周逢道 林 君 劉長勝 孫彩堂

（吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春 130026）

海洋可控源電磁探測的基本原理

海洋可控源電磁探測利用海水中電場或磁場與海底電導率之間的關系來獲取海底介質(zhì)信息，從而研究海底內(nèi)部組成和構造，如測量海底電導率、勘察海底工程環(huán)境、探查海底油氣等。其基本原理是，在海底表面發(fā)射電磁場，電磁場在海水和海底介質(zhì)中傳播，并感生二次場，二次場的大小與介質(zhì)的電導率密切相關。因此，初始電磁場（一次場）和二次場疊加成的總場包含了海底介質(zhì)的電導率信息。通過測量海底表面某一點的總場，便可獲得海底介質(zhì)的電導率信息?？倛雠c介質(zhì)電導率的具體關系由海洋地電模型和發(fā)射接收裝置類型決定。通過相應數(shù)學模型，可以由測量的總場反演出海底介質(zhì)的電導率。

時間域電磁法用于海底探測時，水平發(fā)射線圈位于海底上方，加載有階躍關斷的電流，電流波形如圖1所示。

當線圈中通有電流時，線圈周圍存在穩(wěn)恒的磁場。當電流突然關斷后，線圈產(chǎn)生的磁場（一次磁場）消失，此時周圍介質(zhì)感應出渦流，渦流產(chǎn)生的二次磁場阻止一次磁場的消失。渦流的大小與介質(zhì)的電導率有關，因而二次磁場也與介質(zhì)的電導率有關。一般情況下，介質(zhì)電導率越高，產(chǎn)生的二次磁場越大，介質(zhì)電導率越低，產(chǎn)生的二次磁場越小。電流關斷后，隨著時間的推移，渦流向外和深處傳播，不同延時的二次磁場反映不同深度的介質(zhì)信息。早延時對應淺部介質(zhì)，晚延時對應深部介質(zhì)。通過測量發(fā)射線圈周圍不同時刻的二次磁場，可以推斷海底電導率隨深度的分布［1-8］。

圖1 階躍關斷電流波形

1.海洋可控源中心回線裝置電磁響應計算方法

均勻海底模型的時間域電磁響應可直接通過解析式計算。對于層狀海底，時間域電磁響應沒有解析計算式，需采用數(shù)值方法將頻率域電磁響應轉換到時間域。頻率域電磁響應到時間域轉換方法有很多種，采用正余弦變換進行計算［9］。發(fā)射負階躍電流時，中心回線接收線圈的時間域感應電壓可用傅里葉逆變換的形式表示為

由于頻率域電磁場具有實偶虛奇的性質(zhì)，即Re Hz為偶函數(shù)，ImHz為奇函數(shù)，故式（2）可簡化為

從數(shù)學的角度來看，式（3）中的時間t可正可負。但在求解時間域電磁響應時，需要的是t＞0時的響應。當t＞0時，即上升沿之前，由于沒有電磁場變化，感應電壓為0。規(guī)定式（3）中t＞0，則上升沿之前的感應電壓可由式（3）中時間變量取-t得到

聯(lián)合式（3）和（4），上升沿出現(xiàn)之后的時間域感應電壓可寫為

根據(jù)式（5），分別對頻率域磁場響應的實部進行余弦變換或?qū)μ摬窟M行正弦變換，可得到時間域感應電壓響應。其中，頻率域磁場響應表達式中的Hankel積分采用數(shù)值濾波方法計算。

2.關斷時間對電磁響應影響分析

在儀器系統(tǒng)設計中，無法實現(xiàn)理想的階躍關斷，通常采用斜階躍關斷［10］，如圖2所示。關斷過程中，由于存在一次場，測量受到嚴重干擾，測量時區(qū)應盡可能選擇在電流完全關斷之后。測量時區(qū)的選擇還受目標體的最佳觀測延時限制，不能過晚。因此，需要結合所需的觀測延時來考慮關斷時間的影響。為了研究關斷沿對測量結果的影響，可用若干個階躍關斷電流波形等效斜階躍電流波形。計算這些不同延時的階躍電流單元所產(chǎn)生的電磁響應，疊加后可得到斜階躍關斷電流波形的電磁響應［11-14］。采用幾組實例對關斷時間的影響進行仿真分析。

