淺海域海底極低頻電磁響應(yīng)特征研究

鄭方華, 底青云*, 高雅, 付長民

1 中國科學(xué)院深地資源裝備技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室， 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 3 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029 4 中國科學(xué)院大學(xué)， 地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049

0 引言

海洋油氣資源的勘探開發(fā)已成為地球物理勘探的重點(diǎn)和熱點(diǎn)(朱偉林等, 2016; Xie, 2018; 張寧寧等, 2018； 張強(qiáng)等，2018; Wu, 2020).20世紀(jì)70年代以前，海洋地球物理勘探一直以地震勘探為主.然而，地震勘探只能給出地下的構(gòu)造形態(tài)信息，不能有效判別油氣構(gòu)造含油氣性，僅憑地震資料布置鉆孔，所需成本大、風(fēng)險(xiǎn)高.而電磁探測(cè)可有效獲取海底以下巖層的電性參數(shù)，更好地反映巖層的性質(zhì)以及巖層所處的物理狀態(tài)(魏文博等, 2001)，直接探測(cè)油氣及天然氣水合物等高阻儲(chǔ)層，適用于地震方法不易分辨而電磁方法擁有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域(何繼善和鮑力知, 1999; 李慧, 2007).由地震勘探發(fā)現(xiàn)構(gòu)造目標(biāo)，海洋電磁探測(cè)進(jìn)行含油氣性綜合評(píng)價(jià)，可降低勘探風(fēng)險(xiǎn)、提高勘探成功率，已成為海洋油氣勘探作業(yè)中的一種新模式(鄭仁淑, 2005; 何展翔和余剛, 2008).雖然海洋電磁探測(cè)不及地震勘探的分辨率，但由于其對(duì)高電阻率敏感，固有分辨率比重力和磁場(chǎng)測(cè)量等勢(shì)場(chǎng)方法要好得多，海洋電磁法已發(fā)展成為一種不可忽視的海洋地球物理方法(Constable and Srnka, 2007; Key, 2012).

根據(jù)場(chǎng)源的性質(zhì)劃分，海洋電磁探測(cè)方法可分為海底大地電磁法(Marine magnetotellurics, MMT)和海洋可控源電磁法(Marine controlled source electromagnetics, MCSEM)兩大類(Constable, 2006, 2013; Ramananjaona et al., 2011).海洋大地電磁法以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源，通過海底天然電磁場(chǎng)的分布與變化研究洋底電導(dǎo)率的分布.由于天然場(chǎng)信號(hào)不穩(wěn)定、強(qiáng)度弱、高頻成分缺失，因而存在海底天然電磁場(chǎng)信號(hào)能量強(qiáng)度低、對(duì)淺部電性結(jié)構(gòu)分辨率低的缺點(diǎn)，主要被用于海底深部巖石圈構(gòu)造研究(李桐林等, 1998; 劉長勝, 2009).海洋可控源電磁法以洋底附近人工激發(fā)的低頻電磁波信號(hào)為場(chǎng)源，通過觀測(cè)電磁場(chǎng)在海水和海底的傳播探測(cè)海底地質(zhì)構(gòu)造(Constable, 2006, 2013; Ramananjaona et al., 2011).海洋可控源電磁法又可分為海洋可控源頻率域電磁法和海洋可控源時(shí)間域電磁法(Connell and Key, 2013; Goldman et al., 2015).在深海大型電阻目標(biāo)的勘探中，頻率域電磁法具有更高的分辨率(Constable and Srnka, 2007; Key, 2012; Goldman et al., 2015)，但在淺海環(huán)境中易受到空氣波的干擾而限制其對(duì)深部電性目標(biāo)的敏感性(Connell and Key, 2013).對(duì)淺水域海底高阻油氣藏探測(cè)中，時(shí)間域電磁法具有更高的分辨率(周建美等, 2016)，但覆蓋范圍小，且時(shí)域數(shù)據(jù)需要較長的疊加時(shí)間才能達(dá)到寬頻帶頻域數(shù)據(jù)的分辨率(Connell and Key, 2013).我國海域資源豐富(Xie, 2018; Wu, 2020)，且大部分淺海區(qū)域的海水深度不到300 m(劉長勝, 2009;吳玉玲, 2018)，因此，亟需研究新的電磁法探測(cè)技術(shù)，解決淺海電磁法存在的問題.

