柳建新,郭天宇,王博琛,郭振威

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南長沙410083;2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙410083)

海洋地球物理方法是用于探測海底結(jié)構(gòu)和海底資源的重要手段之一。針對目標(biāo)體的差異,常用的重、磁、電、震等物探方法在海洋環(huán)境下同樣適用。由于海洋電磁勘探可以提供海洋地震勘探以外的電性差異等原因使得海洋資源、能源勘探的風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低,因而海洋電磁法成為近年來發(fā)展最快的海洋地球物理方法之一。

地球物理學(xué)家關(guān)心的海洋方面的研究方向主要有:海底板塊構(gòu)造[1]、火山運(yùn)動[2]、海嘯預(yù)警[3]、油氣勘探[4]和水合物調(diào)査等[5]。近年來,在上述領(lǐng)域海洋地球物理方法取得了顯著的效果。2000年,挪威國家石油公司在安哥拉海域的油氣勘探試驗(yàn)成功,標(biāo)志著海洋電磁法進(jìn)入了石油勘探的商業(yè)時代[6-7]。同時,石油工業(yè)界的發(fā)展也促進(jìn)了海洋電磁法的研究和推廣,目前海洋電磁法發(fā)展得相對成熟[8],在地震方法難以奏效的區(qū)域(火成巖、碳酸巖、鹽丘等)[4]實(shí)現(xiàn)油氣勘探、海洋深部構(gòu)造研究并且節(jié)約成本,是一種行之有效的勘探方法[9]。

伴隨著海洋電磁法在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用,學(xué)術(shù)界的科研進(jìn)展日新月異。地球物理學(xué)家們陸續(xù)發(fā)表了一些重要的綜述文章,在不同的時間段總結(jié)了海洋電磁法的研究進(jìn)展[4,8,10-12],三維可控源電磁法的數(shù)據(jù)采集,正、反演和各向異性等問題,超淺層水體問題以及深海的玄武巖勘探等問題都在研究和探索。有關(guān)海洋電磁的方法,有以下幾篇經(jīng)典的論文,分別是:①海洋大地電磁,CONSTABLE等[13]和HOVERSTEN等[14];②海洋可控源電磁法,EIDESMO等[6]、ELLINGSRUD等[7]和CONSTABLE[8];③海洋瞬變電磁法,ALLEGAR等[15]、HOLTEN等[16]和周勝等[17];④海洋激電法,IVANOV等[18]和VEEKEN等[19]。

近20年是海洋電磁法發(fā)展的黃金時期,本文主要針對海洋電磁法的發(fā)展歷程,從方法、正演、反演、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用和儀器6個方面進(jìn)行了綜述,最后就海洋電磁法未來發(fā)展的方向提出見解。海洋瞬變電磁方法和海洋激電法的勘探深度比較淺,適用于近海底探測,多用于海底多金屬硫化物礦產(chǎn)勘探。海洋大地電磁采集天然電磁場中的低頻信號,主要用來解決海底深部的構(gòu)造問題,對淺部異常體的敏感度弱,分辨率也低。因此,在油氣勘探領(lǐng)域,發(fā)揮主要作用的電磁勘探方法是可控源電磁法。

1 海洋電磁勘探技術(shù)發(fā)展

海洋電磁法源于20世紀(jì)70年代[8],在1980年之前,為了把電磁法應(yīng)用到海洋資源勘查領(lǐng)域,開始研究海洋電磁探測的理論方法。最初將海洋可控源技術(shù)應(yīng)用于淺水領(lǐng)域,是由于在淺層會有空氣波等干擾,對接收信號造成嚴(yán)重干擾,當(dāng)時應(yīng)用并沒用取得良好效果,只進(jìn)行了一些簡單的試驗(yàn)。1981年,COX等[20]首次使用海洋可控源電磁法測量了洋底巖石圈的電阻率。1986年,EDWARDS等[21]研制出可控源時間域海底電磁法觀測系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)探測淺水區(qū)的天然氣水合物[22]。1995年,美國加州大學(xué)斯克里普斯海洋學(xué)院和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校等研究人員將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于深水區(qū),并且在設(shè)備的研發(fā)[14-23]、數(shù)據(jù)的處理解釋[24]以及實(shí)際應(yīng)用[25]等方面都取得了很大的進(jìn)步,為該技術(shù)后續(xù)的發(fā)展提供了重要保障。EIDESMO等[6]提出海底基站式數(shù)據(jù)采集方法—后,海洋可控源電磁法(CSEM)開始被廣泛應(yīng)用于海洋資源的勘探,并首先用該方法探測了安哥拉海域的石油資源[7]。MYER等[26]采用海洋可控源電磁法對夏威夷的羅希海底山進(jìn)行勘查,繪制出該區(qū)域的電導(dǎo)率圖像。進(jìn)入21世紀(jì)后,該項(xiàng)技術(shù)逐步發(fā)展成熟,多用于研究石油和天然氣資源的電阻率異常情況,雖然分辨率不如地震勘探,但是對于電阻率的靈敏度更明顯以及對油氣資源勘探的成本較低[27]。

