張 瑩 瑩

(新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

瞬變電磁法(transient electromagnetics, TEM)是一種時間域電磁探測方法，相比其他電磁方法，具有施工簡單、與地震方法在數(shù)據(jù)處理上有相似之處和對下伏構(gòu)造信號耦合強的優(yōu)點。自18世紀30年代由蘇聯(lián)科學家提出瞬變電磁法概念后，該法在地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、地熱調(diào)查、金屬礦產(chǎn)勘查、石油、煤炭等非金屬勘查、地質(zhì)災害調(diào)查、地下水調(diào)查、采空區(qū)探測、隧道超前地質(zhì)預報等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

根據(jù)裝置形式不同，TEM方法可分為磁性源TEM和電性源TEM。磁性源裝置屬于感應(yīng)源，它與目標層有最佳耦合，受旁側(cè)及層位傾斜的影響小，但場的能量在地層中衰減較快，因此探測深度有限且當邊長較大或地形條件復雜時發(fā)射源布設(shè)工作量大，導致工作效率低；此外，磁性源僅有水平電場分量，易于在低阻層中激發(fā)感應(yīng)電流，因此適用于解決良導目標體的探測問題，但由于場本身的結(jié)構(gòu)特性，磁性源裝置的分層效果不夠理想[1,3-4]。電性源裝置不僅可以使用大功率電源提高勘探深度，且根據(jù)互換原理，電性源裝置觀測信號的衰減速度比回線源慢，信號電平相對較大，對保證晚期信號的觀測質(zhì)量有好處，適用于深部構(gòu)造探測；另一方面，在地形條件復雜地區(qū)發(fā)射源布設(shè)可選范圍大、更靈活、更方便，可以在場源兩側(cè)進行多點的面積性測量，因此野外勘探效率更高。此外，電性源同時具有水平和垂直電場分量，水平電場分量有利于低阻體探測，垂直電場分量在地層電性界面感應(yīng)的電荷有利于高阻體探測，因此電性源對良導和高阻目標體都有較好的分辨能力。在三維坐標系下，電磁場的6個分量均與地層電性相關(guān)，電性源裝置可以提供更豐富的地層電性信息[1,4]。

近年來，國內(nèi)外學者越來越多地關(guān)注到電性源TEM方法在探測深度、工作效率、分辨能力等方面的優(yōu)勢，涌現(xiàn)出一批面向地面、航空、井中的電性源TEM新技術(shù)、新方法。根據(jù)野外施工方式不同，目前電性源TEM方法的研究主要集中在長偏移距瞬變電磁法(地面)、短偏移距瞬變電磁法(地面)、多通道瞬變電磁法(地面)、電性源半航空瞬變電磁法(航空)及電性源地—井瞬變電磁法(井中)，并已成功用于地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、火山結(jié)構(gòu)調(diào)查、地熱勘探、油氣勘探、金屬礦勘探、采空區(qū)探測、隧道勘察等領(lǐng)域。本文對上述常見的電性源TEM方法的發(fā)展歷程、最新進展以及各自的特點進行總結(jié)和分析，旨在促進電性源TEM方法的發(fā)展，為高分辨率、多參數(shù)、大面積、高效率深部探測提供更多解決方案。

1 長偏移距瞬變電磁法

為了區(qū)別淺部勘探系統(tǒng)(如SIROTEM和EM37)，Vozoff和Strack于20世紀70年代在澳大利亞提出長偏移距瞬變電磁法(long-offset TEM,LOTEM)[1]。該法采用固定的接地導線源作為發(fā)射源，導線源長約數(shù)百米至數(shù)千米，偏移距約2～20 km不等，同時測量電場和衰減電壓響應(yīng)，為了避免橫向各向異性的影響，理論上要求接收裝置應(yīng)盡量靠近發(fā)射源，但實際應(yīng)用中受導線噪聲等影響，為了獲得不受導線噪聲或系統(tǒng)模擬濾波器影響的未失真信號，存在一個最小偏移距，一般來說，偏移距應(yīng)大致與探測深度相當或大于探測深度，實際工作中采用的偏移距常常約為探測深度的3～6倍[1]。因偏移距較大，導致采集信號強度衰減劇烈，信噪比降低，在一定程度上限制了LOTEM的探測深度和探測精度。與其他電磁類方法相比，LOTEM方法可以克服典型的電磁噪聲問題，分辨率更高，數(shù)據(jù)采集效率也更高，目前該法已在地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、油氣勘探、地熱調(diào)查、地震預測、火山結(jié)構(gòu)調(diào)查、煤礦勘查、海水入侵調(diào)查、油氣運移監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-17]。

