海洋電磁信息探測

1、分類號 密級中國地質(zhì)大學(xué)（北京）課 程 結(jié) 課 報(bào) 告海洋電磁信息探測學(xué)生姓名 馬 敏 院（系）地球物理與信息技術(shù)專 業(yè) 電子與通信工程 學(xué) 號 2110130005 任課教師 鄧 明 職 稱 教 授 二O一四年四月1 引言海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，在人類生存與發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。70%的地球表面被海洋覆蓋，石油、天然氣以及稀有金屬等各種礦產(chǎn)資源在海底具有極為豐富的儲(chǔ)量，這些資源有待查明及開發(fā)利用。在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)的今天，除了開發(fā)海底的礦產(chǎn)資源以外，在海底開展各種工程，如鋪設(shè)海底電纜和管道、海底倉儲(chǔ)、建立海上鉆井平臺(tái)、修建海底隧道以及跨海大橋等，對海洋探測的需求不斷增加。我國是

2、一個(gè)海洋大國，大量的石油、天然氣及各種礦產(chǎn)資源蘊(yùn)藏其中。并且，我國自然資源嚴(yán)重緊缺，尤其是油氣等能源，每年需進(jìn)口大量的原油和天然氣。加緊研究與發(fā)展海洋可控源電磁探測技術(shù)對我國海域油氣資源及天然氣水合物等能源的調(diào)查與評價(jià)具有重要的意義。海洋電磁法是勘探海底資源的一種重要方法。它采用可以控制的人工場源作為激勵(lì)源，測量海底電磁場場值，來彌補(bǔ)海洋環(huán)境中缺失的低頻信號，通過計(jì)算視電阻率和相位，或者直接利用所觀測的電場和磁場達(dá)到探測地下電性分布的目的。由于效率要求和施工條件限制，很難得到類似于地面的電磁頻譜曲線。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，利用數(shù)值模擬的方法總結(jié)歸納海底可控源電磁響應(yīng)規(guī)律，它不僅為海洋 CSE

3、M資料的后期處理與解釋提供理論基礎(chǔ)；同時(shí)也為研究海洋 CSEM 儀器制定儀器技術(shù)指針提供依據(jù)。在國內(nèi)，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在海洋 863 項(xiàng)目的支持下開展了海洋 MT 的研究和試驗(yàn)，研制出五分量海底大地電磁儀，在我國東海采集到海底 MT 資料，在國內(nèi)尚屬數(shù)次；并率先在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域注冊專利。中南工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江石油勘探處等單位于 90 年代加入了海洋電磁研究的行列，包括TEM、MT 等方法。在儀器系統(tǒng)研制方面，隨著電子技術(shù)、材料科學(xué)、精細(xì)機(jī)械加工技術(shù)以及芯片封裝技術(shù)的發(fā)展，使大功率開關(guān)器件模塊技術(shù)、-高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、高性能低功耗處理器、GPS 授時(shí)技術(shù)以及

4、大規(guī)?？删幊踢壿嫾夹g(shù)（FPGA）得到廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)的發(fā)展為海洋可控源電磁法的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。海洋電磁探測法相關(guān)技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)海洋可控源電磁法的發(fā)展，使海洋可控源電磁法儀器更加成熟，使測量結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)的吻合程度得到提升。2 海洋電磁信息探測方法2.1 海洋電磁信息探測原理在人工或天然場源激勵(lì)下，電磁波受地下介質(zhì)電磁性質(zhì)的影響，在地球表面所形成的電磁場信號，電磁法對這一電磁場信號進(jìn)行測量，獲取地下構(gòu)造信息。時(shí)間域可控源電磁法是根據(jù)楞次定律，采用載有交流電的發(fā)射天線產(chǎn)生變化的一次場，接收系統(tǒng)采集接收天線感應(yīng)到的二次場來探測地下的礦產(chǎn)儲(chǔ)量、位置以及地質(zhì)構(gòu)造。頻率域可控源電磁法是利

