)[63]，具有明顯的優(yōu)勢，利用激發(fā)與接收信號相關(guān)辨識來提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，提高數(shù)據(jù)品質(zhì)。相比地震勘探技術(shù)來說，電磁勘探在優(yōu)化觀測系統(tǒng)方面已經(jīng)得到重視。電磁采集最早由Bostick提出了連續(xù)電磁陣列剖面法，為靜態(tài)位移校正提供了思路和方向[64-65]，國內(nèi)劉俊昌[66]提出基于時間域電場拓?fù)渌惴ǖ牟杉椒苡行岣哽o態(tài)位移校正效果;湯井田[67]提出了時空陣列差分電磁法來對付電磁干擾，試驗表明，隨著陣列規(guī)模的增大，對MT的阻抗和相位估計結(jié)果明顯改善；筆者等[68]提出了小面元陣列三維采集方法，就是通過改變采集系統(tǒng)布設(shè)來提高數(shù)據(jù)采集精度，通過采集信號的互相關(guān)處理來消除和壓制噪音。將采集站布設(shè)成網(wǎng)狀，網(wǎng)狀小面元內(nèi)，電場是同步連續(xù)采集的，磁場是對稱分布的。通過試驗小面元三維采集試驗?zāi)軌蛴行У膲褐圃胍簦岣邤?shù)據(jù)采集精度，減小靜態(tài)位移影響。

顯然，針對探區(qū)實際電磁噪音和三維模擬的電磁采集技術(shù)設(shè)計和具有可行性論證、全程監(jiān)控及嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)評估的采集軟件是未來改變電磁勘探效果的關(guān)鍵；多場源同步或滾動激發(fā)技術(shù)是可控源電磁提高信噪比和采集精度提高的另一個重要手段；三維電磁陣列采集方法，通過設(shè)計有效的空間分布，利用不同采集站之間的信息來抑制噪音，是未來電磁采集的發(fā)展方向；儀器是采集技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，小型化、智能化、低成本、低能耗的電磁儀器的不斷進(jìn)步是大規(guī)模三維采集技術(shù)發(fā)展的助推器，并將迎來一個嶄新的時代！

圖6 小面元組合采集壓制噪音的試驗及曲線Fig.6 Small panel combination acquisition of noise suppression test curve(a)試驗布設(shè)；(b)常規(guī)單點處理曲線；(c)小面元處理曲線

2.4 電磁勘探數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

如果說數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，那數(shù)據(jù)處理解釋則是最關(guān)鍵最重要的一環(huán)。野外花費高昂代價采集的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理解釋才能成為有價值的資料，否則再靈敏的儀器、再先進(jìn)的采集技術(shù)、再高品質(zhì)的數(shù)據(jù)都沒有任何價值。數(shù)據(jù)處理解釋的過程就是怎么樣進(jìn)行去偽存真獲得真實地下地質(zhì)構(gòu)造特征，揭示地下深部奧秘。處理解釋可分如下三個階段：數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)的反演和數(shù)據(jù)的解釋。

數(shù)據(jù)的去噪及校正就是為了消除或壓制電磁勘探數(shù)據(jù)受到的各種干擾及由于方法本身或地質(zhì)因素產(chǎn)生的畸變影響，也是反演處理的基礎(chǔ)。對電磁勘探采集到的原始電場數(shù)據(jù)采用Robust估計和中值濾波方法,很多信號處理的方法都移植過來較好地改善了電磁勘探去噪以及各種校正方法的效果[69-71]，但有時也難以達(dá)到滿意的效果，實際數(shù)據(jù)噪音復(fù)雜多變，某一種方法可能對其中一類噪音有效對其他噪音又無能為力，從來沒有出現(xiàn)過萬能的去噪方法。

