中心回线关断时间对海洋电磁响应影响研究

周逢道 林 君 刘长胜 孙彩堂

（吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春 130026）

海洋可控源电磁探测的基本原理

海洋可控源电磁探测利用海水中电场或磁场与海底电导率之间的关系来获取海底介质信息，从而研究海底内部组成和构造，如测量海底电导率、勘察海底工程环境、探查海底油气等。其基本原理是，在海底表面发射电磁场，电磁场在海水和海底介质中传播，并感生二次场，二次场的大小与介质的电导率密切相关。因此，初始电磁场（一次场）和二次场叠加成的总场包含了海底介质的电导率信息。通过测量海底表面某一点的总场，便可获得海底介质的电导率信息。总场与介质电导率的具体关系由海洋地电模型和发射接收装置类型决定。通过相应数学模型，可以由测量的总场反演出海底介质的电导率。

时间域电磁法用于海底探测时，水平发射线圈位于海底上方，加载有阶跃关断的电流，电流波形如图1所示。

当线圈中通有电流时，线圈周围存在稳恒的磁场。当电流突然关断后，线圈产生的磁场（一次磁场）消失，此时周围介质感应出涡流，涡流产生的二次磁场阻止一次磁场的消失。涡流的大小与介质的电导率有关，因而二次磁场也与介质的电导率有关。一般情况下，介质电导率越高，产生的二次磁场越大，介质电导率越低，产生的二次磁场越小。电流关断后，随着时间的推移，涡流向外和深处传播，不同延时的二次磁场反映不同深度的介质信息。早延时对应浅部介质，晚延时对应深部介质。通过测量发射线圈周围不同时刻的二次磁场，可以推断海底电导率随深度的分布［1-8］。

图1 阶跃关断电流波形

1.海洋可控源中心回线装置电磁响应计算方法

均匀海底模型的时间域电磁响应可直接通过解析式计算。对于层状海底，时间域电磁响应没有解析计算式，需采用数值方法将频率域电磁响应转换到时间域。频率域电磁响应到时间域转换方法有很多种，采用正余弦变换进行计算［9］。发射负阶跃电流时，中心回线接收线圈的时间域感应电压可用傅里叶逆变换的形式表示为

由于频率域电磁场具有实偶虚奇的性质，即Re Hz为偶函数，ImHz为奇函数，故式（2）可简化为

从数学的角度来看，式（3）中的时间t可正可负。但在求解时间域电磁响应时，需要的是t＞0时的响应。当t＞0时，即上升沿之前，由于没有电磁场变化，感应电压为0。规定式（3）中t＞0，则上升沿之前的感应电压可由式（3）中时间变量取-t得到

联合式（3）和（4），上升沿出现之后的时间域感应电压可写为

根据式（5），分别对频率域磁场响应的实部进行余弦变换或对虚部进行正弦变换，可得到时间域感应电压响应。其中，频率域磁场响应表达式中的Hankel积分采用数值滤波方法计算。

2.关断时间对电磁响应影响分析

在仪器系统设计中，无法实现理想的阶跃关断，通常采用斜阶跃关断［10］，如图2所示。关断过程中，由于存在一次场，测量受到严重干扰，测量时区应尽可能选择在电流完全关断之后。测量时区的选择还受目标体的最佳观测延时限制，不能过晚。因此，需要结合所需的观测延时来考虑关断时间的影响。为了研究关断沿对测量结果的影响，可用若干个阶跃关断电流波形等效斜阶跃电流波形。计算这些不同延时的阶跃电流单元所产生的电磁响应，叠加后可得到斜阶跃关断电流波形的电磁响应［11-14］。采用几组实例对关断时间的影响进行仿真分析。

采用如图3所示的海底地质构造模型图［15］，假设半径2m的单匝发射线圈中电流的关断时间为100μs，用10个阶跃波形来模拟斜阶跃关断，每个阶跃波间隔10s，则不同关断时间时测量时区的感应电压衰减曲线如图4所示。

计算时海水电导率取3.2S／m，海底电导率取1.0S／m，水深无限大，感应电压对发射电流和接收面积归一，将电流开始关断的时刻记为0时刻。仿真结果显示，关断时间越小，可进行测量的最早时刻越小，且此时的感应电压也越大，随着关断时间的增大，可进行测量的最早时刻越晚，此时的感应电压也相对减小；对于不同的关断时间，早期同一时刻的感应电压幅值随着关断时间的增大而增大，不同关断时间在晚期的感应电压没有变化。关断时间不仅影响早期信号的幅值，而且影响时间域可控源电磁探测（CSEM）对海底浅部介质的分辨能力。

图5为海底基底电导率为1.0S／m时，海底表层分别为30m厚的低阻（10S／m）和高阻（0.1S／m）时，不同关断时间引起的电磁异常曲线，图中纵坐标为感应电压比值，表示为海底含有异常时感应电压与海底均匀时感应电压之比。

高阻海底表层（0.1S／m）的最大电磁异常出现在中间时段，早期和晚期异常幅度均减小。关断时间越长，最早测量时刻的异常幅度越小。低阻海底表层（10S／m）的电磁异常随延时的增大而增大，同样，关断时间越长，最早测量时刻的异常幅度越小。相对于高阻海底而言，最早测量时刻低阻海底的电磁异常受关断时间影响更明显，但晚延时两者的电磁异常均不受关断时间影响。就30m厚的海底表层而言，由于其引起的电磁异常在较长一段时间段内均呈现，关断时间不会对表层电磁异常观测带来明显影响。但关断时间较大会导致最早测量时刻的电磁响应幅值变小，信噪比低，不利于测量。因此，对浅部介质进行探测时，关断时间越小越好。特别是对海底薄表层进行探测时，如厚度5m的表层，采用较短的关断时间十分必要。

图6是不同高阻海底薄表层和低阻海底薄表层的电磁异常曲线，在中间延时均存在一个异常峰值。只有关断时间很小时，才能够观测到该最大异常。其中，高阻薄层异常峰值出现时间比低阻薄层早一个数量级，观测该峰值需要更小的关断时间（小于50μs）.

可见，关断时间越小越有利于海底浅部探测，但并不要求实现阶跃关断。关断时间只要不过大（如小于100μs），都可以观测到海底表层引起的电磁异常，只是观测到的最大异常幅度偏小，且信噪比偏低。

3.结果分析

关断时间主要影响电流关断后最早时刻的测量结果，关断时间越小，可进行测量的最早时刻越小，且最早时刻测量的电磁响应幅值越大。因此，若需要早期信号，则应采用较小的关断时间；而若需要晚期信号，则可采用较大的关断时间。关断时间较大会导致最早测量时刻的电磁响应幅值变小，信噪比低，不利于测量。因此，对浅部介质进行探测时，关断时间越小越好。特别是对海底薄表层进行探测时，如厚度5m的表层，采用较小的关断时间十分必要。关断时间越小越有利于海底浅部探测，但并不要求实现阶跃关断。关断时间只要不过大（如小于100μs），都可以观测到海底表层引起的电磁异常，只是观测到的最大异常幅度偏小，且信噪比偏低。

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