周逢道 林 君 劉長(zhǎng)勝 孫彩堂

（吉林大學(xué)地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026）

海洋可控源電磁探測(cè)的基本原理

海洋可控源電磁探測(cè)利用海水中電場(chǎng)或磁場(chǎng)與海底電導(dǎo)率之間的關(guān)系來獲取海底介質(zhì)信息，從而研究海底內(nèi)部組成和構(gòu)造，如測(cè)量海底電導(dǎo)率、勘察海底工程環(huán)境、探查海底油氣等。其基本原理是，在海底表面發(fā)射電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)在海水和海底介質(zhì)中傳播，并感生二次場(chǎng)，二次場(chǎng)的大小與介質(zhì)的電導(dǎo)率密切相關(guān)。因此，初始電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)）和二次場(chǎng)疊加成的總場(chǎng)包含了海底介質(zhì)的電導(dǎo)率信息。通過測(cè)量海底表面某一點(diǎn)的總場(chǎng)，便可獲得海底介質(zhì)的電導(dǎo)率信息?？倛?chǎng)與介質(zhì)電導(dǎo)率的具體關(guān)系由海洋地電模型和發(fā)射接收裝置類型決定。通過相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，可以由測(cè)量的總場(chǎng)反演出海底介質(zhì)的電導(dǎo)率。

時(shí)間域電磁法用于海底探測(cè)時(shí)，水平發(fā)射線圈位于海底上方，加載有階躍關(guān)斷的電流，電流波形如圖1所示。

當(dāng)線圈中通有電流時(shí)，線圈周圍存在穩(wěn)恒的磁場(chǎng)。當(dāng)電流突然關(guān)斷后，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)（一次磁場(chǎng)）消失，此時(shí)周圍介質(zhì)感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)阻止一次磁場(chǎng)的消失。渦流的大小與介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)，因而二次磁場(chǎng)也與介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)。一般情況下，介質(zhì)電導(dǎo)率越高，產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)越大，介質(zhì)電導(dǎo)率越低，產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)越小。電流關(guān)斷后，隨著時(shí)間的推移，渦流向外和深處傳播，不同延時(shí)的二次磁場(chǎng)反映不同深度的介質(zhì)信息。早延時(shí)對(duì)應(yīng)淺部介質(zhì)，晚延時(shí)對(duì)應(yīng)深部介質(zhì)。通過測(cè)量發(fā)射線圈周圍不同時(shí)刻的二次磁場(chǎng)，可以推斷海底電導(dǎo)率隨深度的分布［1-8］。

圖1 階躍關(guān)斷電流波形

1.海洋可控源中心回線裝置電磁響應(yīng)計(jì)算方法

均勻海底模型的時(shí)間域電磁響應(yīng)可直接通過解析式計(jì)算。對(duì)于層狀海底，時(shí)間域電磁響應(yīng)沒有解析計(jì)算式，需采用數(shù)值方法將頻率域電磁響應(yīng)轉(zhuǎn)換到時(shí)間域。頻率域電磁響應(yīng)到時(shí)間域轉(zhuǎn)換方法有很多種，采用正余弦變換進(jìn)行計(jì)算［9］。發(fā)射負(fù)階躍電流時(shí)，中心回線接收線圈的時(shí)間域感應(yīng)電壓可用傅里葉逆變換的形式表示為

由于頻率域電磁場(chǎng)具有實(shí)偶虛奇的性質(zhì)，即Re Hz為偶函數(shù)，ImHz為奇函數(shù)，故式（2）可簡(jiǎn)化為

從數(shù)學(xué)的角度來看，式（3）中的時(shí)間t可正可負(fù)。但在求解時(shí)間域電磁響應(yīng)時(shí)，需要的是t＞0時(shí)的響應(yīng)。當(dāng)t＞0時(shí)，即上升沿之前，由于沒有電磁場(chǎng)變化，感應(yīng)電壓為0。規(guī)定式（3）中t＞0，則上升沿之前的感應(yīng)電壓可由式（3）中時(shí)間變量取-t得到

聯(lián)合式（3）和（4），上升沿出現(xiàn)之后的時(shí)間域感應(yīng)電壓可寫為

根據(jù)式（5），分別對(duì)頻率域磁場(chǎng)響應(yīng)的實(shí)部進(jìn)行余弦變換或?qū)μ摬窟M(jìn)行正弦變換，可得到時(shí)間域感應(yīng)電壓響應(yīng)。其中，頻率域磁場(chǎng)響應(yīng)表達(dá)式中的Hankel積分采用數(shù)值濾波方法計(jì)算。