5、用人工場源對地下介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，確定不同深度介質(zhì)特性的地球物理方法，探測范圍一般從地下十米到地下幾十甚至上百公里的范圍。在第一和第二空間金屬礦勘探中，電磁法一直被人們認(rèn)為是地球物理方法中行之有效的方法之一。在探測火山巖、玄武巖以及鹽丘等覆蓋地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，由于地震方法發(fā)射的彈性波被散射以及吸收，難以奏效，需要借助其他的物性差異來探測研究區(qū)域地下地質(zhì)構(gòu)造。在諸多的物性差異中，電導(dǎo)率是人們經(jīng)常用的一種物性差異。這種差異在海底也很明顯，如天然氣水合物以及油氣資源儲(chǔ)層都是高阻體，然而海水或海底沉積物是低阻體，事實(shí)上天然氣水合物以及油氣資源儲(chǔ)層的電導(dǎo)率比海水或海底沉積物的電導(dǎo)率小幾十倍甚至上百倍，這為海底

6、電磁探測提供了良好的物性前提。海洋電磁法正是利用了電導(dǎo)率這種物性差異來探測海底的地質(zhì)構(gòu)造以及油氣資源。目前海底電磁法探測石油已經(jīng)成為國際熱點(diǎn)。海洋電磁法探測是利用海水中電磁場與海底電導(dǎo)率之間的相互關(guān)系來獲取海底地層信息的，而海底電導(dǎo)率與海底地層及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，利用這一特性可用來研究分析海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、油氣儲(chǔ)層等。其工作原理是，首先在海底表面發(fā)射電磁場信號，信號在海水和海底傳播，并感生二次場，二次場的大小與介質(zhì)的電導(dǎo)率密切相關(guān)。所以根據(jù)這一特性，當(dāng)獲得海底某一點(diǎn)測量的總場的數(shù)據(jù)時(shí)，通過分析計(jì)算就能夠獲取該海底所含介質(zhì)的電導(dǎo)率的信息?？倛雠c介質(zhì)的電導(dǎo)率的關(guān)系由探測設(shè)備的收發(fā)裝置類型來決定。通過一定

7、的方法，就可以利用獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，從而推測出海底地層的信息。海洋探測的方法有很多種，目前采用的比較多的方法包括海洋大地電磁法（MT）和海洋可控源電磁法(CSEM)。海洋可控源電磁法（CSEM）是采用水平電偶極子激發(fā)的低頻電磁波信號，信號頻率范圍為幾赫茲到幾十赫茲之間，傳播路徑為在海水中和海底地層。海洋可控源電磁法（CSEM）采用的方式是移動(dòng)式水平導(dǎo)線源和海底電場接收排列。為了減少水-空氣界面的空氣波和空中電磁噪聲的污染，發(fā)射電極源應(yīng)該放置在海底深處，同時(shí)這也有利于海底的探勘。接收裝置接收到的電磁波中包含了空氣波、直達(dá)波產(chǎn)生的電磁波、電磁反射波以及折射波。直達(dá)波包含兩種傳播形式的電磁波，一種

8、為從海底發(fā)射源開始，沿著介質(zhì)海水的傳播然后直接到達(dá)接收裝置的電磁波；另一種為從發(fā)射源開始，沿著介質(zhì)海底沉積層的傳播最后直接到達(dá)接收裝置的電磁波?？諝獠閺陌l(fā)射源開始沿著海水向上傳播，并穿透海水傳播到水-空氣界面，沿著該界面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x后，又向下穿透海水傳播到接收裝置的電磁波。反射波是指從發(fā)射源開始，沿著介質(zhì)海底沉積層向下傳播，在傳播到海底目標(biāo)層的時(shí)候，被目標(biāo)層反射回來并傳播至接收裝置的電磁波。折射波分為兩種，一種是來自水面的折射波，還有一種是來自于海底地層的折射波。在海底高衰減介質(zhì)中穿行了很長一段距離的電磁反射波，其信號強(qiáng)度要比直達(dá)波要弱很多。在離發(fā)射源近的這一區(qū)域，因?yàn)榘l(fā)射角度的不同，沿海底

