時頻電磁(TFEM)技術：數據采集參數設計

何展翔 楊國世 陳思琪 趙 國 劉子豪 郭榮文

(①南方科技大學前沿與交叉科學研究院，廣東深圳 518055; ②南方科技大學地球與空間科學系，廣東深圳 518055；③東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751; ④中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083)

0 引言

目前全球都面臨著淺部礦產資源幾近枯竭、供給嚴重不足的形勢，向深部進軍、加快第二空間接替資源的探測、為社會發展提供足夠的后備儲量是地球物理學家的重要使命。電磁勘探是能源、礦產勘探及地球科學探測的重要手段之一，常規電磁法已經在金屬礦、地下水資源及地熱勘探等領域得到廣泛應用，發揮了重要作用[1-2]。進入二十一世紀以來，隨著油氣勘探開發難度的加大，電磁勘探不僅應用于盆地普查及沉積層發育、基底深度及深大斷裂帶等研究，成為檢測圈閉是否含油氣的重要技術手段之一[3-5]。

應用最廣泛的可控源電磁勘探方法是可控源音頻電磁法(Controlled source audio magnetotelluric,CSAMT)，該方法是Goldteint[6]針對大地電磁法(MT)的弱點提出的一種新型觀測系統，采用導線源激發信號，在遠區測量正交電場和磁場，計算卡尼亞視電阻率。由于其數據處理解釋方法與MT方法一致，因而很快成為風靡全球的電磁方法之一[7]。長偏移距瞬變電磁法(Long offset transient electromagnetic sounding,LOTEM)是Kurt[8]針對回線瞬變電磁探測深度小而提出的導線源時間域電磁勘探方法。該方法主要觀測垂直磁場的感應電動勢，由于測量的是二次場，因而不受一次場的影響，可通過測量垂直磁場的衰減曲線探測不同深度的目標體。由此可見，采集方法的發展推動了電磁勘探技術的進步。其后，何繼善[9]提出了廣域電磁法(Wide field electromagnetic,WFEM)，進一步優化了頻率域數據的采集技術，為頻率域電磁勘探開辟了更廣闊的道路。為了進一步提高探測精度并克服頻率域和時間域各自的不足，何展翔等[10-11]提出了時頻電磁(Time frequency electromagnetic，TFEM)法；同期，Ziolkowski等[12]提出了多道瞬變電磁法(Multi-channel transient electromagnetic,MTEM)[13]，主要應用于海洋電磁勘探。另外，一些學者提出了張量觀測方法[7，14-15]; 王顯祥等[16]推導了“L”型源的各個分量的表達式，還設計了一種新的信號發射模式，實現了360°張角范圍內各分量不存在明顯的弱區；周亞東[17]分析了目前還處于試驗研究階段的“十”字型源、“L”型源及旋轉偶極發射裝置的適宜觀測區域和張量CSAMT 數據處理的一般步驟，對張量 CSAMT 的實際測量有一定的參考價值。

然而，目前陸上應用于深層目標探測的可控源電磁勘探方法主要是長導線源的WFEM和TFEM。前者是頻率域方法，主要測量水平電場Ex，進行全區視電阻率的計算和反演，不需要考慮遠區、近區問題[9]；后者是時間域—頻率域一體化方法，主要測量水平電場分量Ex和垂直磁感應分量Bz/dt(dB/dt)，無需考慮遠區、近區的區別，采用這兩個分量直接進行聯合反演，獲得電阻率和極化率，有效提高了對目標的識別能力[18]。這些方法在油氣、地熱等資源勘探得到了廣泛應用[19-24]。由于長導線場源施工布極困難，難以實現張量施工，因此標量方式仍然是主要的數據采集方式。但是，野外施工參數的設計對技術人員的經驗要求較高。施工裝置的幾何參數，如收發距、發射場源的長度、場源的覆蓋范圍等多沿用傳統CSAMT方法的指標；而激發參數，如激發電流、激發頻率、激發疊加次數等的設計則根據經驗設置，比較隨意，常常因設置不合理影響探測效果和施工效率。因此，完善TFEM采集技術對提高施工效率和勘探效果是非常必要的。

本文針對Q地區深部目標，以該地區電性特征為基本模型,采用三維模擬方法討論時頻電磁法在深地探測中的施工參數設計，以此指導實際施工。

1 探區基本模型特征

1.1 探區地電模型

根據研究區YX1井和CT1井的電測井數據，構建該區綜合電阻率模型。模型可劃分為13層，具體參數見表1。

由表可見，深度小于5km的1～9電性層為中新生代碎屑巖沉積，電阻率比較低；第10電性層是一套致密膏鹽巖層，深度為5～6km，為該探區良好蓋層，電阻率很高；探區目標儲層為第11電性層，頂面埋深為6km，厚度為500m，根據該區探井產油情況及電測解釋可知，目標層含油時地層電阻率為700Ω·m，不含油時為5Ω·m，根據文獻[25]公式計算地層0～9km的等效電阻率為10.2Ω·m，屬于低阻地區，對深部目標的有效激發非常不利。由于目標體深、電阻率特征不明顯，采集參數精確設計尤為重要。