數(shù)據(jù)的反演成像，無論是一維、二維甚至三維，都存在反演的非唯一性問題。因此，實際資料的反演就是尋找與真實構(gòu)造相接近的模型，減少非唯一性和多解性，獲得較為真實的地球物理模型，這是反演永恒的主題。近年來推出了很多新的反演方法，提高了反演效果[72-74]，但是如果只是單一電磁數(shù)據(jù)的反演，無論線性還是非線性算法，即使非常優(yōu)化也無法知道是否收斂到真實模型，特別是在實際資料處理中。顯然，電磁反演研究不能朝著算法研究一個方向走下去。因此，除了發(fā)展有效的反演算法外，充分利用已知信息，開展多方法聯(lián)合和約束反演是未來實際資料處理中反演方法的發(fā)展方向之一[75-77]。①在電磁反演中利用地質(zhì)、地震、測井等已知資料建立初始模型，對已知界面約束，只反演未知界面和電性，使電磁反演朝著合理的地質(zhì)模型快速收斂，提高電磁資料反演結(jié)果的可靠性；提高巖性反演精度；②以電阻率和速度為紐帶，建立聯(lián)合的目標(biāo)函數(shù)和約束方程，進(jìn)行電磁和地震的參數(shù)聯(lián)合反演，能夠同時提高地震的界面和模型速度的反演精度，也能提高電阻率模型的界面和參數(shù)的反演精度。但是，能否有效恢復(fù)真實的地電模型仍然依賴于算法。電磁數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋是對處理和反演結(jié)果的地質(zhì)解譯，常常一個反演剖面有多個地質(zhì)解釋結(jié)果，主要在于解釋人員的綜合分析認(rèn)識問題的能力差異所致，對電磁法信息的認(rèn)識、對其他物探資料掌握程度，特別是對探區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征的了解是正確解釋電阻率剖面的前提，在充分掌握各方面資料基礎(chǔ)上，對多種資料進(jìn)行綜合分析是減少多解性獲得最佳地質(zhì)解釋的不二法門。

當(dāng)我們面對去噪難以“干凈”、反演算法難有完美、解釋的時常還是多解時，一條新的康莊大道在不遠(yuǎn)前面蜿蜒向遠(yuǎn)方。大數(shù)據(jù)時代將為我們開啟新的征程，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，將改變我們對電磁數(shù)據(jù)的看法與認(rèn)識，透過電磁勘探大數(shù)據(jù)我們將找到隱藏在電磁大數(shù)據(jù)背后的噪音世界、模型世界、地下電性世界的真實規(guī)律[78]。一改電磁勘探以麥克斯韋方程為基礎(chǔ)，尋求因果關(guān)系的傳統(tǒng)做法，將大數(shù)據(jù)處理新方法技術(shù)和引進(jìn)、吸收和融合到電磁勘探數(shù)據(jù)處理解釋工作中是未來必將突破的藩籬[79]。幾十年來電磁勘探觀測數(shù)據(jù)已為大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件，互聯(lián)網(wǎng)、無線移動網(wǎng)、云計算等為電磁勘探大數(shù)據(jù)來源提供了有效工具；通過人工智能、云計算對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)測，會使得處理解釋更為精準(zhǔn)，釋放出更多電磁數(shù)據(jù)的隱藏價值。

3 結(jié)論

電磁勘探技術(shù)遇到了前所未有的機(jī)遇，在油氣資源、固體礦產(chǎn)、深層地?zé)峥碧降阮I(lǐng)域具有的潛力。但是，目前電磁勘探還不能精準(zhǔn)地圈定目標(biāo)，主要在于方法本身研究發(fā)展遲緩，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比低，使電磁勘探技術(shù)固有的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力沒有充分挖掘。只要能夠面對前面所述的諸多挑戰(zhàn)，克服方法自身的不足，明確電磁勘探技術(shù)的發(fā)展方向，大力發(fā)展三維的、多分量的、多場源多次覆蓋的電磁勘探技術(shù)，充分有力地推動電磁勘探加入大數(shù)據(jù)的時代潮，就一定能夠推動電磁勘探技術(shù)快速發(fā)展。我們相信，電磁勘探一定能夠成為繼三維地震之后又一個具有潛力的新興地球物理勘探產(chǎn)業(yè)，電磁勘探技術(shù)必將迎來更加燦爛的春天。

致謝：

感謝東方地球物理公司物化探處研發(fā)中心王志剛、陶德強(qiáng)、劉雪軍等高工的在研究中的幫助，同時感謝范婧、李玲玲兩位女士在文章編排和圖件制作的幫助。