卓賢軍等(卓賢軍和趙國澤, 2004; 卓賢軍等, 2007, 2011; 卓賢軍和陸建勛, 2010)和底青云等(2008, 2009)提出了一種利用陸地大功率發(fā)射臺(tái)站發(fā)射極低頻電磁信號(hào)探測(cè)深部礦產(chǎn)資源的電磁探測(cè)方法.極低頻電磁探測(cè)方法(Wireless electromagnetic method, WEM)采用大功率發(fā)射源，具有信號(hào)強(qiáng)度大，一致性好，覆蓋范圍廣，探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，在陸上資源探測(cè)中顯現(xiàn)出較好應(yīng)用效果(卓賢軍和趙國澤2004; 卓賢軍等, 2007, 2011; 卓賢軍和陸建勛, 2010; 底青云等, 2008, 2009；王然等, 2019; Li et al., 2015, 2016; Qu et al., 2017; Di et al., 2020)，但未見WEM的海區(qū)試驗(yàn)，缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn).為測(cè)試WEM在海洋油氣資源探測(cè)中的適用性，本文建立簡(jiǎn)化的海洋地電模型，對(duì)含油氣高阻模型的極低頻電磁響應(yīng)特征展開研究，為選取合適的極低頻海洋油氣資源探測(cè)參數(shù)提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步研究的開展奠定基礎(chǔ).

1 極低頻電磁探測(cè)方法及海區(qū)工作方法

極低頻電磁探測(cè)方法(WEM)是在天然場(chǎng)大地電磁法(Magnetotellurics，MT)和可控源音頻大地電磁法(Controlled source audio-frequency magnetotellurics, CSAMT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型人工源低頻電磁探測(cè)技術(shù)(底青云等, 2019, 2020).它通過一個(gè)大功率固定式發(fā)射臺(tái)發(fā)射0.1～300 Hz超低頻/極低頻電磁信號(hào)來探測(cè)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)(卓賢軍和趙國澤, 2004; 底青云等, 2020).WEM把傳統(tǒng)的“大氣層-巖石層”半空間傳播理論推廣到“地-電離層”全空間電磁波傳播理論(底青云等，2008, 2009; 李帝銓等, 2010; Li et al., 2015, 2016)，因而具有信號(hào)衰減慢、傳播距離遠(yuǎn)、探測(cè)深度大的優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于陸上深部探礦．將WEM應(yīng)用于海底地電結(jié)構(gòu)探測(cè)及油氣資源勘探，需要把“地-電離層”全空間電磁波傳播理論推廣到包含海水介質(zhì)的“地-電離層”全空間模型.

WEM通過在電阻率大于4000 Ωm的高阻層地區(qū)架設(shè)極低頻發(fā)射天線，由兩端接地導(dǎo)線向地下注入數(shù)百安培編碼電流產(chǎn)生頻率為0.1～300 Hz超低頻/極低頻電磁波(底青云等, 2020).收發(fā)距較大時(shí)，極低頻電磁波向上傳播到電離層，由電離層底界面反射至地面或海面，在電離層底界面和地面或海面之間來回反射引導(dǎo)前進(jìn)(圖1).極低頻電磁波在“地-電離層”波導(dǎo)中傳播時(shí)具有信號(hào)傳播損耗小，傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)幅度和相位穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)(李帝銓, 2010; 付長民等, 2010)，能從地面或海面向下透射到一定深度的目標(biāo)體，并能被地下或水下的接收設(shè)備接收，見圖1．

