海洋电磁信息探测

分类号密级中国地质大学（北京）课程结课报告海洋电磁信息探测学生姓名马敏院（系）地球物理与信息技术专业电子与通信工程学号2110130005任课教师邓明职称教授二O一四年四月11引言海洋蕴含着丰富的资源，在人类生存与发展过程中发挥着重要的作用。70%的地球表面被海洋覆盖，石油、天然气以及稀有金属等各种矿产资源在海底具有极为丰富的储量，这些资源有待查明及开发利用。在科学技术和经济实力不断增强的今天，除了开发海底的矿产资源以外，在海底开展各种工程，如铺设海底电缆和管道、海底仓储、建立海上钻井平台、修建海底隧道以及跨海大桥等，对海洋探测的需求不断增加。我国是一个海洋大国，大量的石油、天然气及各种矿产资源蕴藏其中。并且，我国自然资源严重紧缺，尤其是油气等能源，每年需进口大量的原油和天然气。加紧研究与发展海洋可控源电磁探测技术对我国海域油气资源及天然气水合物等能源的调查与评价具有重要的意义。海洋电磁法是勘探海底资源的一种重要方法。它采用可以控制的人工场源作为激励源，测量海底电磁场场值，来弥补海洋环境中缺失的低频信号，通过计算视电阻率和相位，或者直接利用所观测的电场和磁场达到探测地下电性分布的目的。由于效率要求和施工条件限制，很难得到类似于地面的电磁频谱曲线。因此，在实际应用过程中，利用数值模拟的方法总结归纳海底可控源电磁响应规律，它不仅为海洋CSEM资料的后期处理与解释提供理论基础；同时也为研究海洋CSEM仪器制定仪器技术指针提供依据。在国内，中国地质大学（北京）在海洋863项目的支持下开展了海洋MT的研究和试验，研制出五分量海底大地电磁仪，在我国东海采集到海底MT资料，在国内尚属数次；并率先在国内相关领域注册专利。中南工业大学、吉林大学、同济大学、浙江石油勘探处等单位于90年代加入了海洋电磁研究的行列，包括TEM、MT等方法。在仪器系统研制方面，随着电子技术、材料科学、精细机械加工技术以及芯片封装技术的发展，使大功率开关器件模块技术、Δ-Σ高精度模数转换技术、超大规模集成电路、高性能低功耗处理器、GPS授时技术以及大规模可编程逻辑技术（FPGA）得到广泛应用。这些技术的发展为海洋可控源电磁法的实现提供了坚实的技术基础。海洋电磁探测法相关技术的发展会促进海洋可控源电磁法的发展，使海洋可控源电磁法仪器更加成熟，使测量结果与实际地质结构的吻合程度得到提升。22海洋电磁信息探测方法2.1海洋电磁信息探测原理在人工或天然场源激励下，电磁波受地下介质电磁性质的影响，在地球表面所形成的电磁场信号，电磁法对这一电磁场信号进行测量，获取地下构造信息。时间域可控源电磁法是根据楞次定律，采用载有交流电的发射天线产生变化的一次场，接收系统采集接收天线感应到的二次场来探测地下的矿产储量、位置以及地质构造。频率域可控源电磁法是利用人工场源对地下介质进行激励，确定不同深度介质特性的地球物理方法，探测范围一般从地下十米到地下几十甚至上百公里的范围。在第一和第二空间金属矿勘探中，电磁法一直被人们认为是地球物理方法中行之有效的方法之一。在探测火山岩、玄武岩以及盐丘等覆盖地区地质构造时，由于地震方法发射的弹性波被散射以及吸收，难以奏效，需要借助其他的物性差异来探测研究区域地下地质构造。在诸多的物性差异中，电导率是人们经常用的一种物性差异。这种差异在海底也很明显，如天然气水合物以及油气资源储层都是高阻体，然而海水或海底沉积物是低阻体，事实上天然气水合物以及油气资源储层的电导率比海水或海底沉积物的电导率小几十倍甚至上百倍，这为海底电磁探测提供了良好的物性前提。海洋电磁法正是利用了电导率这种物性差异来探测海底的地质构造以及油气资源。目前海底电磁法探测石油已经成为国际热点。海洋电磁法探测是利用海水中电磁场与海底电导率之间的相互关系来获取海底地层信息的，而海底电导率与海底地层及其结构特点有关，利用这一特性可用来研究分析海底地质结构、油气储层等。