时频电磁(TFEM)技术：数据采集参数设计

何展翔 杨国世 陈思琪 赵 国 刘子豪 郭荣文

(①南方科技大学前沿与交叉科学研究院，广东深圳 518055; ②南方科技大学地球与空间科学系，广东深圳 518055；③东方地球物理公司综合物化探处，河北涿州 072751; ④中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)

0 引言

目前全球都面临着浅部矿产资源几近枯竭、供给严重不足的形势，向深部进军、加快第二空间接替资源的探测、为社会发展提供足够的后备储量是地球物理学家的重要使命。电磁勘探是能源、矿产勘探及地球科学探测的重要手段之一，常规电磁法已经在金属矿、地下水资源及地热勘探等领域得到广泛应用，发挥了重要作用[1-2]。进入二十一世纪以来，随着油气勘探开发难度的加大，电磁勘探不仅应用于盆地普查及沉积层发育、基底深度及深大断裂带等研究，成为检测圈闭是否含油气的重要技术手段之一[3-5]。

应用最广泛的可控源电磁勘探方法是可控源音频电磁法(Controlled source audio magnetotelluric,CSAMT)，该方法是Goldteint[6]针对大地电磁法(MT)的弱点提出的一种新型观测系统，采用导线源激发信号，在远区测量正交电场和磁场，计算卡尼亚视电阻率。由于其数据处理解释方法与MT方法一致，因而很快成为风靡全球的电磁方法之一[7]。长偏移距瞬变电磁法(Long offset transient electromagnetic sounding,LOTEM)是Kurt[8]针对回线瞬变电磁探测深度小而提出的导线源时间域电磁勘探方法。该方法主要观测垂直磁场的感应电动势，由于测量的是二次场，因而不受一次场的影响，可通过测量垂直磁场的衰减曲线探测不同深度的目标体。由此可见，采集方法的发展推动了电磁勘探技术的进步。其后，何继善[9]提出了广域电磁法(Wide field electromagnetic,WFEM)，进一步优化了频率域数据的采集技术，为频率域电磁勘探开辟了更广阔的道路。为了进一步提高探测精度并克服频率域和时间域各自的不足，何展翔等[10-11]提出了时频电磁(Time frequency electromagnetic，TFEM)法；同期，Ziolkowski等[12]提出了多道瞬变电磁法(Multi-channel transient electromagnetic,MTEM)[13]，主要应用于海洋电磁勘探。另外，一些学者提出了张量观测方法[7，14-15]; 王显祥等[16]推导了“L”型源的各个分量的表达式，还设计了一种新的信号发射模式，实现了360°张角范围内各分量不存在明显的弱区；周亚东[17]分析了目前还处于试验研究阶段的“十”字型源、“L”型源及旋转偶极发射装置的适宜观测区域和张量CSAMT 数据处理的一般步骤，对张量 CSAMT 的实际测量有一定的参考价值。

然而，目前陆上应用于深层目标探测的可控源电磁勘探方法主要是长导线源的WFEM和TFEM。前者是频率域方法，主要测量水平电场Ex，进行全区视电阻率的计算和反演，不需要考虑远区、近区问题[9]；后者是时间域—频率域一体化方法，主要测量水平电场分量Ex和垂直磁感应分量Bz/dt(dB/dt)，无需考虑远区、近区的区别，采用这两个分量直接进行联合反演，获得电阻率和极化率，有效提高了对目标的识别能力[18]。这些方法在油气、地热等资源勘探得到了广泛应用[19-24]。由于长导线场源施工布极困难，难以实现张量施工，因此标量方式仍然是主要的数据采集方式。但是，野外施工参数的设计对技术人员的经验要求较高。施工装置的几何参数，如收发距、发射场源的长度、场源的覆盖范围等多沿用传统CSAMT方法的指标；而激发参数，如激发电流、激发频率、激发叠加次数等的设计则根据经验设置，比较随意，常常因设置不合理影响探测效果和施工效率。因此，完善TFEM采集技术对提高施工效率和勘探效果是非常必要的。

本文针对Q地区深部目标，以该地区电性特征为基本模型,采用三维模拟方法讨论时频电磁法在深地探测中的施工参数设计，以此指导实际施工。

1 探区基本模型特征

1.1 探区地电模型

根据研究区YX1井和CT1井的电测井数据，构建该区综合电阻率模型。模型可划分为13层，具体参数见表1。

由表可见，深度小于5km的1～9电性层为中新生代碎屑岩沉积，电阻率比较低；第10电性层是一套致密膏盐岩层，深度为5～6km，为该探区良好盖层，电阻率很高；探区目标储层为第11电性层，顶面埋深为6km，厚度为500m，根据该区探井产油情况及电测解释可知，目标层含油时地层电阻率为700Ω·m，不含油时为5Ω·m，根据文献[25]公式计算地层0～9km的等效电阻率为10.2Ω·m，属于低阻地区，对深部目标的有效激发非常不利。由于目标体深、电阻率特征不明显，采集参数精确设计尤为重要。