9、或海面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄓ捎跁?huì)發(fā)生反射和折射，由于要進(jìn)行很長一段距離的傳播，所以發(fā)射源附近區(qū)域接收到的電磁波信號主要是直達(dá)波。垂直高阻油層入射的電磁折射波的能量雖然也會(huì)在高阻儲(chǔ)油層中衰減，但是大部分信號都會(huì)沿著高阻層面?zhèn)鞑?，其能量?huì)持續(xù)不斷的發(fā)射到接收器上。當(dāng)接收距離與高阻儲(chǔ)層的位置相當(dāng)甚至大于高阻儲(chǔ)層的位置時(shí)，其返回的電磁波能量將大于直達(dá)波的能量并且占據(jù)主導(dǎo)地位。如果所探測的地層沒有含油氣地層，那么海底地層傳回來的發(fā)射和折射電磁波的能量就會(huì)很微弱，甚至于沒有。海洋CSEM 探測方法利用的是不同介質(zhì)之間電阻率的差異來進(jìn)行識(shí)別的，如含油氣儲(chǔ)層于它周圍介質(zhì)之間的電阻率有巨大差異，通過這一特點(diǎn)我們就可以分

10、辨出是否是含油氣儲(chǔ)層。在含油氣儲(chǔ)層的地層，其電阻率通常為幾十歐姆米，或更高，而在沉積巖地層的電阻率相對含油氣儲(chǔ)層來說要小很多，其值通常不到幾歐姆米。根據(jù)電磁場的特性，在導(dǎo)電率低的介質(zhì)中傳播時(shí)，相對于高電導(dǎo)率的介質(zhì)，電磁場的衰減度會(huì)弱一些，且傳播的速度會(huì)比在高電導(dǎo)率介質(zhì)中傳播要快，在含油氣儲(chǔ)層傳播時(shí)，其電磁能量會(huì)不停的從儲(chǔ)層面反射回來，最后被接收裝置接收。由于這種能量可以較大的改變整個(gè)上覆地層中的電流分布形態(tài)，與周圍的沉積巖層的探測結(jié)構(gòu)有很明顯的差異，所以利用這一性質(zhì)，結(jié)合所獲取的數(shù)據(jù)就可以推測出是否存在含油氣儲(chǔ)層。2.2 海洋電磁信息探測基本裝置海洋電磁法探測收發(fā)裝置儀器由兩部分在組成：電磁激

11、發(fā)系統(tǒng)（發(fā)射系統(tǒng)）和接收系統(tǒng)。其中電磁激發(fā)系統(tǒng)又分為兩種方式，即海底拖曳式（深海固定工作方式）和水面拖曳式（淺海拖曳工作方式）。目前所常用的一種方式是海底拖曳式，主要由大功率高壓發(fā)電機(jī)、水下的電磁發(fā)射機(jī)、變壓器、發(fā)射（激發(fā)）電極和同步時(shí)鐘以及 GPS 定位系統(tǒng)等組成（如圖1所示）。圖1 海底電磁激發(fā)系統(tǒng)示意圖采用海底拖曳式工作方式，其要求要大的電流供電激發(fā)，而且大功率高壓發(fā)電機(jī)只能放在測量船上，但是高壓電只能通過電線傳輸給在海底工作的發(fā)射機(jī)，所以拖曳電纜的質(zhì)量要求特別高，需采用特殊的材料來制作。如果采用海底拖曳式這種方式，由于發(fā)射機(jī)是在深海中的，所以可以不用考慮發(fā)射機(jī)的散熱問題，因?yàn)樯詈Ｖ械暮?/p>

12、水是最好的冷卻裝置；而供電電流的傳輸，其采用的是高壓電傳輸?shù)姆绞剑韵脑陔娋€上的能量是比較小的，這就使傳輸更有效率。當(dāng)電流傳輸?shù)桨l(fā)射機(jī)后，經(jīng)過發(fā)射機(jī)的整流就會(huì)得到符合測量所需要的電流，即低頻低壓電流。接收系統(tǒng)的核心裝置是數(shù)據(jù)采集器，其他組成部分還包括儀器承壓艙、電磁場傳感器、聲控釋放裝置、浮體、GPS 定位系統(tǒng)等裝置。數(shù)據(jù)采集器在整個(gè)接收信號的過程中的作用至關(guān)重要，所以一般要求其具有長時(shí)間持續(xù)工作的標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定、功耗小、攜帶方便、存儲(chǔ)空間大、精確度高等特性。在海洋電磁法探測過程中，海底接收器能夠接收到的信號有三種：第一種是直達(dá)波信號，第二種是來自于海底地層的反射和折射的電磁波信號，第三種

