景建恩， 伍忠良， 鄧明， 趙慶獻(xiàn)， 羅賢虎， 涂廣紅， 陳凱， 王猛

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京　100083　2 中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州　510760　3 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100083

?

南海天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)海洋可控源電磁探測試驗(yàn)

景建恩1,3， 伍忠良2*， 鄧明1,3， 趙慶獻(xiàn)2， 羅賢虎2， 涂廣紅2， 陳凱1,3， 王猛1,3

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京1000832 中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州5107603 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100083

摘要為了測試我國自主設(shè)計(jì)與研發(fā)的海洋可控源電磁儀器性能及其在水合物探測中的適用性，本文從海洋可控源電磁法基本原理出發(fā)，首先根據(jù)試驗(yàn)海域水合物地質(zhì)特征，建立簡化地電模型開展理論研究，確定海洋可控源電磁試驗(yàn)的技術(shù)方案；利用研發(fā)的海洋可控源電磁儀器，在南海天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)開展探測試驗(yàn)，首次獲得了我國深水海域的海洋可控源電磁數(shù)據(jù).通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與反演，獲得了試驗(yàn)剖面的海底電性結(jié)構(gòu)模型，揭示了4號(hào)測點(diǎn)下方存在一個(gè)50 m厚的高阻層，其電阻率為25 Ωm、頂部埋深為181 m，為該區(qū)天然氣水合物調(diào)查提供了有價(jià)值的電性參考資料.研究結(jié)果表明，自主研發(fā)的海洋可控源電磁儀器性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，這標(biāo)志著我國海洋可控源電磁探測技術(shù)向?qū)嵱没M(jìn)程邁出了重要一步.

關(guān)鍵詞海洋可控源電磁法； 天然氣水合物； 南海； 數(shù)據(jù)處理； 反演

1引言

海洋電磁法的研究始于20世紀(jì)60年代(Bannister，1968)，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，它已成為一種新的地球物理探測技術(shù)(Constable et al.，1998).1998年，國家科技部設(shè)立“863”計(jì)劃項(xiàng)目，進(jìn)行“海底大地電磁探測技術(shù)” 研究，并先后在臺(tái)灣海峽和南黃海海域開展海底大地電磁測深試驗(yàn)，結(jié)束了我國海洋地球物理缺少海洋電磁勘查方法的歷史(鄧明等，2003a，2003b；魏文博等，2009).隨后，中國地質(zhì)大學(xué)在“863”計(jì)劃支持下，開始研究“天然氣水合物的海底電磁探測技術(shù)”， 自主設(shè)計(jì)與研發(fā)了海洋可控源電磁探測儀器(王猛等，2009，2013，2015；陳凱等，2009，2013，2015; Chen et al., 2015a，2015b)，經(jīng)過多年發(fā)展，逐步形成了我國的“海洋電磁探測技術(shù)”.

海底賦存的天然氣水合物不僅是一種重要的能源，而且是影響海底陸坡穩(wěn)定性和全球氣候變化的重要因素(Weitemeyer et al.，2006a, 2006b).為此，國內(nèi)外開展了大量海洋天然氣水合物探測與研究.在海底天然氣水合物探測中，地震學(xué)方法毋庸置疑是最重要的方法，并且取得了顯著的應(yīng)用效果(Hyndman and Spence，1992；MacKay et al.，1994；Korenaga et al.，1997； Chi et al.，1998；Xu and Ruppel，1999； Holbrook et al.，1996，2002；Liu et al.，2006).利用地震學(xué)方法探測水合物的關(guān)鍵是尋找似海底反射層(BSR)(Shipley et al.，1979)，然而，實(shí)踐研究表明，在海底天然氣水合物探測中，地震學(xué)方法仍面臨諸多挑戰(zhàn)，譬如：許多蘊(yùn)藏天然氣水合物的區(qū)域，由于水合物穩(wěn)定區(qū)下部沒有游離氣，地震探測結(jié)果并沒有出現(xiàn)似海底反射層；并且，利用地震資料難以確定水合物層頂界和水合物穩(wěn)定區(qū)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征(Sloan，1990).

海洋可控源電磁法能夠得到海底的導(dǎo)電性參數(shù)，可以為天然氣水合物研究提供重要電性信息，正逐步成為地震勘探的有效輔助手段.已有研究表明(Edwards，1997； Yuan and Edwards，2000；Schwalenberg et al.，2005，2010；Weitemeyer et al.，2006a，2006b，2011；Lee et al.，2011；Key，2012；Hsu et al.，2014)，海洋可控源電磁法在水合物探測中取得了較好應(yīng)用效果.為了測試我國自主研發(fā)海洋可控源電磁儀器的性能及其在水合物探測中的適用性，2012年4—5月在中國地質(zhì)調(diào)查局下屬廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局支持與資助下，利用自主研發(fā)的海洋電磁探測儀器，在我國南海北部陸坡區(qū)開展天然氣水合物電磁探測試驗(yàn)，獲得了我國首批深水海域的可控源電磁探測數(shù)據(jù).本文對這次試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，首先介紹海洋電磁探測的基本原理，然后根據(jù)南海已知水合物區(qū)的電性參數(shù)建立理論地電模型，對天然氣水合物模型的電磁響應(yīng)進(jìn)行正反演計(jì)算與分析，為海洋電磁試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)；對這批海洋可控源電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與反演，給出試驗(yàn)測線下方海底地層的電性分布特征，為試驗(yàn)海區(qū)的天然氣水合物調(diào)查提供重要電性信息，同時(shí)也為我國開展相關(guān)研究奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ).

