丁學(xué)振 李予國(guó)*② 劉 穎②
(①中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100; ②海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266100)
海洋可控源電磁法(Marine Controlled Source Electromagnetic,MCSEM)是探測(cè)海洋油氣資源和天然氣水合物以及其他礦產(chǎn)資源的一種海洋地球物理勘探方法[1,2]。頻率域MCSEM通常使用移動(dòng)的幾十至幾百米長(zhǎng)的電偶極源,利用多個(gè)海底電磁采集站采集電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。進(jìn)行MCSEM勘探時(shí),先將海底電磁采集站投放至海底,然后拖曳電偶極源在海底電磁采集站上方30~100m處沿測(cè)線航行,并發(fā)射低頻(0.1~10Hz)電磁信號(hào)。海底接收到的信號(hào)主要來(lái)自海底地層的電磁感應(yīng)信號(hào),其振幅和相位與海底地層的電阻率有關(guān)。在MCSEM資料解釋中,一般不考慮巖(礦)石的激電(Induced Polarization,IP)效應(yīng),因此電阻率被認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)。實(shí)際上,由于激電效應(yīng)的影響,電阻率是一個(gè)與頻率有關(guān)的復(fù)數(shù)[3]。在處理MCSEM資料時(shí),如果不考慮激電效應(yīng),可能會(huì)帶來(lái)較大誤差,從而影響最終地質(zhì)解釋結(jié)果的可靠性。
20世紀(jì)70年代以來(lái),很多人致力于激電效應(yīng)的研究。Ware[4]首次對(duì)天然場(chǎng)源激電法的可行性進(jìn)行了探討,之后國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開始研究天然場(chǎng)源的激電效應(yīng)[5-12]。目前,對(duì)于從天然場(chǎng)源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取激電參數(shù)的可行性存在兩種不同的意見。羅延鐘等[10]認(rèn)為,地下導(dǎo)電性不均勻所引起的電磁場(chǎng)異常遠(yuǎn)大于激電效應(yīng)引起的異常,提取被強(qiáng)大的電磁異?!把蜎](méi)”的弱小激電異常難度極大。李金銘等[11]采用Dias模型表征地下介質(zhì)的激電效應(yīng),討論了中間層為極化層的三層水平地層模型天然電磁場(chǎng)激電響應(yīng)特征,并給出一個(gè)已知鉛鋅礦區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為從天然場(chǎng)源響應(yīng)獲取激電信息是可行的。曹中林等[12]將Cole-Cole模型應(yīng)用于大地電磁法,對(duì)于中間層為高極化率的三層水平地電模型,分析其極化參數(shù)對(duì)正演響應(yīng)的影響特征,并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算,在實(shí)際的油氣檢測(cè)中取得了一定效果。董莉等[13]基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法,實(shí)現(xiàn)了MT信號(hào)激電信息的提取。曹金華等[14]研究了同時(shí)存在激電效應(yīng)和電磁效應(yīng)時(shí)的復(fù)電阻率特性,通過(guò)正演模擬,總結(jié)出不同的電磁耦合效應(yīng)對(duì)視電阻率及視相位的影響規(guī)律。
為了克服天然場(chǎng)源信號(hào)弱、抗干擾能力差的不足,人們研究了可控源音頻大地電磁(Control Source Audio-frequency Magnetotellurics,CSAMT)激電效應(yīng);岳安平等[15]分析了不同的激電響應(yīng)模型,并探討了從CSAMT資料中提取激電信息的方法。湯井田等[16]討論了CSAMT中激電效應(yīng)對(duì)不同地電斷面類型的影響,為從CSAMT資料中提取激電信息提供參考。徐汶東[17]基于Cole-Cole模型,探討了激電參數(shù)對(duì)激電效應(yīng)的影響,并提出了基于最小二乘的激電參數(shù)提取方法。相比磁場(chǎng)分量,電場(chǎng)分量對(duì)激電效應(yīng)反應(yīng)更靈敏;基于這一特點(diǎn),王珺璐[18]提出了分步反演提取激電效應(yīng)的方法;徐玉聰[19]分析、總結(jié)了含激電效應(yīng)的不同水平層狀地電模型的響應(yīng)特征,并采用自適應(yīng)正則化反演方法,實(shí)現(xiàn)了一維CSAMT激電參數(shù)的反演計(jì)算;張銳鋒等[20]基于等效介質(zhì)理論激電(GEMTIP)模型研究了時(shí)頻電磁法的時(shí)域激電參數(shù)提取,并應(yīng)用于實(shí)際資料;黃逸偉[21]基于Cole-Cole模型,計(jì)算了含激電效應(yīng)的CSAMT三維正演響應(yīng),分析激電參數(shù)對(duì)CSAMT響應(yīng)的影響;陳帥等[22]將Cole-Cole模型加入一維瞬變電磁正演計(jì)算,并實(shí)現(xiàn)了一維瞬變電磁復(fù)電阻率反演算法。
