1 引言
人工源电磁法有两个重要分支，即时间域和频率域。频率域电磁法（Frequency electromagnetic, FEM）最具代表的是可控源音频大地电磁法（Controlled source acoustic magnetotelluric，CSAMT）以及近年发展起来的广域电磁法；时间域电磁法（Time electromagnetic，TEM）则以磁源瞬变电磁法及长偏移距瞬变电磁法（Long offset transient electromagnetic, LOTEM）为代表。研究表明，电性源瞬变电磁法与CSAMT对特定目标的探测能力具有明显差异。由于FEM观测的是总场（即一次场和二次场的叠加），而LOTEM观测的是二次场，这就决定了前者只适用于中区和远区探测，而后者可对全区（全期）进行观测。而且，电场和磁场对低阻和高阻目标的分辨率也有差别。因此，电法与磁法、时间域与频率域的一体化是可控源电磁勘探技术的发展方向。
时频电磁法（Time frequency electromagnetic，TFEM）基于时-频、电-磁一体化探测理念，主要研究长导线源电磁法中的垂直磁感应信号和水平电场信号，根据电阻率和极化率信息对圈闭进行含油气评价。时频电磁法实现了多信息联合，弥补了传统电磁方法的不足，集成了可控源电磁法的优点，是一种崭新的可控源电磁勘探方法。
2 TFEM方法原理
时频电磁法工作方式与常规CSAMT或LOTEM类似，利用两个接地电极A和B连接长导线进行大功率的电脉冲方波激发，在一定距离处接收电磁场。TFEM工作原理如图１所示，其数据采集步骤简述：
1）数据采集与控制软件系统中的控制模块将设计好的采集参数发送到发射系统和接收系统。大功率恒流发射机按照控制指令启动恒流方波发送机制，根据设计好的激发参数（包括多个激发频率及每个激发频率的叠加次数等参数）自动发送连续正、负非间隙方波序列（波形如图１所示），也可发送间隙方波序列和伪随机方波系列。
2）电流通过接地长导线供入地下；通过布设在发射系统附近的采集站记录激发的方波电流信号
。
3）输入地下的电流经过大地后形成激励响应
，被布设在地面的接收系统记录。在每个测点都要布设水平电偶极MN和垂直磁探头，同步、高采样率地记录时域地电信号
，包括电偶极接收的电位差
和磁探头接收的感应电动势
，其波形如图１所示。
4）对记录的
和
做反褶积处理，获得大地响应
；对同一周期内正、负两个半周期的时域信号进行反转，再进行叠加，获得时间域电磁数据包括电场和磁感应电动势；另一方面对每个激发周期（未叠加）的时间域电磁数据进行FFT变换，获得3M个频率（包括基波及３次、５次谐波）的电磁场频谱。
可见，时频电磁法与常规电磁方法不同之处是可同时获得时、频域两套数据。其中，时间域主要为长周期信号，对应的激发周期大于4s。一般包括4、8、10、16、20、32、40、64、128s等多条衰减曲线，每条曲线都是由包括数条较短周期的信号叠加而成，资料处理中可以对长周期衰减曲线进行处理；频率域为从高频（128Hz）到低频（1/128Hz）的一条频谱曲线，为了加密频率点，除基频外，频率点还包括3次和5次谐波频率。
图1 时频电磁仪器系统工作原理（引自文献[1]）
3 时频电磁仪器系统主要性能指标
时频电磁仪器系统的发射系统已经推出多个类型的产品，目前最新的为第三代，即TFEM-T3型时频发射系统。该系统为超高压电磁发射仪，可实现最大负载电压2000Ｖ、最大功率300kW，具备紧急制动和长时间输出等功能。该系统的主要指标见表１~表３。
表1 TFEM-T3主要技术指标（引自文献[1]）
表2 逆变控制盒主要技术指标（引自文献[1]）
表3 TFEM接收系统主要技术指标（引自文献[1]）
4 时频电磁法应用案例
经过十余年的研究、试验和应用，时频电磁技术及仪器系统得到不断完善，应用效果明显。目前，东方地球物理公司（BGP）已经生产大功率时频电磁发射系统十二套，形成了从TFEM-1到TFEM-3型等多种型号，功率从150kW到300kW、输出电流从80A到200A等系列产品。时频电磁采集站包括模拟、组网式和节点式多种类型，可以适应不同探区地形地貌，总道数可达近2000道。截止2018年底，BGP开展的时频电磁剖面采集长度超过30000km，涉及10块面积性的三维时频勘探。其中2014年在新疆某油田区的三维时频电磁勘探为世界上首次开展三维时频电磁勘探，共动用时频电磁节点仪器930道，布设了四方位激发场源，实现四次覆盖激发，完成三维面积102.7km2、测点1176个。
图2是在新疆山前MS地区采集的时频电磁测深剖面。偏移距为8.3km，最大激发周期为40s，低频发射电流为110A。根据工区资料，探区的平均电阻率为73.5，根据前面模拟方法，可以计算出有效探测深度超过10km。从该电阻率反演剖面可见，其有效探测深度达到10km，在深度5~7km仍然可清晰地看出深部上石炭统发育了上、下两套高阻火成岩岩层序列，其间为低阻沉积岩层。根据该地区地质资料，深部高阻团块状异常是火山岩（玄武岩、安山岩、流纹岩等）的反应。钻探证明，这些火山岩大多是油气储层。据此在该剖面圈定了9个有利储层目标（见图中圈码）。剖面中相对低阻的异常是碎屑岩、凝灰岩的反应，在该地区一般为良好盖层。另外，电性剖面对深层（大于7km）火山机构的发育特征也有所反应。剖面左段为山前逆掩带，清晰揭示出山前石炭系下伏的二叠系，并且可见多次叠置和高角度逆冲的特征，为该地区进一步开展三维地震勘探及钻探部署提供了非常有价值的资料。后续针对盆地腹部的⑤号和⑨号火山岩储层的钻探都获得了工业油气流。目前该探区已经形成探明地质储量达10亿吨的大型油气田，时频电磁资料起到了重要的参考作用。
图2 MS地区时频电磁测深电阻率反演剖面（引自文献[1]）
时频电磁油气检测技术对于解决油气勘探开发难题意义重大，多年应用实践证明，电磁的属性异常（电阻率和极化率等）与地震解释圈闭、地震属性等联合进行目标含油气评价，可有效降低钻探风险，提高油气勘探开发效益。电磁-地震联合将作为油气勘探开发中的关键技术发挥更大作用，对于深部矿产资源、地热地下水资源及其他目标探测也是一项可以借鉴甚至直接应用的技术。同时，对于电磁勘探技术的深入发展具有积极意义。这项技术的发展必将为中国深部资源勘探做出更大贡献。
参考文献
[1] 何展翔, 陈忠昌, 任文静, 庞恒昌, 田志权, 沈义斌. 时频电磁（TFEM）勘探技术：数据采集系统[J]. 石油地球物理勘探, 2020, 55(5): 1131-1138.
[2] 何展翔, 董卫斌, 赵国, 侯宇健, 沈义斌, 刘雪军. 时频电磁（TFEM）技术：数据处理[J]. 石油地球物理勘探, 2021, 56(6): 1391-1399.