2海洋可控源電磁探測技術(shù)

海底大地電磁測深和海洋可控源電磁場測量是兩種主要的海洋電磁探測技術(shù).利用天然電磁場在地球內(nèi)部激發(fā)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象研究地層導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的方法，稱為大地電磁測深法(Cagniard，1953)；而利用人工場源的，則稱為海洋可控源電磁法(MCSEM，Marine Controlled-Source Electromagnetic Method).海洋可控源電磁法與陸地上的可控源電磁法工作環(huán)境不同，兩者在方法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面存在明顯差別(Constable and Weiss，2006).因此，下文首先對海洋可控源電磁法的原理與技術(shù)做一簡要闡述.

根據(jù)電磁感應(yīng)理論，在圖1所示的球坐標(biāo)系中，電偶極子AB位于坐標(biāo)原點(diǎn)，方向沿Z軸方向，偶極長度為dL，發(fā)射電流強(qiáng)度為I.在電阻率為ρ的均勻全空間中，電偶極子在觀測點(diǎn)P(r，θ，φ)處的電場為(考夫曼和凱勒，1997)：

圖1　均勻空間中電偶極子源Fig.1　Electric dipole source in homogeneous space

(1)

海洋可控源電磁法作業(yè)時(shí)，鎧裝的光電復(fù)合拖纜將電磁發(fā)射系統(tǒng)施放至近海底并拖曳行進(jìn)，同時(shí)采用水平電偶源向海底發(fā)射頻率范圍在0.01～100 Hz之間的多制式大功率電磁場信號(hào)，由布設(shè)在海底的電磁場接收機(jī)采集電偶源電磁場信號(hào)，見圖2.

圖2　海洋電磁法工作原理示意圖Fig.2　Principle diagram of marine electromagnetic method

電偶源發(fā)送的電磁場信號(hào)通過海水、海底介質(zhì)和海水-空氣界面?zhèn)鞑?何展翔等，2006).因此，采集站可以接收到3 種路徑的信號(hào)：一是通過海水直接傳至接收機(jī)的直達(dá)波，二是來自海水-空氣界面的反射和折射信號(hào)(空氣波)，三是來自海底地層的反射和折射信號(hào)(Constable，2010).其中，來自海底地層的信號(hào)為有用信號(hào)，其他兩種信號(hào)是干擾信號(hào).在水平電偶極子確定的鉛垂平面上，電場以較大的垂直分量入射到高阻層(Kong et al.，2002)，產(chǎn)生沿高阻層面?zhèn)鞑サ碾姶耪凵洳ǎ夷芰砍掷m(xù)不斷地從高阻層面反射到海底的接收機(jī)處.當(dāng)收發(fā)距較小時(shí)，通過海水傳播的直達(dá)波能量占據(jù)主導(dǎo)地位；進(jìn)一步增加收發(fā)距，來自高阻層的折射波能量將超過直達(dá)波的能量而占據(jù)主導(dǎo)地位(Behrens，2005).因此，在海洋可控源電磁探測中，發(fā)射機(jī)需要提供足夠大的電流，以保證在較大收發(fā)距條件下，接收機(jī)能夠記錄到來自海底高阻層的電磁折射波.

海洋可控源電磁數(shù)據(jù)處理大體分為三個(gè)步驟：電磁場數(shù)據(jù)增益恢復(fù)與頻譜分析、頻譜標(biāo)定校正與歸一化處理、合并航行數(shù)據(jù)(Weitemeyer et al.，2006b).數(shù)據(jù)處理后得到電磁場振幅隨偏移距變化曲線(MVO)和相位隨偏移距變化曲線(PVO).MVO曲線幅度有較大的變化范圍，為了方便對數(shù)據(jù)的定性分析，有時(shí)利用無異常體的層狀海底模型響應(yīng)對MVO和PVO曲線進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化振幅曲線N-MVO和歸一化相位曲線N-PVO(Behrens，2005).海洋可控源電磁數(shù)據(jù)一維、二維、三維反演方法都得到了研究(MacGregor et al.，2001；Abubakar et al.，2008；Key，2009；Commer and Newman，2008；Zhdanov et al.，2014)，其中以Key(2009)的一維Occam反演方法發(fā)展最為成熟，可用于設(shè)計(jì)勘探參數(shù)，獲得沉積層電阻率和目標(biāo)層深度.

3儀器系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集

3.1儀器系統(tǒng)及主要技術(shù)指標(biāo)

筆者所在的課題組經(jīng)過多年研究，在突破國外技術(shù)封鎖并攻克了種種技術(shù)難關(guān)后，自主研發(fā)了國內(nèi)首套海洋可控源電磁探測硬件系統(tǒng)，包括發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩部分(鄧明等，2013；王猛等，2013；陳凱等，2013；Chen et al.，2015a).