表1 探区电阻率模型参数

1.2 探区背景噪声特征

对该探区首先进行施工踏勘，需测量噪声，以获得噪声的空间和频率特性。根据探区工业电网及人文环境情况将该区电磁干扰划分为强、中、低三个等级，在不同等级噪声的干扰区分别布设MT采集站，采集背景噪声。然后对噪声时序数据进行傅里叶分析，确定噪声的频率成分和强度。图1是探区强干扰区的背景信号经傅里叶分析得到的频谱，可见主要干扰信号是50Hz及其谐波的电磁噪声，50Hz工业电磁噪声信号可达0.60μV/m以上；除50Hz相关噪声外，中—低频(4～0.1Hz)噪声的强度为0.40～0.55μV/m，中—高频(5～320Hz)噪声的强度为0.30～0.35μV/m。这些信息是采集频率设计的依据和基础。

图1 探区实测电场背景噪声频谱

2 采集参数的设计

2.1 装置几何参数

2.1.1 接收系统

图2 电磁场振幅平面分布图

根据图2b可分析接收磁棒的布设范围。图中地面垂直磁场分量Hz以AB为中心轴呈对称的半圆弧形分布。从Hz振幅分布来看，磁场在轴向存在一次场激发盲区，即|θ|≤1°的区域，可见赤道方向垂直磁场的覆盖范围很大。因此，电性源时频电磁装置的布设范围主要取决于Ex的分布特征，而不必考虑Hz的分布。根据同一条测线的所有测点采集的信号强度变化不超过5%的要求，图2a中测线电磁场振幅从东至西在一个等值线间距之内，此时Φ=75°，即超过这个角度后(图中白线之外)，Ex振幅的变化幅度超过5%。

(1)

2.1.2 发射系统

(2)

式中：PE为发射场源的电偶矩；Umin为观测到的最小电压。时频电磁技术规程[28]给出了最大收发距Rmax和最小收发距Rmin的计算公式，即规范了R的设计原则。但这些都是基于均匀半空间理论，未考虑实际深部探测目标的特征变化。因此有必要基于实际模型和实际探测目标设计发射系统的采集参数。

众所周知，地电参数一定的情况下，可控源电磁探测深度受装置尺寸和频率(周期)两个参数控制。在频率范围确定的情况下，探测深度与接收仪器的灵敏度及收发距有关。随着电子技术的进步，接收仪器的灵敏度达到0.01nV，而且仪器灵敏度对于施工设计来说只是参考，因此R才是发射系统参数中最重要的技术指标。为此，提出基于模型正演的目标异常对比分析方法设计合适的R范围。

根据工区的地电模型(表1)，针对目标储层(深度为6km、 厚度为500m的第11层)含油(700Ω·m)和不含油(2Ω·m)两种情形分别设计模型A和模型B，对R的变化范围为3～12km进行三维正演模拟(图3)，并对目标异常变化扰动的特征和规律进行分析。Ex振幅正演曲线见图3a，每个收发距对应2条曲线，可见模型A和模型B的Ex曲线在高频段重合、在低频段分开；模型A与模型B的Ex振幅差曲线见图3b，即将模型A与模型B的正演曲线相减，也就是二次场曲线；模型A与模型B的Ex振幅比曲线见图3c。对比分析图3可以看出：随着R的增大，曲线异常幅度逐步减小，而比值曲线异常幅度逐渐增大，即：R小时储层目标产生的异常较大但相对一次场却较小，R大时则相反，即储层目标产生的异常较小但相对一次场却较大。

如果以5%为标准，即目标储层引起的异常扰动小于总场的5%时，目标异常则会淹没在总场之中难以提取或反演，把这个可提取异常的临界收发距R确定为Rmin。图3c中，R<5km时，振幅比曲线的最大值小于5%；当R=5km时，振幅比曲线的最大值达到5%；R=6km时,明显大于5%，因此，确定Rmin=5km。

图3 模型A与模型B在不同R时的Ex正演模拟曲线

另外，从图3b和图3c可见，对于一定深度的目标体，随着R的增大，目标异常出现的频率降低，即R增大，最佳频率降低。因此，施工设计时如果采用大收发距，最佳激发频率则要降低。

2.2 激发参数

激发参数包括激发电流I、(最大/最小/最佳)激发频率以及叠加次数。其中I涉及激发能量，一般都采用尽量大的I，其大小由激发仪器系统能力决定，不赘述。下面主要讨论叠加次数和激发频率(周期)的设计。