表1 探區電阻率模型參數

1.2 探區背景噪聲特征

對該探區首先進行施工踏勘，需測量噪聲，以獲得噪聲的空間和頻率特性。根據探區工業電網及人文環境情況將該區電磁干擾劃分為強、中、低三個等級，在不同等級噪聲的干擾區分別布設MT采集站，采集背景噪聲。然后對噪聲時序數據進行傅里葉分析，確定噪聲的頻率成分和強度。圖1是探區強干擾區的背景信號經傅里葉分析得到的頻譜，可見主要干擾信號是50Hz及其諧波的電磁噪聲，50Hz工業電磁噪聲信號可達0.60μV/m以上；除50Hz相關噪聲外，中—低頻(4～0.1Hz)噪聲的強度為0.40～0.55μV/m，中—高頻(5～320Hz)噪聲的強度為0.30～0.35μV/m。這些信息是采集頻率設計的依據和基礎。

圖1 探區實測電場背景噪聲頻譜

2 采集參數的設計

2.1 裝置幾何參數

2.1.1 接收系統

圖2 電磁場振幅平面分布圖

根據圖2b可分析接收磁棒的布設范圍。圖中地面垂直磁場分量Hz以AB為中心軸呈對稱的半圓弧形分布。從Hz振幅分布來看，磁場在軸向存在一次場激發盲區，即|θ|≤1°的區域，可見赤道方向垂直磁場的覆蓋范圍很大。因此，電性源時頻電磁裝置的布設范圍主要取決于Ex的分布特征，而不必考慮Hz的分布。根據同一條測線的所有測點采集的信號強度變化不超過5%的要求，圖2a中測線電磁場振幅從東至西在一個等值線間距之內，此時Φ=75°，即超過這個角度后(圖中白線之外)，Ex振幅的變化幅度超過5%。

(1)

2.1.2 發射系統

(2)

式中：PE為發射場源的電偶矩；Umin為觀測到的最小電壓。時頻電磁技術規程[28]給出了最大收發距Rmax和最小收發距Rmin的計算公式，即規范了R的設計原則。但這些都是基于均勻半空間理論，未考慮實際深部探測目標的特征變化。因此有必要基于實際模型和實際探測目標設計發射系統的采集參數。

眾所周知，地電參數一定的情況下，可控源電磁探測深度受裝置尺寸和頻率(周期)兩個參數控制。在頻率范圍確定的情況下，探測深度與接收儀器的靈敏度及收發距有關。隨著電子技術的進步，接收儀器的靈敏度達到0.01nV，而且儀器靈敏度對于施工設計來說只是參考，因此R才是發射系統參數中最重要的技術指標。為此，提出基于模型正演的目標異常對比分析方法設計合適的R范圍。

根據工區的地電模型(表1)，針對目標儲層(深度為6km、 厚度為500m的第11層)含油(700Ω·m)和不含油(2Ω·m)兩種情形分別設計模型A和模型B，對R的變化范圍為3～12km進行三維正演模擬(圖3)，并對目標異常變化擾動的特征和規律進行分析。Ex振幅正演曲線見圖3a，每個收發距對應2條曲線，可見模型A和模型B的Ex曲線在高頻段重合、在低頻段分開；模型A與模型B的Ex振幅差曲線見圖3b，即將模型A與模型B的正演曲線相減，也就是二次場曲線；模型A與模型B的Ex振幅比曲線見圖3c。對比分析圖3可以看出：隨著R的增大，曲線異常幅度逐步減小，而比值曲線異常幅度逐漸增大，即：R小時儲層目標產生的異常較大但相對一次場卻較小，R大時則相反，即儲層目標產生的異常較小但相對一次場卻較大。

如果以5%為標準，即目標儲層引起的異常擾動小于總場的5%時，目標異常則會淹沒在總場之中難以提取或反演，把這個可提取異常的臨界收發距R確定為Rmin。圖3c中，R<5km時，振幅比曲線的最大值小于5%；當R=5km時，振幅比曲線的最大值達到5%；R=6km時,明顯大于5%，因此，確定Rmin=5km。

圖3 模型A與模型B在不同R時的Ex正演模擬曲線

另外，從圖3b和圖3c可見，對于一定深度的目標體，隨著R的增大，目標異常出現的頻率降低，即R增大，最佳頻率降低。因此，施工設計時如果采用大收發距，最佳激發頻率則要降低。

2.2 激發參數

激發參數包括激發電流I、(最大/最小/最佳)激發頻率以及疊加次數。其中I涉及激發能量，一般都采用盡量大的I，其大小由激發儀器系統能力決定，不贅述。下面主要討論疊加次數和激發頻率(周期)的設計。