研制的發(fā)射機(jī)解決了拖體水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、船載大功率高壓輸配電、智能化發(fā)射機(jī)控制、大功率電流脈沖逆變、長距離高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)射與接收時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù).利用發(fā)射機(jī)姿態(tài)方位測量模塊、甲板端上位機(jī)監(jiān)控單元與發(fā)射控制電路，實(shí)現(xiàn)了水下發(fā)射機(jī)姿態(tài)與發(fā)射電流的適時(shí)監(jiān)控(王猛等，2013，2015)，以及根據(jù)需要定制和選擇發(fā)射電流波形.發(fā)射電纜采用中性浮力材料制成，便于兩個(gè)發(fā)射電極保持水平的工作狀態(tài)；中性浮力纜中集成了一根信號(hào)通訊纜，可將尾標(biāo)拖體的高度信息傳輸至發(fā)射機(jī)拖體，進(jìn)而上傳至甲板端，這有利于發(fā)射電極的定位和海上施工.研制的發(fā)射機(jī)具有輸入輸出端過流、過壓、欠壓、短路等報(bào)警和自動(dòng)斷電功能，保證了大功率供電電路與船載光電復(fù)合深拖纜的安全.

發(fā)射機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

·發(fā)送電流波形：單頻或多頻組合的逆變矩形波，頻率可選；

·發(fā)射頻率：0.01～100 Hz；

·發(fā)射頻率穩(wěn)定度：10-8s·s-1；

·最大發(fā)射電流：150 A；

·記錄電流采樣率：150 Hz；

·發(fā)射電偶極距：150 m；

·輔助信息：發(fā)射機(jī)拖體的三軸姿態(tài)、艙內(nèi)溫度、發(fā)射電壓、發(fā)射電流、離底高度、深度、USBL定位；

·最大工作水深：4000 m.

設(shè)計(jì)與制作的接收機(jī)采集電路，在保證斬波放大器低噪聲、ADC電路低功耗、授時(shí)電路低時(shí)漂、電磁場記錄通道大動(dòng)態(tài)范圍的前提下，具備了較好的技術(shù)性能指標(biāo)(陳凱等，2013；Chen et al., 2015a, 2015b).改進(jìn)制備工藝后，利用電解法制作極差穩(wěn)定、噪聲較低的 Ag/AgCl不極化電極，有效地降低了海底電場的測量噪聲，使接收機(jī)的整體噪聲干擾達(dá)到國外同行的先進(jìn)水平(Chen et al., 2015b；陳凱等，2015；Constable，2013).研制的接收機(jī)具有三種釋放機(jī)構(gòu)(法國IXSEA 2500 UNIVERSAL型聲學(xué)釋放器、上海聲學(xué)所聲學(xué)釋放器和命令控制電腐蝕釋放器)，保證了接收機(jī)的高回收率.

接收機(jī)的主要指術(shù)指標(biāo)如下：

·通道數(shù)： 3E+2H+T(三個(gè)電場分量、兩個(gè)磁場水平分量、承壓倉內(nèi)溫度)；

·瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍：優(yōu)于110 dB(0.1～100 Hz)；

·-3 dB帶寬：0.01～100 Hz；

·采樣率：2400/150/15 Hz；

·方位測量精度：±1°；

·傾角測量精度：0.5°；

·時(shí)間同步誤差：<1 ms·day-1；

·存儲(chǔ)空間：16 GB；

·體積：100 cm ×100 cm ×120 cm；

·空氣中質(zhì)量：140 kg；

·最大工作水深：4000 m.

3.2理論模擬

本次海洋電磁探測試驗(yàn)海域位于南海北部陸坡區(qū)，水深變化范圍在900～1500 m之間，水深線與海岸線大致平行，地形由北向南傾斜.此前，我國還沒有開展過天然氣水合物電磁探測的海區(qū)試驗(yàn)，缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn).盡管國外已開展了海洋水合物電磁探測試驗(yàn)并取得成功，但由于我們的電磁探測儀器、試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件和天然氣水合物層的電性參數(shù)與國外的不同，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案不能完全照搬國外經(jīng)驗(yàn).為了確定合理的電磁探測技術(shù)參數(shù)，有必要建立理想的海洋地電模型，開展電磁響應(yīng)正反演研究.

參考試驗(yàn)海域天然氣水合物地層的測井曲線(梁勁等，2010)，建立海底一維水合物地電模型，模型參數(shù)見圖3.

圖3　海洋一維地電模型 (a) 背景模型； (b) 水合物模型.Fig.3　Geo-electrical models of 1D ocean stratum (a) Background model； (b) Gas hydrate model.

利用Key(2009)的Dipole1D程序，對圖3模型的海洋水平電偶源電場響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算.圖4給出了軸向電場分量的結(jié)果.圖中白色線條上的刻度表示軸向歸一化電場幅度的對數(shù)，歸一化電場單位為V/(Am2)；彩色表示圖3a響應(yīng)對圖3b響應(yīng)歸一化的N-MVO比值結(jié)果.