2.關(guān)斷時(shí)間對(duì)電磁響應(yīng)影響分析

在儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無法實(shí)現(xiàn)理想的階躍關(guān)斷，通常采用斜階躍關(guān)斷［10］，如圖2所示。關(guān)斷過程中，由于存在一次場(chǎng)，測(cè)量受到嚴(yán)重干擾，測(cè)量時(shí)區(qū)應(yīng)盡可能選擇在電流完全關(guān)斷之后。測(cè)量時(shí)區(qū)的選擇還受目標(biāo)體的最佳觀測(cè)延時(shí)限制，不能過晚。因此，需要結(jié)合所需的觀測(cè)延時(shí)來考慮關(guān)斷時(shí)間的影響。為了研究關(guān)斷沿對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可用若干個(gè)階躍關(guān)斷電流波形等效斜階躍電流波形。計(jì)算這些不同延時(shí)的階躍電流單元所產(chǎn)生的電磁響應(yīng)，疊加后可得到斜階躍關(guān)斷電流波形的電磁響應(yīng)［11-14］。采用幾組實(shí)例對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響進(jìn)行仿真分析。

采用如圖3所示的海底地質(zhì)構(gòu)造模型圖［15］，假設(shè)半徑2m的單匝發(fā)射線圈中電流的關(guān)斷時(shí)間為100μs，用10個(gè)階躍波形來模擬斜階躍關(guān)斷，每個(gè)階躍波間隔10s，則不同關(guān)斷時(shí)間時(shí)測(cè)量時(shí)區(qū)的感應(yīng)電壓衰減曲線如圖4所示。

計(jì)算時(shí)海水電導(dǎo)率取3.2S／m，海底電導(dǎo)率取1.0S／m，水深無限大，感應(yīng)電壓對(duì)發(fā)射電流和接收面積歸一，將電流開始關(guān)斷的時(shí)刻記為0時(shí)刻。仿真結(jié)果顯示，關(guān)斷時(shí)間越小，可進(jìn)行測(cè)量的最早時(shí)刻越小，且此時(shí)的感應(yīng)電壓也越大，隨著關(guān)斷時(shí)間的增大，可進(jìn)行測(cè)量的最早時(shí)刻越晚，此時(shí)的感應(yīng)電壓也相對(duì)減??；對(duì)于不同的關(guān)斷時(shí)間，早期同一時(shí)刻的感應(yīng)電壓幅值隨著關(guān)斷時(shí)間的增大而增大，不同關(guān)斷時(shí)間在晚期的感應(yīng)電壓沒有變化。關(guān)斷時(shí)間不僅影響早期信號(hào)的幅值，而且影響時(shí)間域可控源電磁探測(cè)（CSEM）對(duì)海底淺部介質(zhì)的分辨能力。

圖5為海底基底電導(dǎo)率為1.0S／m時(shí)，海底表層分別為30m厚的低阻（10S／m）和高阻（0.1S／m）時(shí)，不同關(guān)斷時(shí)間引起的電磁異常曲線，圖中縱坐標(biāo)為感應(yīng)電壓比值，表示為海底含有異常時(shí)感應(yīng)電壓與海底均勻時(shí)感應(yīng)電壓之比。

高阻海底表層（0.1S／m）的最大電磁異常出現(xiàn)在中間時(shí)段，早期和晚期異常幅度均減小。關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，最早測(cè)量時(shí)刻的異常幅度越小。低阻海底表層（10S／m）的電磁異常隨延時(shí)的增大而增大，同樣，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，最早測(cè)量時(shí)刻的異常幅度越小。相對(duì)于高阻海底而言，最早測(cè)量時(shí)刻低阻海底的電磁異常受關(guān)斷時(shí)間影響更明顯，但晚延時(shí)兩者的電磁異常均不受關(guān)斷時(shí)間影響。就30m厚的海底表層而言，由于其引起的電磁異常在較長(zhǎng)一段時(shí)間段內(nèi)均呈現(xiàn)，關(guān)斷時(shí)間不會(huì)對(duì)表層電磁異常觀測(cè)帶來明顯影響。但關(guān)斷時(shí)間較大會(huì)導(dǎo)致最早測(cè)量時(shí)刻的電磁響應(yīng)幅值變小，信噪比低，不利于測(cè)量。因此，對(duì)淺部介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，關(guān)斷時(shí)間越小越好。特別是對(duì)海底薄表層進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如厚度5m的表層，采用較短的關(guān)斷時(shí)間十分必要。

圖6是不同高阻海底薄表層和低阻海底薄表層的電磁異常曲線，在中間延時(shí)均存在一個(gè)異常峰值。只有關(guān)斷時(shí)間很小時(shí)，才能夠觀測(cè)到該最大異常。其中，高阻薄層異常峰值出現(xiàn)時(shí)間比低阻薄層早一個(gè)數(shù)量級(jí)，觀測(cè)該峰值需要更小的關(guān)斷時(shí)間（小于50μs）.