作為最早發(fā)展起來的電性源瞬變電磁方法，長期以來國內(nèi)外學者在LOTEM的數(shù)據(jù)解釋、分辨率分析、觀測參數(shù)設(shè)計、數(shù)據(jù)信噪比分析等方面做了大量的研究工作。視電阻率解釋方面，早期的如Yang于1986年改進了早晚期視電阻率計算方式，仔細研究了LOTEM視電阻率計算無解析解和非唯一解的兩個問題，對全期視電阻率的概念進行擴展并針對一些特殊情況導出了LOTEM單值視電阻率計算公式，但僅當?shù)谝粚拥貙雍穸缺绕凭啻?.7倍時該法才適用[18]。Bibby等采用長偏移距多源(張量)雙極—偶極測量方法對新西蘭陶波火山5～8 km深處的電阻率構(gòu)造進行勘探，借助斯倫貝謝裝置繪制的極淺(<1 km)電阻率成像結(jié)果做約束，圈定了3個電阻率異常區(qū)[19]。Caldwell等借鑒直流電阻率法多源(張量)雙極—偶極測量中張量分析的概念，在LOTEM數(shù)據(jù)解釋中提出一種瞬時視電阻率張量，與常規(guī)的早晚期視電阻率不同的是，該張量可以得到3個獨立、坐標不變、時變的視電阻率，該法可以把張量LOTEM測量中得到的復雜數(shù)據(jù)以更緊湊明了的方式展現(xiàn)出來，獲得地下三維電阻率分布[20]。后續(xù)的如翁愛華等采用連分式漸進展開研究了LOTEM甚晚期響應(yīng)高精度計算和全區(qū)視電阻求解問題[21]。陳清禮等通過分析感應(yīng)電動勢曲線隨均勻半空間電阻率變化特性，采用二分搜索算法研究了LOTEM感應(yīng)電動勢響應(yīng)的全區(qū)視電阻率算法[22]。

根據(jù)周期性差異，LOTEM的噪聲可分為周期噪聲和非周期噪聲，周期噪聲可能來源于鐵路、工頻干擾等，非周期噪聲有更多自然源，如水泵、電動柵欄、火車、工廠、經(jīng)過接收裝置的車輛等[23]。根據(jù)Strack的研究，對于周期噪聲，采用疊前數(shù)字遞歸真振幅陷波濾波器，在疊加前對每一個獨立的瞬變響應(yīng)進行處理，幾乎不會出現(xiàn)振幅失真，可以干凈地移除周期噪聲，大幅提高信噪比，也可采用常規(guī)的同步采樣壓制噪聲，給出更詳細的地下電性信息。非周期噪聲的振幅可能遠高于或低于信號水平，一旦這種噪聲被記錄到但是沒被識別，可能會嚴重干擾疊加結(jié)果[23]。對于非周期噪聲，可以使用對稱或區(qū)定義的移除選擇算法進行疊加，有選擇地保留信號振幅，利用統(tǒng)計方法移除噪聲；小波閾值去噪也是一種常用方法，但不同的閾值方案去噪效果各有差異，可以先根據(jù)信號統(tǒng)計分布特征選擇合適的閾值方案以提高去噪效果[23-24]。分辨率分析方面，Cardador等在墨西哥東北部坦皮科城盆地的一次LOTEM調(diào)查中證實在油氣勘查方面，該法可以確定巖石孔隙和斷裂中的流體類型，相比較其他傳統(tǒng)的頻率域電法和電磁法，LOTEM的分辨率更高且探測深度更大[25]。王陽等基于LOTEM一維正演，分析了層參數(shù)和偏移距變化對視電阻率曲線的影響，發(fā)現(xiàn)對低阻層的分辨能力主要由縱向電導決定，對高阻層的分辨能力主要取決于高阻層厚度，偏移距變化對分辨能力的影響很小[26]。

觀測參數(shù)設(shè)計方面，地形影響的分析是一個研究熱點。為了對橫向電阻率差異的影響做定量和半定量解釋，Hordt等使用三維有限差分程序模擬地形的垂直分量衰減電壓響應(yīng)，討論了地形對LOTEM數(shù)據(jù)畸變的影響，并指出雖然在解釋的第一階段可以忽略地形，但在二維或三維反演時需考慮地形因素影響[27]。唐新功等討論了地塹地形對LOTEM的影響并指出發(fā)射源鋪設(shè)在平坦處可最大限度減少地形影響[28]；Tang等采用基于張量格林函數(shù)的體積分方程法研究了山谷和山峰地形對LOTEM響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)無論是山谷還是山峰地形均對LOTEM響應(yīng)有嚴重影響，且發(fā)射源的位置要比接收點的位置重要的多，建議對于山谷和山峰地形，發(fā)射源應(yīng)盡量放置在地形平坦區(qū)域[29]。還有一些其他的集中在極化特性方面的研究，如Hoheisel等討論了激電效應(yīng)對LOTEM數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)高極化近地表層對發(fā)射源附近的電場分量晚期響應(yīng)影響較大，但在正常情況下極化層對磁場分量的影響可忽略[30]。