利用WEM進(jìn)行海區(qū)作業(yè)時(shí)，在極低頻電磁信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)選擇信噪比大于10 dB(Li et al., 2015)的區(qū)域作為勘探區(qū)域，并在勘探區(qū)域的海底布設(shè)若干接收機(jī)采集電磁場(chǎng)信號(hào)(景建恩等，2016)，見圖1.發(fā)射臺(tái)發(fā)射預(yù)定頻率的信號(hào)，接收機(jī)同步采集該頻率信號(hào)經(jīng)過海底介質(zhì)反射回來的信號(hào).通過回收海底數(shù)據(jù)采集站，獲得海底某一點(diǎn)測(cè)量的總場(chǎng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步壓制隨機(jī)干擾、增強(qiáng)有效信號(hào)，獲得多頻點(diǎn)的海底介質(zhì)的視電阻率和相位曲線，再通過反演得到海底地層的電性結(jié)構(gòu).

WEM采用大功率源，收發(fā)距離可達(dá)上千公里，遠(yuǎn)大于地電離層高度，電離層的存在會(huì)影響電磁信號(hào)的傳播(底青云等, 2008; 付長民等, 2010; 李帝銓等, 2010).其次，由于大氣層的存在，遠(yuǎn)距離的電磁波場(chǎng)的研究必須考慮空氣層位移電流的影響(李帝銓等, 2010; Li et al., 2015, 2016).對(duì)WEM的研究是一個(gè)包含電離層、空氣層以及地球介質(zhì)層的大尺度的全空間問題，底青云等(2009)指出積分方程法可以克服常規(guī)的有限差分、有限元等在大尺度全空間的電磁波場(chǎng)的模擬所受到的限制(底青云等，2008).為了發(fā)展全空間三維積分方程法，李帝銓(2010)利用電離層-空氣層-固體地球?qū)娱g的耦合條件，采用R函數(shù)法完整推導(dǎo)了“地-電離層”模式水平電偶極源的電磁波場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式，獲得了相應(yīng)的數(shù)值格林函數(shù)，發(fā)展了一維計(jì)算程序，便于進(jìn)一步研究極低頻電磁場(chǎng)在空間的分布特征.

考慮電離層和空氣中位移電流的影響，“地-電離層”全空間地表電磁場(chǎng)的表達(dá)式為(李帝銓, 2010)：

(1)

圖1 極低頻電磁波傳播路徑示意圖Fig.1 The propagation paths of EM waves from an artificial transmitter

(2)

將“地-電離層”全空間電磁波傳播理論推廣到含海水介質(zhì)的“地-電離層”全空間模型時(shí)，由于海水層加入后，加劇了和大氣層的電性差異.考慮邊界條件和模型參數(shù)的變化，由地表處數(shù)值格林函數(shù)(李帝銓，2010)出發(fā)，利用空氣層與海水層界面謝昆諾夫勢(shì)函數(shù)連續(xù)，推導(dǎo)了海底界面的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式.并采用2040點(diǎn)高密度采樣濾波系數(shù)(鄭圣談等，2007；李帝銓等，2011)對(duì)包含Bessel無限積分公式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，加快核函數(shù)收斂.

對(duì)海水和海底等無源層介質(zhì)，位函數(shù)滿足齊次波動(dòng)方程，通解形式為(符號(hào)定義同李帝銓,2010)

X=de-uz+ceuz,

(3)

Z=d*e-uz+c*euz,

(4)

定義

Z=V-X′/(λ2),

(5)

由位函數(shù)X，X′，Z在邊界連續(xù)有：

(6)

在空氣層表面z=0時(shí)，位函數(shù)X，X′，V,V′的表達(dá)式為

(7)

設(shè)各層界面處的深度為zj，則在空氣層和海水層分界面z1=0處，由于X，X′，V,V′/k2連續(xù)，有：

(8)

解之得海水層位函數(shù)的系數(shù)：

(9)

則，海底界面位函數(shù)表達(dá)式：

(10)

同理，可獲得海底第j層頂?shù)捉缑嫖缓瘮?shù)的表達(dá)式.

