陳衛(wèi)營， 薛國強(qiáng)，2， 崔江偉， 鐘華森

1 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實驗室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029 2 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實驗室， 西安　710054

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SOTEM響應(yīng)特性分析與最佳觀測區(qū)域研究

陳衛(wèi)營1， 薛國強(qiáng)1，2， 崔江偉1， 鐘華森1

1 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實驗室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029 2 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實驗室， 西安710054

摘要電性源短偏移距瞬變電磁法(SOTEM)是目前研究和應(yīng)用較為廣泛的一種人工源時間域電磁法工作裝置，對深部資源地球物理精細(xì)探測具有一定的實際意義.為了深入理解方法內(nèi)涵并更好地進(jìn)行推廣應(yīng)用，本文基于電性源瞬變電磁一維正演理論，研究了SOTEM地下感應(yīng)電流擴(kuò)散、多分量電磁響應(yīng)平面分布、多偏移距衰減等特性，然后根據(jù)上述特性研究了SOTEM的最佳觀測區(qū)域.研究結(jié)果表明：電性源在地下可以產(chǎn)生水平和垂直兩個方向的感應(yīng)電流.其中，水平感應(yīng)電流又分為上部水平感應(yīng)電流和下部水平感應(yīng)電流(又稱作返回電流)，水平感應(yīng)電流的極大值主要集中于發(fā)射源附近并垂直向下擴(kuò)散；垂直感應(yīng)電流極大值沿與地面呈45°角的方向向下、向外擴(kuò)散，并且具有較低的振幅和較快的擴(kuò)散速度.電性源激發(fā)的六個方向的電磁場分量都具有一定的探測能力，但是考慮到地面觀測的方便性和各分量的傳播、分布特點(diǎn)，大多數(shù)情況僅利用垂直磁場分量Hz(?B/?t)和水平電場分量Ex.其中，Hz僅對低阻目標(biāo)體敏感，且敏感區(qū)域位于赤道向區(qū)域，并集中在發(fā)射源附近；Ex既對低阻體敏感也對高阻體敏感，對低阻體的敏感區(qū)域位于赤道向區(qū)域，而對高阻體的敏感區(qū)域位于軸向區(qū)域，并且敏感區(qū)域距發(fā)射源的距離與目標(biāo)體埋深和圍巖電性有關(guān).

關(guān)鍵詞瞬變電磁法； 電性源； 短偏移距； SOTEM； 最佳觀測區(qū)域

1引言

隨著我國淺部資源的消耗殆盡，國家提出加強(qiáng)“第二深度空間”探礦以及“攻深探盲”的資源戰(zhàn)略(滕吉文，2006).為實現(xiàn)地下500～2000 m深度范圍內(nèi)礦產(chǎn)資源的有效探測，需在已有基礎(chǔ)之上完善或創(chuàng)新更多行之有效的地球物理勘探方法.瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間域人工源電磁探測方法.它是利用不接地回線(磁性源)或接地線源(電性源)向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法.TEM可以在距離發(fā)射源很近的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大深度的探測，并可以實現(xiàn)頻率域電磁法無法實現(xiàn)的同點(diǎn)觀測(Nabighian，1979；Kaufman and Keller,1983；樸化榮，1990；牛之璉，1992).時間域電磁法是近年來發(fā)展很快的電法勘探分支方法，在國際上有人稱作是電法的“二次革命”.目前TEM已廣泛應(yīng)用于金屬礦勘探、構(gòu)造填圖、油氣田、煤田、地下水、凍土帶、海洋地質(zhì)、水文工程地質(zhì)及工程檢測等領(lǐng)域(李貅，2002；嵇艷菊等，2005；薛國強(qiáng)等，2007；陳衛(wèi)營，2013; 韓自強(qiáng)等，2015).