長期以來，學者對LOTEM反演做了大量研究。為了對橫向電導率差異的影響做半定量和定量解釋，Hodrt等對德國西北部Musterland盆地的LOTEM數(shù)據(jù)做了深入分析，采用3種不同的三維正演程序?qū)OTEM數(shù)據(jù)進行三維效應(yīng)解釋：薄板積分方程正演可用于對異常的位置和走向做出初步判斷，體積分方程程序可對良導異常做出可能的地質(zhì)解釋，一種新的有限差分算法可對模擬實際地質(zhì)情況的復雜良導構(gòu)造進行數(shù)值模擬，最終得到的模型與實測數(shù)據(jù)吻合很好；此外還討論了二階馬奎特算法和奧卡姆反演用于LOTEM數(shù)據(jù)一維反演的效果，二者的反演結(jié)果與已知巖性和測井曲線吻合很好，同時還發(fā)現(xiàn)LOTEM電場分量對高阻層有重要的識別作用[31-32]。為了對LOTEM數(shù)據(jù)進行快速準確的處理和定量解釋，嚴良俊等采用數(shù)值迭代方法研究了垂直磁場定義的全區(qū)視電阻率，經(jīng)時頻轉(zhuǎn)換后引入MT反演方法對時頻轉(zhuǎn)換視電阻率曲線進行反演，該法能夠較好地解決多解性問題，具備現(xiàn)場解釋能力[33]。2000年以后，隨著復雜精細算法的發(fā)展，對1D和3D問題進行反演以獲取更真實的地電信息成為可能，如Commer等對印度尼西亞爪哇島中部默拉皮火山地區(qū)于1998、2000和2001年采集的三組LOTEM數(shù)據(jù)進行深入分析，考慮到地形和3D地下構(gòu)造的影響，分別采用穩(wěn)定的最小二乘和阻尼最小二乘聯(lián)合反演方法優(yōu)化有限參數(shù)的3D模型，提出結(jié)合三維優(yōu)化算法和三維約束反演查明火山結(jié)構(gòu)的電阻率特征，對該地區(qū)地質(zhì)情況取得了新的認識[34-35]。由于傳統(tǒng)的瞬變電磁1D反演方法無法識別出近地表異常，Hordt等基于反復試驗正演方法，采用2D有限差分正演對德國奧登地區(qū)的一次LOTEM調(diào)查采集的數(shù)據(jù)進行解釋[36]。Khan等分析了時間域、頻率域、擬地震域的LOTEM數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)LOTEM更易識別高阻圍巖中的低阻異常，并指出擬地震成像技術(shù)可實現(xiàn)高分辨率LOTEM成像[37]。Liu等通過時域有限體積算法發(fā)現(xiàn)電各向異性對LOTEM反演結(jié)果有很大影響，基于各向異性模型的的反復試驗LOTEM正演可以得到較為理想的解釋結(jié)果[38]。這些研究豐富了LOTEM解釋體系，對LOTEM方法起了重要的推動作用。

聯(lián)合解釋技術(shù)一直以來也是一大熱點問題，這些聯(lián)合解釋技術(shù)可能是聯(lián)合電磁類技術(shù)，也可能是非電磁類技術(shù)。Beer等結(jié)合直流電阻率法和LOTEM用于南非卡普瓦爾克克拉通北緣深部構(gòu)造研究，結(jié)果與地震反射數(shù)據(jù)吻合較好，探測深度可至30 km[39]。Strack等利用數(shù)據(jù)處理和采集中LOTEM與地震方法的相似性，如數(shù)據(jù)處理與地震全波形處理類似，二者均可設(shè)計成多通道采集系統(tǒng)等，研究了油氣勘探中的LOTEM與地震勘探聯(lián)合解釋技術(shù)[40]?？紤]到每種地球物理物理勘探方法各自的局限性，為了提高解釋結(jié)果的準確性，Lin等采用地震、測井和LOTEM聯(lián)合方法研究新南威爾士某煤礦煤層特征，利用地震勘探和測井曲線繪制煤層電性信息，同時基于1D和2.5D自動反演對LOTEM數(shù)據(jù)進行解釋，根據(jù)電性特征獲得壓力、含水飽和度等參數(shù)[41]。Kalscheuer等聯(lián)合LOTEM和VIBROTEM數(shù)據(jù)研究印度尼西亞爪哇島默拉皮火山南翼的一個斷層構(gòu)造，采用基于奧卡姆方法的一維多分量聯(lián)合反演獲得一維反演結(jié)果并為后續(xù)的二維正演提供基本模型，解釋結(jié)果表明該斷層構(gòu)造與火山口邊緣的一次古雪崩有關(guān)[42]。Harnoon等使用LOTEM和中心回線TEM聯(lián)合反演方法對阿塞拜疆某泥火山進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當深度>5 km時，考慮到深度和油氣目標電阻率，反演結(jié)果的分辨率已較差[43]。針對MT勘探深度大和LOTEM淺部地層分辨率高的特點，涂君研究了MT和LOTEM聯(lián)合反演方法，按照固定參數(shù)、信噪比、擬合差和靈敏度特征分配目標函數(shù)權(quán)重分配方式，通過模型設(shè)計驗證了算法的正確性和有效性，該法可以保證反演結(jié)果較大勘探深度的同時提高淺部分辨率[44]。

2 短偏移距瞬變電磁法

短偏移距瞬變電磁法(short-offset TEM,SOTEM)最早出現(xiàn)在英國愛丁堡大學學者Ziolkowski于2012年申請的發(fā)明專利中，自2013年起由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員薛國強在裝備與軟件開發(fā)上進一步完善并推廣[45-46]。該法延續(xù)了電性源瞬變電磁法對地形條件要求低和勘探深度大的優(yōu)點，采用固定的接地導線源作為發(fā)射源，在發(fā)射源兩側(cè)一定位置范圍內(nèi)進行面積性旁線測量，考慮到遠場區(qū)信號相對較弱，一般建議工作區(qū)域位于近場區(qū)和中場區(qū)，測量電場和磁場信號[47-48]。相比LOTEM方法，觀測區(qū)域包含近場區(qū)域和中場區(qū)域，離源更近，采集信號更強，具有更高的探測精度和工作效率，目前該法已在深部水文地質(zhì)調(diào)查、金屬礦勘查、鹽礦溶腔探測、煤田采空區(qū)探測等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[49-56]。2015年薛國強等針對SOTEM深部探測的野外工作規(guī)程提煉出5個關(guān)鍵問題：SOTEM各分量響應(yīng)特征與地層相互作用研究、記錄點、場源復印和陰影效應(yīng)等問題研究、噪聲去除方法研究及施工方法研究和擬合反演算法改進，并有針對性地提出相應(yīng)的研究方法，從SOTEM場效應(yīng)、觀測參數(shù)設(shè)計、資料處理以及數(shù)據(jù)精細反演等方面構(gòu)建了完整的SOTEM深部探測方法[57-59]。