由公式(1)知，電偶源電磁場與電偶矩成正比.海試中發(fā)射電偶極距設(shè)計(jì)為125 m，接收電偶極距設(shè)計(jì)為10 m.試驗(yàn)所用接收機(jī)的觀測靈敏度為1 nV，當(dāng)發(fā)送電流為40 A時(shí)，探測系統(tǒng)可觀測歸一化電場的理論值約為0.2×10-13V/(Am2).由圖4，當(dāng)電偶源發(fā)射信號(hào)頻率在0.25～20 Hz之間時(shí)，水合物層的異常響應(yīng)特征最明顯.在此頻帶內(nèi)，可接收到0.5 Hz電偶源電場信號(hào)的最大收發(fā)距約為3500 m；20 Hz電偶源信號(hào)衰減較快，可探測到明顯水合物異常的最小收發(fā)距約為500 m.

圖4　水合物模型軸向電場響應(yīng)隨收發(fā)距和頻率的變化關(guān)系Fig.4　Electric field response as a function of frequency and range for the gas hydrate model

本文選擇0.25、0.5、1、2、4、8、16 Hz幾個(gè)頻率，對圖3b模型的海洋可控源電磁響應(yīng)進(jìn)行一維正反演研究.分別在0.25、0.5、1、2、4、8和16 Hz的電場正演數(shù)據(jù)中加入5%的隨機(jī)噪聲，并對初始模型進(jìn)行較細(xì)致的剖分后，利用Occam方法進(jìn)行一維反演處理，結(jié)果示于圖5中.由圖5，針對圖3b模型，當(dāng)進(jìn)行單頻數(shù)據(jù)反演時(shí)，16 Hz數(shù)據(jù)反演結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地指示水合物層的深度(圖中灰色陰影部分表示水合物層位)，但是得到的異常最弱；0.25 Hz數(shù)據(jù)反演結(jié)果對異常反映不明顯，且異常向深部偏移.相比之下，其余單頻數(shù)據(jù)反演結(jié)果都有較為明顯的異常顯示.綜合多個(gè)頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演.在所建模型條件下，0.5、2、8和16 Hz的多頻反演結(jié)果不僅給出了較準(zhǔn)確的水合物層埋深，而且得到水合物層的電阻率值超過了5 Ωm，是上述所有反演中最接近真實(shí)值的結(jié)果.綜上，選定0.5、2、8和16 Hz作為本次海試發(fā)射信號(hào)的頻率.

圖5　水合物模型響應(yīng)一維Occam反演結(jié)果Fig.5　Inversion of modeling data of gas hydrate model by Occam method

3.3數(shù)據(jù)采集

采用自主研發(fā)的海洋可控源電磁探測系統(tǒng)，于2012年4—5月搭乘“海洋六號(hào)”科考船首次在我國南海深水海域進(jìn)行了水合物的海洋可控源電磁探測試驗(yàn) (陳凱等，2012).調(diào)查中，海洋可控源電磁發(fā)射機(jī)發(fā)送的電流為40 A，電偶極距為125 m.各臺(tái)接收機(jī)均記錄了天然電磁場及人工電磁場信號(hào)，采集數(shù)據(jù)的時(shí)段見表1.由于儀器丟失及施工期所限，本次得到六個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，測點(diǎn)位置示于圖6中.本文主要對表1所列數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的四個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析.

圖6　海洋電磁探測試驗(yàn)測點(diǎn)位置圖Fig.6　Site locations of marine electromagnetic exploration tests

測點(diǎn)編號(hào)下水前對鐘時(shí)間出水校鐘時(shí)間采集時(shí)間/s12012-04-2909∶10∶002012-05-0207∶12∶0025271022012-04-2910∶31∶112012-05-0208∶52∶0025324942012-04-2913∶11∶502012-05-0211∶24∶0025273082012-05-0309∶21∶122012-05-0513∶34∶00187968

圖7　發(fā)射電流及電磁場波形時(shí)間序列片段Fig.7　Time series segments of controlled-source current and electromagnetic field

4數(shù)據(jù)處理與解釋

根據(jù)發(fā)送機(jī)工作時(shí)間表，從原始時(shí)間序列提取出海洋可控源電磁場時(shí)間序列數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行增益校正，再開窗計(jì)算電磁場分量的振幅與相位，經(jīng)過標(biāo)定和姿態(tài)校正并利用發(fā)送電偶矩對電磁場分量的振幅進(jìn)行歸一化處理后，得到不同發(fā)射頻率下各電磁場分量振幅隨收發(fā)距變化曲線(MVO).圖7為發(fā)送的可控源電流及其在4號(hào)測點(diǎn)激發(fā)的電磁場時(shí)間序列片段.圖8a為激發(fā)信號(hào)頻率為0.5 Hz時(shí)4號(hào)測點(diǎn)軸向電場分量MVO曲線.圖中MVO曲線變化特征符合海洋可控源電磁場的衰減規(guī)律，接收有效信號(hào)的最大收發(fā)距約為3000 m，這與圖4的正演結(jié)果是一致的.