傳統(tǒng)的TEM工作多采用磁性源裝置形式或電性源長偏移距形式(LOTEM).磁性源TEM體積效應(yīng)小、探測精度高，但是探測深度較小(一般不超過500 m)并且對高阻目標(biāo)體不敏感；LOTEM探測深度大(可達(dá)10 km)，但是精度一般不高.為此，最近人們對采用電性源激發(fā)并在小偏移距范圍內(nèi)觀測純二次場信號的短偏移TEM裝置越來越感興趣，薛國強(qiáng)等(2013)將該種裝置命名為SOTEM.大量的理論與實踐證明，SOTEM裝置相較于磁性源瞬變電磁法，大大提升了探測深度，相較于LOTEM提高了探測精度(Ziolkowski, 2010；Cuevas and Alumbaugh, 2011；薛國強(qiáng)等，2013；Xue et al., 2014; Chen et al.，2015；Zhou et al.，2015；王顯祥等，2015).

但是，目前對該方法的研究和應(yīng)用尚不普遍也不完善，主要原因是相較于磁性源TEM，SOTEM的電磁場理論更為復(fù)雜，并且缺乏配套的數(shù)據(jù)處理解釋軟件，涉及二、三維的研究和應(yīng)用幾乎沒有進(jìn)行.而在一維理論下，詳細(xì)研究電性源電磁場的各種特性是深入理解方法內(nèi)涵、推動方法發(fā)展的有效途徑.本文基于電性源瞬變電磁一維正演理論，研究了SOTEM地下感應(yīng)電流擴(kuò)散、電磁場響應(yīng)平面分布、多偏移距衰減等特性，以及SOTEM的最佳觀測區(qū)域問題.研究結(jié)果對進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用SOTEM具有指導(dǎo)意義.

2SOTEM方法介紹

電性源短偏移距瞬變電磁法(Short-offset transient electromagnetic method，簡稱SOTEM)是在傳統(tǒng)LOTEM法基礎(chǔ)上提出的一種新型瞬變電磁工作裝置.它利用長約500～2000 m的接地長導(dǎo)線為發(fā)射源，供以強(qiáng)度一般為10～40 A的雙極性矩形階躍電流，并在小于2倍探測深度的偏移距范圍內(nèi)觀測瞬變電磁場(圖1).與LOTEM采用連續(xù)波形激勵、在大偏移距處(一般3～8倍探測深度)觀測總場響應(yīng)不同，SOTEM在小偏移距范圍內(nèi)觀測純二次場響應(yīng).這種工作方式一方面提高了觀測信號的信噪比，另一方面減小了體積效應(yīng)的影響，從而大大降低了數(shù)據(jù)處理的難度并提高了處理結(jié)果的準(zhǔn)確度(薛國強(qiáng)等，2013；陳衛(wèi)營和薛國強(qiáng)，2013).實際工作中，一般觀測垂直磁場分量隨時間的導(dǎo)數(shù)(感應(yīng)電壓)和水平電場分量.目前SOTEM的主要數(shù)據(jù)處理流程包括預(yù)處理、全期視電阻率計算和一維反演三個步驟.筆者將SOTEM應(yīng)用于河南、山東、安徽等地的鹽腔、煤田、金屬礦等領(lǐng)域的實際勘探證明，SOTEM能夠很好地實現(xiàn)地下2000 m深度以內(nèi)的精細(xì)探測(薛國強(qiáng)等,2013; Xue et al.,2014; Chen et al.,2015； Li, 2015).

圖1　SOTEM 裝置示意圖Fig.1　Diagram of SOTEM field setup

目前，SOTEM的研究與應(yīng)用主要基于1D正反演理論.納比吉安(1992)給出了電偶極子源在層狀1D大地模型表面產(chǎn)生的瞬變響應(yīng)的計算方法.鑒于SOTEM偏移距較小，偶極子假設(shè)條件(一般認(rèn)為當(dāng)偏移距大于5倍的發(fā)射源長度時)不成立，因此在計算時需先對發(fā)射源進(jìn)行偶極子分割，分段計算響應(yīng)再進(jìn)行積分求和得到整個源的響應(yīng)(周楠楠等，2012).下文中對SOTEM響應(yīng)特性與觀測區(qū)域特性的研究便是基于上述1D正演理論.