可見，關(guān)斷時(shí)間越小越有利于海底淺部探測(cè)，但并不要求實(shí)現(xiàn)階躍關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)間只要不過大（如小于100μs），都可以觀測(cè)到海底表層引起的電磁異常，只是觀測(cè)到的最大異常幅度偏小，且信噪比偏低。

3.結(jié)果分析

關(guān)斷時(shí)間主要影響電流關(guān)斷后最早時(shí)刻的測(cè)量結(jié)果，關(guān)斷時(shí)間越小，可進(jìn)行測(cè)量的最早時(shí)刻越小，且最早時(shí)刻測(cè)量的電磁響應(yīng)幅值越大。因此，若需要早期信號(hào)，則應(yīng)采用較小的關(guān)斷時(shí)間；而若需要晚期信號(hào)，則可采用較大的關(guān)斷時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間較大會(huì)導(dǎo)致最早測(cè)量時(shí)刻的電磁響應(yīng)幅值變小，信噪比低，不利于測(cè)量。因此，對(duì)淺部介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，關(guān)斷時(shí)間越小越好。特別是對(duì)海底薄表層進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如厚度5m的表層，采用較小的關(guān)斷時(shí)間十分必要。關(guān)斷時(shí)間越小越有利于海底淺部探測(cè)，但并不要求實(shí)現(xiàn)階躍關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)間只要不過大（如小于100μs），都可以觀測(cè)到海底表層引起的電磁異常，只是觀測(cè)到的最大異常幅度偏小，且信噪比偏低。

［1］ANDR IS D，MACGREGOR L.Controlled-source electromagnetic sounding in shallow water:Principles and applications［J］.GEOPHYSICS，2008，73（1）:F21-F32.

［2］考夫曼 A A，凱勒G V.頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深［M］.王建謀，譯.北京:地質(zhì)出版社，1987.KAUFMAN A A，KELLER G V.Frequency and Time Domain Electromagnetic Sounding［M］.Translated by WANG Jianmou.Beijing:Geological publishing house，1987.（in Chinese）

［3］納比吉安 M N.勘查地球物理電磁法［M］.趙經(jīng)祥，王艷君，譯.北京:地質(zhì)出版社，1992.Nabighian M N.，Electromagnetic Methods in Applied Geophysics［M］.Translated by Zhao Jingxiang，WANG Yanjun.Beijing:Geological publishing house，1992.（in Chinese）

［4］CHEW W C.Waves and Fields in Inhomogeneous Media［M］.New York:Van Nostrand Reinhold，1990:165-187.

［5］FITTERMAN D V，ANDERSON W L.Effect of transmitter turn off time on transient soundings［J］.Geoexploration，1987，24（2）:131-146.

［6］RYU J，MORRISON H F，WARD S H.Electromagnetic fields about a loop source of current［J］.Geophysics，1970，35（5）:862-896.

［7］STEWART D C，ANDERSON W L，GROVER T P，Et al.Shallow subsurface mapping by electromagnetic sounding in the 300KHz to 30MHz range:Model studies and prototype system assessment ［J］.Geophysics，1994，59（8）:1201-1209.

［8］RAICHE A P.The effect of ramp function turn-off on the TEM response of layered earth exploration［J］.Geophysics，1984，51（15）:37-41.

［9］于生寶，林 君.瞬變電磁法中發(fā)射機(jī)關(guān)斷時(shí)間的影響研究［J］.石油儀器，1999，13（6）:15-17.YU Shengbao，LIN Jun.Study of the effect of transmitter turn off time on transient electromagnetic method［J］.Petroleum Instruments，1999，13（6）:15-17.（in Chinese）

［10］周逢道，林 君，周國(guó)華，等.淺海底瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)關(guān)斷沿影響因素研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（4）:532-535.ZHOU Fengdao，LIN Jun，ZHOU Guohua，et al.Effect factors of turnoff time for shallow seafloor transient electromagnetic detecting system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（4）:532-535.（in Chinese）

［11］CONSTABLE S，SRNKA L J.An introduction to marine controlled-source electromagnetic methods for hydrocarbon exploration［J］，Geophysics，2007，72（2）:WA3-WA12.

［12］李 萍，梁昌洪，張殿富.UHF天線的小型化分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（6）:722-726.LI Ping，LIANG Changhong，ZHANG Dianfu.Miniaturization analysis of UHF antenna［J］，Chinese Journal of Radio Science，2004，19（6）:722-726.（in Chinese）

［13］NILSSON J W，RIEDEL S A.Electric Circuits［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2003:183-185.

［14］劉長(zhǎng)勝，林 君，周逢道.中心回線裝置在海底的瞬變響應(yīng)特征研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）:195-199.LIU Changsheng，LIN Jun，ZHOU Fengdao.Transient response characteristics of central loop configuration on seafloor［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（1）:195-199.（in Chinese）

［15］劉長(zhǎng)勝，林 君.海底表面磁源瞬變響應(yīng)建模及海水影響分析［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（6）:1891-1898.LIU Changsheng，LIN Jun.Transient electromagnetic response modeling of magnetic source on seafloor and the analysis of seawater effect［J］.Chinese Journal of Geophysics，2006，49（6）:1891-1898.（in Chinese）