1 引言

传统瞬变电磁法（Transient electromagnetic method，TEM）的发射源主要是回线源（图1a），如中心回线装置、重叠回线装置、大定源装置等。回线源TEM在地下仅能产生水平方向的感应电流，使得回线源仅对低阻目标体敏感，回线源激发的信号在地层中衰减较快，导致探测深度较浅，因而回线源TEM多用于500m以下浅目标体的探测。为实现更大深度的有效探测，需要采用电性源装置。电性源瞬变电磁的传统工作方式是长偏移距瞬变电磁法（LOTEM），利用数公里长的接地导线向地下发射不关断的双极性方波电流，在大于3~6倍探测深度的偏移距范围内观测电磁场响应（图1b）。然而，偏移距越大施工强度就越大，对发射机功率和性能的要求也越高，加上采用不关断连续波形电流，增加了数据处理难度。

 图1  瞬变电磁法主要工作装置示意（引自文献[1]）

近年来，为了实现地下1.5km深度目标体的精细探测，中国科学院地质与地球物理研究所薛国强团队发展了短偏移距瞬变电磁法（Short-offset transient electromagnetic method, SOTEM），其发射源是接地电性源，利用关断的双极性电流激发电磁场，在小于２倍探测深度的偏移距范围内观测纯二次场，由于收发距离较小，所接收的信号强度较大（图1c）。SOTEM一定程度上提高了探测精度和施工效率，利用当前主流的电磁法仪器如V8、GDP-32等均可以实施SOTEM测量，为该方法的推广提供了有利条件。近几年，SOTEM得到了快速的发展，目前在正演模拟、视电阻率计算、反演解释、施工技术等方面形成了较为成熟的方法体系。

2 SOTEM探测方法

SOTEM发射源的布设可参照同样采用接地线源LOTEM和可控源音频大地电磁法（CSAMT），接收点的位置具有如下的特殊性，SOTEM的收发距离一般不超过２倍的最大探测深度，在该范围内收-发布置具有较大的灵活度，可根据测区地形条件合理布设。SOTEM可根据探测目的的不同选择合适的观测分量，理论上地表上的5个电磁场分量都对地下介质的电性结构具有探测能力。目前主要观测的是垂直感应电动势和沿发射源方向的水平电场。这两个分量在场值分布、信号扩散、对高低阻地层灵敏度等方面具有一定的特点，需要根据探测目标合理选择观测分量并设定观测区域，以达到最佳的探测效果。

在野外施工中还要设定射基频和观测时间。发射基频决定了二次场信号的延时范围，即对应着SOTEM的探测深度范围。在一个测区开展工作前，可首先根据下式估算对于不同最晚延时对应的最大探测深度，以确定合适的发射基频(1)式中：为地层电阻率，为观测时刻，为空气中磁导率，为发射源长度。

对于目前主要解决的1500m以浅的勘探问题，综合考虑噪音水平和地层电阻率等因素，SOTEM发射基频的范围一般在1~16 Hz之间。为兼顾浅层和深层探测效果，可同时选择两个频率进行发射和观测。理论上，一个测点的观测时间越长则叠加次数越多，数据质量就越好，但这将造成施工效率降低。大量野外实测表明，在噪声水平较低的观测区域，SOTEM的测量时间选择为２min左右即可，此时即可保证足够的叠加次数，也能兼顾施工效率，在噪声水平较高的区域可适当延长观测时间以增加叠加次数。

整体而言，在起伏山区，传统大回线源布设困难，施工效率低，而SOTEM对偏移距要求较为灵活，可选择较为平缓区域布设发射源，接收端仅需移动探头（可用长几百米的传输线与接收机相连）便可进行逐点观测，一个发射源可以覆盖两侧大面积的可观测区域（图2）。

图2  SOTEM收发布置示意（引自文献[1]）

3 SOTEM探测装备

在目前应用较广的电磁法仪器中，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-32II电法仪器均具备接地线源瞬变电磁测量的功能，因此进行SOTEM施工时可选择这两种仪器．这两种仪器都配有大功率发射机，可满足大电流发射的需求。以V8为例，SOTEM施工需采用TXU-30发射机，发射占空比为50%的源电流波形，根据探测深度要求选择合适基频，电流强度一般要要求大于10A。

一般采用空芯线圈或磁芯探头接收感应电压或者采用两个电极观测电场分量。为保证晚期信号强度，实现更大深度的探测，宜选择有效面积更大的接收线圈．廊坊开发区大地工程检测技术开发有限公司研发的SB-TEM系列探头，最大有效面积可达40000m²（7K），可满足SOTEM信号采集的要求。

此外，国内多家单位研发的电磁勘探装备系统也具备实施SOTEM探测的功能，主要包括中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的IG-GETEM系统、骄鹏科技有限公司的E60EM-3D系统、中石油东方地球物理公司的时频电磁勘探系统等。