3SOTEM地下感應(yīng)電流擴(kuò)散特性

地面觀測到瞬變電磁場的響應(yīng)是由大地感應(yīng)渦流產(chǎn)生的，根據(jù)Lewis和Lee(1978)、Nabighian(1979)、Reid和Macnae(1998)、Wang(2002)、閆述等(2002)的研究，我們知道大地中的感應(yīng)電流可近似地用圓形電流環(huán)來等效，即等效電流可以形象地表示為由發(fā)射源吹出的“煙圈”.“煙圈”隨時間的擴(kuò)散過程可以用地下電場等值線來描述.在電性源瞬變電磁中，由于接地電極的存在，大地成為發(fā)射源的一部分，與長導(dǎo)線共同組成回路.相較于水平或垂直不接地回線源中僅存在沿發(fā)射源流動的電流，長導(dǎo)線-大地系統(tǒng)在地下電流方向要復(fù)雜的多，不僅存在水平感應(yīng)電流還存在垂直感應(yīng)電流，這也就導(dǎo)致了對應(yīng)電磁場擴(kuò)散及分布的復(fù)雜性(Key，2009).

為了研究這兩個方向的感應(yīng)電流的擴(kuò)散特性，計算了長度為200 m的電性源(發(fā)射電流10 A)在均勻半空間(電阻率為100 Ωm)產(chǎn)生的水平感應(yīng)電流和垂直感應(yīng)電流.圖2為兩個不同時刻(1 ms和3 ms)的水平感應(yīng)電流的地下擴(kuò)散圖.電性源的水平感應(yīng)電流由兩部分組成：上部水平感應(yīng)電流和下部水平感應(yīng)電流(圖1a中紅色虛線圈定區(qū)域)(Um et al., 2012).上部水平電流最大值在全期范圍內(nèi)都集中在場源附近.下部感應(yīng)水平電流又稱作“返回電流” (Gunderson et al.，1986)，向下擴(kuò)散速度較快但是振幅要比上部電流小.由于水平電流的最大值一直離場源較近，所以當(dāng)在場源附近存在不均勻體時電性源的電磁響應(yīng)會產(chǎn)生靜態(tài)偏移效應(yīng)(Newman，1989).

圖3為電性源在兩個不同時刻(1 ms和3 ms)激發(fā)的垂直感應(yīng)電流的地下擴(kuò)散圖.垂直感應(yīng)電流表現(xiàn)出了許多重要的特性.首先，垂直感應(yīng)電流極大值集中于兩個接地電極的下方，并逐漸向外、向下擴(kuò)散；而在發(fā)射源中點(diǎn)的正下方不存在垂直感應(yīng)電流，這是由于垂直電場分量僅由相互對稱的兩個接地項激勵，因此在對稱點(diǎn)上正負(fù)抵消為零(納比吉安，1992).其次，垂直感應(yīng)電流的強(qiáng)度隨時間的衰減速度較水平感應(yīng)電流更快，3 ms時的垂直電流強(qiáng)度比1 ms時衰減了近10倍，而水平感應(yīng)電流僅衰減了7倍左右.另外，通過對比兩種感應(yīng)電流的振幅強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在給定時間，垂直感應(yīng)電流極大值的振幅差不多僅為水平感應(yīng)電流的20%.也就是說垂直感應(yīng)電流較水平感應(yīng)電流具有振幅小、衰減快的特性.

