薛国强1,2，武欣1,2，陈卫营1,2，周楠楠1,2
导读：
中科院薛国强团队长期从事瞬变电磁法理论与应用研究，近年来，提出并发展了接地源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)，自主研发了全流程大带宽瞬变电磁探测装备，发展出智能化信息提取技术。创新技术在羊八井地热、白云鄂博稀土矿、河南崤山金矿，河南周庵铜镍矿，夏日哈木钴镍矿等得到成功应用。研究成果荣获中国地球物理学会科学技术进步一等奖！
瞬变电磁法(TEM)是探测地下金属矿体的关键地球物理技术之一，其发射源包括回线源和接地源两种形式。接地源瞬变电磁法分为长偏移瞬变电磁法(LOTEM)和短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)两种。LOTEM探测理论基础是远源观测方式和平面波模型简化，远源观测到的信号强度小，平面波简化后的方法勘探精度低，其有效探测深度约1000米。
SOTEM基于点电荷微元模型，精确计算电磁场的曲面波效应。针对近源观测，薛国强团队提出并发展了接地源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)，显著提升了探测深度和精度，可探测500至2000米矿产资源。应用自主开发的高功率、高分辨率的大带宽勘探设备，以及三维混合反演方法，在河南省周庵地区的镍-铜隐伏矿床实测中，成功揭示了2公里深度范围内的高分辨率电导率结构，验证了浅部已知矿体（“上矿带”），并在岩体接触带和底部（“下矿带”）发现了深部矿化异常。“上矿带“和“下矿带“已被钻孔揭示，显示出该矿区深部的巨大找矿潜力。
接地源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是基于最新发展的广域电磁法和多通道瞬变电磁法研发的一种新型地球物理探测技术。其特点是收发距离短，在短偏移情况下信号更强、带宽更宽，更有利于实现大深度和高精度的探测。该方法采用类似于可控源音频大地电磁法野外数据采集场源装置，野外施工相对便利，克服了回线源瞬变电磁法在山区、矿区等地表地形条件恶劣、地下环境复杂的区域实现精细探测的困难。
本文综述了SOTEM的理论基础、仪器设备、数据处理方法及其实际应用效能，原文发表于《中国科学·地球科学》。
------内容提纲------
-----------
1 引言
1.1 方法发展背景简介
电磁法(Electromagnetic，EM)是地球物理探测的重要手段之-，通过观测和研究大地在天然或人工源激励下响应电磁场的时空分布规律，提取大地电性参数分布信息，从而实现对地下结构及矿体空间展布的精细刻画。电磁方法在地壳结构分析、区域成矿流体示踪和特色成矿与大陆地球动力学研究、非常规天然气成藏动力学研究、隐伏矿和深层油气藏探测、地下水源调查等领域中发挥着重要作用。
自20世纪50年代起，Tikhonov(1950)、Rikitake(1950)和Cagniard(1953)相继独立提出了天然源的大地电磁测深法(Magnetotelluric，MT)，MT利用天然电磁场作为激发源，通过分析地下介质视电阻率随频率变化的特性(有效频率范围内通常为10-4∽104Hz)，提供不同深度电阻率的分布信息，研究地球内部介质的电性结构。该方法被广泛地应用于地质构造研究，包括对地幔、岩石圈和地壳大尺度深部结构及各种矿产勘探活动相关结构的刻画。