其工作原理是，首先在海底表面发射电磁场信号，信号在海水和海底传播，并感生二次场，二次场的大小与介质的电导率密切相关。所以根据这一特性，当获得海底某一点测量的总场的数据时，通过分析计算就能够获取该海底所含介质的电导率的信息。总场与介质的电导率的关系由探测设备的收发装置类型来决定。通过一定的方法，就可以利用获取的数据进行反演，从而推测出海底地层的信息。海洋探测的方法有很多种，目前采用的比较多的方法包括海洋大地电磁法（MT）和海洋可控源电磁法(CSEM)。海洋可控源电磁法（CSEM）是采用水平电偶极子激发的低频电磁波信号，信号频率范围为几赫兹到几十赫兹之间，传播路径为在海水中和海底地层。海洋可控源电磁法（CSEM）采用的方式是移动式水平导线源和海底电场接收排列。为了减少水-空气界面的空气波和空中电磁噪声的污染，发射电极源应该放置在海底深处，同时这也有利于海底的探勘。接收装置接收到的电磁波中包含了空气波、直达波产生的电磁波、电磁反射波以及折射波。直达波包含两种传播形式的电磁波，一种为从海底发射源开始，沿着介质海水的传播然后直接到达接收装置的电磁波；另一种为从发射源开始，沿着介质海底沉积层的传播最后直接到达接收装置的电磁波。空气波为从发射源开始沿着海水向上传播，并穿透海水传播到水-空气界面，沿着该界面传播一段距离后，又向下穿透海水传播到接收装置的电磁波。反射波是指从发射源开始，沿着介质海底沉积层向下传播，在传播到海底目标层的时候，被目标层反射回来并传播至接收装置的电磁波。折射波分为两种，一种是来自水面的折射波，还有一种是来自于海底地层的折射波。在海底高衰减介质中穿行了很长一段距离的电磁反射波，其信号强度要比直达波要弱很多。在离发射源近的这一区域，因为发射角度的不同，沿海底或海面传播的电磁波由于会发生反射和折射，由于要进行很长一段距离的传播，所以发射源附近区域接收到的电磁波信号主要是直达波。垂直高阻油层入射的电磁折射波的能量虽然也会在高阻储油层中衰减，但是大部分信号都会沿着高阻层面传播，其能量会持续不断的发射到接收器上。当接收距离与高阻储层的位置相当甚至大于高阻储层的位置时，其返回的电磁3波能量将大于直达波的能量并且占据主导地位。如果所探测的地层没有含油气地层，那么海底地层传回来的发射和折射电磁波的能量就会很微弱，甚至于没有。海洋CSEM探测方法利用的是不同介质之间电阻率的差异来进行识别的，如含油气储层于它周围介质之间的电阻率有巨大差异，通过这一特点我们就可以分辨出是否是含油气储层。在含油气储层的地层，其电阻率通常为几十欧姆米，或更高，而在沉积岩地层的电阻率相对含油气储层来说要小很多，其值通常不到几欧姆米。根据电磁场的特性，在导电率低的介质中传播时，相对于高电导率的介质，电磁场的衰减度会弱一些，且传播的速度会比在高电导率介质中传播要快，在含油气储层传播时，其电磁能量会不停的从储层面反射回来，最后被接收装置接收。由于这种能量可以较大的改变整个上覆地层中的电流分布形态，与周围的沉积岩层的探测结构有很明显的差异，所以利用这一性质，结合所获取的数据就可以推测出是否存在含油气储层。2.2海洋电磁信息探测基本装置海洋电磁法探测收发装置仪器由两部分在组成：电磁激发系统（发射系统）和接收系统。其中电磁激发系统又分为两种方式，即海底拖曳式（深海固定工作方式）和水面拖曳式（浅海拖曳工作方式）。目前所常用的一种方式是海底拖曳式，主要由大功率高压发电机、水下的电磁发射机、变压器、发射（激发）电极和同步时钟以及GPS定位系统等组成（如图1所示）。图1海底电磁激发系统示意图采用海底拖曳式工作方式，其要求要大的电流供电激发，而且大功率高压发电机只能放在测量船上，但是高压电只能通过电线传输给在海底工作的发射机，所以拖曳电缆的质量要求特别高，需采用特殊的材料来制作。如果采用海底拖曳式这种方式，由于发射机是在深海中的，所以可以不用考虑发射机的散热问题，因为深海中的海水是最好的冷却装置；而供电电流的传输，其采用的是高压电传输的方式，所以消耗在电线上的能量是比较小的，这就使传输更有效率。