短偏移距瞬变电磁法探测技术与应用研究新进展
薛国强1,2
1.中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所
2.中国科学院大学 地球与行星科学学院
作者简介：薛国强，研究员，博士生导师，长期从事瞬变电磁理论与研究工作。
导读：
短偏移距瞬变电磁法是薛国强团队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。近年来，该新技术在矿山采空区和水害探测、隧道不良地质体探测、资源勘查等领域不断取得成果，深受欢迎，应用范围迅速扩大。2021年，《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》团体标准发布。2024年10月，“电性源短偏移距瞬变电磁法技术创新与应用示范”荣获中国地球物理学会科学技术奖一等奖。
人工源电磁法是深部资源探查的重要手段，其核心在于通过创新技术提升探测深度和精度。电磁法的探测模式由远场转向近场是电磁法的重要变革，研究近源电磁探测方法是近年来的国际前沿。近期，《物探与化探》（2024年, 第48卷, 第5期）特别设立了“短偏移距瞬变电磁法探测技术与应用研究新进展”专栏，收录了8篇关于短偏移距瞬变电磁探测方法、技术、软件和应用的文章，由薛国强研究员担任特约专栏主编。本文作为主题论文，介绍了短偏移距瞬变电磁法技术的主要研究进展和典型应用案例，这些研究成果将有力支持更深层次的精细探测需求。
基金项目: 国家自然科学基金重点项目( 42030106)
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1 主要研究进展
2 典型应用案例介绍
3 本栏目情况介绍
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传统的人工源电磁法，如可控源音频大地电磁法(controlled-source audio-frequency magnetotelluric，CSAMT)或长偏移距瞬变电磁法(long-offset transient electromagnetic，LOTEM)，采用长接地导线源发射信号，在远场区进行数据观测。通常，观测点需布置在距离场源4~6倍探测深度的位置，才能获得地下目标体的信息。国内学者通过分析瞬变电磁法的基本原理和电磁场传播规律，发现探测深度取决于满足数据质量要求的最晚时间道或最低频率。为此，薛国强等提出了短偏移距瞬变电磁法(short-offset transient electromagnetic，SOTEM)，将接地导线源瞬变电磁法的测区由远区扩展至中、近区。SOTEM允许观测点布置在距离场源0.3~2倍探测深度的位置，显著增强了信号强度并提升了数据的晚期质量，实现了从接地源远区数据采集到近区数据采集的突破。
常规的瞬变电 磁法探测主要采用矩形回线源的形式。由于组成回线源的4个线源具有能量互相抵消作用，且矩形回线源激励的电磁场能量在地层中衰减较快，导致探测深度较浅，一般情况下主要用于探测地下500 m以浅的目标体。此外，传统的回线源瞬变电磁法只能激发出水平电场分量，仅对低阻体敏感，不利于探测高阻体，纵向分辨能力较差。相较于回线源瞬变电磁法，SOTEM发射源不仅可以激发出水平分量电场，而且可以激发出垂直电场分量，电磁场分量全部与地层电性结构有关，对高阻和低阻都可探测。由于观测点离源较近，使这种接地源的观测信号较强，具有更高的信噪比，大大提升了探测精度。
SOTEM继承了回线源瞬变电磁法体积效应小的优点，摈弃其勘探深度小的缺点，同时，继承了接地源长偏移瞬变电磁法场源信号强的优点，提高了工作效率和精度。该方法一方面解决了目前地球物理瞬变电磁法大深度、高精度、快速度探测的科学技术问题，另一方面也克服了瞬变电磁法在山区、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。
1 主要研究进展
近年来，中国科学院地质与地球物理研究所研究团队承担了多项国家自然科学项目，包括“基于时变点电荷载流微元的瞬变电磁场理论研究”、“SOTEM深部探测关键问题”、“电性源地—井瞬变电磁法深部精细探测技术研究”、“多线源瞬变电磁横磁极化场探测方法及应用”、“时间域电磁法伪随机码全波形响应变维贝叶斯反演研究”、“电性源瞬变电磁短偏移距精细探测理论与方法研究”、“多源地空时域电磁响应信号精细提取方法研究”和“陆—海电性源瞬变电磁探测关键理论与技术”。同时，研究团队与国内多家单位开展合作，取得了多项应用成果，共同推进了短偏移距瞬变电磁法的研究和应用。
围绕SOTEM大深度、高精度探测科学问题和技术难题，10多位博士研究生和博士后选择了相关研究课题和内容完成了研究，包括“点电荷载流微元瞬变电磁理论研究”、“电性源短偏移距瞬变电磁法研究与应用”、“多道瞬变电磁法关键技术研究与应用”、“SOTEM测深数据反演方法”、“电性源短偏移距瞬变电磁多源多分量探测方法研究”、“多道瞬变电磁法2.5D正演及拟地震偏移成像研究”、“基于谐变点微元的电磁频率测深响应研究”、“基于粒子群—拟牛顿混合算法的SOTEM三维反演研究”、“含激电效应的SOTEM响应特性分析与信息提取研究”等，取得了阶段性的研究成果。