SOTEM方法的研究目前仍處于初步階段，研究內(nèi)容大都集中在視電阻率定義、分辨率分析、數(shù)據(jù)信噪比分析、觀測參數(shù)設(shè)計、場效應(yīng)、一維反演等方面。視電阻率解釋上，崔江偉對比分析了TEM全區(qū)視電阻率求解中常見的分段級數(shù)逼近法、二分法、平移算法求取SOTEM方法中磁場響應(yīng)Bz(t)和衰減電壓響應(yīng)dBz(t)/dt全程視電阻率的差異，發(fā)現(xiàn)分段級數(shù)逼近法計算的全程視電阻率曲線在光滑程度上不如其他兩種基于計算機迭代計算的方法，但全程視電阻率可以消除淺部假高值現(xiàn)象，更真實地反映地層電性變化特征[60]。分辨率分析方面，侯東洋等分析了SOTEM和可控源音頻大地電磁法(CSAMT)在克服低阻覆蓋層屏蔽和對地下低阻層探測方面的差異，研究結(jié)果表明SOTEM對低阻覆蓋層的敏感度及對低阻層的探測能力均優(yōu)于CSAMT[61]。噪聲研究方面，SOTEM噪聲的主要來源是人文噪聲，特別是人文活動劇烈的城鎮(zhèn)區(qū)域，這一類噪聲屬于高度不穩(wěn)定信號且變化急劇，根據(jù)有用信號和噪聲信號的頻率差異，陳大磊等采用小波變換和五點圓滑技術(shù)對強干擾數(shù)據(jù)進行處理，能夠恢復較為真實的有用信號[48,62]。

場效應(yīng)和觀測參數(shù)設(shè)計方面，陳衛(wèi)營等研究了SOTEM地下感應(yīng)電流擴散、多分量電磁響應(yīng)平面分布、多偏移距衰減等特性，根據(jù)響應(yīng)特性得到SOTEM的最佳觀測區(qū)域，其中垂直磁場分量對低阻目標體敏感的區(qū)域集中在赤道向區(qū)域；水平電場分量對低阻目標體敏感的區(qū)域集中在赤道向區(qū)域，對高阻目標體敏感的區(qū)域集中在軸向區(qū)域[63]。Zhou等計算分析了TE模式響應(yīng)(載流導線)、TE-TM模式響應(yīng)(接地端)和TEM模式響應(yīng)(載流導線+接地端)的分布特征、探測深度以及對異常的敏感度，發(fā)現(xiàn)TE-TM場探測深度最小，TE-TM模式響應(yīng)電場的探測能力更好，TEM響應(yīng)磁場的探測能力最強，但是對層厚和電阻率均不太敏感[64]。常江浩等基于FDTD正演模擬研究了三維異常體對SOTEM場擴散的影響，結(jié)果表明5個電磁場分量對三維異常體的靈敏區(qū)域不同，對于不同的分量可選擇不同的區(qū)域進行觀測以提高SOTEM的探測能力，實現(xiàn)復雜目標體精細探測[65]。薛俊杰等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)近區(qū)的極限探測深度一般都大于遠區(qū)，當偏移距等于0.7～1倍目標體埋深時SOTEM可獲得最大探測深度，而基于鏡像源理論的視探測深度可用于給定時刻的實際探測深度估算[66]。Zhou等研究了發(fā)射源排列對接地導線源TEM水平電場的影響，利用有限差分方法分析了陰影及場源復印效應(yīng)對接地導線源TEM探測精度的影響并提出了相應(yīng)的校正辦法，根據(jù)發(fā)射源產(chǎn)生的自感電壓研究了接地導線源TEM的最小探測深度，并從衰減曲線、平面分布和異常靈敏度三方面分析了接地導線源TEM的軸向電場[67-70]。Hou等通過對比研究發(fā)現(xiàn)Ex比Hz分量能夠更有效地區(qū)別高阻圍巖和低阻覆蓋層，對于實際應(yīng)用中Ex分量存在的靜態(tài)效應(yīng)，可以采用Ex和Hz分量聯(lián)合反演以獲得更全面的解釋結(jié)果[71]。還有一些其他的集中在極化特性方面的研究，如陳穩(wěn)等基于Cole-Cole模型的SOTEM一維正演計算，分析了裝置參數(shù)(收發(fā)距，極化體埋深)和極化參數(shù)(極化體電阻率、極化率，頻率相關(guān)系數(shù)，時間常數(shù))對Ex(t)、Bz(t)和dBz(t)/dt響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)Ex(t)受激電效應(yīng)的影響最大[72]。近兩年，出現(xiàn)了一些關(guān)于聯(lián)合解釋方面的文獻，如Khan結(jié)合SOTEM、伽馬和電阻率測井方法用于區(qū)別煤層和滲透率更高的砂巖層，圈定富水區(qū)及描繪煤層縫合線[73]。