將海底第一層頂界面位函數(shù)代入下式(李帝銓, 2010)：

(11)

整理得場(chǎng)點(diǎn)位于海底界面時(shí)電磁場(chǎng)的表達(dá)式：

(12)

(13)

式中，

對(duì)比式(1)、式(2)、式(12)和式(13)發(fā)現(xiàn)：海底中場(chǎng)的表達(dá)式比空氣中場(chǎng)的表達(dá)式要復(fù)雜得多.這是因?yàn)殡姶判盘?hào)從地面或海面向下透射到地下介質(zhì)后，地面或海面觀測(cè)只需記錄來自地下介質(zhì)產(chǎn)生的上行波(Qu et al., 2016)，而海底觀測(cè)場(chǎng)既包含海底介質(zhì)產(chǎn)生的上行波也包含海水界面反射的下行波.

2 數(shù)值模擬

李帝銓等(2010)、徐志峰和吳小平(2010)研究表明，在陸地WEM試驗(yàn)中，當(dāng)收發(fā)距較小時(shí)(小于10 km)，電離層和空氣中位移電流的影響可以忽略，‘地-電離層’全空間電磁波傳播公式經(jīng)過簡(jiǎn)化后與CASMT公式(樸化榮, 1990; 何繼善, 1990)相一致.因此，在滿足遠(yuǎn)區(qū)條件時(shí)，可采用卡尼亞視電阻率定義公式(湯井田和何繼善,2005)求解‘地-電離層’模式視電阻率：

(14)

考慮到海水層的吸收衰減作用使得海底觀測(cè)的場(chǎng)能量遠(yuǎn)小于地表觀測(cè)的場(chǎng)能量(張建華等，2001)，導(dǎo)致WEM可利用的電磁場(chǎng)成分為有限帶寬，為全方位探究WEM在海洋環(huán)境中電磁響應(yīng)特征，本文將數(shù)值計(jì)算頻率范圍由0.1～300 Hz拓展為0.001～300 Hz.

2.1 數(shù)值模擬可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證公式推導(dǎo)和程序計(jì)算的正確性和可靠性，同時(shí)便于與陸地上的地電模型正演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，參考李帝銓等(2011)關(guān)于“地-電離層”模式一維正演模型，以及楊梅霞等(2001)關(guān)于海洋大地電磁一維正演模型，設(shè)計(jì)如圖2所示海洋和陸地地電模型.大功率源位于海面或地表上，坐標(biāo)系的原點(diǎn)在發(fā)射源中心點(diǎn)正下方的海面上，x軸沿發(fā)射電極方向，z軸向下為正，向上為負(fù).

李帝銓等(2011)陸上觀測(cè)方式和本文海底觀測(cè)方式計(jì)算沿測(cè)線x方向視電阻率隨收發(fā)距變化響應(yīng)曲線，如圖3所示.發(fā)射電流200 A，偶極子長度50 km，收發(fā)距范圍為10～400 km，頻率為0.1 Hz, 1 Hz, 10 Hz.

對(duì)比圖3陸上觀測(cè)(實(shí)線)和海底觀測(cè)結(jié)果(虛線)有，在圖2所給定的模型參數(shù)下，與陸上觀測(cè)方式相同，海底觀測(cè)方式視電阻率曲線在近場(chǎng)部分發(fā)生畸變，且收發(fā)距越遠(yuǎn)，畸變出現(xiàn)的頻率越低．與陸上觀測(cè)不同的是，發(fā)射頻率相同時(shí)，海底觀測(cè)方式視電阻率曲線出現(xiàn)畸變的范圍更大，當(dāng)發(fā)射頻率為1 Hz時(shí)，海底觀測(cè)視電阻率曲線在收發(fā)距為40 km處發(fā)生畸變，而陸上觀測(cè)視電阻率曲線在收發(fā)距為20 km處發(fā)生畸變.造成這種差異的原因可能與海水介質(zhì)中的低頻電磁場(chǎng)衰減特性有關(guān).當(dāng)收發(fā)距為大于100 km時(shí)，兩種觀測(cè)方式畸變出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)小于0.1 Hz，此時(shí)，兩種觀測(cè)方式視電阻率值為50 Ωm，反映真實(shí)地層的電性結(jié)構(gòu).

