海洋电磁法研究的现状和进展

海洋电磁法是研究海洋特别是海底的重要手段之一，我国对海洋（海底）资源的开发利用，和科学研究址分重视，已将海洋电磁法研究列入国这“８６３”计划。最近通过了专属经济区和大陆架的有关法规，笔者在广泛收集迄今为止国内外大量资料的基础上，经编，译，整理，撰写了本文，力求全面地介绍这一领域的历史，现状和进展，各种海洋电磁法的基本原理，海洋（海底）电磁法操作的要求和特点，以及应用实例，以推时我国海洋电磁法研究的     

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布特征.研究发现,对于发射源水平摆动和倾斜造成的海洋电磁观测数据的畸变,其分布规律取决于接收机所在区域.以发射频率1 Hz为例,对于由发射源水平摆动或倾斜导致的地球坐标系中的两个等效电偶极子分量产生的水平电场Ex,在旁线区域,二者的相位差约为360°,接收机接收到的电场信号约为两个偶极子场之和;而在同线区域,二者的相位差接近于180°,接收机接收到的信号为两者之差.在两个区域的交界处,发射源姿态对电磁信号影响最大.相比之下,发射源水平摆动只改变发射源的位置,不会改变源的性质,其影响主要发生在收发距较小的区域.本文的研究成果有助于海洋电磁系统设计时确定发射源姿态变化的参数指标,同时也为未来实际海洋电磁观测时分析和校正发射源姿态变化造成的观测数据误差提供理论基础.     

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布...     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

电磁勘探中工频噪声采集技术研究

电磁法是对地探测的支柱技术,随着经济和社会发展,电磁干扰日益严重,极大地的影响了对地探测效果,亟需研发工频电磁干扰快速测试分析技术和仪器,为电磁探测测点选择提供依据;本文开发了一套环境电磁噪声测量装置,可实时记录电磁场总场强度与工频基波及其二次、三次谐波振幅强度,实验表明6套实验样机一致性数据Pearson相关系数达0...     

提高海洋可控源电磁法信噪比的方法研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)资料解释技术在过去几年时间里飞速发展,但是海底噪声的存在严重影响了海洋可控源电磁资料的解释精度.本文根据国内外文献总结了压制MCSEM噪声的两种方法:时域滤波方法和噪声估计方法.通过对模拟数据的处理,验证了这两种方法在压制噪声中的应用效果.结果表明:时域滤波和噪声估计方法能够较好的压制背景噪声,提高处理结果的信噪比.     

电导率各向异性的海洋电磁三维有限单元法正演

本文提出了一种基于非结构化网格的海洋电磁有限单元正演算法.为了回避场源奇异性, 文中选用二次场算法, 将背景电阻率设置为水平层状且各向异性, 场源在水平层状各向异性介质中所激发的一次场通过汉克尔积分得到.基于Coulomb规范得到二次矢量位和标量位所满足的Maxwell方程组, 通过Galerkin加权余量法形成大型稀疏有限元方程, 采用不完全LU分解(ILU)预条件因子的quasi-minimum residual(QMR)迭代解法对有限元方程进行求解得到二次矢量位和标量位; 进而, 利用滑动平均方法得到二次矢量位和标量位在空间的导数, 由此得到二次电磁场; 通过一维模型对算法的可靠性进行验证, 与此同时, 针对实际复杂海洋电磁模型, 比较有限元模拟结果与积分方程模拟结果, 进一步验证算法精度.若干计算结果均表明, 文中算法具有良好的通用性, 适用于井中电磁、航空电磁, 环境地球物理等非均匀且各向异性介质中的电磁感应基础研究.     

一维电阻率各向异性对海洋可控源电磁响应的影响研究

地下介质的电阻率常常表现为各向异性, 海底裂隙地层和层状沉积序列可能形成宏观电阻率各向异性.在解释海洋电磁资料时, 电阻率各向异性的影响不应该被忽略, 否则可能会得到错误的海底地电模型.作者编写了电阻率任意各向异性一维层状介质海洋可控源电磁场计算程序, 计算了电阻率各向异性层状模型的海洋可控源电磁响应, 讨论了覆盖层和高阻储层分别具有电阻率各向异性时的电磁场响应特征.     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.

     

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/√HZ@(1~100Hz).将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.     

控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术

为达到海洋可控源电磁探测和远参考测量的目的,研究控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术,包括发射前与GPS的对钟技术和发射中的同步技术,保证仪器工作的时间和公共的时间基准GPS信号保持精确一致,为后期的数据处理解释提供统一的时间坐标.对钟技术是指,在海洋调查船上完成仪器内部RTC芯片分频所得的秒脉冲信号RTC_PPS与GPS秒脉冲信号PPS时钟沿的同步;同步技术是指,海底工作过程中,仪器在预定的时钟沿将可控源信号精确发射出去.本论文采用CPLD芯片、RTC芯片、GPS模块和AVR单片机来完成对钟和同步模块的设计.     

高分辨低漂移的数据采集技术研究

对于测震观测,大动态和宽频带是当代最主要的技术特征,其关键设备是反馈地震计和24位数据采集器.通过引入调制解调技术来克服由于半导体器件低频噪声和环境温度变化引起的长周期漂移,提高长周期频段数据采集的技术水平.     