一維反演方面，目前發(fā)表的論文大都是中國地質(zhì)與地球物理研究所薛國強老師團隊所做的工作，2016年陳衛(wèi)營等提出基于全期視電阻率校正的SOTEM一維等效源反演算法，作為一種半定量解釋方法，該法可以對SOTEM實測數(shù)據(jù)進行一維快速反演成像；同年，利用SOTEM全期視電阻率與大地電磁視電阻率之間的相似性，給出了一種從時間域到頻率域轉(zhuǎn)換的擬MT反演方法用于SOTEM數(shù)據(jù)反演，但該法仍屬于較為粗糙的反演方法[74,75]。為了提高對復雜模型的反演精度，2017年他研究了SOTEM數(shù)據(jù)一維OCCAM反演方法，分析了信號噪聲水平、偏移距、淺部厚低阻層對反演結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)當噪聲水平小于5%時，仍可獲得較準確的反演結(jié)果；偏移距對反演結(jié)果影響很?。粶\部厚低阻層的反演結(jié)果通常較差，僅能獲得地層的平均電阻率；當用于SOTEM三維數(shù)據(jù)時，三維異常體與背景電阻率的差異會導致一維反演結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，特別是異常體邊緣地帶影響最大[76]。

3 多通道瞬變電磁法

多通道瞬變電磁法(multi-channel TEM,MTEM)由英國愛丁堡大學學者Wright等于2001年提出，并于2005年獲得美國專利，該法借鑒了地震勘探的相關(guān)技術(shù)，可實現(xiàn)高精度、大深度探測，設(shè)計的初衷是為了探測油氣，隨后由薛國強等于2013年引入深部礦產(chǎn)資源勘查。該法采用固定的接地導線源作為發(fā)射源發(fā)送偽隨機編碼，在發(fā)射源軸向延長線上兩側(cè)范圍內(nèi)進行類似于地震勘探的陣列式多道測量，同時測量發(fā)射端的電流變化和接收端電壓變化，借助多道陣列式觀測、時間域多次疊加和空間域多次覆蓋等技術(shù)，進行高精度、密集、快速采樣，因此具有較高的觀測精度和工作效率，采集數(shù)據(jù)包含一次場和二次場信息，探測深度較常規(guī)時間域電磁法更大，目前已在油氣探測、監(jiān)測油氣運移、礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[77-86]。

目前，對于MTEM的研究仍處于初步階段，研究的內(nèi)容集中在系統(tǒng)設(shè)計、視電阻率計算、數(shù)據(jù)反演、信噪比和分辨率分析等方面。視電阻率解釋方面，智慶全從反函數(shù)定義出發(fā)給出一種全域視電阻率定義方法，并引進擬地震偏移成像技術(shù)提高MTEM方法的分辨率[87]；張文偉等通過研究大地脈沖響應(yīng)及其頻譜特征，提出頻率域比值法，基于該法可不用估計整個大地脈沖響應(yīng)實現(xiàn)MTEM視電阻率計算，這種新的視電阻率計算方法可以很好地反映地下電性結(jié)構(gòu)[88]。數(shù)據(jù)反演方面，齊彥福等研究了MTEM方法理論m序列和實際發(fā)射波形的全時正演模擬，利用相關(guān)辨識技術(shù)削弱噪聲，直接對積分獲得的階躍響應(yīng)進行共中心點道集數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，可大大提高工作效率[89]；李海等采用反卷積和反向積分算法提取MTEM數(shù)據(jù)響應(yīng)，并基于OCCAM算法的聯(lián)合反演算法實現(xiàn)了共中心點道集數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，數(shù)值模擬結(jié)果表明該反演算法有較好的穩(wěn)定性[90]。

數(shù)據(jù)信噪比和分辨率分析方面，MTEM觀測中常見的隨機噪聲可分為平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機噪聲。根據(jù)Wright 和薛國強等的分析，平穩(wěn)隨機噪聲主要指遠源天電、主頻和負載穩(wěn)定時的工頻和儀器熱噪聲，由于這一類噪聲與m序列提供的信號不具有相關(guān)性，可借助m序列偽隨機編碼達到壓制噪聲的目的，如齊彥福等基于m序列和實際發(fā)射波形全時正演模擬研究的相關(guān)辨識技術(shù)、袁哲等基于m序列編碼參數(shù)對抗噪性能影響給出的m序列編碼參數(shù)優(yōu)選方案；也可采用常規(guī)的線性數(shù)字遞歸濾波、改進的基于陷波帶寬和初始條件優(yōu)選的數(shù)字遞歸陷波去除周期性工頻噪聲[86,89,91-94]。非平穩(wěn)隨機噪聲主要指近源天電、主頻和負載不穩(wěn)定時的工頻、短時和高頻人文噪聲，這一類噪聲可借鑒傳統(tǒng)非平穩(wěn)信號處理手段，依據(jù)噪聲和觀測信號帶寬范圍去除噪聲，對于帶內(nèi)噪聲，可采用噪聲觀測、建模等方法；對于觀測信號帶寬外噪聲，可采用頻率分離方法，如濾波、小波變換、獨立分量分析等[95]。分辨率分析方面，鐘華森等在預條件正則化共軛梯度方法的基礎(chǔ)上提出采用相關(guān)疊加算法對全時段和各個時段MTEM虛擬波場提取結(jié)果進行相關(guān)性疊加，得到抗干擾能力強、光滑、波峰明顯的虛擬波場結(jié)果[96]；涂小磊等針對MTEM的特點對三維時域差分格式進行改進，數(shù)值模擬結(jié)果表明MTEM對油氣薄層有較好的勘探能力[97]；王若等采用2D有限元正演實現(xiàn)MTEM正演模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明相對于頻率域有源電磁方法，MTEM對有一定埋深的順層礦床有更高的分辨能力[98]；為了避免MTEM中從全波形響應(yīng)提取純二次場造成的有用信息丟失，Di等提出用跨維框架方法從PRBS激勵中直接對全波形TEM響應(yīng)做變換，從而提高MTEM方法的分辨率[99]。