在MCSEM激電效應(yīng)研究方面,郭寧寧等[23]基于Cole-Cole模型研究了激電效應(yīng)對(duì)電磁場(chǎng)的影響,并提出了反演激電參數(shù)的方法;王德智等[24]總結(jié)了油氣藏產(chǎn)生激電效應(yīng)的兩種模式,并分析了各參數(shù)對(duì)兩種模式下激電響應(yīng)的影響特征,以及兩種極化模式共同作用下的激電效應(yīng)特征。有關(guān)MCSEM激電效應(yīng)的研究成果較少,相關(guān)研究一般是基于一維模型進(jìn)行的,且未分析觀測(cè)頻率等參數(shù)與激電效應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。
本文基于Cole-Cole模型,在一維和二維MCSEM正演模擬中考慮激電效應(yīng),計(jì)算電磁場(chǎng)響應(yīng)及IP強(qiáng)度,分析激電效應(yīng)的強(qiáng)度與觀測(cè)頻率、油氣儲(chǔ)層厚度、埋深等參數(shù)之間的關(guān)系; 研究了激電效應(yīng)對(duì)一維MCSEM反演結(jié)果的影響,將含有激電效應(yīng)的正演數(shù)據(jù)分別用考慮激電效應(yīng)和不考慮激電效應(yīng)的反演程序進(jìn)行反演,具體分析了激電效應(yīng)的影響。
前人提出了很多描述巖(礦)石激電效應(yīng)的模型,如Cole-Cole模型[25]、Dias模型、Wait模型等。基于被廣泛應(yīng)用的Cole-Cole模型,Pelton等[26]通過(guò)對(duì)巖(礦)石基本結(jié)構(gòu)的研究和對(duì)大量巖(礦)石標(biāo)本、露頭的測(cè)量結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。張賽珍等[27]通過(guò)測(cè)量巖(礦)石標(biāo)本的激電頻譜,證實(shí)了該模型可近似代表實(shí)際情況。Cole-Cole模型的等效電路如圖1所示,圖中Ra、Rb均代表電阻器, (iωx)-c表示電容器,其表達(dá)式為
(1)
式中:ρ(iω)為復(fù)電阻率,ω為角頻率;ρ0為零頻電阻率;η為極化率;τ為時(shí)間常數(shù);c為頻率相關(guān)系數(shù)?;诹_延鐘等[10,28]關(guān)于分散浸染狀礦化體及天然場(chǎng)源激電效應(yīng)的研究和Pelton等[26]對(duì)巖(礦)石露頭的實(shí)測(cè)結(jié)果,本文模擬計(jì)算時(shí)假定激電時(shí)間常數(shù)τ和頻率相關(guān)系數(shù)c分別為2.0s和0.25。
圖1 Cole-Cole模型等效電路
假設(shè)時(shí)諧因子為e-iω τ,在似穩(wěn)態(tài)情況下,考慮激電效應(yīng)的麥克斯韋方程組可寫為
(2)
(3)
式中:E為電場(chǎng);H為磁場(chǎng);Js為電流密度;μ0為介質(zhì)磁導(dǎo)率;σ(iω)為復(fù)電導(dǎo)率,即1/ρ(iω)。
當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)為一維水平層狀介質(zhì)時(shí),先利用雙重傅里葉變換和矢量勢(shì)函數(shù)將麥克斯韋方程組從空間域轉(zhuǎn)換到波數(shù)域,并求得波數(shù)域電磁場(chǎng)響應(yīng),再利用數(shù)字濾波法實(shí)現(xiàn)正、余弦變換,求得空間域電磁場(chǎng)響應(yīng)[29]。對(duì)于二維地電模型,關(guān)于構(gòu)造走向方向做傅里葉變換,將電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)換為波數(shù)域2.5維問(wèn)題,采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法,基于一次場(chǎng)/二次場(chǎng)分離方法導(dǎo)出波數(shù)域二次場(chǎng)離散形式,并進(jìn)一步求得波數(shù)域電磁場(chǎng),再對(duì)波數(shù)域電磁場(chǎng)做傅里葉逆變換,獲得空間域電磁場(chǎng)響應(yīng)[30,31]。
