(完整word版)海洋電磁信息探測

1、密級分類號中國地質(zhì)大學(xué)（北京）課程結(jié) 課報告海洋電磁信息探測學(xué)生姓名馬一敏 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)濟實力不斷增強的今天， 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、建立海上鉆井平臺、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。 我國是一

2、個海洋大國， 大量的石油、天然氣及各種礦產(chǎn)資源蘊藏其中。并且，我國自然資源嚴重緊缺，尤其是油氣等能源，每年需進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源，測量海底電磁場場值， 來彌補海洋環(huán)境中缺失的低頻信號， 通過計算視電阻率和相位， 或者直接利用所觀測的電場和磁場達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

3、海洋CSEM 資料的后期處理與解釋提供理論基礎(chǔ)；同時也為研究海洋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 項目的支持下開展了海洋MT 的研究和試驗，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)、 精細機械加工技術(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)、A - 2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

4、功耗處理器、GPS授時技術(shù)以及大規(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現(xiàn)提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 海洋電磁探測法相關(guān)技術(shù)的發(fā)展會促進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)果與實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)的吻合程度得到提升。62 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行測量， 獲取地下構(gòu)造信息。 時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

5、地下的礦產(chǎn)儲量、 位置以及地質(zhì)構(gòu)造。 頻率域可控源電磁法是利用人工場源對地下介質(zhì)進行激勵， 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， 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層都是高阻體， 然而海水或海底沉積物是低阻體， 事實上天然氣水

6、合物以及油氣資源儲層的電導(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。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， 當獲得海底某一點測量的總場的數(shù)據(jù)時，通過分析計算

7、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。 通過一定的方法， 就可以利用獲取的數(shù)據(jù)進行反演， 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， 同時這也有

8、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、直達波產(chǎn)生的電磁波、電磁反射波以及折射波。直達波包含兩種傳播形式的電磁波， 一種為從海底發(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接收裝置的電磁波。 空氣波為從發(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， 在傳播到海底目標層的時候， 被目標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

9、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，其信號強度要比直達波要弱很多。 在離發(fā)射源近的這一區(qū)域， 因為發(fā)射角度的不同， 沿海底或海面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄓ捎跁l(fā)生反射和折射， 由于要進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波。垂直高阻油層入射的電磁折射波的能量雖然也會在高阻儲油層中衰減， 但是大部分信號都會沿著高阻層面?zhèn)鞑ィ?其能量會持續(xù)不斷的發(fā)射到接收器上。 當接收距離與高阻儲層的位置相當甚至大于高阻儲層的位置時， 其返回的電磁波能量將大于直達波的能量并且占據(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

10、磁波的能量就會很微弱，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行識別的，如含油氣儲層于它周圍介質(zhì)之間的電阻率有巨大差異，通過這一特點我們就可以分辨出是否是含油氣儲層。在含油氣儲層的地層， 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，相對于高電導(dǎo)率的介質(zhì)，電磁場的衰減度會弱一些，且傳播的速度會比在高電導(dǎo)率介質(zhì)中傳播要快，在含油氣儲層傳播時，其電磁能量會不停的從儲層面反射回來，最后被接收裝置接收。由于這種能量可以較大的改變整個上覆地層中的電流分布形態(tài)，與周圍的沉積

11、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、水下的電磁發(fā)射機、變壓器、發(fā)射（激發(fā)）電極和同步時鐘以及 GPS定位系統(tǒng)等組成（如圖 1所示）。CSEM survey equipment layoutSTREAMER ANTENNAHEAD FISHEl ectrode30D

12、 m DipoleElectrode 1Transponder.J,：二三三匚史癡0扃Bi而置三二(A): Jransrnitter Power se ctionElectrode Ter mairmtioniBIStrain ReliefTow Frame TerminationTew Cable TeminatioTi Transpond sr/ Copper Antonna Cable N eutral BuoyantAltitude 25-50 m= TelemetrYand signal conditioningSEAFLOOR1QQ40Q0 m DepthInstrument su

13、ite: Altimeter Pressure Compass DVL/MRU, SV CID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，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)射機是在深海中的，所以可以不用考慮發(fā)射機的散熱問題，因為深海中的海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?，所以消耗在電線上的能量是比較小的，這就使傳輸更有效率。當電流傳輸?shù)桨l(fā)射機后，經(jīng)過發(fā)射機的整流就會得到符合測量所需要的電流，

14、 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間持續(xù)工作的標準，性能穩(wěn)定、功耗小、攜帶方便、存儲空間大、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， 第三種是來自水面的反射和折射的電磁波信號。 在整個接收裝置中， 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

15、，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， 另外當偶極矩大小相同而電流和偶極矩大小不一樣時，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，衰減變慢，這些關(guān)系對于電場分量Ex 其實也是實用的。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?接收系統(tǒng)在海底布置好以后即可開始采集MT 數(shù)據(jù)， 可控激勵場源準備好之后， 隨時可以進行激發(fā)、 采集。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時把海底大地電磁信號和可控源電磁信號進行分離分別處理。一般有46道，能夠接收46個電磁場分量，即 Ex、E

16、z、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、 邊界元法兩個大類。 通常， 微分方程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，但由于計算速度、計算精度以及計算機內(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

17、體進行剖分和積分， 不涉及復(fù)雜的邊界條件等問題， 具有計算速度快和計算精度高等特點。 積分方程也是最適合用于計算機求解的一種方程， 并且易于用平行算法實現(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。 利用積分方程計算三維的電磁場時， 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， 計算量較小，是進行三維電磁數(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）進行了研究，他將均勻介質(zhì)中的異常體進行剖分， 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， 同一維和二維模型的電磁響應(yīng)有較大的差