基于相同原理、Berdichevski(1969)提出了音频大地电磁测深法(Audio Magnetotelluric，AMT)，该方法在大约10-1~105Hz的音频频率范围内工作，有效探测深度从地下几米到几公里，对金属矿和地热资源等的勘探具有显著价值。因此，AMT探测为传统MT调查提供了有关浅层地表性质的补充信息。然而，天然源电磁法在探测地表至约3公里深度的矿产勘探关键区域时，性能受到限制。主要原因是天然源电磁场在超低至极低频范围内(3~300Hz)的信号微弱且易受干扰，诸如噪声、信号衰减、不稳定的极化方向以及对天气和地磁变化等环境条件的高敏感性等因素。
为了克服天然电磁场源信号弱且易受干扰的缺陷，Goldstein(1971)提出以人工场源代替天然场源，对MT进行改进的思路，并很快就形成为一种新的电法勘探方法，即为频率域的可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric，CSAMT)。为了沿用MT的传统处理方式，激励场需满足平面波假设，导致人工源电磁法必须采用大收发距的观测模式，即观测阵列必须布设在距离发射源较远的区域。与MT相比，CSAMT有效频率范围通常在1Hz到10kHz之间，探测深度从几十米到几公里不等，其主要优势在于克服天然源电磁场信号微弱且易受干扰的缺陷。
在经典电磁场理论中，人工源频率域与时间域电磁法的响应之间存在傅里叶变换的数学关系。因此，在CSAMT基础上，Strack(1990)又发展出时间域长偏移距瞬变电磁法(Long Offset Transient Electromagnetic，LOTEM)，主要用于深部地质构造和矿产资源的勘探。事实上，瞬变电磁法包括回线源(磁性源)和接地源(电性源)两种形式，对于回线源瞬变电磁探测方法，由于闭合回线的激发能量有限，大多采用的回线尺寸均小于500mx500m，最大探测深度不足800m。相较而言，两端接地的长导线源(即电性源装置)野外布设更为便利，其激励场在空间中衰减相对磁性源更平缓，更加有利于实现大深度探测。因此，LOTEM方法选择使用长接地导线源作为发射装置，并在距离发射源若干公里外的区域开展观测。在LOTEM方法中，收发距离(即收发“偏移距”)与拟探测深度有关，一般为其4至6倍，因此被称作长偏移方法。
理论上，当观测阵列距发射源较远时，虽然可以使激励场满足近乎垂直入射的平面波条件(从而达到类似于天然源的入射条件)，使得这些人工源电磁法测量与解释仍沿用MT的传统处理方式，从而降低了处理和解释的复杂性。但随着收发偏移距的增大，响应信号的幅度随收发偏移距离以至少3次方迅速减小，信号的带宽也会随之变窄，严重削弱了人工场源在信号强度方面的优势。因此，在1970和1980年代，前苏联和美国都进行过有关于短偏移距电磁法的研究与试验，但受限于当时传播理论及观测手段等限制，一直未有进展。
2 电磁场响应特性机理
根据传统电磁法理论，通过接地电极A和B向地下供入的电流为“有源电流”(激励场，也称一次场)，而电磁法观测和研究的应是—涡旋电流场”(感应场，也称二场)。
对于人工电偶源产生的电磁激励场，根据传播路径不同，分为天波、地面波和地层波 (图1)；天波是指在大地-电离层波导中经多次反射传播的电磁波，其传播距离可达万余公里，其对地面的入射条件非常接近传统MT对场源的假设，但要求发射装备的功率极高。Di et al.(2020，2021)采用特制的兆瓦级固定发射装置，成功利用天波探测了极远源区(r>300km)约10km以浅的地下结构。地面波S0则沿地表传播，并于观测点处折射入地下，当观测点距离源较远时，地面波将具有平面波特征，并且以近乎垂直的角度入射地下。地层波S1则是在地下直接传播的波场，其响应以球面波扩散形式返回地表，在导电介质中逐渐衰减由于地下岩石层性质的多样性，地层波的响应特征复杂且易受地质条件影响。因此，理论上，观测区所接收到的实际上是S0和S1耦合源S*(一次场)以及它激励产生的响应(二次场)的混合场(图1a)。