郭寧寧等[32]、王德智等[24]用極化電場(chǎng)對(duì)非極化電場(chǎng)的歸一化振幅值EN表示電場(chǎng)振幅的激電特征,用極化電場(chǎng)與非極化電場(chǎng)的相位差ΔΦ表示電場(chǎng)相位的激電特征,即
(4)
ΔΦ=Φ極化-Φ非極化
(5)
式中:E極化和E非極化分別表示極化電場(chǎng)和非極化電場(chǎng);Φ極化和Φ非極化分別表示極化電場(chǎng)和非極化電場(chǎng)的相位。
為了直觀地表示激電效應(yīng)的強(qiáng)度,本文借鑒有效異常[33]和可探測(cè)度[34]的計(jì)算方式,定義一個(gè)表示激電效應(yīng)強(qiáng)度的物理量——IP強(qiáng)度。該參數(shù)不僅包含振幅信息,且包括相位信息,其表達(dá)式為
(6)
(7)
式中 IPE、IPH分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的IP強(qiáng)度。
2.3.1 目標(biāo)函數(shù)
本文反演采用高斯—牛頓法[35],其目標(biāo)函數(shù)為
φ(m) =φd(m)+λφm(m)
=‖Wd[dobs-F(m)]‖2+λ‖Wmm‖2
(8)
式中:φd(m)為數(shù)據(jù)擬合泛函;φm(m)為模型穩(wěn)定泛函;m為模型參數(shù),是由反演模型各層電阻率的對(duì)數(shù)組成的向量;λ為正則化因子;dobs為觀測(cè)數(shù)據(jù);F(m)為正演響應(yīng);Wd為數(shù)據(jù)加權(quán)矩陣;Wm為模型加權(quán)矩陣,本文用最小梯度支撐泛函[36]構(gòu)建此矩陣。
數(shù)據(jù)加權(quán)矩陣Wd為與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)的對(duì)角矩陣,其表達(dá)式為
(9)
式中:ξ為與儀器本底噪聲有關(guān)的極小量,該極小量能夠防止電磁數(shù)據(jù)振幅過(guò)小的情況[37];ei為第i個(gè)數(shù)據(jù)的估計(jì)誤差,其表達(dá)式為
(10)
式中:erel為電磁場(chǎng)振幅的相對(duì)誤差,通常假定為振幅的5%;eabs為激發(fā)—接收系統(tǒng)的本底噪聲,假定電場(chǎng)本底噪聲為1.0×10-15V·m-1,磁場(chǎng)本底噪聲為1.0×10-18T;erot為由海底電磁采集站方位不確定性引起的誤差。
2.3.2 目標(biāo)函數(shù)的極小值
在高斯—牛頓反演中,通過(guò)求取目標(biāo)函數(shù)的極小值可以得到搜索方向,下一次迭代的模型參量可表示為
m(k+1)=m(k)+[Hs(k)]-1g(k)
(11)
式中:k為迭代次數(shù);Hs為海森矩陣;g為目標(biāo)函數(shù)的梯度,其表達(dá)式為
(12)
式中J為雅可比矩陣。
忽略二階導(dǎo)數(shù)和非對(duì)稱項(xiàng)后,Hs簡(jiǎn)化為
(13)
反演過(guò)程中,反演迭代模型逐步收斂于真實(shí)模型,其目標(biāo)函數(shù)擬合差RMS逐漸收斂于1.0,擬合差計(jì)算式為
(14)
式中:N為觀測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);F(m)為正演結(jié)果;δn為第n個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。
2.3.3 正則化因子
本文采用Newman等[38]提出的方法計(jì)算正則化因子λ,其表達(dá)式為
|
(15)
式中:M為模型參數(shù)個(gè)數(shù);am,j為矩陣(WdJ)T×(WdJ)中的元素。
建立圖2所示的一維海洋地電模型,在海底下方1km深度有一個(gè)厚度為100m的高阻油氣儲(chǔ)層,在離海底上方50m沿測(cè)線均勻布設(shè)51個(gè)水平電偶極源,間距為200m,所有水平電偶極源均平行于測(cè)線方向,接收點(diǎn)位于海底,即z=1000m深度位置。
圖2 一維海洋地電模型
基于MCSEM一維正演程序[29],分別計(jì)算了高阻模型(含高阻、非極化油氣層)和極化模型(含高阻、極化油氣層)的MCSEM響應(yīng)。
3.1.1 激發(fā)頻率的影響
為了討論激發(fā)頻率對(duì)MCSEM響應(yīng)的影響,選擇一組頻率(范圍為0.01~10Hz,在對(duì)數(shù)域均勻取100個(gè)頻點(diǎn)),依次計(jì)算各個(gè)激發(fā)頻率時(shí)高阻模型和極化模型的電磁場(chǎng)響應(yīng),再計(jì)算各頻率時(shí)水平電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)的IP強(qiáng)度。參照張春賀等[39]巖石樣品物性測(cè)試結(jié)果,假定極化模型中η=0.1、0.3、0.5分別代表低極化率、中極化率和高極化率。