圖2 海洋(a)和陸地(b)一維地電模型Fig.2 1D model of ocean (a) and terrestrial (b)

計(jì)算結(jié)果證實(shí)了接收點(diǎn)位于海底時(shí)電磁場(chǎng)公式推導(dǎo)和數(shù)值模擬結(jié)果是真實(shí)可靠的，也證實(shí)了WEM在數(shù)百千米收發(fā)距下探測(cè)海底下方電性結(jié)構(gòu)的可行性.

其次，為了評(píng)價(jià)WEM用于海洋油藏勘探的可行性，本文借鑒Constable和Weiss(2006)經(jīng)典海洋地電模型，依據(jù)南海北部灣海域油藏分布特點(diǎn)(吳玉玲，2018)，建立如圖4所示的海底一維無異常體背景模型和含高阻油氣異常體的層狀地電模型，電離層設(shè)為-1層，空氣層為0層，大功率源位于海面上，觀測(cè)點(diǎn)位于海底界面，坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)置在源的中心點(diǎn)正下方的海面上，x軸沿發(fā)射電極方向，z軸向下為正，向上為負(fù).

觀測(cè)點(diǎn)位于海底時(shí)，沿測(cè)線x方向不含油氣高阻異常模型(圖4a)和含油氣高阻異常模型(圖4b)電場(chǎng)分量Ex、磁場(chǎng)分量Hy、視電阻率ρ和相位Phase曲線的響應(yīng)特征見圖5.發(fā)射電流200 A, 偶極子長度50 km, 發(fā)射頻率f=2n,n取值從-10到8，間隔0.5，共37個(gè)頻點(diǎn)，收發(fā)距為200 km.

圖3 視電阻響應(yīng)隨收發(fā)距和頻率變化曲線Fig.3 Curve of apparent resistance variation with offset and frequency

由圖5a和圖5b知，含油氣高阻異常體模型電磁場(chǎng)各分量的幅值均比不含油氣背景地電模型電磁場(chǎng)各分量的幅值大.這是由于海底巖石的孔隙中存在油氣等高阻介質(zhì)使巖石的電阻率升高，對(duì)電磁波能量的散射作用增強(qiáng)，在儲(chǔ)層上方電磁接收站接收到的電磁波能量就較強(qiáng).相比較于不含油氣等高阻目標(biāo)體的背景場(chǎng)，視電阻率曲線(圖5c)和相位曲線上(圖5d)可明顯的反映低阻-高阻-低阻的電性趨勢(shì).利用含油氣的高阻目標(biāo)層與其周圍背景巖層的電阻率差異，通過探測(cè)沉積地層的電阻率分布狀況可初步判斷巖石孔隙中是否含有油氣.計(jì)算結(jié)果證實(shí)了WEM探測(cè)海底高阻油氣層的可行性.

需要指出的是，由于海水中電磁場(chǎng)能量通過電場(chǎng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流轉(zhuǎn)化為熱能，致使電磁場(chǎng)的振幅不斷衰減(卓賢軍和張佳煒, 2011)，海底電場(chǎng)幅值較磁場(chǎng)小得多．據(jù)圖6磁場(chǎng)與電場(chǎng)的比值曲線有，在0.01 Hz以下的低頻段，兩者幅值相差約三個(gè)數(shù)量級(jí)，在1 Hz至300 Hz，磁場(chǎng)幅值仍比電場(chǎng)幅值大一至兩個(gè)數(shù)量級(jí).即海水對(duì)電場(chǎng)能量的吸收衰減作用更為強(qiáng)烈，對(duì)WEM海底接收儀器設(shè)計(jì)而言，電場(chǎng)測(cè)量靈敏度的指標(biāo)要求更高.