與LOTEM和SOTEM不同的是，MTEM采用偽隨機編碼波形進行激勵，以提高對地探測的分辨率，伴隨著MTEM大量現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)設(shè)計方面近些年也取得了不少研究進展。早期的如Hobbs等發(fā)現(xiàn)通過使用偽隨機二進制序列(PRBSs)作為輸入波形，可以提高采集信號信噪比[100]；2015年以來伴隨著我國自主研發(fā)的多通道瞬變電磁裝置陸續(xù)完善，出現(xiàn)了一批系統(tǒng)設(shè)計方面的文獻，張盛泉等借助電子設(shè)計自動化軟件平臺研發(fā)了適用于監(jiān)測大功率MTEM發(fā)射機的電壓及電流記錄裝置[101-102]；董慶運等設(shè)計了一種分布式中心的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可提高電源站系統(tǒng)的靈活性和健壯性[103]；張樂等在以太網(wǎng)物理層基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款數(shù)據(jù)傳輸可靠、數(shù)據(jù)率更高、功耗更低的交叉站[104]；底青云等介紹了由我國自主研發(fā)的多通道大功率電法勘探儀的系統(tǒng)組成、方法原理和集成方案以及深部礦勘探測試結(jié)果[105]；林凡強設(shè)計研發(fā)了一種可通過程序靈活配置不同電磁響應(yīng)、采樣通道多、動態(tài)范圍寬、存儲容量大、同步精度高的接收系統(tǒng)，對于開展深部礦體精細探測具有重要實踐意義[106]；何瑞昊設(shè)計開發(fā)了一種穩(wěn)定性和交互性良好的上機位軟件[107]；王旭紅等提出一種適用于MTEM發(fā)射機的新型有源軟開關(guān)變換器，可實現(xiàn)發(fā)射機功率拓展與效率提高[108]。

4 電性源半航空瞬變電磁法

電性源半航空TEM(grounded-source semi-airborne TEM)最早由日本學者Mogi等于1998年提出，起源于Nabighian提出的基于水平電偶極源，地面發(fā)射、空中接收的半航空電磁法，該法采用電性源地面發(fā)射，飛行器空中接收的工作方式，發(fā)射源可以是單一的，也可以是多個的，具備地面TEM法勘探深度大的特點，且電性源易于布設(shè)，因此復雜地形適應(yīng)性強；接收器可以是有人機或無人機，如直升機、無人飛艇和旋翼機等，具備航空TEM工作效率高的特點，且載重遠小于航空TEM法，因此安全性更高，目前已在地熱調(diào)查、火山結(jié)構(gòu)調(diào)查、地下巷道調(diào)查、地下水鹽漬化及地下水監(jiān)測、隧道勘察、采空區(qū)探測、古河道結(jié)構(gòu)探測等得到成功應(yīng)用[109-127]。電性源半航空TEM法的快速發(fā)展集中在近10年，無論是在系統(tǒng)設(shè)計還是數(shù)據(jù)處理解釋方面都取得了較多的進展。目前，市場上已投入使用，有代表性的系統(tǒng)如Mogi等設(shè)計的Grounded Electrical Source Airborne Transient EM(GREATEM)系統(tǒng)、吉林大學嵇艷鞠團隊研制的無人飛艇長導線源時域地空電磁勘探系統(tǒng)、中國科學院電子學研究所劉富波等研制的無人直升機搭載的半航空TEM勘探系統(tǒng)(S-ATEM)和成都理工大學王緒本團隊研制的線圈傳感器、同步采集裝置以及實時數(shù)據(jù)處理軟件三部分構(gòu)成的接收系統(tǒng)(SATR)等，搭載的飛行平臺各異，可以采集多分量磁場響應(yīng)，也可以采集多分量磁場的時間導數(shù)響應(yīng)，在某些地區(qū)實際應(yīng)用中探測深度可達800 m[110,115-117,121-124]。

由于搭載了航空平臺，半航空TEM響應(yīng)受不同的噪聲類型影響較大，如天電噪聲、飛行運動噪聲等[121]。天電噪聲屬于短時電磁信號，在天電活動較弱的地方可按周期噪聲采用傳統(tǒng)濾波方法，如中值濾波、M值估計法、小波變換、組合濾波等進行去除，在天電活動較強的地方可通過剪裁剪法進行處理[115,121]。由于測量線圈在地磁場中運動，地磁場的不均勻性會導致線圈產(chǎn)生磁通量變化，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢即為飛行運動噪聲。飛行運動噪聲處理的常見方法有陷波法、多項式擬合法、獨立分量分析法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、經(jīng)驗模態(tài)分解方法、集合經(jīng)驗模態(tài)分解方法等[110,116-117,121,128]。