2.2.1 基于信噪比分析設計疊加次數

在I、R等其他參數確定的情況下，假設某激發頻率的信號幅度為Sig，噪聲水平為Noi，信噪比為SN。根據采集規范的要求，Sig、Noi與疊加次數D的關系為

(3)

因此，依據實際SN與模擬SN相當，疊加次數D可由下式求得

D=(SN×Noi/Sig)2

(4)

例如：工區0.25Hz時的噪聲水平是0.5μV，假如R=10km，要求SN達到10，由圖3可知信號強度僅為1.1μV，根據式(4)計算得到0.25Hz(4s)時信號的疊加次數為20。表2為該情況下10個激發頻率的疊加次數D及采集時間對應表。

顯然，表2只是理論計算結果。在實際工作中，有兩種情況可以適當調整疊加次數：一是高頻時激發電流很難升高，此時可增加疊加次數(且耗時很少)，一般可設置較大的疊加次數以彌補電流小、信噪比低的缺陷；二是在接近探測目標最佳頻率時要相應提高疊加次數以確保信噪比。因此，根據噪聲水平和信號強度合理預設疊加次數，是既保障資料質量又提高生產效率的有效措施。

表2 工區不同激發頻率(周期)所需的疊加次數表

2.2.2 目標探測的最佳激發周期

目前，實際應用中最大、最小和最佳激發周期的設置并沒有理論依據，均未考慮最佳激發頻率，也不考慮最小激發周期，只根據野外實際采集資料人為地確定最大激發周期。圖4所示是一個排列(5個測點)采用不同周期激發信號觀測到的縱向電導曲線。可以看出，隨著激發周期的加長，勘探深度逐漸增大。激發周期為4s時，僅能探測到低阻儲層的頂部；激發周期為8s時可探測到儲層內部的高阻層，但不完整；激發周期為20s時，可比較完整地探測到儲層下部的高阻層，但深層相對低阻層沒有被探測到；周期達到40s時，深層的相對低阻異常也出現了。這個實驗至少耗時三天，即便如此，也只能定性地給出最大激發周期。數據采集過程中，如果激發周期設置過長，會浪費采集時間，設置過小則探測目標不完整。因此，下面根據地電模型的三維模擬結果給出理論上的最大激發周期以及針對探測目標的最佳激發頻率范圍。

信號的激發周期(或頻率)與探測深度有關，在其他參數都確定的情況下，對于一定深度的目標體的最佳激發周期可由正演模擬確定(圖3)。根據圖3b，高頻時曲線是完全重疊的，低于1Hz后才逐漸出現擾動異常，這個從曲線的正極值到負極值所對應的擾動頻率段，就是探測該目標體的最佳周期(頻率)段，或者說有效控制探測目標的頻率范圍。

圖4 5個測點的實測不同激發周期的縱向電導曲線

在最佳周期(頻率)范圍內可多設置幾個激發周期(頻率)點，以確保對目標體的精確控制。根據前面的分析，目標有效控制的頻率范圍由正演模擬差值曲線(圖3b)上擾動異常的兩個極值頻點確定：Tmin(高頻/短周期極值點)和Tmax(低頻/長周期極值點)。Tmin與Tmax之間如何設置頻點分布才能既保障采集的信號足夠保真又不過密(過密會增大生產成本)? 這里根據采樣定律設置激發頻率。在[Tmin，Tmax]范圍內設置N個激發周期T1，T2,…,TN，N和采樣間隔Δt由采樣定律得到

(5)

式中Int(·)為取整函數。

最小激發周期與最小探測深度相關。電磁勘探反演中，對深層目標體的反演需要考慮淺部電性層，淺部地層電性的變化必然影響深層目標體的擬合，因此，實際采集時應該盡量獲得比較全的淺部資料。為此，最小激發周期(最高激發頻率)應設計為激發設備系統可提供的最高頻率所對應的周期。

最大激發周期是為了確保采集的低頻信息包含目標體的擾動頻率范圍,通常以探測目標擾動的最大周期Tmax的2倍為宜，即一般設置最大激發周期為2Tmax。

3 結束語

對實際地質模型和儲層目標擾動異常的模擬研究揭示了深層目標體產生的電磁異常的頻率特性及規律。本文提出了適用于深部目標探測的激發系統、接收系統以及激發參數的大功率時頻電磁施工方法參數設計技術，對指導和規范可控源電磁勘探工作具有重要意義；修正了沿用CSAMT方法的長導線源可控源電磁法布極范圍，提出信號平衡的接收偶極設計、目標異常對比分析的發射系統優化設計、激發周期和疊加次數設置等激發參數的設計方法。基于頻率域電場Ex分量的模擬研究，對時間域或其他電磁場分量同樣可以采用類似方法進行模擬和參數設計。本文研究結果可為其他類似的可控源電磁勘探方法優化采集參數、提高探測效果提供參考。