当电流传输到发射机后，经过发射机的整流就会得到符合测量所需要的电流，4即低频低压电流。接收系统的核心装置是数据采集器，其他组成部分还包括仪器承压舱、电磁场传感器、声控释放装置、浮体、GPS定位系统等装置。数据采集器在整个接收信号的过程中的作用至关重要，所以一般要求其具有长时间持续工作的标准，性能稳定、功耗小、携带方便、存储空间大、精确度高等特性。在海洋电磁法探测过程中，海底接收器能够接收到的信号有三种：第一种是直达波信号，第二种是来自于海底地层的反射和折射的电磁波信号，第三种是来自水面的反射和折射的电磁波信号。在整个接收装置中，接收天线是至关重要的，接收天线为水平电偶极子，电偶极距的大小在10m左右，天线距离海底的高度一般为0.5m，此外海水对于信号影响是不能忽略的。电偶极矩越大，探测的距离越深，电偶极矩受电流和偶极距的大小影响，可以在探测过程中改变二者的大小来控制偶极矩，另外当偶极矩大小相同而电流和偶极矩大小不一样时，对探测的结果是一样的；发射频率越小，其磁场幅值越大，穿透距离越远，衰减变慢，这些关系对于电场分量Ex其实也是实用的。海洋可控源电磁法的采集系统多数都兼备采集海底大地电磁信号能力，接收系统在海底布置好以后即可开始采集MT数据，可控激励场源准备好之后，随时可以进行激发、采集。室内数据处理时把海底大地电磁信号和可控源电磁信号进行分离分别处理。一般有4～6道，能够接收4～6个电磁场分量，即Ex、Ez、Ey、Hx、Hy及Hz。采集器由船上吊移至海面并借助水泥块等重物沉至海底，当信号采集完成以后通过船上的声学释放器发射声波信号激发释放装置，使采集站与水泥重块分离，上浮至海面，重新加载重块后移到下一个采集区域。2.3海洋电磁信息探测数据处理海洋电磁信息探测过程中，主要应用的是电磁场的数值模拟方法。电磁场的数值模拟方法可分以微分方程为基础的有限差分法、有限元法和以积分方程为基础的积分方程法、矩量法、边界元法两个大类。通常，微分方程法能够解决地下任意结构的三维地质体电磁响应问题，但由于计算速度、计算精度以及计算机内存等方面的限制，使其应用受到很大的限制；积分方程法只对异常体进行剖分和积分，不涉及复杂的边界条件等问题，具有计算速度快和计算精度高等特点。积分方程也是最适合用于计算机求解的一种方程，并且易于用平行算法实现。在电磁场的数值模拟方面，体积分方程法是三维电磁场数值模拟的重要工具。利用积分方程计算三维的电磁场时，只需要对异常区域剖分，因此与有限元法和有限差分法相比，计算量较小，是进行三维电磁数值模拟的有效方法。Hohmann（1971，1975）用积分方程方法对均匀半空间中异常的极化效应（IP）和电磁效应（EM）进行了研究，他将均匀介质中的异常体进行剖分，用剖分单元的电流和电荷响应代替异常体的影响，最终将异常体内的方程简化成矩阵方程，通过计算散射电流和张量格林函数的积分来获取异常体外的电磁场。一些学者利用Hohmann的计算思想研究三维情况下电磁场的正演数值模拟。随后，Ting等利用积分方程法来模拟三维大地电磁的响应。得出这样的结论：由于导体边界的电荷聚集，三维响应在低频时，同一维和二维模型的电磁响应有较大的差异。因此，很多情况下需要三维解释。53总结与展望综上所述，本文以海底拖拽式可控源电磁法为主要例子，介绍了海洋电磁信息探测的基本工作过程和原理，并且在此基础之上又简单的介绍了海洋电磁信息探测的数据处理方法。就当前形势来看，个人认为虽然我国在海洋电磁探测方面已经做出了一些成绩，但是在高分辨海洋CSEM的研究方面，我国仍处于起步和探索阶段，这也需要在以后的日子里，更多的组织、单位和个人付出更多的努力，为建设繁荣富强的中华民族而奋斗终生！最后，真挚感谢邓老师的精彩讲课，与此同时也感谢被邀请到的各位授课老师让我们了解到了更多的知识。