1.1 海洋可控源電磁法簡介

海洋電磁法是利用靠近海底的深拖發(fā)射器從電偶極子向海水中發(fā)射電磁信號,在海底不同位置測量磁場和電場。在海洋電磁法研究中,國內(nèi)外研究人員取得了很多突破。最常見的海洋電磁裝置是深水拖曳水平發(fā)射-固定陣列接收裝置(圖1)和深水拖曳水平發(fā)射-水平接收裝置[28](圖2)。水平發(fā)射-固定陣列接收裝置發(fā)射源位于海底上方30～100m處,接收機(jī)固定于海床,這樣能夠得到最大的異常響應(yīng),而且可同時采集沿測線、垂直測線和方位角3個方向的數(shù)據(jù);水平發(fā)射-水平接收裝置發(fā)射和接收均在海底上方30～100m處,相比于固定接收裝置布設(shè)速度較快,缺點(diǎn)是該裝置只能接收沿測線的數(shù)據(jù)。此外,還有海底垂直發(fā)射-垂直接收裝置[16]和淺拖曳水平發(fā)射-水平接收裝置[29]。海底垂直發(fā)射-垂直接收裝置采用短收發(fā)距,提高了水平分辨率;淺拖曳水平收發(fā)裝置主要用于淺水域勘探,LI等[30]分析了淺水域的瞬變電磁響應(yīng),結(jié)果表明,相比深拖曳裝置,淺拖曳裝置不僅能夠顯示有效的高阻異常,而且信號強(qiáng)度并沒有明顯的減弱。海洋電磁勘探方法的實(shí)例很多,KEY等[31]用正交普羅科斯旋轉(zhuǎn)分析確定海洋可控源電磁法接收機(jī)的方位。2011年,出現(xiàn)一種新的聚焦源電磁法(FSEM),該方法將電磁場集中在垂直方向上,以提供垂向的電場和磁場數(shù)據(jù),與傳統(tǒng)海洋可控源電磁方法相比具有空間分辨率高和研究深度大的優(yōu)點(diǎn)[32]。陳凱等[33]對海洋拖曳式水平電偶極-偶極方法進(jìn)行了討論并將該方法應(yīng)用于國內(nèi)海洋試驗(yàn)與評估;王猛等[34]利用坐底式和拖曳式聯(lián)合作業(yè)方法,對異常體進(jìn)行寬頻帶激發(fā)測試。

圖1 深水拖曳水平發(fā)射-固定陣列接收電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[28]

圖2 深水拖曳水平發(fā)射-水平接收電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[28]

1.2 海洋可控源電磁法正演理論研究

在海洋油氣勘探中,海洋電磁數(shù)值模擬研究的發(fā)展速度非?？?主要方法包括積分方程法、有限差分法、有限元法和有限體積法等[35]。這些數(shù)值模擬方法也可用于電磁法之外的其它擴(kuò)散場方程組[36]。早期的數(shù)值模擬計(jì)算以一維模型和二維模型為主,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和存儲技術(shù)的提高,三維高精度數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。近20年來,海洋可控源電磁法已經(jīng)從簡單的異常探測發(fā)展到運(yùn)用超級計(jì)算機(jī)對多分量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維各向異性數(shù)值模擬。隨著研究的深入,以前海洋勘查中存在的計(jì)算精度低、計(jì)算速度慢、復(fù)雜地質(zhì)模型計(jì)算難度大等問題逐漸得到解決。

在積分方程法中,BAKR等[37]評估了簡化散射積分方程方法的準(zhǔn)確性,并模擬海洋可控源電磁法復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu),取得了較好的計(jì)算結(jié)果。陳桂波等[38]應(yīng)用壓縮映射的積分方程法,實(shí)現(xiàn)了各向異性介質(zhì)的海洋可控源電磁法響應(yīng)研究。