图1 人工源电磁原理方法图(a)和地层波能量P与地面波能量N的比值随偏移距的变化(b)
(b)中各曲线上的数字代表频点，单位Hz
数值模拟计算(图1b)发现在任何偏移距条件下，地面波和地层波都会同时存在，且随着偏移距减小，两者的能量整体上趋于相当，尤其是更高频点的地层波也将不可被忽略。这些结果表明，在近源区域，需要考虑地层波的响应，同时仪器需要具备更大的观测带宽。因此，在地层波和地面波的处理方面，CSAMT和LOTEM均采取了大收发距离的观测方式，其主要目地是为了忽略地层波，避免复杂的电磁响应计算，仅利用相对简单的地面波所激励的电磁响应进行勘探。其物理实质是，在收发距远大于一倍波长的场点位置，地面波为主要激励源，地层波电磁场几乎衰减殆尽，计算中忽略高次项并进行简化，建立平面波近似模式。因此传统这些人工源电磁法满足平面波近似模型的条件是发收距要足够大。
目前，CSAMT和LOTEM均采用平面波模型，采用矩形波向地下发射连续信号，在偏移距r大于拟探测深度的4-6倍范围进行观测(图1a)。何继善(2010)研究发现CSAMT存在几点不足：1.信号微弱、随机，导致水平和垂直分辨率都低、效率低、解释精度低；2.要求必须在远场同时观测电场和磁场两个分量，采用大地电磁的处理方式，才能获得地下电性结构。因此，He et al.(2015)通过对电磁场扩散方程高次项的求解，实现了理论公式的精确化以及视电阻率计算方式的改变，从而在一定程度上恢复了场源信息，将人工源频率域电磁法从远场(偏移距从大于拟探测深度的4~6倍)观测推进到中场观测(偏移距从约为拟探测深度的3~4倍）；基于三元数自封闭加法及伪随机编码原理，开发了大功率高精度电磁装备技术，观测混合场响应，建立“广域电磁法”（Wide Field Electromagnetic，WFEM）技术方法体系。然而，由于WFEM属于频率域电磁探测方法，当观测区域逐渐向场源靠近时，仅依靠高次项的修正效果难以精准应对近场源的复杂变化特征。因此，虽然WFEM可以将观测区域推进至传统概念下的“过渡区”，但在覆盖“近区”方面仍存在局限。
由于一次场来源于场源，二次场来自于地质体，目前的CSAMT、LOTEM和WFEM，在实际测量中，均观测的是混合场（一次场+二次场）的响应，如何精确提取地下介质响应信号（二次场），是人工源电磁法实现探测突破的重要问题之一。近年来，Ziolkowski et al.（2007，2009）提出了海洋多道瞬变电磁探测方法（Multi Transient Electromagnetic，MTEM），Cuevas（2011）提出了海洋时间域人工源电磁方法（owedstreamer EM）。这两种方法均借鉴油气勘探中的地震技术，向地下发射伪随机电流编码连续信号、在发射源位置和场点同时布设接收仪器，分别观测系统响应（一次场）和综合响应（一次场＋二次场），对观测数据进行反卷积处理，去掉一次场，提取出大地脉冲响应信号（二次场），从算法上实现一次场和二次场的分离。但是，这种基于地震波几何传播理论的数据处理方式所对应的电磁扩散场理论一般尚未明朗，只能进行1D资料处理及2D探测，不适合复杂陆地金属矿三维精细勘探。
