地球深部蕴藏着丰富的矿产资源，但如何高效且精准地探测和识别矿体，是科研工作者们亟待攻克的难题。作为重要的地球物理勘探手段，人工源电磁法在探测地下金属矿体方面发挥着关键作用。根据观测场点与发射源的距离，人工源电磁法可分为远源区观测方法和近源区观测方法。由于电磁波场特征简单(仅含地面波)且满足平面波假设，表征容易，频域率长偏移电磁法(例如可控源音频大地电磁法Controlled Source Audio Magnetotelluric, CSAMT）、时间域长偏移电磁法（Long Offset Transient Electromagnetic Method，LOTEM)等远源区观测方法成为近50年来国际上的主流人工源电磁探测方法。

远源区观测方式的平面波模型简化理论，虽然降低了观测数据处理和解释的复杂性，但随着收发偏移距的增大，响应信号的幅度会迅速减小，信号的带宽也会变窄，导致勘探精度降低，有效探测深度有限，综合误差较大。相反，在近源区中，信号更强、信息载体更丰富(地面波和地层波)，实际更有利于实现大深度高精度探测。但由于近源区电磁场特征复杂，地层波的影响不可忽略，因此，近源区人工源电磁法一直是国际上的研究热点和难题。

为了解决这些难题，中国科学院地质与地球物理研究所薛国强带领其团队系统研究了近源电磁响应机理，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，发展出接地源短偏移瞬变电磁法(Short Offset Transient Electromagnetic Method，SOTEM)，将收发偏移距减小至拟探测深度的0.3~2倍区域（图1）；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；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，并在深部矿产勘探领域取得了重大突破。

图1 接地源短偏移瞬变电磁法示意图

他们提出以点电荷微元为基础的多波场精细计算新模型。与传统的偶极子微元模型相比(公式1-2)，点电荷微元模型不再忽略场源位置的这一参量(公式3-4)，直接再时间域获得有限长度接地源激发的电磁场精确解析，能够精确计算出地面波和地层波的复杂曲面传播特征。这一创新为 SOTEM 提供了坚实的科学理论基础。

为了满足短偏移观测的宽频带和高信噪比需求，他们研发了大功率、高分辨率的大带宽勘探设备(图2)。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，实现电流快速关断，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。与传统的电磁法设备相比，SOTEM 设备的最大输出功率更高，发射波形更加灵活，关断时间更短，传感器噪声水平更低，线性带宽更宽，接收机采样率更高，动态范围更大，使得 SOTEM 设备在探测性能上具有显著优势。

图2 SOTEM系统示意图。左为发射机，右为接收机

SOTEM 的数据处理方法采用了粒子群-拟牛顿混合三维反演技术(图3)。这结合了数据驱动和模型驱动的优点，通过粒子群优化算法和拟牛顿算法的混合，实现了反演速度与精度的兼顾。与传统算法相比，这种混合算法在数据量依赖性、计算时间、抗噪能力和稳定性等方面都表现出色，能够更准确、高效地揭示地下电性结构信息。

图3 粒子群-拟牛顿混合三维反演算法流程图

河南周庵是秦岭-大别造山带最大的镍和铂族元素矿床。该矿区的探测难点在于巨厚的第四系覆盖层，这些覆盖层富含水分，呈现低阻特征，对常规人工电磁法的穿透能力提出了挑战。此外，矿体赋存于超基性岩边缘，与上覆层的电阻率接近，难以精细刻画。为了探测深部矿体，他们在矿区布置了6条SOTEM 测线，进行了实地探测。

探测结果显示(图4)，SOTEM 技术成功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。浅地表的低阻层反映了新生代覆盖层，其下方的高阻体可能是超基性岩体，而深部地层的低阻特征可能与岩石蚀变有关。在 L3 测线上，他们发现了矿体主要集中在岩体的内接触带蚀变壳内，且推测可能存在更大体量的矿体。这一探测成果不仅验证了 SOTEM 技术在深部矿产勘探中的有效性，还为周庵矿区的深部找矿提供了重要依据。

图4 六条侧线剖面电性结果(a)和L3线电阻率剖面及可能的地质解释(b)

尽管SOTEM技术已经取得了显著的成果,但其研究和应用时间相对较短，未来仍有许多发展方向包括：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。随着技术的不断发展和完善，SOTEM 必将在未来的深部矿产资源勘探中发挥更大的作用，为国家的资源安全和经济发展提供有力的技术支持。

关于SOTEM的理论基础、仪器设备、数据处理方法及其实际应用效能的研究成果发表于《中国科学：地球科学》。研究受国家自然科学基金项目（42010306）和国家重点研发计划( 2022YFC2903505)等项目共同资助。

1.中文版: 薛国强, 武欣, 陈卫营, 周楠楠. 接地源短偏移瞬变电磁法理论及其在深部矿产勘探中的应用. 中国科学: 地球科学, 2025, 55(2): 642-654. DOI: 10.1360/SSTe-2024-0192.

2. 英文版: Xue G, Wu X, Chen W, Zhou N. 2025. Grounded-source short offset transient electromagnetic method: Theory and applications in deep mineral exploration. Science China Earth Sciences, 2025, 68(2): 626–638. DOI:10.1007/s11430-024-1467-9.