有限差分法因其計(jì)算速度快而成為正演數(shù)值模擬中常用的方法,目前使用有限差分解決的問題有各向異性、薄層的電阻率和CO2監(jiān)測等。在解決各向異性問題中,殷長春等[39]開展了基于一維和二維模型研究電阻率各向異性的影響,并進(jìn)行了三維任意各向異性介質(zhì)海洋可控源電磁有限差分?jǐn)?shù)值模擬研究。羅鳴等[40]編寫了相應(yīng)的海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理程序用于解決一維電阻率各向異性問題。

探測海底深部的高阻薄層并在鉆井前評估潛在油氣藏是近年來探索的另一方向。WEISS等[41]用一維和三維模型的正反演技術(shù)檢驗(yàn)了海洋可控源電磁法對高阻薄層的敏感性。SASAKI等[42]用三維有限差分來數(shù)值模擬淺海和深?？煽卦措姶彭憫?yīng),通過簡單的三維儲層模型研究了不同頻率下電場和磁場的異常響應(yīng),結(jié)果表明,綜合電場和磁場的響應(yīng)有助于探測海底深部的薄層。在CO2監(jiān)測領(lǐng)域,BHUYIAN等[43]通過使用三維時域有限差分(FDTD)正演模擬論證了海洋可控源電磁法可以監(jiān)測地下的CO2儲藏。

有限元法因其計(jì)算精度較高而廣泛應(yīng)用于海洋電磁法,LI等[44]開展了海洋可控源電磁法二維自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化有限元數(shù)值模擬,通過計(jì)算二次場得到了在海洋環(huán)境中的精確解,并取得了較好的結(jié)果。KEY等[45]實(shí)現(xiàn)了海洋電磁法2.5維自適應(yīng)有限元并行計(jì)算研究,它可以很容易地應(yīng)用到反演算法中,對未來簡單和復(fù)雜近海結(jié)構(gòu)的模型研究有很大幫助。SCHWARZBACH等[46]采用高階矢量有限元法實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率各向同性介質(zhì)的海洋可控源電磁法三維數(shù)值模擬,并通過模擬真實(shí)的海上可控源電磁法場景來驗(yàn)證其優(yōu)越性。CAI等[47]應(yīng)用六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行了海洋可控源電磁法三維矢量有限元正演研究。楊軍等[48]實(shí)現(xiàn)了海洋可控源電磁三維非結(jié)構(gòu)化矢量有限元數(shù)值模擬。DUNHAM等[49]使用三維有限元正演模擬程序計(jì)算了海洋可控源電磁法響應(yīng),并用于油氣儲層評價。CHEN等[50]提出了一種基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維各向異性海洋電磁源電磁法建模方法,可用于計(jì)算任意各向異性介質(zhì)的井孔地球物理勘探模擬。

在三維數(shù)值模擬中,有限體積法也是一種常用的方法。由于發(fā)射場源的長度、形狀和方位均會對數(shù)據(jù)分析結(jié)果造成影響,韓波等[51]用交錯網(wǎng)格體積法對任意方位有限長直導(dǎo)線的發(fā)射源成功進(jìn)行了海洋可控源電磁三維正演。PENG等[52]提出了一種穩(wěn)健而有效的基于散射型標(biāo)量矢量勢的有限體積算法模擬三維任意各向異性地層中的海洋可控源電磁響應(yīng)。

還有一些其他數(shù)值模擬方法,如FOLORUNSO等[53]對具有足夠電阻率差異的油氣藏及其周圍地層進(jìn)行正演分析并應(yīng)用于尼日爾三角洲碳?xì)浠衔锾綔y中。NAZABAT等[54]利用小波變換技術(shù)模擬海洋可控源電磁法正演響應(yīng)。UM等[55]提出了一種有限元離散化算子,該算子可以將3D有限差分模型自動轉(zhuǎn)換為可靠且高效的四面體有限元網(wǎng)格,以進(jìn)行可控源電磁法建模。LIU等[56]用基于積分方程和矢量有限元的混合求解器解決了3D可控源電磁法數(shù)值建模問題。