另外，如前文提到的，随着收发偏移距的增大，响应信号的幅度迅速减小，信号的带宽也会随之变窄，严重削弱了人工源电磁法在信号强度方面的优势。然而，减小收发偏移距，观测信号中地层波S1激励产生的响应不可忽略（图lb）。因此，如何在理论上厘清“地面波+地层波”的一杂曲面传播特征与地下介质响应机理，是人工源电磁法实现远区到近区探测突破的关键问题。
为了解决以上问题，薛国强等（2013）利用接地线源向地下发射阶跃波一次场信号，在供电间歇期间观测地下介质响应信号，从而达到探测的目地。当采用阶跃波形式供电时，在供电的时候（发射一次场）不观测，在观测的时候（观测二次场）不供电，这种观测机制成功地将一次场和二次场分离开来。进一步研究近源电磁响应机理，发展出接地源短偏移瞬变电磁法（Short Offet Transient Electromagnetic，SOTEM），将收发偏移距减小至拟探测深度的0.3~2倍区域，提出以点电荷微元为基础的多波场精细计算新模型，厘清了近源区“地面波+地层波”的复杂曲面传播特征与响应机理，建立了系统的近源精细探测实用化理论，攻克大电流快关断发射、低噪声大带宽观测等关键技术，研制出适用于近源电磁法探测的大功率高分辨装备。通过发展数据驱动和模型驱动相结合的三维混合反演，建立了智能化高精度处理算法，实现了探测精度的显著提升。
3 SOTEM方法理论、装备和处理方法
3.1 SOTEM精确解析理论方法
在远场探测理论中，均匀全空间情况下，采用的偶极子微元的矢量位函数A为:
其中，I电流强度矢量dl是偶极子长度，R是收发距（直角坐标系下可分解x，y，z三个方向），k是波数，i表示虚数单位。
上面的方程中并不包含源位置矢量。在近源探测情况下，会引起一定的误差。我们采用的包含源位置的矢量点电荷微元的矢量位函数为:
式中，R'表示源位置矢量，函数J的意义是电流密度矢量函数，V表示源的体积。
通过响应的积分进一步获得基于偶极子的接地导线源激发的水平电场Ex表达式为：
式中，σ表示大地的电导率，θ表示测点与源之间的夹角。
基于点电荷微元的接地导线源激发的水平电场Ex的表达式为：
式中，x表示测点在发射源平行方向上的水平距离。
当收发距足够小时，需要考虑源位置的影响，因此，公式(4)中恢复了偶极子近似中忽略的源位置矢量|R-R'|，通过公式(4)可以得到短偏移距电场响应的精确解。因此，与传统的基于偶极子微元计算的电磁场方法相比，我们提出的基于点电荷微元的接地导线源激发的电磁场理论计算，考虑了场源位置的影响作用。此方法所得到的精确解不仅适合于近场，也适合于远场。在正演计算中，由于全场响应得到了精确解析，因此能够解决传统方法中近场响应失真问题。同时，在1D反演解释中，通过不断调用适用于短偏移距观测的的正演算法，最终得到短偏移距的视电阻率反演结果。
3.2 SOTEM大带宽装备
根据电磁场传播特性，随着偏移距离减小，对探测系统带宽的要求会显著增高。因此，在仪器研发过程中面临的挑战复杂且需要细致分析。首先，关于电磁场传播这一定性的概念，在仪器研发中需要进行量化处理。其次，仪器虽然是一个时域系统，但其系统设计与研发是在频域框架下开展，因此需要确保研发的系统能够满足时域探测需求。为解决这些问题，我们首先需要研究探测场景。以无失真观测为基准，我们可以引入超远偏移距上的时域信号相位曲线作为参考。通过对比不同偏移距上的信号相位曲线与参考曲线，记录各曲线与参考曲线重叠的频点并建立理论方程，实现对系统带宽参数的精细分析。此外，我们还需对比不同偏移距上的时域信号的归一化幅度曲线与观测得到的系统内外部噪声分布，定位提升观测信噪比的焦点频段及量化指标。综合考虑信息内涵和信号强度两个方面完成系统设计，并构建系统的核心参数框架。在系统总体设计的指导下，将核心参数分解到各个子系统并以此为依据完成各子系统的设计。