關(guān)于數(shù)據(jù)處理解釋的研究主要有視電阻率定義、快速成像、反演等，視電阻率定義方面，陽貴紅分析了接收高度對電磁響應(yīng)的影響并設(shè)計了求解全區(qū)視電阻率的算法[129]；張瑩瑩等對半航空TEM法多分量磁場響應(yīng)及磁場的時間導數(shù)響應(yīng)進行分析，基于反函數(shù)原理實現(xiàn)了多分量的全域視電阻率計算，該方法可實現(xiàn)全時域、全空域視電阻率定義[130-131]；呂仁斌利用查詢表方式求解視電阻率，并結(jié)合視深度公式實現(xiàn)了電導率深度成像[132]；吳啟龍基于反函數(shù)思想研究了半航空TEM法衰減電壓響應(yīng)的全期視電阻率成像，并將該算法應(yīng)用于復雜地形地區(qū)隧道勘察[120]；易國財?shù)确治隽巳龑拥仉娔Ｐ椭虚g低阻薄層埋深、層厚、電阻率差異等參數(shù)對全區(qū)視電阻率曲線的影響，探討了半航空瞬變電磁法對低阻薄層的探測能力[133]。快速成像方面的工作主要集中在長安大學李貅老師團隊所做的工作，李貅、張瑩瑩等針對半航空TEM法三維解釋問題，結(jié)合全域視電阻率、Kirchhoff曲面偏移成像及逆合成孔徑成像開展研究，構(gòu)建了半航空TEM法逆合成孔徑成像方法[134-135]；同年，基于電偶極子浮動薄板原理，結(jié)合相關(guān)疊加技術(shù)研究了多輻射場源半航空TEM快速成像算法，該法可提高傳統(tǒng)視縱向電導方法的分辨能力[136]；成都理工大學王仕興等基于分段二分搜索算法建立電導率—電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)“庫”，實現(xiàn)計算速度快、成像結(jié)果可靠的半航空瞬變電磁電導率深度快速成像[137]。

反演方面的研究工作目前已發(fā)表的論文有些針對單輻射場源，有些針對多輻射場源。嵇艷鞠、徐江等利用等效變換獲得電性源半航空TEM響應(yīng)與電阻率一一映射的樣本集，基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Levenberg-Marquardt算法進行樣本訓練，實現(xiàn)了電性源半航空TEM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演，該法的反演精度要優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)值計算方法[138-139]；趙涵等以O(shè)ccam反演理論為基礎(chǔ)研究了多輻射場源地空TEM一維反演算法[140]；張澎等引入并行技術(shù)實現(xiàn)了最平緩模型約束條件下的半航空時間域電磁數(shù)據(jù)自適應(yīng)正則化反演[141]；Abdallah等將頻率域電磁反演方法用于GREATEM的時間域數(shù)據(jù)處理，該法適用于對電阻率橫向變化大的數(shù)據(jù)進行反演[142]；楊聰?shù)冉Y(jié)合自適應(yīng)正則化反演方法和阻尼最小二乘反演方法提出自適應(yīng)正則化—阻尼最小二乘反演算法，數(shù)值模擬結(jié)果表明該法可在一定程度上提高半航空瞬變電磁法對高阻的分辨率，提高反演精度[143]。

還有一些其他的關(guān)于半航空TEM響應(yīng)特征的研究，早期的有Verma等討論了偏移距、飛行高度等參數(shù)對瞬變響應(yīng)的影響，數(shù)值分析結(jié)果表明電性源半航空TEM法受偏移距影響較大，飛行高度對瞬變響應(yīng)的影響主要集中在早期且影響很小[144]；宿傳璽基于三維時域有限差分算法，結(jié)合典型巖溶地質(zhì)災害源特征，建立干溶洞、充填型溶洞、半充填溶洞的地質(zhì)三維概化模型，分別分析了接地長導線源和地面回線源的半航空TEM響應(yīng)特征[145]；曹鳳鳳基于有限元三維正演算法，總結(jié)了典型起伏地形(斜坡、山谷、山脊、峰谷結(jié)合地形)模型在不同裝置參數(shù)(飛行方式、接受高度、偏移距等)下TEM響應(yīng)特征[146]；由于測點位于空中，半航空TEM法的觀測數(shù)據(jù)更易受噪聲影響，為了獲得數(shù)據(jù)采集質(zhì)量更穩(wěn)定的區(qū)域，Ma等基于典型模型中的誤差分析方法討論了半航空TEM野外工作的靈敏區(qū)域[147]；Li等采用時間域矢量有限元方法研究了陣列源對半航空TEM響應(yīng)的影響[148]；張瑩瑩基于一維正演理論，討論了多輻射場源布設(shè)方式對TEM多分量響應(yīng)的影響，并結(jié)合偏移距變化時瞬變響應(yīng)衰減幅度，給出了半航空TEM的工作區(qū)域范圍[149]；李貅等基于三維矢量有限元法證實多輻射場源能夠減少單一源體積效應(yīng)影響，在地下多方位激發(fā)地質(zhì)體，獲得多方位耦合信息[150]。