1.3 海洋可控源電磁法反演理論研究

油氣勘探領(lǐng)域中的海洋電磁反演方法有很多,本文主要從梯度類算法、概率反演方法、海洋電磁與其他方法聯(lián)合反演等幾類算法的角度探討反演理論。

梯度類算法作為傳統(tǒng)的反演方法在海洋電磁法中應(yīng)用廣泛,如CHRISTENSEN等[57]利用迭代阻尼最小二乘法分析了噪聲變化對一維海洋可控源電磁法的影響,認(rèn)為四層電阻率模型中參數(shù)的不確定性主要取決于其自身的厚度和覆蓋層的厚度。目前在大規(guī)模海洋電磁法數(shù)據(jù)反演,常見的梯度類算法有共軛梯度算法和高斯-牛頓算法。NEWMAN等[58]基于非線性共軛梯度和全波場數(shù)值模擬,提出了可處理橫向各向異性問題的三維海洋可控源電磁法成像算法并驗(yàn)證了其有效性。GRIBENKO等[59]基于嚴(yán)格的積分方程形式,對正則化梯度類型反演算法進(jìn)行了改進(jìn),隨后實(shí)現(xiàn)了利用積分方程算子的重加權(quán)正則化共軛梯度算法,并將其成功應(yīng)用于海洋電磁數(shù)據(jù)三維反演當(dāng)中。ZHANG等[60]采用基于非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)的有限元方法進(jìn)行正演計(jì)算,并采用共軛梯度法求解高斯-牛頓反演方程,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜海底地形儲層的三維正則化反演。對于網(wǎng)格的選擇,GUO等[61]利用三種模型對結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行比較,得出結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更有利于油氣資源勘探的電磁法數(shù)據(jù)反演。

1987年,CONSTABLE等[62-63]首次將高斯-牛頓算法的變種OCCAM反演應(yīng)用于電磁測深數(shù)據(jù)反演,并于1990年在二維OCCAM反演中考慮了橫向光滑問題[64]。然而,這些算法主要測試和解決了各向同性介質(zhì)的反演問題。直到NGUYEN等[65]發(fā)表了一種大規(guī)模三維各向異性的高斯-牛頓反演算法,反演的異常電阻率分布和深度比BFGS(Broyden Fletcher Goldfarb Shanno)算法更準(zhǔn)確。2018年,陳漢波等[66]基于非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格有限單元法和高斯-牛頓反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)三維各向異性反演。

另外,梯度類算法的主要計(jì)算成本是梯度和海森矩陣(Hessian Matrix)的計(jì)算,而計(jì)算時會消耗大量時間,所以,實(shí)際數(shù)據(jù)集過于龐大阻礙了這類算法在海洋電磁法中的應(yīng)用。于是,通過算法優(yōu)化達(dá)到節(jié)約成本的目的是梯度類算法的未來研究方向。ZHDANOV等[67]提出了用于反演三維海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)的海森近似方法,降低了數(shù)值模擬的復(fù)雜程度。ZACH等[68]使用快速有限差分時域正演代碼和基于近似海森矩陣的海洋可控源電磁法三維反演,減少了在多個頻率下的數(shù)據(jù)反演所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,一定程度降低了反演的成本。SILVA等[69]使用解析函數(shù)的導(dǎo)數(shù)在地震數(shù)據(jù)的共中心點(diǎn)(CMP)域快速進(jìn)行海洋可控源電磁法反演以替代計(jì)算成本高的二維和三維反演。SCHWARZBACH等[46]提出了幾種并行計(jì)算方案,能夠提高反演計(jì)算效率。2016年,彭榮華等[70]實(shí)現(xiàn)了針對海洋和陸地不同可控源電磁法勘探環(huán)境的三維并行反演程序并驗(yàn)證了其有效性。賁放等[71]等提出了基于L-BFGS最優(yōu)化算法的海洋可控源電磁法三維反演,降低了傳統(tǒng)方法對于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求。

為了規(guī)避梯度以及海森矩陣計(jì)算耗時高的特點(diǎn),比較流行的辦法是概率反演?；诟怕实姆囱莘椒?以貝葉斯反演的研究為主。HOU等[72]利用基于最小相對熵的地震振幅隨角度變化(AVA)和海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)貝葉斯反演識別儲層參數(shù),取得了較好成果。RAY等[73-74]提出了利用跨維度自參數(shù)化算法對海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯反演,并用跨維二維參數(shù)化的海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)的貝葉斯反演方法研究了澳大利亞西北陸架斯卡伯勒氣田的數(shù)據(jù),檢驗(yàn)了該算法在薄的、分段的和電阻性儲層評價中的應(yīng)用效果。