為了分析海底介質(zhì)電阻率隨深度的變化特征，建立層狀結(jié)構(gòu)電阻率模型，利用Occam算法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演.反演中，海水電阻率固定為0.3 Ωm，海水深度為919 m；海底地層的電阻率初始值設(shè)為1 Ωm，反演數(shù)據(jù)為軸向電場幅值，誤差基數(shù)為5%.經(jīng)過58次迭代，最后得到數(shù)據(jù)擬合殘差的RMS為1.36.圖8a給出了對實(shí)測MVO曲線的擬合結(jié)果，擬合殘差小于2%，見圖8b.圖9為4號(hào)測點(diǎn)反演的電阻率隨深度變化曲線，其中1100～1150 m地層為一高阻層，其頂部埋深181 m， 厚50 m，電阻率約為25 Ωm；1400 m向下地層電阻率值又逐步升高到1000 Ωm以上.分別對1、2、8號(hào)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的處理與反演，并結(jié)合四個(gè)測點(diǎn)的反演結(jié)果，繪制二維電阻率斷面，見圖10.

圖10中，海底介質(zhì)電阻率在橫向和縱向上的變化反映了海底的沉積特征.杜德莉(1994)根據(jù)地質(zhì)與地球物理資料推斷，試驗(yàn)海區(qū)新生代沉積層厚度最大可達(dá)到5000 m.何廉聲和陳邦彥(1987)、杜德莉(1994)對試驗(yàn)區(qū)磁異常的研究顯示，該區(qū)磁性體埋深約為2000～8000 m，鉆井揭示其巖性主要是燕山期花崗巖和石英二長巖.結(jié)合上述研究，本文推測試驗(yàn)測線下方可能發(fā)育厚度不等的沉積層，其中1、2號(hào)測點(diǎn)下方的沉積層較厚；4、8號(hào)測點(diǎn)下方的沉積層較薄.付少英(2005)采樣分析結(jié)果表明，試驗(yàn)海域下方可能存在巨大的甲烷源，這預(yù)示著試驗(yàn)海域具有較好的天然氣水合物勘探前景.本次海洋可控源電磁探測試驗(yàn)揭示了試驗(yàn)測線處海底沉積層厚度變化及淺部高阻層分布特征，為試驗(yàn)區(qū)的水合物調(diào)查提供了電性參考資料.

圖8　4號(hào)測點(diǎn)Ex分量的MVO曲線及反演擬合結(jié)果Fig.8　MVO curves of electrical component of Exfor site 4 and inversion fitting results

圖9　4號(hào)點(diǎn)MCSEM數(shù)據(jù)一維反演模型Fig.9　1D resistivity inversion model by MCSEM data of site 4

圖10　海洋可控源電磁探測數(shù)據(jù) 一維反演電阻率斷面Fig.10　Resistivity section from 1D inversion of MCSEM sounding data

5結(jié)論

本次試驗(yàn)首次采用自主研發(fā)的儀器，獲得了我國深水海域的可控源電磁數(shù)據(jù)，揭示了試驗(yàn)區(qū)海底淺層存在25Ωm的高電阻率沉積層，為試驗(yàn)海域天然氣水合物評(píng)價(jià)提供了重要電性信息.研究結(jié)果表明，自主研發(fā)的海洋可控源電磁儀器性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠在我國海底天然氣水合物調(diào)查中發(fā)揮重要作用.

海洋電磁探測技術(shù)是一項(xiàng)擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)，僅在我國海域開展了初步試驗(yàn)，應(yīng)用中難免存在一些問題與不足.另外，我國現(xiàn)有海洋可控源電磁探測技術(shù)與國外相比仍存在一定差距，需要今后加快研究，不斷發(fā)展，從而為我國海洋資源調(diào)查發(fā)揮更大的作用.

致謝海洋電磁探測試驗(yàn)得到了“海洋六號(hào)”全體工作人員的支持和幫助，在此對他們表示誠摯謝意.同時(shí)，感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)魏文博教授對本文研究的指導(dǎo)；感謝兩位審稿人及編輯提出的寶貴建議，幫助作者提高了文稿質(zhì)量.

References

Abubakar A, Habashy T M, Druskin V L, et al. 2008. 2. 5D forward and inverse modeling for interpreting low frequency electromagnetic measurements. Geophysics, 73(4): F165-F177. Bannister P R. 1968. Determination of the electrical conductivity of the sea bed in shallow waters. Geophysics, 33(6): 995-1003.

Behrens J P. 2005. The detection of electrical anisotropy in 35 Ma Pacific Lithosphere: results from a marine controlled-source electromagnetic survey and implications for hydration of the upper Mantle [Ph. D. thesis]. San Diego: University of California. Cagniard L. 1953. Basic theory of the magneto-telluric method of geophysical prospecting. Geophysics, 18(3): 605-635.

Chen K, Deng M, Zhang Q S, et al. 2009. Design of Linux drivers for seafloor CSMT instrument. Progress in Geophysics (in Chinese), 24(4): 1499-1506. Chen K, Deng M, Wu Z L, et al. 2012. Low time drift technology for marine CSEM recorder. Geoscience (in Chinese), 26(6): 1312-1316.