2.2.1 基于信噪比分析设计叠加次数

在I、R等其他参数确定的情况下，假设某激发频率的信号幅度为Sig，噪声水平为Noi，信噪比为SN。根据采集规范的要求，Sig、Noi与叠加次数D的关系为

(3)

因此，依据实际SN与模拟SN相当，叠加次数D可由下式求得

D=(SN×Noi/Sig)2

(4)

例如：工区0.25Hz时的噪声水平是0.5μV，假如R=10km，要求SN达到10，由图3可知信号强度仅为1.1μV，根据式(4)计算得到0.25Hz(4s)时信号的叠加次数为20。表2为该情况下10个激发频率的叠加次数D及采集时间对应表。

显然，表2只是理论计算结果。在实际工作中，有两种情况可以适当调整叠加次数：一是高频时激发电流很难升高，此时可增加叠加次数(且耗时很少)，一般可设置较大的叠加次数以弥补电流小、信噪比低的缺陷；二是在接近探测目标最佳频率时要相应提高叠加次数以确保信噪比。因此，根据噪声水平和信号强度合理预设叠加次数，是既保障资料质量又提高生产效率的有效措施。

表2 工区不同激发频率(周期)所需的叠加次数表

2.2.2 目标探测的最佳激发周期

目前，实际应用中最大、最小和最佳激发周期的设置并没有理论依据，均未考虑最佳激发频率，也不考虑最小激发周期，只根据野外实际采集资料人为地确定最大激发周期。图4所示是一个排列(5个测点)采用不同周期激发信号观测到的纵向电导曲线。可以看出，随着激发周期的加长，勘探深度逐渐增大。激发周期为4s时，仅能探测到低阻储层的顶部；激发周期为8s时可探测到储层内部的高阻层，但不完整；激发周期为20s时，可比较完整地探测到储层下部的高阻层，但深层相对低阻层没有被探测到；周期达到40s时，深层的相对低阻异常也出现了。这个实验至少耗时三天，即便如此，也只能定性地给出最大激发周期。数据采集过程中，如果激发周期设置过长，会浪费采集时间，设置过小则探测目标不完整。因此，下面根据地电模型的三维模拟结果给出理论上的最大激发周期以及针对探测目标的最佳激发频率范围。

信号的激发周期(或频率)与探测深度有关，在其他参数都确定的情况下，对于一定深度的目标体的最佳激发周期可由正演模拟确定(图3)。根据图3b，高频时曲线是完全重叠的，低于1Hz后才逐渐出现扰动异常，这个从曲线的正极值到负极值所对应的扰动频率段，就是探测该目标体的最佳周期(频率)段，或者说有效控制探测目标的频率范围。

图4 5个测点的实测不同激发周期的纵向电导曲线

在最佳周期(频率)范围内可多设置几个激发周期(频率)点，以确保对目标体的精确控制。根据前面的分析，目标有效控制的频率范围由正演模拟差值曲线(图3b)上扰动异常的两个极值频点确定：Tmin(高频/短周期极值点)和Tmax(低频/长周期极值点)。Tmin与Tmax之间如何设置频点分布才能既保障采集的信号足够保真又不过密(过密会增大生产成本)? 这里根据采样定律设置激发频率。在[Tmin，Tmax]范围内设置N个激发周期T1，T2,…,TN，N和采样间隔Δt由采样定律得到

(5)

式中Int(·)为取整函数。

最小激发周期与最小探测深度相关。电磁勘探反演中，对深层目标体的反演需要考虑浅部电性层，浅部地层电性的变化必然影响深层目标体的拟合，因此，实际采集时应该尽量获得比较全的浅部资料。为此，最小激发周期(最高激发频率)应设计为激发设备系统可提供的最高频率所对应的周期。

最大激发周期是为了确保采集的低频信息包含目标体的扰动频率范围,通常以探测目标扰动的最大周期Tmax的2倍为宜，即一般设置最大激发周期为2Tmax。

3 结束语

对实际地质模型和储层目标扰动异常的模拟研究揭示了深层目标体产生的电磁异常的频率特性及规律。本文提出了适用于深部目标探测的激发系统、接收系统以及激发参数的大功率时频电磁施工方法参数设计技术，对指导和规范可控源电磁勘探工作具有重要意义；修正了沿用CSAMT方法的长导线源可控源电磁法布极范围，提出信号平衡的接收偶极设计、目标异常对比分析的发射系统优化设计、激发周期和叠加次数设置等激发参数的设计方法。基于频率域电场Ex分量的模拟研究，对时间域或其他电磁场分量同样可以采用类似方法进行模拟和参数设计。本文研究结果可为其他类似的可控源电磁勘探方法优化采集参数、提高探测效果提供参考。