在海洋電磁反演成像工作中,CARAZZONE等[75]測試了各向異性成像對于海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)解釋的重要性。YUAN等[76]提出了一種用于三維海洋可控源電磁法測量的成像方法,通過墨西哥灣的案例得出了該方法能分辨R度較小(2km×2km)、電阻率較低(ρ<5Ω·m)的目標(biāo)。

海洋可控源電磁法與地震勘探、大地電磁測深等方法的聯(lián)合反演是海洋地球物理勘探研究的熱點(diǎn)之一。HOVERSTEN等[77]研究了一種新的直接估計(jì)儲層參數(shù)的聯(lián)合反演算法,并對北海渦旋場的AVA、海洋可控源電磁法和AVA-可控源電磁法聯(lián)合資料在井控位置進(jìn)行了反演,該算法的優(yōu)勢在于利用儲層參數(shù)反演結(jié)合了地震AVA和海洋可控源電磁法數(shù)據(jù),其結(jié)果表明,聯(lián)合反演得到的含氣飽和度、含油飽和度和孔隙度估計(jì)值與測井值更接近。2010年,DU等[78]提出了一種基于地震AVA和海洋可控源電磁法資料儲層參數(shù)反演的全局遺傳算法(GA)聯(lián)合反演方法,并以盧瓦氣田為例展示了聯(lián)合解釋時較強(qiáng)的反演儲層參數(shù)的能力。MACKIE等[79]利用非線性共軛梯度算法完成了對海洋可控源電磁法和大地電磁數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演,提高了反演結(jié)果的分辨率。GUO等[80]為了提高電磁法電阻率反演結(jié)果的分辨率,提出了圖像引導(dǎo)的正則化反演方法,該算法基于相干性的張量將地震或者地質(zhì)圖像的引導(dǎo)納入OCCAM反演中,可用于海洋可控源電磁法反演和大地電磁數(shù)據(jù)反演,并且也適用于海洋CSEM和大地電磁數(shù)據(jù)聯(lián)合反演。

1.4 海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理研究

海洋電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展比較早,在20世紀(jì)90年代就有研究人員開始處理洋中脊的海洋可控源電磁法資料[28]。而在過去的10年中,海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理技術(shù)迅速發(fā)展,數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理、高精度、高靈敏度依然是主要研究目標(biāo)。

目前基本的海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理消除了采集系統(tǒng)的特征,從接收機(jī)時間序列數(shù)據(jù)中已經(jīng)可以提取歸一化的地球光譜響應(yīng),并且已經(jīng)開發(fā)出更復(fù)雜的方法來簡化解釋[81],然而測深效應(yīng)和電波效應(yīng)等問題仍需要解決,這些問題對電磁法數(shù)據(jù)處理造成了困難。為了深入了解水深的影響,LI等[82]在二維海洋可控源電磁模擬中研究了測深效應(yīng)的影響。SASAKI等[83]針對石油和天然氣水合物勘探兩種情況,采用有限差分模擬方法研究了海底地形變化對可控源電磁響應(yīng)的影響,結(jié)果表明,可以利用類似大地電磁地形校正的手段將淺層目標(biāo)響應(yīng)與測深變形分開。GUO等[84]用儲層敏感性指數(shù)比較海洋可控源電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并分析了水深的影響,從而為該問題的解決提供了一定的理論基礎(chǔ)。對于電波效應(yīng),王書明等[85]用分離異常場的方法消除電磁信號中的空氣波異常。除了上述兩類問題,DELL’AVERSANA等[86]利用海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)的對稱性分析快速檢測電阻率不連續(xù)性并且可以將堆疊電阻的影響分開。H?LZ等[87]利用旋轉(zhuǎn)不變性解釋海洋可控源電磁法數(shù)據(jù);徐震寰等[88]利用時頻方向譜分析海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)等。這類問題的不斷解決,為海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理打下了基礎(chǔ)。