地震仪自动换档设计

鉴于测震中电子放大地震仪放大器的输出动态范围窄的缺陷，笔者作了自动换档衰减放大倍数的电路技术设计。本设计在长周期、短周期、宽频带等各种电子放大地震仪上适当改制或重新设计放大板即可应用，从而可几十倍甚至更大地拓宽电子放大地震仪的输出动态范围，大幅度增强其适用性。     

A numerical comparison of time and frequency‐domain marine electromagnetic methods for hydrocarbon exploration in shallow water

In shallow water the frequency domain controlled source electromagnetic method is subject to airwave saturation that strongly limits the sensitivity to resistive hydrocarbon targets at depth. It has been suggested that time‐domain CSEM may offer an improved sensitivity and resolution of these deep targets in the presence of the airwave. In order to examine and test these claims, this work presents a side‐by‐side investigation of both methods with a main focus on practical considerations, and how these effect the resolution of a hydrocarbon reservoir. Synthetic noisy data for both time‐domain and frequency domain methods are simulated using a realistic frequency dependent noise model and frequency dependent scaling for representative source waveforms. The synthetic data studied here include the frequency domain response from a compact broadband waveform, the time‐domain step‐response from a low‐frequency square wave and the time‐domain impulse response obtained from pseudo‐random binary sequences. These data are used in a systematic resolution study of each method as a function of water‐depth, relative noise and stacking length. The results indicate that the broadband frequency domain data have the best resolution for a given stacking time, whereas the time‐domain data require prohibitively longer stacking times to achieve similar resolution.     

深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术

深水环境下进行大地电磁数据采集,信号幅值微弱,高频分量被严重衰减;仪器承载的环境压力巨大,且伴随底流推曳、淤泥吸附等不利因素;海上作业情况复杂多变,带给设备投放与回收诸多困难.针对这些特殊问题,从理论上分析了大地电磁场在海水及其以下层状介质中的传播规律,计算了电场与磁场随不同水深的衰变比值,研讨了与仪器上浮速度相关的物理因素;从技术上阐述海底大地电磁仪的工作原理,包括信号传感器、数据采集器、声控释放单元以及机械组装部件等等.整套仪器信号分辨率达到nV级,频带宽度为10~0.3×10-3 Hz,最大工作水深4000 m.该仪器搭载“海洋六号”科学考察船,在我国南海中沙群岛海域进行了国内首次深水环境下的大地电磁数据采集试验.结果显示,所研发的仪器性能指标吻合先前的理论推算值,达到设计要求.我国的海底大地电磁探测技术已完全享有自主的知识产权.     

Investigating the effect of data quality on time domain electromagnetic discrimination

Using field data and numerical simulations we investigate the effect of data quality on time domain electromagnetic discrimination. Data quality decreases when measurements contain responses not accounted for by our mathematical modelling. This can include instrument noise, inaccurately reported position and orientation information, geologic contributions to the signal, and loss of validity of the forward modelling. Survey design is critical to data quality in order to have sufficient sampling of data anomalies, and also to ensure that each target is illuminated such that both the axial and transverse components of the polarization can be excited and measured. For dipole model based discrimination algorithms, success is contingent upon the accuracy with which the components of the polarization tensor can be estimated. Field data from different survey modes are analysed to identify noise sources and provide quantitative estimates of the noise in each survey. Inversion results show that increased noise levels lead to greater spread in recovered parameters. Monte Carlo simulations are performed in order to investigate the importance of other data quality factors. Analysis of inversion results from the simulations show that anomaly size, signal to noise ratio, positioning error, line spacing and station spacing all play a role in the spread of recovered parameters. Through the analysis of our simulation results we propose a figure of merit as a means of quantifying different data quality factors with a single number and relate this number to the accuracy with which parameters can be estimated.     

海洋地震资料采集过程中近场检波器的应用

海洋地震资料采集中空气枪震源近场检波器不仅可以较好地进行震源质量实时监控,更重要的是可以较好地预测远场子波.经国外大量的远场子波实测试验与预测结果对比,利用近场检波器预测远场子波,与实测远场子波吻合度很高,因此,利用近场检波器预测远场子波是一项非常关键的技术,然而国内在该技术领域还不是很成熟,目前只用来做一些震源的质量监控和近场子波记录.较为详细地描述了国外的部分试验结果,并根据国外的试验结果和国内的具体使用情况,提出了近场检波器放置位置、记录长度和采样率合理化选取的建议.并建议国内相关领域的专家尽快研发拥有自主知识产权的相关软件,利用近场子波来有效地预测远场子波.     

南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验

为了测试我国自主设计与研发的海洋可控源电磁仪器性能及其在水合物探测中的适用性,本文从海洋可控源电磁法基本原理出发,首先根据试验海域水合物地质特征,建立简化地电模型开展理论研究,确定海洋可控源电磁试验的技术方案;利用研发的海洋可控源电磁仪器,在南海天然气水合物远景区开展探测试验,首次获得了我国深水海域的海洋可控源电磁数据.通过对采集数据进行处理与反演,获得了试验剖面的海底电性结构模型,揭示了4号测点下方存在一个50 m厚的高阻层,其电阻率为25 Ωm、顶部埋深为181 m,为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料.研究结果表明,自主研发的海洋可控源电磁仪器性能达到了预期的设计指标,这标志着我国海洋可控源电磁探测技术向实用化进程迈出了重要一步.