在具体参数方面，当偏移距降至约300m时，接收机的有效带宽需达到25kHz。然而，目前广泛使用的人工源电磁法设备，如加拿大凤凰公司(Phoenix)的V8仪器和美国宗吉公司(Zonge)的GDP-32系统，均是为传统的远源区电磁观测方法而设计。这些系统的最大扫频频点约为10kHz，时域波形的衰减时间超过100ys，接收机的实际有效带宽约为8kHz，这显然无法满足近源区观测方法的创新需求。
根据方法需求，系统需要在整个信号产生-传递-观测链路上实现大带宽，然而现有方法在信号产生与观测阶段都存在较大的技术困难：(1)对于发射机，为输出更大的发射电流，一般要求更高的发射功率，从而要求使用大功率器件。然而，由于大功率器件的寄生参数性能不佳，电路精细控制难度很大，导致电流关断过程长，从而限制了发射信号的带宽；(2)对于传感器，一般采用感应式磁场传感器，其低噪声设计通常导致谐振频率下降，放大电路中的电流噪声会在高频段产生严重影响。如果整体上提升谐振频率，则传感器的基础噪声又控制不住。
由此可见，在发射机和传感器两方面，宽频带需求与高信噪比需求都是冲突的。传统面向远源区方法的装备，如国际主流系统加拿大凤凰V8，通过限制系统带宽(牺牲分辨能力)来保全信噪比参数，但这一策略与近源探测理论冲突。
为了解决上述问题，我们在发射机方面，攻克基于电流反馈的超高压恒压钳位关键技术，其通过精细电流反馈控制，在大电流关断过程中，提供一个2500V钳位电压，其效果类似于增加了一个额外的“拉力”，帮助电流快速关断，从而提升发射信号带宽。在传感器方面，攻克基于管级并联的混合放大技术及自适应可变阻尼技术：通过管级并联混合方法技术，压制高频区的电流噪声；通过自适应可变阻尼技术，在不同的工作场景下，灵活扩展传感器的线性带宽。通过攻克上述关键技术，实现装备在全流程上的大带宽。基于这些创新技术，我们成功研制出适用于近源电磁法的探测装备（图2），其与国际主流V8系统的关键参数对比如表1所示：
图2 SOTEM装备图
(a)发射机；(b)接收机
我们在宁夏某煤矿区使用自主研发装备和国际主流的V系统进行综合探测效果对比。两套设备在相同的工作参数下采集数据，并利用完全相同的参数设置和初始模型进行数据处理。其结果通过与钻孔揭示的地层对比分析，发现自研装备系统在刻画各电性层的深度、厚度及变化形态方面更为精细和准确，充分证明了创新方法和自研装备在探测性能上的显著优势。此外，由于我们研发的装备在大带宽条件下实现了大功率发射与低噪声观测，它同样能够满足传统远源区电磁法探测的装备需求，从而实现了对远源区探测需求的兼顾。
3.3 SOTEM数据处理关键技术
SOTEM将收发偏移距减小至拟探测深度的0.3∽2倍区域，使得响应信号的幅值显著升高，而且在这些信号中蕴含着更为丰富的地下电性结构信息。然而，随着观测偏移距的缩短，SOTEM的信号及其数据表现出诸多与传统长偏移模式不同的特性。其中，收发几何关系对数据的影响比较显著：传统的远源区方法中，由于收发偏移距较大，发射源可简化为单一电偶极子，但在近源方法中，对发射源的简化将偏离实际情况，导致结果不可靠。此外，观测场景也涉及信息提取效能问题：在近源区，由于地层波响应的参与，不同场景观测对不同的目标类型具有差异化效果，因此，如何通过组合观测多种不同场景，以高效提取目标赋存信息成为一项关键问题。同时，SOTEM技术体系除涵盖地面探测外，还推广至半航空及井下探测等场景，数据量大幅增加，对解算效率的要求更高。附加效应主要涉及信号畸变问题：在传统的远源区探测中，可以通过增大收发距来规避场源效应；但在近源观测条件下，各种效应难以通过常规方法规避，对观测信号产生明显影响。由此可见，在数据处理与信息提取方面，近源方法将面临比传统远源方法更大的挑战。