Chen K, Jing J E, Wei W B, et al. 2013. Numerical simulation and electrical field recorder development of the marine electromagnetic method using a horizontal towed-dipole source. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3718-3727, doi: 10.6038/cjg20131113. Chen K, Wei W B, Deng M, et al. 2015a. A seafloor electromagnetic receiver for marine magnetotellurics and marine controlled-source electromagnetic sounding. Applied Geophysics, 12(3): 317-326, doi: 10.1007/s11770-015-0494-0. Chen K, Wei W B, Deng M, et al. 2015b. A new marine controlled-source electromagnetic receiver with an acoustic telemetry modem and arm-folding mechanism. Geophysics Prospecting, 63(6): 1420-1429, doi: 10.1111/1365-2478.12297.

Chen K, Wei W B, Deng M, et al. 2015. Low noise E-field acquisition technology for MCSEM receiver. Progress in Geophysics (in Chinese), 30(4): 1864-1869, doi: 10.6038/pg20150447.Chi W C, Reed D L, Liu C S, et al. 1998. Distribution of the bottom-simulating reflector in the offshore Taiwan collision zone. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 9(4): 779-794. Commer M, Newman G A. 2008. New advances in three-dimensional controlled-source electromagnetic inversion. Geophys. J. Int., 172(2): 513-535.Constable S C, Orange A S, Hoversten G M, et al. 1998. Marine magnetotellurics for petroleum exploration Part I: A seafloor instrument system. Geophysics, 63(3): 816-825. Constable S, Weiss C J. 2006. Mapping thin resistors and hydrocarbons with marine EM methods: Insights from 1D modeling. Geophysics, 71(2): G43-G51.Constable S. 2010. Ten years of marine CSEM for hydrocarbon exploration. Geophysics, 75(5): 75A67-75A81.

Constable S. 2013. Instrumentation for marine magnetotelluric and controlled source electromagnetic sounding. Geophysical Prospecting, 61(Suppl.1): 505-532, doi: 10.1111/j.1365-2478.2012.01117.x.

Deng M, Wei W B, Tan H D, et al. 2003a. The circuit design for the acquisition of seafloor MT signal. Earth Science Frontiers (in Chinese), 10(1): 155-161.

Deng M, Wei W B, Tan H D, et al. 2003b. Collector for seafloor Magnetotelluric data. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 46(2): 217-223. Deng M, Wei W B, Sheng Y, et al. 2013. Several theoretical points and instrument technology of magnetotelluric data acquisition in deep water. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3610-3618, doi: 10.6038/cjg20131102. Du D L. 1994. Tectonic evolution and analysis of oil-gas accumulation in Southwest Taiwan basin. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 14(3): 5-18.Edwards R N. 1997. On the resource evaluation of marine gas hydrate deposits using sea-floor transient electric dipole-dipole methods. Geophysics, 62(1): 63-74.

Fu S Y. 2005. The geochemical characteristics of free gases and pore water from core sediments in Dongsha Area, South China Sea. Geological South China Sea (in Chinese), 5(1): 24-32.

He L S, Chen B Y. 1987. The South China Sea Atlas of Geology and Geophysics (in Chinese). Guangzhou: Guangdong Province Map Press. He Z X, Sun W B, Kong F S, et al. 2006. Marine electromagnetic approach. Oil Geophysical Prospecting (in Chinese), 41(4): 451-457.

Holbrook W S, Hoskins H, Wood W T, et al. 1996. Methane hydrate and free gas on the Blake Ridge from vertical seismic profiling. Science, 273(5283): 1840-1843.

Holbrook W S, Gorman A R, Hornbach M J, et al. 2002. Seismic detection of marine methane hydrate. The Leading Edge, 21(7): 686-689.

Hsu S K, Chiang C W, Evans R L, et al. 2014. Marine controlled source electromagnetic method used for the gas hydrate investigation in the offshore area of SW Taiwan. Journal of Asian Earth Sciences, 92: 224-232.

Hyndman R D, Spence G D. 1992. A seismic study of methane hydrate marine bottom simulating reflectors. J. Geophys. Res., 97(B5): 6683-6698.

Kaufman A A, Keller G V. 1987. Frequency and Transient Soundings. Wang J M trans. Beijing: Geological Publishing House.

Key K. 2009. 1D inversion of multicomponent, multifrequency marine CSEM data: Methodology and synthetic studies for resolving thin resistive layers. Geophysics, 74(2): F9-F20.

Key K. 2012. Marine electromagnetic studies of seafloor resources and tectonics. Surv. Geophys., 33(1): 135-167.

Kong F N, Westerdahl H, Ellingsrud S, et al. 2002. ‘Seabed logging’: A possible direct hydrocarbon indicator for deepsea prospects using EM energy. Oil & Gas Journal, 100(19): 30-38.

Korenaga J, Holbrook W S, Singh S C, et al. 1997. Natural gas hydrates on the southeast U.S. Margin: constraints from full waveform and travel time inversions of wide-angle seismic data. J. Geophys. Res., 102(B7): 15345-15365.