由于周圍海底的復(fù)雜性,接收機(jī)記錄的信號會受到不同類型噪聲的影響[89]。因此,降噪是海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)處理中的一項(xiàng)重要工作。降噪技術(shù)類型多樣,例如利用多分辨率小波分析可以成功去除高斯白噪[90];利用時域?yàn)V波和噪聲估計(jì)去除噪聲等[91]。MYER等[92]研究了海洋電磁法的寬帶處理以減少大地電磁或其他低頻噪聲對頻譜的污染。HSU等[93]在中國臺灣西南部海域進(jìn)行海洋可控源電磁法勘探并利用巴特沃斯(Butterworth)濾波器降噪。劉寧[94]分析了噪聲特性并采用時變雙邊濾波方法來解決低信噪比(SNR)問題。ZHANG等[89]將壓縮感知應(yīng)用于海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)去噪。這些研究工作為提高海洋電磁法的精度和擴(kuò)大應(yīng)用范圍打下了理論基礎(chǔ)。

靈敏度的研究也是海洋電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)中十分重要的工作。RAMANANJAONA等[95]提出了一種增強(qiáng)海洋可控源電磁法地下響應(yīng)的魯棒性新方法。MITTET等[96]研究了海洋可控源電磁方法對油氣勘探的敏感性。MYER等[97]研究了澳大利亞西北海岸斯卡伯勒氣田海洋可控源電磁法調(diào)查的規(guī)劃、處理和不確定性分析。LUO等[98]基于一系列3-D模型研究了油氣藏的靈敏度分布特征。

1.5 海洋可控源電磁法應(yīng)用

海洋可控源電磁方法作為海洋電磁法的一個分支,具有淺部分辨率髙、海上作業(yè)效率高、高阻異常識別能力強(qiáng)的優(yōu)勢,尤其適用于油氣及天然氣水合物等高阻異常體的調(diào)查[99]。

在油氣儲層勘探中,由于含油儲層與其周圍飽含水地層之間的巨大電阻率差異,海洋可控源電磁法方法不僅可以直接探測油氣儲層[100],而且也是區(qū)分油層和含水層的重要海洋地震評估輔助方法[10],例如BLACK等[101]利用海洋可控源電磁法方法來監(jiān)測油氣藏并取得了較好的勘探效果。WEISS等[41]用海洋電磁法描述高阻薄層和烴類化合物的電阻率分布情況。AVDEEVA等[102]利用可控源電磁法在時間域和頻率域?qū)Ｑ蟓h(huán)境中油氣藏的可探測性進(jìn)行了對比研究。NIU等[103]用三維全矢量時域有限差分(finite-difference time domain,FDTD)方法在海洋可控源電磁法油氣檢測問題中的應(yīng)用,研究了在海洋可控源電磁法油氣檢測問題中,對上覆空氣區(qū)域和海洋-空氣界面進(jìn)行精確建模的重要性。MYER等[104]探索了海洋可控源電磁法和海洋大地電磁數(shù)據(jù)的二維反演模糊目標(biāo)成像在澳大利亞西海岸外的斯卡伯勒氣藏中的應(yīng)用。GUO等[105]對比了海洋可控源電磁方法的海底基站式和拖曳拖纜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在近海油氣勘探中的探測能力,為近海域勘探積累了一些經(jīng)驗(yàn)。DUNHAM等[106]將三維海洋可控源電磁有限元正演模擬技術(shù)應(yīng)用于加拿大紐芬蘭和拉布拉多近海佛蘭德山口盆地油氣勘探。

天然氣水合物因資源潛力、環(huán)境效應(yīng)問題和對地質(zhì)災(zāi)害影響,受到了世界各國的廣泛關(guān)注,成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)[107]。而在天然氣水合物的勘探和評估中,海洋可控源電磁法起著不可或缺的作用[108]。在近海岸工程勘探、海底地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域,海底水合物的分解極易導(dǎo)致工程災(zāi)難和地質(zhì)災(zāi)害等[109],所以其造成的環(huán)境效應(yīng)和地質(zhì)災(zāi)害影響尤為重要。為了預(yù)防這些災(zāi)害,WEITEMEYER等[110]在俄勒岡州近海水合物脊和南加州圣克魯斯(Santa Cruz)盆地開展了海洋可控源電磁法的水合物調(diào)查工作,SCHWALENBERG[111]在新西蘭近海開展了海洋可控源電磁法的水合物調(diào)查工作等。在深水天然氣水合物的勘探中,GOTO等[112]在日本海開展水合物調(diào)査工作并為甲烷水合物區(qū)域內(nèi)的海底結(jié)構(gòu)成像提供了新的工具。景建恩等[113]在南海天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)開展探測試驗(yàn),通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與反演,展示了在一個厚為50m、電阻率為25Ω·m、頂部埋深為181m的高阻層,為該區(qū)天然氣水合物調(diào)查提供了有價值的電性參考資料。2018年,景建恩等[114]在瓊東南盆地探測天然氣水合物,采集了10個站位的海洋可控源電磁法數(shù)據(jù)并進(jìn)行二維反演,綜合利用電阻率、熱力學(xué)條件和地震反射信息,推斷了天然氣水合物穩(wěn)定帶的底界深度,并在此基礎(chǔ)上,討論了水合物穩(wěn)定帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和海域水合物成礦模式與氣源類型。