自SOTEM方法提出以来，围绕数据处理工作己取得了大量的研究成果。Chen et al.（2015）利用多项式拟合法实现了基于垂直磁场强度Bz的SOTEM全期视电阻率计算。考虑近源区的电磁场扩散与分布特性，Chen et al.（2016）分别提出了基于等效源法和拟MT法两种SOTEM数据快速视电阻率-深度成像方法。定量反演方面，OCCAM法、自适应正则化法、拟牛顿法等经典反演算法在SOTEM数据中也都得以实现，但是在正演部分需要结合SOTEM装置特点进行改进，如严格考虑发射源形态、收发几何位置、不同分量的汉克尔滤波系数等。推出的SOTEM数据处理专用软件SOTEMsoft集成了数据整理、图像显示、数据预处理、模型构建、正演模拟、数据反演、工程出图等功能，现已成为高度实用化的SOTEM数据处理软件系统。
前期工作主要局限于一维或拟二维处理，SOTEM数据的三维反演受计算效率限制一直未获得较大进展。近些年随着计算能力提升以及人工智能技术的发展，多维SOTEM数据的反演处理逐步取得突破。这里重点介绍我们提出的一种基于模型驱动（拟牛顿算法）和数据驱动（粒子群算法）的混合三维反演算法，称作粒子群-梯度下降法。该混合算法通过参数优化、驱动升级和混合加速三个步骤，实现反演速度与精度的兼顾（图3）。
图3 粒子群-拟牛顿混合三维反演算法流程图
我们首先采用等级状拓扑结构和概率密度函数重新定义了精英粒子(公式5)，然后，将三维反演中常用的拟牛顿算法作为粒子群算法的加速器，提高反演效率。
式中，i，j代表模型空间粒子行编号和列编号，w代表惯性权重参数，t代表当前的迭代次数，x表示当前粒子位置，v表示粒子速度，c表示梯度下降加速权重系数，R1，R2表示均匀分布在[0，1]范围内的随机变量，p表示粒子最佳位置。
在此混合算法中，无需计算灵敏度矩阵，确保了反演进程的稳定性。其中数据驱动算法(粒子群算法)的全局寻优能力保证了反演精度，而模型驱动算法(拟牛顿算法)的超线性收敛特征则保证了反演速度。我们引入了加权策略(公式6)和飞行策略(公式7)作为新的混合策略，前者定义了混合算法的模型更新公式，实现两种算法的有效融合，以兼顾速度和精度；后者提升了个体粒子的跃迁能力，同时大幅减少了反演计算时间。
式中，i为粒子数，k为当前的迭代次数，wk为余弦概率函数，ω为惯性系数，α为步长的比例因子，r为［0，1］之间的随机数，L为基于Levy分布的步长，G为粒子群算法中的群体最优模型，Pi为个体i的历史最优模型，δm为模型修正量，α1k，α2k分别为反演过程中的第一项、第二项加权因子。
如果直接将传统正则化技术引入粒子群算法中，则正则化参数的寻优过程将成倍地增加反演计算量，光滑模型的同时会导致边界信息丢失，并不适用于粒子群算法。因此，采用截断滤波器Alpha-trimmed来代替传统正则化处理，可以大幅压缩计算量，在光滑模型的同时锐化边界信息，提升反演结果对于截断式模型边界的刻画能力；同时，通过引入K-means聚类技术实现光滑模型下的聚焦约束反演，提高多目标模型的解释精度。