采用如圖3所示的海底地質(zhì)構造模型圖［15］，假設半徑2m的單匝發(fā)射線圈中電流的關斷時間為100μs，用10個階躍波形來模擬斜階躍關斷，每個階躍波間隔10s，則不同關斷時間時測量時區(qū)的感應電壓衰減曲線如圖4所示。

計算時海水電導率取3.2S／m，海底電導率取1.0S／m，水深無限大，感應電壓對發(fā)射電流和接收面積歸一，將電流開始關斷的時刻記為0時刻。仿真結果顯示，關斷時間越小，可進行測量的最早時刻越小，且此時的感應電壓也越大，隨著關斷時間的增大，可進行測量的最早時刻越晚，此時的感應電壓也相對減??；對于不同的關斷時間，早期同一時刻的感應電壓幅值隨著關斷時間的增大而增大，不同關斷時間在晚期的感應電壓沒有變化。關斷時間不僅影響早期信號的幅值，而且影響時間域可控源電磁探測（CSEM）對海底淺部介質(zhì)的分辨能力。

圖5為海底基底電導率為1.0S／m時，海底表層分別為30m厚的低阻（10S／m）和高阻（0.1S／m）時，不同關斷時間引起的電磁異常曲線，圖中縱坐標為感應電壓比值，表示為海底含有異常時感應電壓與海底均勻時感應電壓之比。

高阻海底表層（0.1S／m）的最大電磁異常出現(xiàn)在中間時段，早期和晚期異常幅度均減小。關斷時間越長，最早測量時刻的異常幅度越小。低阻海底表層（10S／m）的電磁異常隨延時的增大而增大，同樣，關斷時間越長，最早測量時刻的異常幅度越小。相對于高阻海底而言，最早測量時刻低阻海底的電磁異常受關斷時間影響更明顯，但晚延時兩者的電磁異常均不受關斷時間影響。就30m厚的海底表層而言，由于其引起的電磁異常在較長一段時間段內(nèi)均呈現(xiàn)，關斷時間不會對表層電磁異常觀測帶來明顯影響。但關斷時間較大會導致最早測量時刻的電磁響應幅值變小，信噪比低，不利于測量。因此，對淺部介質(zhì)進行探測時，關斷時間越小越好。特別是對海底薄表層進行探測時，如厚度5m的表層，采用較短的關斷時間十分必要。

圖6是不同高阻海底薄表層和低阻海底薄表層的電磁異常曲線，在中間延時均存在一個異常峰值。只有關斷時間很小時，才能夠觀測到該最大異常。其中，高阻薄層異常峰值出現(xiàn)時間比低阻薄層早一個數(shù)量級，觀測該峰值需要更小的關斷時間（小于50μs）.

可見，關斷時間越小越有利于海底淺部探測，但并不要求實現(xiàn)階躍關斷。關斷時間只要不過大（如小于100μs），都可以觀測到海底表層引起的電磁異常，只是觀測到的最大異常幅度偏小，且信噪比偏低。

3.結果分析

關斷時間主要影響電流關斷后最早時刻的測量結果，關斷時間越小，可進行測量的最早時刻越小，且最早時刻測量的電磁響應幅值越大。因此，若需要早期信號，則應采用較小的關斷時間；而若需要晚期信號，則可采用較大的關斷時間。關斷時間較大會導致最早測量時刻的電磁響應幅值變小，信噪比低，不利于測量。因此，對淺部介質(zhì)進行探測時，關斷時間越小越好。特別是對海底薄表層進行探測時，如厚度5m的表層，采用較小的關斷時間十分必要。關斷時間越小越有利于海底淺部探測，但并不要求實現(xiàn)階躍關斷。關斷時間只要不過大（如小于100μs），都可以觀測到海底表層引起的電磁異常，只是觀測到的最大異常幅度偏小，且信噪比偏低。

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