1.6 海洋電磁法儀器研究

對于海洋電磁法儀器的發(fā)展而言,主要的部分是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。海洋電磁法其探測深度依賴于發(fā)射電磁波的強(qiáng)度[119],因此降低內(nèi)阻和內(nèi)部損耗,提高發(fā)射機(jī)發(fā)射效率是十分必要的。TAO等[120]提出使用二極管整流和脈沖寬度調(diào)制全橋轉(zhuǎn)換器模式,以提高發(fā)射器功率的密度和動態(tài)特性。DING等[121]介紹了級聯(lián)多電平技術(shù),但是存在電容器電壓平衡問題。張?zhí)煨诺萚122]提出了使用GPS和高精度原子鐘以及對儀器設(shè)計(jì)增益可調(diào)的放大電路的方法,以滿足高壓供電發(fā)射機(jī)深海探測的要求。TAO等[119]提出了一種新型軟開關(guān)三電平海洋電磁發(fā)射機(jī)的可控源電路。海洋電磁法廣泛用于地球物理學(xué)的研究及應(yīng)用均建立在對海洋環(huán)境下的電磁場信號高精度觀測基礎(chǔ)上,即高精度觀測的海底電磁接收機(jī)[123]。目前需要解決儀器的高可靠性投放回收、高穩(wěn)定性水下作業(yè)、低噪聲、大動態(tài)范圍和低時漂等一系列技術(shù)難題。

2010年挪威石油地質(zhì)地球物理服務(wù)(PGS)公司研發(fā)的拖曳拖纜式電場收發(fā)裝置在挪威北海North Viking Graben和Troll等海域進(jìn)行多次試驗(yàn)并取得了成功[31]。2011年,CONSTABLE等[124]研制了沿測線測量三軸電場的Vulcan系列拖曳式電場接收機(jī),并取得了出色的勘探效果。2013年,陳凱等[33]研制了海洋拖曳式水平軸向電場接收機(jī)并用于國內(nèi)首次拖曳式電偶極-偶極方法的海洋試驗(yàn)與評估中,研究結(jié)果表明儀器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

總體來說,國內(nèi)的儀器發(fā)展相對滯后,但是發(fā)展速度較快。早在2000年,在國家“863”計(jì)劃的支持下,由中國地質(zhì)大學(xué)牽頭,聯(lián)合中南大學(xué)、吉林大學(xué)和同濟(jì)大學(xué),成功研制了海底大地電磁系統(tǒng),并在我國東海開展了試驗(yàn),取得了較好的效果[125]。在此研究基礎(chǔ)上,中國地質(zhì)大學(xué)(北京)開展了海洋可控源電磁探測研究,自主研發(fā)了成套的海洋可控源電磁法探測設(shè)備[118,126],并在南海天然氣水合物探測中得到了成功應(yīng)用[127];2011年至2016年,國家“863”計(jì)劃啟動了海洋技術(shù)領(lǐng)域重大項(xiàng)目課題《深水可控源電磁勘探系統(tǒng)開發(fā)》[128],由東方地球物理公司、中國海洋大學(xué)等研制了一套大功率發(fā)射系統(tǒng)和10套海底電磁采集站,并在南海進(jìn)行了海試,取得了較好的效果。2016年至2020年,國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專項(xiàng)資助“深水雙船拖曳式海洋電磁勘探系統(tǒng)研發(fā)”項(xiàng)目,由中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋局牽頭,聯(lián)合吉林大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、北京工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、中船重工710所和青島海山海洋裝備有限公司等單位,研發(fā)了一套全新的雙船拖曳式海洋電磁勘探系統(tǒng),為解決深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的油氣勘探面臨的分辨率低、探測深度淺、效率低下等重大瓶頸問題,提供了解決方案。