圖2　電性源水平感應(yīng)電流隨時間擴(kuò)散圖(a) t=1 ms； (b) t=3 ms.Fig.2　Diffusion plots of horizontal induced current

圖3　電性源垂直感應(yīng)電流隨時間擴(kuò)散圖(a) t=1 ms； (b) t=3 ms.Fig.3　Diffusion plots of vertical induced current

圖4為回線源產(chǎn)生的水平感應(yīng)電流和電性源產(chǎn)生的水平、垂直感應(yīng)電流在不同時刻的極大值擴(kuò)散路徑圖.Nabighian(1979)和牛之璉(1992)對于回線源的感應(yīng)電流都做了比較詳細(xì)的研究，指出感應(yīng)電流的極大值大致沿與地面呈30°角的方向擴(kuò)散.而圖4所示的電性源垂直感應(yīng)電流極大值大致沿與地面呈45°角的方向擴(kuò)散，水平感應(yīng)電流極大值則是垂直向下擴(kuò)散.圖4更加形象地顯示出在三種感應(yīng)電流中，電性源的垂直感應(yīng)電流擴(kuò)散速度最快，其次為回線源水平感應(yīng)電流，擴(kuò)散最慢的為電性源水平感應(yīng)電流.

目前在陸地環(huán)境的SOTEM工作中，直接測量垂直電場分量具有一定困難，但是，Kaufman和Keller(1983)指出垂直感應(yīng)電流在高阻薄層界面產(chǎn)生的積累電荷對于高阻薄層的探測極為有利.正是基于電性源這種在高阻體探測方面的優(yōu)越性，本方法在油氣田、采空區(qū)等高阻目標(biāo)體勘探領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用.

圖4　感應(yīng)電流極大值擴(kuò)散路徑Fig.4　Locus of the induction current maximum

3SOTEM瞬變電磁場平面分布特性

地下感應(yīng)電流的擴(kuò)散特性決定了地面電磁場的擴(kuò)散與分布，研究電性源瞬變電磁場隨時間在地面的擴(kuò)散、分布規(guī)律對分析電磁場特性、選擇合適的電磁分量進(jìn)行觀測具有重要的意義.置于地表的電偶極源在直角坐標(biāo)系下可以產(chǎn)生全部六個電磁場分量，它們分別是Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz，雖然這六個場量都包含了地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)信息，對地層都具有探測能力，但在實際的地面工作中，Ez分量不易觀測，因此在下述計算、分析中，暫不考慮Ez分量.計算了電阻率為100 Ωm的均勻半空間(由于Ey在均勻半空間表面產(chǎn)生的響應(yīng)為零，因此計算Ey時所用模型為含一低阻薄層(埋深500 m，厚度50 m，電阻率10 Ωm)的均勻半空間)情況下Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量在不同時刻、不同位置的響應(yīng)值，并繪制了兩個時刻的響應(yīng)平面分布圖，上述計算中發(fā)射源參數(shù)為長度1000 m，電流強(qiáng)度10 A.

平面分布圖(圖5)更清晰地顯示出Ex的擴(kuò)散與分布特性：在平面各個方向分布均勻，全期探測范圍內(nèi)電場極大值集中于發(fā)射源附近，離發(fā)射源越遠(yuǎn)信號強(qiáng)度就越低，這與前面分析的上部水平感應(yīng)電流集中于發(fā)射源附近相吻合.

圖6所示的平面分布圖表現(xiàn)出，Ey場值的分布極不均勻，極值集中于四個象限內(nèi).根據(jù)納比吉安(1992)可知水平電場Ey的表達(dá)式中僅包含接地項，因此根據(jù)電磁場矢量疊加原理，兩個極性相反的電極導(dǎo)致場在赤道向φ=90°以及軸向φ=0°區(qū)域等于零，在φ=45°時場值最大.圖7所示的水平磁場Hx分布特征與Ey的分布特征基本上類似.

