1  引言

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。早期采用频域电磁法进行深水域的油气勘探，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，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，因此浅水域的瞬变电磁法得到了更多的关注。近些年，海洋瞬变电磁方法得到了快速的发展，取得了明显的进步，发展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），改善了仪器的接收系统和发射系统的稳定性和通用性，并形成了可实用的一维和多维正反演代码。

2 海洋瞬变电磁法工作装置

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

图1  深拖拽水平发射-固定阵列接收装置（引自文献[1]）

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），如图1所示。发射源位于海床上方30~100m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30~100m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。

图2  深拖拽水平发射-水平接收装（引自文献[1]）

总的来说，前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2000m；4）发射源一般位于海床上方30~100m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。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，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（500m），水平分辨率更高（5km²）；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（30~100m）；3）采用大电流的发射源（5000A）和改进的接收系统（噪声水平下降到约1nV/m），理论上勘探深度可以达到海底5000m；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。

图3  海底垂直发射-垂直接收装置（引自文献[1]）

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。

（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）公司和Constable课题组分别独立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50~400m）。以PGS公司的系统为例，水平电偶极发射源位于水面下方10m处，拖拽的接收电缆位于水面下方100m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2m每秒），因此数据获取高效，平均每天可采集150km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6300m，收发距范围1000~7300ｍ，布设22个接收机，接收偶极长度最小50m，最大的1100m），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。

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400m）。

图4  浅拖拽水平发射-水平接收装置（引自文献[1]）

3  海洋瞬变电磁法应用案例

近年来中国海洋可控源电磁探测装备研制水平得到明显提高。中南大学(周胜等, 2017)研发了由甲板控制系统、万米光电复合缆、仪器舱拖体和天线拖体组成的深海6000m拖曳式瞬变电磁系统，并由大洋号第30航次第二航段在西南印度洋脊热液区，应用该系统发现了明显的电磁异常，印证了系统的有效性。深海6000m拖曳式瞬变电磁系统现场实际应用施放图如图5所示。

 图5  深海6000m拖曳式瞬变电磁系统现场施放图（引自文献[2]）

系统总体组成如图6所示，其中水上甲板控制系统包括控制中心（高性能服务器）、光纤通讯机、船载GPS、多功能辅助显示（蔽障声呐信息，离地高度、实时视频），导航信息（母船位置，水下仪器舱位置）、TEM快速成像、TEM数据采集（发射机监控、数据采集）；水下仪器舱拖体内放置了光纤通讯模块连接有TEM发射机、TEM接收机、超短基线应答器、姿态传感器、CTD、蔽障声呐、离地高度计；水下天线拖体内放置了发射天线，接收天线，姿态传感器、以及前置放大器。

图6  系统组成示意图（引自文献[2]）

图7为深海大洋30航次TEM01测线瞬变电磁探测的结果图，其中，图7a为TEM01测线响应幅值剖面图，经过视电阻率快速成像，得到拟二维视电阻率断面（图7b），再结合典型的热液硫化物矿地质模型，推测对应的地质断面（图7c）。海底表面主要为浅部沉积物；在３0~60号点异常区浅部-40m范围内呈帽状覆盖，电阻率极低，推测为热液硫化物矿堆，宽约30m，厚度约30m；在30~60号点异常区的-40m~120m范围内电阻率低，且向下延伸成管状异常，推测为蚀变岩；在管状异常两侧视电阻率呈现较大梯度变化，推测为弱蚀变岩；异常两侧视电阻率相对较高，推测为玄武岩围岩。

图7  大洋30航次TEM01测线瞬变电磁探测（引自文献[2]）

(a) 实测响应曲线；（b）视电阻率断面；（c）地质解译图．

参考文献

[1] 周建美, 李貅, 戚志鹏. 海洋瞬变电磁法研究进展[J]. 地球物理学进展, 2016, 31(3): 1406-1412.

[2] 周胜, 宋刚, 黄龙, 席振铢, 侯海涛, 陈兴朋, 亓庆新. 深海6000 m拖曳式瞬变电磁系统及其应用[J]. 地球物理学报, 2017, 60(11): 4294-4301.

[3] 底青云, 薛国强, 殷长春等. 中国人工源电磁探测新方法[J]. 中国科学: 地球科学, 2020, 50(9): 1219-1227.