5 電性源地—井瞬變電磁法

為了區(qū)分常用的回線源地—井瞬變電磁法(surface to borehole TEM)，武軍杰等于2017年提出電性源地—井瞬變電磁法(grounded-source surface to borehole TEM)，該法采用在地面布置電性源，井中采集信號的工作方式，具備電性源裝置發(fā)射功率大、輻射面積廣、探測深度大、對地形條件要求低的優(yōu)點；井中接收多分量瞬變響應(yīng)，受地表干擾和電性干擾影響小，可以獲得比地面方法更強的異常，提高找礦效果[151-152]。該法的研究也尚處于初步階段，目前已發(fā)表的研究內(nèi)容包含系統(tǒng)設(shè)計、視電阻率定義、響應(yīng)特征分析、聯(lián)合解釋等，主要集中在響應(yīng)特征分析方面。

系統(tǒng)設(shè)計上，李術(shù)才等采用均勻半空間和層狀模型對電性源地—井TEM法的采集范圍和傳播規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)垂直排列方向異常幅值大，可視為最佳測線方向，數(shù)值模擬結(jié)果顯示長度為1 km的電性源有效勘探深度可達1.5 km，這些結(jié)論為電性源地—井TEM方法的實際應(yīng)用提供了理論和數(shù)值試驗支撐[151]；視電阻率定義方面，武軍杰等基于反函數(shù)定理研究了電性源地—井TEM方法三分量感應(yīng)磁場的全域視電阻率定義問題，數(shù)值模擬計算結(jié)果表明該法能夠有效反映地下信息[153]；聯(lián)合解釋方面，為充分利用地面發(fā)射源，武軍杰提出同時采集井中和空中數(shù)據(jù)，進行地—井與地—空TEM聯(lián)合解釋，提高電性源TEM法的縱向和橫向分辨能力[152]。

響應(yīng)特征分析方面，武軍杰、李貅等首先基于一維正演模擬分析了電性源地—井TEM三分量瞬變響應(yīng)特征，結(jié)果表明，瞬變響應(yīng)總場僅在中晚期時間道對電性界面有明顯反應(yīng)，瞬變響應(yīng)異常場形態(tài)簡單，對電性界面反映明顯，且水平分量對異常的反映優(yōu)于垂直分量[154]；隨后，基于FDTD正演模擬研究了電性源地—井TEM瞬變場的空間分布特征，總結(jié)了背景場和異常場信號隨時間變化規(guī)律[155]；Chen等利用有限差分法研究了二維模型的電性源地—井TEM響應(yīng)，數(shù)值模擬結(jié)果表明電性源異常幅值比回線源更強[156]；陳衛(wèi)營等基于一維正演理論，分析了電性源地—井TEM方法六個電磁場分量的擴散、分布特性和探測能力，發(fā)現(xiàn)不同分量對地層的探測能力各異，垂直電場和水平磁場瞬變響應(yīng)對目標層的反映最明顯[157]。

6 結(jié)論與討論

1) 電性源TEM方法近些年取得了一定的研究進展，研究基礎(chǔ)豐厚的LOTEM在裝置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、反演、成像和聯(lián)合解釋等方面均有較大發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域更加豐富，由最初的地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查和油氣勘探擴展到煤礦勘探、海水入侵、油氣運移檢測等領(lǐng)域，已經(jīng)是一類比較成熟的電性源TEM方法。

2) 起步較晚，研究基礎(chǔ)相對薄弱的SOTEM、MTEM、電性源半航空TEM和電性源地—井TEM目前仍處于推廣階段，伴隨大量現(xiàn)場試驗，儀器的穩(wěn)定性、通用性均有提高，在深部探測方面的優(yōu)勢日益突出；雖然在裝置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、解釋等方面取得了一定的研究進展，但相關(guān)技術(shù)仍有待進一步提升。

3) 上述各類電性源TEM法的研究中有不同程度關(guān)于數(shù)據(jù)信噪比的討論，實際上，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，各種電磁噪聲及人文干擾已成為制約高信噪比電性源TEM信號的重要因素，特別是對反映深部信息的晚期信號影響嚴重，研究各類噪聲及干擾的壓制和去除技術(shù)也是一項重要內(nèi)容。

4) 學者們很早就注意到電性源TEM方法受地形影響大，這種影響不止體現(xiàn)在上文中討論較多的系統(tǒng)設(shè)計上，對一維反演這種基于層狀模型的反演方法同樣影響很大，為了解決地形起伏劇烈及電性結(jié)構(gòu)復雜情況下的反演問題，研究帶地形的高維反演方法是實現(xiàn)電性源TEM方法深部精細探測是一項重要課題。

5) 考慮到每種地球物理物理勘探方法的局限性，為了提高解釋結(jié)果的準確性，聯(lián)合解釋及聯(lián)合反演也是一大研究熱點，既可以聯(lián)合電磁類方法，也可以聯(lián)合非電磁類方法，該項技術(shù)可以在保證電性源TEM方法大深度探測的前提下，提高對地探測分辨率。

6) 上文中討論的大部分研究都是基于單個輻射源，實際上單個發(fā)射源可以擴展至多個，對地下進行寬方位輻射，通過調(diào)整發(fā)射源的位置和電流方向，有針對性地加強某些分量采集信號強度，該法有助于實現(xiàn)低成本、高精度、大深度電性源TEM勘探作業(yè)。

7) 電性源TEM方法具有探測深度大、受地形限制小、工作效率高等諸多優(yōu)點，近些年出現(xiàn)的面向地面、航空和井中的各類不同方法已基本滿足大部分應(yīng)用場景下的探測需求，作為地球電磁法勘探領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法，各類電性源TEM方法均是值得推廣的方法。