在理解电性源瞬变电磁法的基本概念和瞬变电磁场传播机理的基础上，薛国强团队提出基于时变点电荷假设的电磁场计算新模式。以时变点电荷微元代替传统偶极子源，考虑了源的精准位置矢量，消除了源尺寸带来的影响，且不再经过频时变换，直接在时域位函数的基础上计算时域瞬变场，避免了频时变换带来的截断误差。在此基础上，提出轴向短偏移距瞬变电磁探测和半航空瞬变电磁法，有利于山区、矿区和覆盖区探测，适合我国国情。
薛国强团队引入深度学习的处理思想，设计去噪自编码神经网络，实现一站式多源噪声去除，处理效果优于传统方法。借鉴先进的地震技术，采用全卷积神经网络直接建立电磁扩散场与虚拟波场之间的映射关系，实现高精度界面结构成像。采用模型驱动与数据驱动结合的双驱反演方法，设计循环神经网络，对结构体位置识别准确，精度高。
2 典型应用案例介绍
河南叶县是世界级岩盐基地，以往采用水溶法开采，深部含水空腔位置不明，主要难点是盖层厚度大、埋藏深度大、低阻中找低阻难度大，传统探测效果不佳。采用1 000 m的偏移距对埋深为1 400 m的某盐矿溶腔进行探测，在全期视电阻率—深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露，验证了SOTEM方法的探测能力。该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段，属于国内首例厚覆盖区SOTEM电磁精细探测实例。
瞬变电磁法在采空区调查中得到广泛应用。通过测试，对比了回线源和电性源两种装置在响应特征、探测能力等方面的不同特点，认为回线源瞬变电磁信号对地层灵敏度较高，电性源瞬变电磁探测深度较大。尝试将两种装置联合应用于某变电站选址地层稳定性及周边采空区调查，利用回线源数据可获得浅部地层信息，利用电性源装置探测数据可获得深部地层信息，达到了很好的效果。
西藏羊八井地热田是世界上著名的高温地热田，历经四十多年的开发利用，浅部地热资源日趋萎缩，亟需开发深部高温地热资源，以维持地热发电或新增装机容量。以往采用2D探测，形成概念模型，支持南区回灌。在羊八井地热田实施了6条电性源短偏移距瞬变电磁法探测剖面，通过反演获得了2 km深度范围内地层的电性结构，发现在中尼公路下方存在高阻岩墙阻挡了南北区热交换，导致北区深部有热少水、南区深部有水少热。最后，根据探测结果提出了北区增强型地热的建议。
华北克拉通南缘金矿有望成为第二个胶东，小秦岭和熊耳山都获找矿突破，但崤山矿集区未找矿突破，主要原因是成矿复杂，以往探测深度<300 m。采用新技术，探测深度提高到1 700 m，在多个矿区圈定了深部隐伏矿体。经过钻探，发现深部金银等金属矿，经济效益显著，获得找矿突破。
3 本栏目情况介绍
近年来，短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)在地球物理探测中的应用取得了显著进展。随着对深部资源探查需求的增加以及地质条件的复杂性提升，传统的瞬变电磁探测方法在分辨率和探测深度上已经难以满足现代探测需求。SOTEM技术凭借其收发距离小、信号强度大和带宽广的特点，展示了在大深度高精度探测中的巨大潜力。通过不断的技术创新和方法改进，SOTEM不仅提高了数据采集的效率和质量，还扩大了其应用范围，从煤矿采空区探测到隧道不良地质体超前预报，SOTEM都展现出了良好的效果。
专栏刊载了短偏移距电磁法的研究进展，展现了学术期刊服务读者、面向社会的重要举措，有利于近源电磁法技术的应用与推广，供学者们参考、质疑或争论，以推动近源电磁法乃至地球电磁学的进步。专栏中，陈卫营等依据中国地球物理学会团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》(T/CGS 002—2021)，结合数值模拟和实际案例，对发射源长度、发射基频、偏移距、装置类型、观测分量等关键参数的选取依据进行了详细分析。该研究对指导SOTEM野外施工具有重要意义，帮助优化数据采集的参数设置，提升探测精度和效率。除此之外，专栏汇聚了SOTEM在数值模拟、反演和成像、应用等方面的众多最新成果。
在数值模拟方面，三维数值模拟技术的引入为SOTEM方法在不同应用场景的应用提供了理论基础。常江浩等通过三维时域有限差分法对煤矿富水体的SOTEM响应进行了数值模拟，研究了不同条件下的响应特征，为SOTEM在煤矿领域的应用提供了理论基础。贾波等采用三维时域有限差分法对巷道电性源瞬变电磁响应进行了模拟，探讨了不同异常体对电场和磁场响应的影响，为巷道电性源探测提供了重要参考。
在数据反演和成像方面，新技术的研发能够助力于SOTEM的野外应用。李海等推导了电性源瞬变电磁法电场响应的虚拟波场解析解，建立了瞬变电磁场与虚拟波场之间的解析变换对，旨在测试数值求解方法的准确性和稳定性，并提供有效的虚拟波成像方法。饶丽婷提出了一种融合物理建模与数据驱动的反演方法，将监督下降法应用于SOTEM数据反演中，显著提升了反演效率和精度，并兼顾了泛化能力。
在SOTEM的应用方面，国内学者将其应用到新的场景，拓展了方法的应用范围。黄仕茂介绍了SOTEM在厚覆盖煤矿采空区探测中的应用，通过实际案例展示了该方法在煤矿采空区探测中的有效性，为华北型煤田的探测提供了借鉴。李贺研究了在复杂隧道探测环境下，如何通过孔中电性源激发的方法提高瞬变电磁对小规模不良地质体的探测能力，为隧道环境中的超前预报提供了一种可行性手段。
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