從平面分布圖8也可以看出，正向的水平磁場集中于發(fā)射源附近，這是因為Hy是由發(fā)射源中與電流方向一致的正向感應(yīng)電流激發(fā)而來；而負(fù)向水平磁場則集中于兩側(cè)離發(fā)射源一定距離的范圍，這是因為此處的Hy是由負(fù)向的“返回電流”感應(yīng)得到的.Hy場隨時間擴(kuò)散，但是極值一直集中在線源處，這是因為產(chǎn)生水平磁場的垂向感應(yīng)電流的極值是沿發(fā)射源所在平面垂直向下擴(kuò)散的.

圖9說明Hz的極值分布于發(fā)射源兩側(cè)，并隨時間推移沿發(fā)射源中垂線逐漸向遠(yuǎn)處移動.分析對比上述五個分量，可以發(fā)現(xiàn)，Ex和Hz這兩個分量在平面內(nèi)分布較為均勻、簡單，特別是在沿發(fā)射源導(dǎo)線和其中垂線的方向上，這對保證同一測線上各測點(diǎn)所測響應(yīng)幅值趨于均勻非常重要.而Ey和Hx由于響應(yīng)僅由接地項激發(fā)，致使場分布呈明顯的四象限分布，在與發(fā)射源平行的方向上極不均勻.Hy則由于返回電流的作用，在全期內(nèi)出現(xiàn)方向相反的兩種場，使測量響應(yīng)存在變號現(xiàn)象.所以，為了使觀測得到的電磁響應(yīng)簡單、易于處理，我們要盡量選擇場分布均勻、簡單的分量.

圖5　不同時刻Ex平面分布圖(a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig.5　Distribution plane maps of Ex at different times

圖6　不同時刻Ey擴(kuò)散平面圖(a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig.6　Distribution plane maps of Ey at different times

圖7　不同時刻Hx擴(kuò)散平面圖(a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig.7　Distribution plane maps of Hx at different times

圖8　不同時刻Hy擴(kuò)散平面圖(a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig.8　Distribution plane maps of Hy at different times

圖9　不同時刻Hz擴(kuò)散平面圖(a) t=1 ms； (b) t=10 ms.Fig.9　Distribution plane maps of Hz at different times

4SOTEM瞬變電磁場多偏移距響應(yīng)衰減特性

上面對電磁場各分量在固定時刻的平面分布特性進(jìn)行了分析，而指定位置處在整個觀測時間范圍內(nèi)的衰減曲線是實際觀測時主要分析的對象.為了說明不同偏移距處各分量的響應(yīng)衰減特性，計算了與上節(jié)中所用模型和發(fā)射源相同時(對于Ey同樣采用含中間低阻薄層的半空間模型)四個偏移距處(分別為1000 m，2000 m，3000 m和5000 m)的響應(yīng)衰減曲線，如圖10所示.

從圖10a可以看出，水平電場Ex隨偏移距增大，信號強(qiáng)度在早期時間段內(nèi)急劇減小，而在晚期時間段內(nèi)不同偏移距處的響應(yīng)強(qiáng)度趨于一致.Ey的計算結(jié)果如圖10b所示，可以看出，隨著偏移距的增大，Ey早期響應(yīng)的強(qiáng)度明顯降低，而晚期道的信號強(qiáng)度則相差不大，這說明Ey場值的極值在全期內(nèi)都集中于發(fā)射源附近，并不隨時間推移向外擴(kuò)散，這與Ex表現(xiàn)出類似的性質(zhì).圖10b中曲線最明顯的特征是在1～10 ms之間每條衰減曲線都出現(xiàn)一個突然下降的極小值點(diǎn)，而其他地質(zhì)模型(含高阻薄層的半空間)則不會出現(xiàn)該現(xiàn)象，因此可以推斷，模型中的低阻薄層是造成上述信號急速衰減的原因.Ey這種對低阻薄層反應(yīng)靈敏、表象劇烈的特性可被利用.水平磁場Hx也僅由接地項激發(fā)，因此場的衰減與Ey非常類似，但是從圖10c可以看出，隨著偏移距增大，Hx早期信號強(qiáng)度減小而晚期信號強(qiáng)度增強(qiáng)，這說明Hx的極值是隨時間推移逐漸向外擴(kuò)散的，這點(diǎn)與Ey是不同的.水平磁場Hy的計算結(jié)果表明，在計算時間范圍內(nèi)Hy存在正、負(fù)兩個方向的場量，早期道場值為負(fù)，晚期道場值為正(圖10d).垂直磁場Hz的信號強(qiáng)度在早期隨偏移距增大而減小，在晚期隨偏移距增大而增大(圖10e).