13、是來自水面的反射和折射的電磁波信號。在整個(gè)接收裝置中，接收天線是至關(guān)重要的，接收天線為水平電偶極子，電偶極距的大小在 10m 左右，天線距離海底的高度一般為 0.5m，此外海水對于信號影響是不能忽略的。電偶極矩越大，探測的距離越深，電偶極矩受電流和偶極距的大小影響，可以在探測過程中改變二者的大小來控制偶極矩，另外當(dāng)偶極矩大小相同而電流和偶極矩大小不一樣時(shí)，對探測的結(jié)果是一樣的；發(fā)射頻率越小，其磁場幅值越大，穿透距離越遠(yuǎn)，衰減變慢，這些關(guān)系對于電場分量Ex 其實(shí)也是實(shí)用的。海洋可控源電磁法的采集系統(tǒng)多數(shù)都兼?zhèn)洳杉５状蟮仉姶判盘柲芰Γ邮障到y(tǒng)在海底布置好以后即可開始采集 MT 數(shù)據(jù)，可控激勵(lì)場源

14、準(zhǔn)備好之后，隨時(shí)可以進(jìn)行激發(fā)、采集。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)把海底大地電磁信號和可控源電磁信號進(jìn)行分離分別處理。一般有 46 道，能夠接收 46 個(gè)電磁場分量，即 Ex、Ez、Ey、Hx、Hy及 Hz。采集器由船上吊移至海面并借助水泥塊等重物沉至海底，當(dāng)信號采集完成以后通過船上的聲學(xué)釋放器發(fā)射聲波信號激發(fā)釋放裝置，使采集站與水泥重塊分離，上浮至海面，重新加載重塊后移到下一個(gè)采集區(qū)域。2.3 海洋電磁信息探測數(shù)據(jù)處理海洋電磁信息探測過程中，主要應(yīng)用的是電磁場的數(shù)值模擬方法。電磁場的數(shù)值模擬方法可分以微分方程為基礎(chǔ)的有限差分法、有限元法和以積分方程為基礎(chǔ)的積分方程法、矩量法、邊界元法兩個(gè)大類。通常，微分方程

15、法能夠解決地下任意結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體電磁響應(yīng)問題，但由于計(jì)算速度、計(jì)算精度以及計(jì)算機(jī)內(nèi)存等方面的限制，使其應(yīng)用受到很大的限制；積分方程法只對異常體進(jìn)行剖分和積分，不涉及復(fù)雜的邊界條件等問題，具有計(jì)算速度快和計(jì)算精度高等特點(diǎn)。積分方程也是最適合用于計(jì)算機(jī)求解的一種方程，并且易于用平行算法實(shí)現(xiàn)。在電磁場的數(shù)值模擬方面，體積分方程法是三維電磁場數(shù)值模擬的重要工具。利用積分方程計(jì)算三維的電磁場時(shí)，只需要對異常區(qū)域剖分，因此與有限元法和有限差分法相比，計(jì)算量較小，是進(jìn)行三維電磁數(shù)值模擬的有效方法。Hohmann（1971，1975）用積分方程方法對均勻半空間中異常的極化效應(yīng)（IP）和電磁效應(yīng)（EM）進(jìn)行了研究，他將均勻介質(zhì)中的異常體進(jìn)行剖分，用剖分單元的電流和電荷響應(yīng)代替異常體的影響，最終將異常體內(nèi)的方程簡化成矩陣方程，通過計(jì)算散射電流和張量格林函數(shù)的積分來獲取異常體外的電磁場。一些學(xué)者利用 Hohmann 的計(jì)算思想研究三維情況下電磁場的正演數(shù)值模擬。隨后，Ting等利用積分方程法來模擬三維大地電磁的響應(yīng)。得出這樣的結(jié)論：由于導(dǎo)體邊界的電荷聚集，三維響應(yīng)在低頻時(shí)，同一維和二維模型的電磁響應(yīng)有較大的差異。因此，很多情況下需要三維解釋。3