数值模拟和实际野外反演结果对比表明，与传统粒子群算法和拟牛顿算法相比，商户粒子群-梯度下降反演算法对数据量的依赖性下降到约三分之二，计算时间缩短至原来的三分之一，同时具有更强的抗噪能力和稳定性，能够更准确、高效地揭示地下电性结构信息。
4 案例分析
4.1 数值仿真案例
前期大量研究从不同的方面论证了SOTEM探测的可行性与优越性。这里我们通过数值模拟手段来分析说明近源短偏移距探测的优势。设计如图4所示的三维地电模型，一个尺寸为500mx500mx500m的异常体位于地下，其电阻率为10Ω·m，顶界面埋深为2000m，背景围岩的电阻率为200Ω·m。观测点R固定于异常体中心在地面的投影位置，布置四个发射源S1~S4，距离观测点的垂直距离(偏移距)分别为1000m，2000m，3000m，6000m。
图4三维地电模型与收发布置示意图
图5b表明随着偏移距的增大，相对差异参数的极大值逐渐降低，说明信号对低阻异常体的探测能力随偏移距增大而逐渐减弱。该数值结果表明，短偏移距观测在信号强度及探测灵敏度方面具有更好的优势。
图5 三维正演模拟信号曲线(a)及与均匀半空间的相对差异参数曲线(b)
4.2 应用实例
河南周庵是秦岭-大别造山带最大的镍和铂族元素矿床(图6a)。前期勘查主要依靠钻孔，发现含矿岩体为超基性岩，隐伏于新生界地层之下，侵位于朱家山群大雀山组之中，围岩受到较轻的接触变质作用影响，含矿岩体顶板埋深约300∽400m，底板埋深约700∽900m。这一矿区的探测难点首先在于巨厚的第四系覆盖层，这些覆盖层中富含水分，导致其整体呈现低阻特征。常规人工电磁法穿透低阻覆盖层的能力是有限的，因为电磁场在低阻层中会形成衰减非常缓慢的涡旋电流，实际上对低阻层下方的地质目标体形成了屏蔽作用。为了穿透低阻覆盖层，要求系统能产生更强的激励信号，并具有更低的噪声水平，由此才能够在低阻层产生的屏蔽效果削弱后，进而观测到位于低阻层下方目标产生的响应信号。除此以外，探测周庵镍矿的不利因素还在于：矿体赋存于超基性岩边缘，而矿体的电阻率与上覆层接近，超基性岩则属于高阻体。如果探测方法不能精细刻画超基性岩的边缘形态，则将根本无法实现对矿体目标的探测。而传统电磁法一般难以对处于深部的高阻体边缘进行精细刻画，因此长期以来始终无法精确探知矿体的赋存位置。正是基于上述探测难点，此矿区深部找矿地球物理勘查一直未能突破。为了探测深部矿体，我们在矿区布置了6条电性源短偏移距瞬变电磁法(SoTEM)测线，如图6b所示，测线呈东西走向，每条测线长约3km，线距300m，测点间距50m。
图6 周庵矿区所在的地理位置(a)和矿区SOTEM测线分布(b)
首先我们测试了不同收发距情况下固定测点的实测信号情况。将接收点固定于L3线800号点，依次在该测点南侧布置三个发射源SI、S2和S3。三个发射源基本平行（角度差＜3°，长度分别为2170m，2185m和2210m，距离接收点的垂直距离分别为650m，1450m和3000m。三种源情况采用相同的发射参数：占空比为50%的双极性方波电流，电流强度30A，基频5Hz；接收端也采取相同的观测参数：观测垂直感应电压分量，线圈有效面积10000m2，记录时长3分钟。图7给出了三种发射源情况下的实测归一化（电流和面积归一）感应电动势曲线。很明显，仅当偏移距较小时（(r=650m），实测信号的信噪比较高；当偏移距较大时（1450m和3000m），观测信号的信噪比显著降低，尤其是S3时的信号在全衰减延时范围内都受到了背景噪声的严重干扰。因此，本次探测我们布设了2条发射源，以保证6条测线的偏移距范围集中于350∽900m范围内。
图7 不同偏移距情况下实测信号对比