需要說明的是，雖然目前瞬變電磁工作中，還是以觀測磁場隨時間的導(dǎo)數(shù)(感應(yīng)電壓)為主，但是隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，直接觀測磁場強(qiáng)度已成為現(xiàn)實，并顯示出許多優(yōu)點(diǎn)(戴遠(yuǎn)東和王世光，1996；陳曉東等，2002).作者通過對Hz與?B/?t之間的對比發(fā)現(xiàn)，兩種物理量在分布與衰減方面表現(xiàn)出相似的特性，因此本文對磁場分量的討論僅以磁場強(qiáng)度為例.

5SOTEM最佳觀測區(qū)域

前面已經(jīng)分析了SOTEM地下感應(yīng)電流的擴(kuò)散特性以及目前主要觀測的Ex和Hz(?B/?t)分量的信號衰減和分布特性，指出需在合適的區(qū)域觀測相應(yīng)的電磁場分量，以確保信號的強(qiáng)度和分布適于觀測和處理.而在實際工作中，針對不同的探測目標(biāo)體，不僅要考慮觀測合適的電磁場分量，還需選擇合適的觀測區(qū)域，以達(dá)到最佳的探測效果.為了定量分析Ex和Hz對不同地層敏感區(qū)域的分布特性，我們以如圖11所示的中間薄層模型為例，計算了薄層相對圍巖分別為低阻和高阻時的電磁場響應(yīng)，并利用(1)式定義的相對異常進(jìn)行定量對比.計算中發(fā)射源參數(shù)為發(fā)射源長1000 m，發(fā)送電流10 A.

(1)

圖10　不同偏移距r處各分量衰減曲線(a) Ex； (b) Ey； (c) Hx； (d) Hy； (e) Hz.Fig.10　Decay curvers of each component at different offsets

圖11　低阻和高阻中間薄層模型Fig.11　Conductive or resistive thin layer in a half-space

圖12為以每個觀測點(diǎn)處的最大Pi值繪制而成的平面分布圖.分析圖12可以得出如下的結(jié)論：Hz對低阻薄層的敏感程度遠(yuǎn)大于對高阻薄層的，其敏感區(qū)域集中于發(fā)射源附近；Ex對低阻、高阻薄層的敏感程度相當(dāng)，但是對低阻薄層的敏感區(qū)域主要集中于赤道區(qū)域，而對高阻薄層的敏感區(qū)域主要集中于軸向區(qū)域，并且這兩個敏感區(qū)域都處于離發(fā)射源一定距離的位置.該距離與目標(biāo)體的深度與圍巖的電阻率有關(guān)，因此在利用Ex分量進(jìn)行探測時，應(yīng)先根據(jù)已知信息估算圍巖電阻率和目標(biāo)體埋深，從而選擇合適的觀測區(qū)域.

圖12　最大相對異常平面分布圖(a) Hz對低阻薄層平面分布； (b) Hz對高阻薄層平面分布； (c) Ex對低阻薄層平面分布； (d) Ex對高阻薄層平面分布Fig.12　Distribution of relative anomaly maximum (a) Hz component for conductive layer； (b) Hz component for resistive layer；(c) Ex component for conductive layer； (d) Ex component for resistive layer.