2007年,中南大學(xué)牽頭,湖南五維地質(zhì)科技有限公司等多家單位參與共同研發(fā)了深海拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)[17],該系統(tǒng)先后參加了大洋第22、26、30、34、39、49等航次環(huán)球大洋科考,已經(jīng)裝備大洋一號和向陽紅10號船,成為我國西南印度洋合同勘探區(qū)的重大勘探裝備。

2 結(jié)論與展望

海洋電磁法近年來得到了快速發(fā)展,取得了明顯進(jìn)步,觀測系統(tǒng)和方法技術(shù)方面均有很多突破,提高了海洋電磁法的精度和應(yīng)用范圍。正、反演方面產(chǎn)生了許多新算法,并且得到廣泛應(yīng)用。海洋電磁法的數(shù)據(jù)處理在測深效應(yīng)、電波效應(yīng)、去噪、靈敏度等方面取得了一些成果。海洋電磁法的應(yīng)用越來越廣泛,同時也對其提出了越來越高的要求。在海洋電磁法儀器方面,接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性改善了很多,逐漸滿足深海探測的要求。我國時間域和頻率域的海洋電磁法勘探裝備得到了飛速發(fā)展。

盡管海洋電磁法在油氣勘探領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步,但是依然面臨著挑戰(zhàn)。海洋電磁法在油氣勘探領(lǐng)域主要是為地震數(shù)據(jù)解釋提供電阻率維度的信息。因此,海洋電磁法勘探數(shù)據(jù)一般需要結(jié)合重震等其他地球物理資料共同解釋。其次,海洋勘探裝備的成本較高,海底基站式勘探方式的大規(guī)模三維采集應(yīng)用需要大量的接收機(jī),如何降低儀器的成本依然是面臨的重要挑戰(zhàn)。再次,海洋電磁信號弱,如何降低噪聲,從采集信息中提取有用的高質(zhì)量信號是數(shù)據(jù)處理方面面臨的挑戰(zhàn)。最后,海洋電磁法三維正反演的計(jì)算量很大,當(dāng)三維反演問題遇到各向異性模型時,計(jì)算耗時將有量級上的增加,因此海洋電磁法的研究還面臨計(jì)算過程中的耗時挑戰(zhàn)。

面向2035年海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略,海洋地球物理勘探方向的發(fā)展需要大量的專業(yè)技術(shù)人員和科研人員。我們對于海洋的認(rèn)知還十分淺薄,面對復(fù)雜系統(tǒng)我們將會從以下幾個方面應(yīng)對海洋電磁法的挑戰(zhàn)。

海洋電磁勘探裝備。電磁儀器將要向5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向拓展。更加方便數(shù)據(jù)采集的海洋探測裝備是未來發(fā)展的主要方向之一。對標(biāo)美國、挪威、德國等海洋儀器裝備技術(shù)強(qiáng)國,我國的自主研發(fā)儀器還有很大的進(jìn)步空間,未來發(fā)展海洋電磁勘探裝備勢在必行。

海洋電磁數(shù)據(jù)處理技術(shù)。海洋電磁信號弱,分辨率低,應(yīng)用于大的目標(biāo)體勘探是目前的現(xiàn)狀。未來,數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理、高精度、高靈敏度的數(shù)據(jù)處理解釋將會迎來更高的挑戰(zhàn)。無論是未來的近海岸工程,還是深海資源開發(fā)都需要精細(xì)化數(shù)據(jù)處理,因此,高精度的信號處理是海洋電磁數(shù)據(jù)未來的重點(diǎn)研究方向。

海洋電磁數(shù)據(jù)三維各向異性反演技術(shù)。海洋電磁法的實(shí)測數(shù)據(jù)反演計(jì)算量大,三維快速正演和三維各向異性反演是解讀實(shí)測數(shù)據(jù)的重要手段。因此,高效率的三維正反演算法依然是未來海洋電磁計(jì)算領(lǐng)域研究的主要目標(biāo)。

海洋電磁方法的應(yīng)用。隨著我國對于海洋資源的重視以及國際市場的拓展,近海岸工程勘探、海底地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、天然氣水合物勘探與開發(fā)、深海近海底礦產(chǎn)資源探查、海洋油氣資源利用等領(lǐng)域是未來海洋電磁法的主要應(yīng)用研究方向。