從圖3可以看出,隨著頻率增大,水平電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)的IP強(qiáng)度增大,高頻時(shí)呈現(xiàn)“階梯狀”,且IP強(qiáng)度為零,其原因是繪圖時(shí)刪除了信號(hào)強(qiáng)度低于采集站本底噪聲的數(shù)據(jù)。如果不刪除這些數(shù)據(jù),可能會(huì)得到與實(shí)際情況不符的非常大的值。
圖4為收發(fā)距6000m處電場(chǎng)和磁場(chǎng)振幅隨頻率的變化曲線。由圖可見,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅隨著頻率的增大而逐漸降低,而激電效應(yīng)的影響隨著頻率的增大變得更加明顯。
3.1.2 極化率的影響
為了討論極化率對(duì)MCSEM響應(yīng)的影響,選擇一組極化率(范圍為0~0.7,間隔為0.05),頻率固定為0.25Hz,依次計(jì)算每個(gè)極化率下極化模型的電磁響應(yīng),再計(jì)算出各個(gè)極化率下的IP強(qiáng)度(圖5)。
圖3 不同極化率時(shí)水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)IP強(qiáng)度隨頻率和收發(fā)距變化(a)η=0.1; (b)η=0.3; (c)η=0.5
圖4 收發(fā)距6000m處電、磁場(chǎng)振幅隨頻率的變化曲線
由圖5可見,當(dāng)極化率為一固定值時(shí),IP強(qiáng)度隨著收發(fā)距的增大而增大,這說(shuō)明在大收發(fā)距處激電效應(yīng)更強(qiáng),這是因?yàn)槲挥诖笫瞻l(fā)距處能夠接收到來(lái)自地下更深處高阻層的電磁信號(hào);當(dāng)收發(fā)距為一固定值時(shí),IP強(qiáng)度隨著極化率的增大而增大。
3.1.3 上覆層和極化層厚度的影響
為了討論覆蓋層厚度和極化層厚度對(duì)MCSEM響應(yīng)的影響,假定極化模型的極化率為中等極化率,即η=0.3,選擇一組覆蓋層厚度(200~1000m,間隔100m)和極化層厚度(20~200m,間隔20m),分別計(jì)算不同覆蓋層厚度和極化層厚度情形下高阻模型和極化模型的電磁場(chǎng)響應(yīng),再分別計(jì)算水平電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)的IP強(qiáng)度(圖6、圖7)。
由圖6可見,覆蓋層厚度變化對(duì)IP強(qiáng)度影響不大。由圖7可見,當(dāng)收發(fā)距達(dá)到一固定值(4000m)時(shí),隨著極化層厚度的增大,IP強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著極化層厚度的增大,由極化層厚度增加產(chǎn)生的影響超過(guò)激電效應(yīng)的影響而占據(jù)優(yōu)勢(shì),從而導(dǎo)致激電效應(yīng)的影響不能被凸顯。
圖5 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨極化率和收發(fā)距的變化
圖6 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨上覆層厚度和收發(fā)距的變化
圖7 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨極化層厚度和收發(fā)距的變化
圖8 二維模型示意圖
基于MCSEM二維有限差分程序[30]模擬并討論激電效應(yīng)對(duì)二維模型MCSEM響應(yīng)的影響。二維模型如圖8所示。水平電偶極源置于海底上方50m深度處,在海底布設(shè)51個(gè)接收站,接收站間距為200m。為了研究?jī)?chǔ)層埋深、寬度及其厚度對(duì)IP強(qiáng)度的影響,假定儲(chǔ)層埋深范圍為200~1200m,寬度為3000~8000m,厚度范圍為100~500m。在二維模型數(shù)值模擬中,極化率設(shè)定為中等數(shù)值(η=0.3),頻率為0.25Hz。
圖9為二維模型IP強(qiáng)度隨極化層埋深和收發(fā)距變化關(guān)系。模擬計(jì)算時(shí),二維極化層寬度和厚度固定,分別設(shè)定為6000m和100m,極化層埋深從200m變化到1200m。從圖9可以看出,隨著極化層埋深增大,IP強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì),說(shuō)明隨著油氣儲(chǔ)層埋深變大,激電效應(yīng)變?nèi)酢?/p>