6結(jié)論

接地導(dǎo)線源在地下既能激發(fā)水平向感應(yīng)電流也能激發(fā)垂直向感應(yīng)電流，水平感應(yīng)電流又分為上部水平感應(yīng)電流和下部水平感應(yīng)電流(又稱作返回電流)，水平感應(yīng)電流的極大值主要集中于發(fā)射源附近并垂直向下擴(kuò)散；垂直感應(yīng)電流極大值沿與地面呈45°角的方向向下、向外擴(kuò)散，并且具有較低的振幅和較快的擴(kuò)散速度.電性源激發(fā)的六個方向的電磁場分量都具有對地的探測能力，但是考慮到地面觀測的方便性和各分量的傳播、分布特點(diǎn)，大多數(shù)情況僅利用垂直磁場分量Hz(?B/?t)和水平電場分量Ex.其中，Hz僅對低阻目標(biāo)體敏感，且敏感區(qū)域集中于赤道向區(qū)域；Ex既對低阻體敏感也對高阻體敏感，對低阻體的敏感區(qū)域集中于赤道向區(qū)域，而對高阻體的敏感區(qū)域集中于軸向區(qū)域，實際工作中需要根據(jù)目標(biāo)體深度及圍巖電性合理選擇觀測區(qū)域.

目前，隨著深部探測需求的增加，與“電性源”及“短偏移距”相關(guān)的研究工作也越來越多，表明該工作裝置具有很強(qiáng)的探測能力有待開發(fā).本文僅對電性源瞬變場響應(yīng)的基本特性做出了研究和分析，旨在實現(xiàn)對SOTEM方法的深入理解，為后續(xù)工作建立理論基礎(chǔ).今后的研究應(yīng)著重于SOTEM響應(yīng)精確計算、二、三維正演、反演成像技術(shù)、多分量綜合應(yīng)用、附加效應(yīng)消除等領(lǐng)域.

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(本文編輯胡素芳)

基金項目國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB416605)，國家自然科學(xué)基金(41474095) ，中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實驗室開放基金，國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實驗室開放課題聯(lián)合資助.

作者簡介陳衛(wèi)營，男，1987年生，博士，主要從事瞬變電磁法理論與應(yīng)用方面的研究. E-mail：chenweiying1987@163.com

doi:10.6038/cjg20160231 中圖分類號P631

收稿日期2015-05-22，2015-11-03收修定稿

Study on the response and optimal observation area for SOTEM

CHEN Wei-Ying1, XUE Guo-Qiang1,2, CUI Jiang-Wei1, ZHONG Hua-Sen1

1KeyLaboratoryofMineralResources,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofScience,Beijing100029,China2KeyLaboratoryofCoalResourcesExplorationandComprehensiveUtilization,MinistryofLandandResources,Xi′an710054，China

AbstractSOTEM is a kind of time domain electromagnetic method with great detecting depth and high resolution. In order to further understand and promote this method, studies on its distribution of electromagnetic field response and diffusion characteristics was conducted in this paper. Calculation results based on the 1D forwarding theory of SOTEM indicate that grounded wire source can excite both horizontal and vertical induced current under ground. The horizontal current includes upper and lower parts (also called return current). The maximum of horizontal induced current mainly focus on the area close to the source and diffuses downward vertically. The maximum of vertical induced current diffuses along the direction of 45 degrees with the ground surface with a weaker amplitude and faster speed than horizontal induced current. All the six EM components have the ability for geophysical detection. However, in consideration of the diffusion characteristics of each component and observation convenience, vertical magnetic component Hz (?B/?t) and horizontal electric component Ex are the mostly used in practical. Magnetic component (Hz) is more sensitive to low resistance body and it mainly focuses on the region close to equator area. Electric component (Ex) shows same sensitivity to both low and high resistance body, while low resistance sensitive area mainly focuses on the region close to equator and high resistance sensitive mainly focuses on axial region, and the distance between sensitive region and source is depended on the buried depth of targets and resistivity of overburden.KeywordsTEM; Electric source; Short offset; SOTEM; Optimal observation area

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