2.2 模型參數(shù)對(duì)電磁響應(yīng)的影響

為考察不同情況下WEM對(duì)海底油氣層的電磁響應(yīng)特性，討論了不同收發(fā)距赤道裝置和軸向裝置WEM電磁響應(yīng)特征，并進(jìn)一步考察了海水層厚度h1、上覆蓋層厚度h2和油氣藏厚度h3對(duì)WEM電磁響應(yīng)特征的影響.

圖4 一維海洋地電模型(a) 不含油氣儲(chǔ)層層狀模型; (b) 含油氣儲(chǔ)層層狀模型.Fig.4 1D ocean model(a) Background model; (b) Abnormal model.

圖5 軸向模式無異常體模型和有異常體模型電磁響應(yīng)曲線 (a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.5 Frequency response curve of 1D ocean model(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

圖6 磁場(chǎng)與電場(chǎng)的比值曲線Fig.6 Ratio curve of magnetic field to electric field

2.2.1 不同收發(fā)距的電磁響應(yīng)特征

MCSEM等傳統(tǒng)的海洋電磁探測(cè)方法，只有當(dāng)收發(fā)距在一定的范圍內(nèi)時(shí)，海底接收器才能接收到有效反映海底高阻層信息的有用信號(hào)(李澤林，2017；蘭懷慷等，2019)，且在淺海環(huán)境中易受到空氣波的干擾影響勘探效果.而WEM采用大功率發(fā)射源，可在數(shù)千km范圍內(nèi)接收該電磁信號(hào)(李帝銓，2010)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有海洋電磁法覆蓋范圍小、且在淺海環(huán)境中易受到空氣波的干擾的不足.

為考察海域中收發(fā)距對(duì)WEM波場(chǎng)的影響，對(duì)含油氣高阻模型(圖4b)，計(jì)算了收發(fā)距分別為50 km，100 km，200 km，400 km和800 km，赤道模式(equatorial mode) 和軸向模式(axial mode)的電場(chǎng)Ex、磁場(chǎng)Hy、視電阻率ρ和相位Phase響應(yīng)曲線.大功率源位于海面上，觀測(cè)點(diǎn)位于海底界面，發(fā)射電流200 A, 偶極子長度50 km,發(fā)射頻率f=2n,n取值從-10到8，間隔0.5，共37個(gè)頻點(diǎn).

圖7和圖8分別為軸向模式和赤道模式的電磁響應(yīng).軸向模式接收器陣列位置沿X方向，赤道模式接收器陣列位置沿Y方向.對(duì)比圖7和圖8可以看出，不同收發(fā)距下軸向模式和赤道模式電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量幅值隨頻率增大先增加再減小.與陸上觀測(cè)(李帝銓，2011)不同的是，兩種模式電場(chǎng)和磁場(chǎng)在高頻端并未出現(xiàn)場(chǎng)值增加現(xiàn)象，這是由于海水層對(duì)高頻電磁能量的吸收作用，導(dǎo)致高頻信號(hào)能量減弱.與陸上觀測(cè)相同的是，收發(fā)距較小時(shí)，兩種模式視電阻率和相位曲線在低頻部分出現(xiàn)畸變．收發(fā)距為50 km時(shí)，軸向模式視電阻率曲線在0.1 Hz處出現(xiàn)尾支翹起，赤道模式視電阻率曲線在0.01 Hz處出現(xiàn)尾支翹起，這種畸變隨著收發(fā)距的加大而減弱；在收發(fā)距為大于100 km時(shí)，兩種模式尾支翹起頻率遠(yuǎn)小于0.01 Hz.此時(shí)，兩種模式在視電阻率和相位曲線可明顯反映低阻-高阻-低阻的電性結(jié)構(gòu).

與陸上觀測(cè)(底青云等, 2008; 李帝銓等，2011)相同，尾支翹起是近場(chǎng)的反映，收發(fā)距越遠(yuǎn)，近場(chǎng)效應(yīng)出現(xiàn)的頻率越低.因此，在收發(fā)距較小的近海或湖區(qū)開展極低頻電磁測(cè)深工作時(shí)，需要充分考慮近場(chǎng)效應(yīng)的影響，否則有可能給地質(zhì)解釋帶來較大影響，甚至可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論.此外，由于WEM采用大功率固定式發(fā)射源, 可在大范圍內(nèi)同時(shí)接收赤道模式和軸向模式不同偏移距處電磁響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩種模式信息共享，進(jìn)一步提高觀測(cè)信號(hào)的信噪比.

