时频电磁法勘探介绍

应用领域
 油气盆地基底研究
 油气资源勘探
 矿产资源勘探
 地热勘探

时频电磁法基本原理
电磁法勘探中使用的场源一般分为两类，一类为磁性源，另一类为电性源，当用载流线圈或回线发射电磁场时，一般将其视为磁性源。当用接地导线发射电磁场时，一般将其视为电性源或电偶源。时频电磁法不同于MT/AMT、CSAMT利用测量相互正交的电场分量和磁场分量，通过波阻抗形式来反演地下电阻率，而是通过测量发射电偶极源的电场分量或磁场分量，仅利用一个测量量来反演地下电阻率或充电率地电参数。
时频电磁法具有以下技术特点：
 相对MT/AMT而言：时频电磁法利用的场源为人工源，对单个测点而言，无需像MT/AMT通过长时间测量来提高信噪比，生产效率特别高；
 时频电磁法可以同时得到频率域（FD）和时间域（TD）的电场和磁场响应；
 相对CSAMT而言：CSAMT以人工场源代替天然场源，必须在场源的远区平面波区域进行测量，对野外施工人员的施工要求相对较高，时频电磁法不观测水平磁场或则说只利用测量的电场来定义视电阻率，时频电磁法与广域电磁法类似，时频电磁法所测量的电场进入近场相对更晚，在收发距固定情况下会有更深的探测能力，把观测的区域扩大到了中区，从而大大拓展了人工源电磁法测量的有效范围；
 时频电磁法要实现更大深度勘探需要满足：发射电极AB间距要大，对于低阻区，要求大发射功率，对于高阻区要求高电压发射；
 时频电磁法利用在频率域采集的电场分量进行反演，获取地下电阻率，并不反演阻抗；
 时频电磁法利用最低频的长周期频率域波形特征模拟计算出时间域TD特征来提取瞬变电磁响应和Hz，但是时频电磁法所发射的波形不同于常规TEM或Lotem带有关断的波形，时频电磁法利用的电流波形极性为“+/-”；
 时频电磁法能够提供极化率参数：时频电磁法利用发射的不同频率电流波形，可以是双频或多频频散或相位的形式计算得到频率域的极化响应，反演所使用的模型为Cole-Cole模型，类似于V8中的SIP使用近场或靠近近场部分的数据来反演地下极化率；
 时频电磁法在低阻地表、平坦的油气盆地勘探上能够获得更好的效果，也可以在崎岖的山地进行测量，但精度会有所降低；
小结：时频电磁法通过设置好的频率域发射波形，一次观测就可以获得时间域和频率域的两种响应，可以同时获取深部电阻率和极化率的地球物理参数。
时频电磁法有发射和接收两部分组成，发射和接收部分的具体介绍如下：
1) 发射部分：电流源
时频电磁法的发射场源对发射电极A和B之间的距离要求不像CSAMT那样要求是电偶极子：水平电偶极子形成的场源是指在地面的1对正、负电流场源A与B，当A与B之间的距离dL与观测点到场源的距离r相比很小时，A和B可以看成1对电偶极子，因为在理论推导公式中，对水平电偶极源形成的场较易得出解析表达式。在实际工作中，如果发射电极AB之间的距离要求比较大时，由于测量工区的限制，在测量端测量往往不能把AB视为电偶极子，所以此时可以利用时频电磁法的电流源作为发射源。
2) 接收部分：电场或磁场分量接收
在地面上采用电流源的电磁测深时，可以采用测量电场水平分量Ex以及磁场垂直分量Hz。
 利用水平电场分量Ex来计算地下电阻率的计算公式如下：
（1）

I：发射电流源AB的电流强度；
dL：发射电流源AB的长度；
r：发射电流源AB中心与测量电极对MN之间的距离；
φ：r方向与AB向之间的夹角，如图一所示；
k：波数
（2）

其中ρa：视电阻率；

：是1个只与观测装置的几何尺寸有关的系数

图一：发射电流源各参数示意图

利用公式（2）定义的视电阻率，对观察点到发送源的距离没有任何限制，它适合于广大区域。
 利用磁场垂直分量Hz来计算地下电阻率的计算公式如下：
（3）

其中：

时频电磁法野外观测系统布设
提供75KVA、110KVA、175KVA三种型号的发射机，配合多通道接收机一起施工。时频电磁法野外观测系统布设一般如图二所示。

图二：时频电磁法野外观测系统布设示意图

数据处理软件中包含观测系统正演建模软件，可以通过软件正演建模来确定发射电极AB距离、收发距、测量电极间距等参数。观测系统正演建模应遵循以下原则：
1）给定发射电极AB间距和测区的背景电阻率值，正演计算接收区域的时频响应，在空间域上同频响应不变的区域是可测量的区域；频率域上低频区域场值不变的区域为近场（非测量区范围）；时频电磁观测系统典型配置
我们以175KWA发射机、4通道AGE-xxl接收机为例，要一次实现12组电道Ex和4个Hz测量为例，整个系统的主要配置应如下表格所示：

时频电磁法配置可以实现各种EM勘探方法
 TDEM（TEM）：LoTEM（深部瞬变电磁法或长偏移距瞬变电磁法）
 FDEM：频率域电磁法
 IP:TDIP、FDIP
 CSAMT

应用实例
实验目的：时频电磁法勘探在勘探富有机质页岩层系的能力；
实验地点：四川盆地川南低陡褶皱带南缘；
页岩层深度及厚度：页岩层2100米，200米厚；
发射电极AB距离：10km；
野外实验观测系统布置图，如图二所示；
勘探区地质构造及野外测量测线布置如图四所示；

图四：（a）川南低陡褶皱带构造图及(b)2011年时频电磁实验测线分布图

图五：测线1电阻率约束反演与叠合解释剖面

图六：测线2电阻率约束反演与叠合解释剖面

应用实例来自于地球物理学报，请参考：
张春贺，刘雪军，何兰芳等.《基于时频电磁法的富有机质页岩层系勘探研究》.地球物理学报，2013,56（9）：3173-3183,doi:10.6038/cjg20130930.

结论
时频电磁法是一种新的大地视电阻率计算方法与广域电磁法类似，测量区域适用于包括过渡带在内的广大区域，与传统的CSAMT电磁法相比，其最大的优点是可以配合大功率发射机（75KVA、110KVA、175KVA发射机可选）用较小的收发距来获得较大的探测深度，这非常有利于在油气资源勘察、深部金属矿勘察当中应用。时频电磁法可以一次采集同时实现时间域和频率的计算，获取地下电阻率和极化率的地球物理参数。