Lee K H, Jang H, Jang H, et al. 2011. Sensitivity analysis of marine controlled-source electromagnetic methods to a shallow gas-hydrate layer with 1D forward modeling. Geosciences Journal, 15(3): 297-303, doi: 10.1007/s12303-011-0030-z.

Liang J, Wang M J, Lu J A, et al. 2010. Logging response characteristics of gas hydrate formation in Shenhu area of the South China Sea. Geoscience (in Chinese), 24(3): 506-514.

Liu C S, Schmurle P, Wang Y S, et al. 2006. Distribution and characters of gas hydrate offshore of southwestern Taiwan. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 17(4): 615-644.

MacGregor L, Sinha M, Constable S. 2001. Electrical resistivity structure of the Valu Fa Ridge, Lau Basin, from marine controlled-source electromagnetic sounding. Geophys. J. Int., 146(1): 217-236. MacKay M E, Jarrard R D, Westbrook G K, et al. 1994. Origin of bottom-simulating reflectors: geophysical evidence from the Cascadia accretionary prism. Geology, 22(5): 459-462.

Schwalenberg K, Willoughby E, Mir R, et al. 2005. Marine gas hydrate electromagnetic signatures in Cascadia and their correlation with seismic blank zones. First Break, 23(4): 57-63. Schwalenberg K, Haeckel M, Poort J, et al. 2010. Evaluation of gas hydrate deposits in an active seep area using marine controlled source electromagnetics: Results from Opouawe Bank, Hikurangi Margin, New Zealand. Marine Geology, 272(1-4): 79-88.

Shipley T H, Houston M H, Buffler R T, et al. 1979. Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises. AAPG Bull., 63(12): 2204-2213.

Sloan E D. 1990. Clathrate Hydrates of Natural Gas. New York: Marcel Dekker Inc.

Wang M, Den M, Zhang Q S, et al. 2009. The technique of time synchronization operation to control marine electromagnetic emission. Progress in Geophysics (in Chinese), 9(4): 1493-1498.

Wang M, Zhang H Q, Wu Z L, et al. 2013. Marine controlled source electromagnetic launch system for natural gas hydrate resource exploration. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(11): 3708-3717, doi: 10.6038/cjg20131112.

Wang M, Wu Z L, Deng M, et al. 2015. The high precision time stamp technology in MCSEM transmission current waveform. Progress in Geophysics (in Chinese), 30(4): 1912-1917, doi: 10.6038/pg20150452.

Wei W B, Deng M, Wen Z H, et al. 2009. Experimental study of marine magnetotellurics in southern Huanghai. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 52(3): 740-749.

Weitemeyer K A, Constable S C, Key K W, et al. 2006a. First results from a marine controlled-source electromagnetic survey to detect gas hydrates offshore Oregon. Geophys. Res. Lett., 33(3): L03304.

Weitemeyer K, Constable S, Key K. 2006b. Marine EM techniques for gas-hydrate detection and hazard mitigation. The Leading Edge, 25(5): 629-632.

Weitemeyer K A, Constable S, Tréhu A M. 2011. A marine electromagnetic survey to detect gas hydrate at Hydrate Ridge, Oregon. Geophys. J. Int., 187(1): 45-62.

Xu W Y, Ruppel C. 1999. Predicting the occurrence, distribution, and evolution of methane gas hydrate in porous marine sediments. J. Geophys. Res., 104(B3): 5081-5095, doi: 10.1029/1998JB900092.

Yuan J, Edwards R N. 2000. The assessment of marine gas hydrates through electrical remote sounding: hydrate without a BSR? Geophys. Res. Lett., 27(16): 2397-2400.

Zhdanov M S, Endo M, Cox L H, et al. 2014. Three-dimensional inversion of towed streamer electromagnetic data. Geophysical Prospecting, 62(3): 552-572, doi: 10.1111/1365-2478.12097.

附中文參考文獻(xiàn)

陳凱, 鄧明, 張啟升等. 2009. 海底可控源電磁測量電路的Linux驅(qū)動(dòng)程序. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 24(4): 1499-1506.

陳凱, 鄧明, 伍忠良等. 2012. 海底可控源電磁采集站的低時(shí)漂技術(shù)研究. 現(xiàn)代地質(zhì), 26(6): 1312-1316.

陳凱, 景建恩, 魏文博等. 2013. 海洋拖曳式水平電偶源數(shù)值模擬與電場接收機(jī)研制. 地球物理學(xué)報(bào), 56(11): 3718-3727, doi: 10.6038/cjg20131113.

陳凱, 魏文博, 鄧明等. 2015. 海底可控源電磁接收機(jī)的電場低噪聲觀測技術(shù). 地球物理學(xué)進(jìn)展, 30(4): 1864-1869, doi: 10.6038/pg20150447.

鄧明, 魏文博, 譚捍東等. 2003a. 海底MT信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì). 地學(xué)前緣, 10(1): 155-161.

鄧明, 魏文博, 譚捍東等. 2003b. 海底大地電磁數(shù)據(jù)采集器. 地球物理學(xué)報(bào), 46(2): 217-223.