采用前文所述的双模驱动反演算法对实测数据进行三维反演处理，我们获得了测区下方2.5km以浅的三维电阻率结构。反演结果揭示了测区内地层由浅及深整体呈现低阻-高阻-低阻的变化特征（图8）。图8a中，各测线浅地表的低阻层主要反映了新生代覆盖层，其下方范围较大的高阻体可能是超基性岩体，深部地层的低阻特征可能与岩石蚀变有关。
以L3线为例(图8b)，浅地表存在低阻区域C1，厚约100m，对应于新生代覆盖层。其下方约200∽1600m测点处存在明显的高阻区域R1，表现为东西两端薄中间厚，最大厚度达1500m，可能对应于超基性岩体。图中虚线标出了可能的超基性岩体的边界位置。R1下方及周边的低阻区C2则可能与超镁铁质岩体底板围岩的黄铁矿化等多金属硫化物矿化蚀变有关。其右侧的相对高阻区R2则可能对应于大雀山组变质岩系，与该组地层的倾向(260°∽290°)和倾角(30°∽42°)相吻合。
矿体主要集中在岩体的内接触带蚀变壳内(图8b)，矿带K1和K2己被钻孔揭示，K1长2200m，最大厚度63.62m、最小厚度3.88m，构成“上矿带”；K2长1550m，最大厚度156m、最小厚度4.20m，构成“下矿带”。我们推测可能存在更大体量的“上矿带”K1-1和“下矿带”K2-1(如图8b中黄色窄带)，探测成果预测周庵铜镍矿深部找矿突破潜力巨大。
5 结论
人工源电磁法是透视地下含矿结构体的主要地球物理手段，传统的中、远源电磁法在信号强度、探测精度和体积效应方面存在局限，这些因素制约了其在深部矿产勘探中的性能。近源探测模式具有收发距离短，体积效应小，信号幅度大的优势，是国际上长期研究的热点。实际上，前苏联与欧美学者均有过研究短偏移距电磁法，但也始终处于探索性阶段。
本文介绍了SOTEM的基本原理，构建“点电荷”微元计算新模型，提出短偏移距瞬变电磁法，与传统方法相比，新方法收发距缩短10倍，信号强度提升2个数量级，理论带宽增大3倍。针对目前普遍使用的国际高端人工源电磁探测装备、噪声大，带宽窄(8kHz)，不满足“近源”大带宽(25kHz)观测要求，研制出大功率(40kw)、快关断(40g@lkm/10A)发射机，低噪声(0.1nT/s，)、宽频带感应式磁场传感器。构建了基于深度学习的自编码神经网络系统，实现去噪-反演一次性融合处理，获得地下结构面和结构体高精度成像结果。
我们建立了短偏移瞬变电磁法(SOTEM)新的近源电磁法先进勘探技术，将传统偏移距为拟探测深度的4∽6倍的远源观测模式发展为偏移距为拟探测深度的0.3∽2倍的近源观测磁模式。新技术在第二深度空间(500~2000m)矿产资源勘查领域实现了探测深度和精度的同步提升，因而备受关注。
基于新发展的人工源电磁场“曲面波”理论、“短偏移”观测方法、“大带宽”装备和“智能化”处理等技术，SOTEM展现出广阔的应用前景和巨大潜力，无论从电磁探测技术发展还是从国家矿产资源需求的角度来看，该方法是电磁法找矿技术下一步重要发展方向。但是，毕竟SOTEM研究和应用的时间不长，今后发展方向包括：地面发射、无人机搭载空中接收的短偏移系统，提高探测效率；研发更大功率发射系统，借助高温超导技术，进一步提高深部目标体观测数据质量；发展SOTEM多激励源观测技术，提高发射强度和信号辨识度；融合SOTEM数据和其他地学数据，发展智能化数据处理技术，实现目标高精度识别。
致谢 感谢中国科学院地质与地球物理所王建研究员在材料整理及初稿成文方面的帮助，感谢河南省地质研究院王建平研究员、马振波博士、韩江伟博士在周庵矿区电磁法探测及结果解释方面提供的帮助。感谢责任编委和匿名审稿人仔细评阅并提出的宝贵意见。