圖10為IP強(qiáng)度隨極化層寬度和收發(fā)距變化關(guān)系。模擬計(jì)算時(shí),二維極化層埋深和厚度固定,分別設(shè)為1000m和100m,極化層寬度從3000m變化到8000m。從圖10可以看出,IP強(qiáng)度隨著油氣儲(chǔ)層寬度的增大而增大,說(shuō)明儲(chǔ)層寬度越大,激電效應(yīng)越強(qiáng)。
圖9 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨極化層埋深和收發(fā)距的變化
圖11為IP強(qiáng)度隨極化層厚度和收發(fā)距變化關(guān)系。模擬計(jì)算時(shí),二維極化層埋深和寬度固定,分別設(shè)為1000m和6000m,極化層厚度從100m變化到500m。從圖11可以看出,隨著儲(chǔ)層厚度增大,IP強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。與一維模型計(jì)算結(jié)果類似,隨著極化層厚度增大,由極化層厚度本身產(chǎn)生的影響逐漸超過(guò)激電效應(yīng)的影響而占據(jù)優(yōu)勢(shì),從而導(dǎo)致激電效應(yīng)的影響不能被凸顯。
圖10 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨極化層寬度和收發(fā)距的變化
圖11 水平電場(chǎng)(左)和水平磁場(chǎng)(右)的IP強(qiáng)度隨極化層厚度和收發(fā)距的變化
為研究激電效應(yīng)對(duì)一維MCSEM反演結(jié)果的影響,本文在一維反演程序[35]的基礎(chǔ)上做了修改,在反演過(guò)程中考慮了激電效應(yīng),即在反演時(shí)給定Cole-Cole模型中的三個(gè)參數(shù)(頻率相關(guān)系數(shù)c、時(shí)間常數(shù)τ和極化率η),只反演電阻率ρ。對(duì)圖2所示一維海洋地電模型進(jìn)行反演。正演模擬時(shí)設(shè)定發(fā)射頻率為0.1和1.0,極化率分別為0.1、0.3和0.5,時(shí)間常數(shù)為2.0,頻率相關(guān)系數(shù)為0.25。反演時(shí)添加2%的隨機(jī)噪聲。
首先通過(guò)一維MCSEM正演程序,計(jì)算含有激電效應(yīng)的MCSEM數(shù)據(jù)。然后將該正演數(shù)據(jù)分別使用考慮和不考慮激電效應(yīng)的反演程序進(jìn)行反演,最后對(duì)兩個(gè)反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,討論激電效應(yīng)對(duì)反演結(jié)果的影響。
圖12為極化率分別為0.1、0.3和0.5時(shí)的電阻率反演結(jié)果。由圖可見,如果反演時(shí)不考慮激電效應(yīng),反演得到的電阻率比實(shí)際值偏大,并且電阻率隨著極化率的增大而增大。通過(guò)對(duì)比兩種情形下的電阻率反演結(jié)果可知,激電效應(yīng)的存在除了使電阻率反演結(jié)果偏大一些之外,并未產(chǎn)生其他明顯影響,即激電效應(yīng)對(duì)一維反演結(jié)果的影響很小。
圖12 不同極化率以及考慮、不考慮激電效應(yīng)的電阻率反演結(jié)果對(duì)比(a)η=0.1; (b)η=0.3; (c)η=0.5
本文通過(guò)引入Cole-Cole模型,對(duì)儲(chǔ)層極化引起的激電效應(yīng)進(jìn)行了分析,定義了IP強(qiáng)度用以表示激電效應(yīng)的強(qiáng)弱,研究了激電效應(yīng)對(duì)MCSEM正演和反演結(jié)果的影響,得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):
(1)海底油氣層極化產(chǎn)生的激電效應(yīng)不僅與激電參數(shù)有關(guān),而且與觀測(cè)頻率、極化層厚度、埋深、寬度等因素有關(guān)。對(duì)于一維層狀介質(zhì),激電效應(yīng)強(qiáng)度隨著激電參數(shù)的增大而增大,激電效應(yīng)強(qiáng)度隨著極化層埋深和厚度的增大而減?。粚?duì)于二維地電模型,激電效應(yīng)強(qiáng)度隨著極化層寬度增大而增大。
(2)激電效應(yīng)對(duì)一維和二維地電模型MCSEM響應(yīng)的影響特征類似。但是由于二維模型中儲(chǔ)層寬度有限,所以其激電效應(yīng)的影響程度明顯小于一維情形。
(3)激電效應(yīng)會(huì)對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生一定影響,如果不考慮激電效應(yīng),高阻儲(chǔ)層的反演電阻率會(huì)偏大,但是差異并不十分明顯。