鄧明, 魏文博, 盛堰等. 2013. 深水大地電磁數(shù)據(jù)采集的若干理論要點(diǎn)與儀器技術(shù). 地球物理學(xué)報(bào), 56(11): 3610-3618, doi: 10.6038/cjg20131102.

杜德莉. 1994. 臺(tái)西南盆地的構(gòu)造演化與油氣藏組合分析. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 14(3): 5-18.

付少英. 2005. 東沙群島海域沉積物游離烴和孔隙水特征及其地球化學(xué)意義. 南海地質(zhì)研究, 5(1): 24-32.

何廉聲, 陳邦彥. 1987. 南海地質(zhì)地球物理圖集. 廣州: 廣東省地圖出版社.

何展翔, 孫衛(wèi)斌, 孔繁恕等. 2006. 海洋電磁法. 石油地球物理勘探, 41(4): 451-457.

考夫曼, 凱勒. 1987. 頻率域和時(shí)間域電磁測深. 王建謀譯. 北京: 地質(zhì)出版社.

梁勁, 王明君, 陸敬安等. 2010. 南海神狐海域含水合物地層測井響應(yīng)特征. 現(xiàn)代地質(zhì), 24(3): 506-514.

王猛, 鄧明, 張啟升等. 2009. 控制海底電磁激發(fā)脈沖發(fā)射的時(shí)間同步技術(shù). 地球物理學(xué)進(jìn)展, 9(4): 1493-1498.

王猛, 張漢泉, 伍忠良等. 2013. 勘查天然氣水合物資源的海洋可控源電磁發(fā)射系統(tǒng). 地球物理學(xué)報(bào), 56(11): 3708-3717, doi: 10.6038/cjg20131112.

王猛, 伍忠良, 鄧明等. 2015. MCSEM發(fā)射電流波形的高精度時(shí)間標(biāo)識(shí)技術(shù). 地球物理學(xué)進(jìn)展, 30(4): 1912-1917, doi: 10.6038/pg20150452.

魏文博, 鄧明, 溫珍河等. 2009. 南黃海海底大地電磁測深試驗(yàn)研究. 地球物理學(xué)報(bào), 52(3): 740-749.

(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(201100307), 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61531001)和國家科技部"863"課題(2009AA09A201、2012AA09A201)資助.

作者簡介景建恩，男，1973年出生，博士，2003年博士畢業(yè)于吉林大學(xué)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，主要從事電磁法數(shù)據(jù)處理與正反演的研究.E-mail:jje2008@cugb.edu.cn *通訊作者伍忠良，男，1967年生，教授級(jí)高工，主要從事海洋地質(zhì)與地球物理勘查研究.E-mail:52936891@qq.com

doi:10.6038/cjg20160721 中圖分類號(hào)P631，P738

收稿日期2015-06-29，2015-11-17收修定稿

Experiment of marine controlled-source electromagnetic detection in a gas hydrate prospective region of the South China Sea

JING Jian-En1,3, WU Zhong-Liang2*, DENG Ming1,3, ZHAO Qing-Xian2, LUO Xian-Hu2, TU Guang-Hong2, CHEN Kai1,3, WANG Meng1,3

1SchoolofGeophysicsandInformationTechnology(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing),Beijing100083,China2GuangzhouMarineGeologicalSurveyofChinaGeologicalSurvey,Guangzhou510760,China3KeyLaboratoryofGeo-detection,MinistryofEducation;StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,Beijing100083,China

AbstractThe purpose of this work is to test the performance of the marine controlled-source electromagnetic apparatus designed and developed by ourselves and its application in the detection of gas hydrates. Starting from the principles of the marine controlled source electromagnetic method (MCSEM), we established an ideal geo-electric model based on geological characteristics of hydrates in the test area. By carrying out the theoretical research of forward modeling and inversion calculation, we determined the technical scheme of marine controlled source electromagnetic testing. Then we utilized this apparatus and carried out the first marine electromagnetic detection in a gas hydrate prospective area of the South China Sea and collected the first batch of marine controlled-source electromagnetic data. Processing and inversion of the acquired data yielded subsurface electrical structure which differs obviously in vertical and lateral directions. Especially at the site 4, there exists an electrical resistivity layer with thickness of 50 m, top depth of 181 m and resistivity of 25 Ωm. The experiment provided valuable electrical information for the submarine gas hydrate research in this area. The results demonstrate that the instrument has reached the designed index, which marks an important step toward practicability of the marine controlled-source electromagnetic method.

KeywordsMarine controlled-source electromagnetic method (MCSEM)； Gas hydrate； South China Sea； Data processing； Inversion

景建恩， 伍忠良， 鄧明等. 2016. 南海天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)海洋可控源電磁探測試驗(yàn).地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2564-2572,doi:10.6038/cjg20160721.

Jing J E, Wu Z L, Deng M, et al. 2016. Experiment of marine controlled-source electromagnetic detection in a gas hydrate prospective region of the South China Sea. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2564-2572,doi:10.6038/cjg20160721.