图3  V8多功能电法系统和SB-7K探头（引自文献[1]）

3 SOTEM资料处理

在利用接地导线源发射、短偏移距观测提升探测深度和精度的同时，也给SOTEM的数据处理带来一定难度。首先，由于电性源短偏移距瞬变电磁法属于近源观测，发射源的尺寸、形状以及偏移距、观测范围等几何参量都会对信号造成较大的影响，使得数据处理需要考虑的因素更多；其次，为获得更大的探测深度，电性源短偏移距瞬变电磁法的观测延时相较于传统的回线源瞬变电磁法更长（可以达到几百毫秒），这就造成其信号频带更宽，动态范围更大，晚期信号微弱，信噪比较低；另外，电性源短偏移距瞬变电磁法探测还经常面临一些特殊的地质和地球物理环境，如巨厚低阻覆盖层、地形起伏剧烈、极化效应严重等问题，进一步增加了其数据处理的难度。

薛国强团队开发了一套专门适用于SOTEM数据处理的软件系统SOTEMsoft。该系统以野外实测数据为核心，采用Fortran核心算法实现电性源短偏移距瞬变电磁法的数据预处理及一维正反演，采用VB.NET实现软件人机交互界面，能够对野外数据进行整理→显示→评价→去噪→反演→成图等完整处理。

SOTEMsoft主要功能包括数据整理、图像显示、数据预处理、模型构建、正演模拟、数据反演、工程出图等（图4）:

图4  SOTEMsoft软件功能构架（引自文献[2]）

（1）数据整理：将仪器原始记录的电磁场信号、时间以及发射源和接收点坐标、发射电流等信息进行汇总整理，生成SOTEMsoft可直接读取的DLR文件。

（2）图像显示：软件提供包括收发布置图、单点衰减曲线、地形起伏、多测道曲线、响应幅值剖面、拟合曲线、反演结果等多种形式的数据图像显示（图5），可用于直观判断数据准确性、评价观测数据质量和反演效果。

图5  SOTEMsoft图像显示功能（引自文献[2]）

（3）数据预处理：采用人机交互方式实现对原始数据的时间道选取、飞点剔除、圆滑滤波、数据质量评价等预处理分析。

（4）模型构建：根据需求建立正演模型或反演模型。

（5）正演模拟：提供针对电性源瞬变电磁装置的一维正演，可为应用者开展工程设计、可行性分析、参数选取、科学研究等工作提供帮助。

（6）数据反演：对预处理后的数据进行半定量反演、一维定量反演和拟二维横向约束反演。

（7）工程出图：实时更新反演电阻率－深度断面图，并自动调用Surfer软件绘制工程输出图像。

4 SOTEM应用实例

SOTEM已在深部煤田水文地质调查、金属矿探测、地热资源勘查等领域得到了成功应用，解决了诸多地下2km深度内的地质与地球物理勘探问题。这里以陕西韩城某煤田奥灰富水区调查为例，说明SOTEM在深部探测中的应用效果。

测区位于位于陕西省韩城市以北25km处的龙门镇。根据测区钻孔资料，奥陶系灰岩地层的深度最大约为1200m。因此，本次探测深度必须大于1200m。通过试验工作并结合测区地形情况，选定了本次SOTEM的工作参数：发射源长度723m，偏移距588m，发射电流基频为2.5Hz，强度18A，探头有效面积40000m²，使用仪器为V8系统。为了对比探测效果，同时实施了大回线ＴＥＭ测量，其参数为：回线尺寸800m×800m，发射电流基频2.5Hz，强度4.5A，使用仪器和探头与SOTEM一致。图6给出了L1线SOTEM（图6a）和大回线TEM（图6b）两种方法的反演电阻率-高程剖面。从图6中可以看出，两种装置的反演结果在400~800m高程范围内显示出相同的电阻率变化趋势，清楚地反映了高阻第三系地层和含水层的二叠系砂岩和泥岩地层。但随着深度的增加，反演结果表现出一定的差异。大回线TEM对高程400m以深地层探测精度降低，深部电阻率失真，探测结果与钻孔不符；对于SOTEM，在钻孔揭示为高阻奥陶系灰岩的情况下，电阻率随深度的增加而增大。从钻孔验证情况可知，SOTEM的有效探测深度可达到1500m左右，并且对深部地层的电性结构精度相对较高。

图6  L1线反演结果（引自文献[1]）

参考文献

[1] 薛国强, 陈卫营, 武欣等. 电性源短偏移距瞬变电磁研究进展[J]. 中国矿业大学学报, 2020, 49(2): 215-226.

[2]  陈卫营, 薛国强. 电性源短偏移距瞬变电磁法数据处理软件系统SOTEMsoft[J]. 地球科学与环境学报, 2021, 43(6): 1050-1056.

[3]  何继善, 薛国强. 短偏移距电磁探测技术概述[J]. 地球物理学报, 2018, 61(1): 1-8.