圖7 軸向模式不同收發(fā)距的電磁響應(yīng)(a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.7 Frequency response of different offset (axial mode)(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

圖8 赤道模式不同收發(fā)距的電磁響應(yīng)(a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.8 Frequency response of different offset (equatorial mode)(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

2.2.2 海水層對(duì)模型響應(yīng)特征的影響

為分析海水層對(duì)WEM的影響，對(duì)含油氣高阻模型(圖4b)，改變海水層深度h1，計(jì)算了無海水層和海水深度分別為100 m, 200 m, 400 m, 800 m和1600 m時(shí)電場(chǎng)分量Ex、磁場(chǎng)分量Hy、視電阻率ρ和相位Phase響應(yīng)曲線，如圖9所示.大功率源位于海面上，觀測(cè)點(diǎn)位于海底界面，發(fā)射電流200 A, 偶極子長度50 km, 收發(fā)距為200 km，發(fā)射頻率f=2n,n取值從-10到8，間隔0.5，共37個(gè)頻點(diǎn).

由圖9a和圖9b可以看出，淺海域(水深小于400 m)海底高阻油氣層的電磁響應(yīng)特征與無海水層高阻油氣層的電磁響應(yīng)的特征基本一致.海水層的存在僅加速了電磁能量的衰減，導(dǎo)致海底信號(hào)能量減弱，尤其在高頻部分更為明顯.但只要電磁波的趨膚深度大于海水層深度，低頻電磁信號(hào)即可穿過海水層進(jìn)入海底地層(張建華等, 2001).值得注意的是，海水深度改變時(shí)，不同頻點(diǎn)的電磁場(chǎng)值衰減的幅度也不同.信號(hào)的低頻分量衰減較小而高頻分量衰減較大.在海水深度固定時(shí)，頻率越高，計(jì)算結(jié)果受海水的影響越大.在800 m以深的海水中，頻率高于10 Hz的電場(chǎng)與磁場(chǎng)信號(hào)已相當(dāng)微弱.因此，在水深大于800 m環(huán)境中進(jìn)行極低頻電磁探測(cè)時(shí)，所獲取到的高于10 Hz的電磁數(shù)據(jù)可信度較低，在進(jìn)行地質(zhì)解釋時(shí)需注意甄別.

對(duì)比圖9c和圖9d中有無海水時(shí)視電阻率和相位響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，視電阻率和相位曲線高頻成分受海水層影響較大，但低頻成分影響不大，仍能較好地反映出地下介質(zhì)電阻率的分層信息，可見明顯的低阻-高阻-低阻的電性趨勢(shì)，對(duì)高阻異常體有較好的探測(cè)能力.這是由于海水層對(duì)高頻發(fā)射電磁能量的吸收，信號(hào)能量減弱，導(dǎo)致視電阻率曲線高頻成分受海水層影響較大，且受影響程度與海水深度正相關(guān).海水深度小于400 m范圍內(nèi)，視電阻率和相位曲線變化趨勢(shì)與無海洋存在時(shí)曲線變化趨勢(shì)一致，能較好地反映出模型的電性分布.隨著海水深度的增加，中高頻電磁信號(hào)衰減嚴(yán)重，在WEM工作頻率(0.1～300 Hz)范圍內(nèi)，已不能正確反映出地層的電性結(jié)構(gòu)信息.

通過對(duì)不同海水層模型的正演結(jié)果知，WEM在研究淺海區(qū)域(水深小于400 m)構(gòu)造以及電性異常體探測(cè)等領(lǐng)域能取得良好效果，具有廣闊應(yīng)用前景.

2.2.3 油氣層埋深變化對(duì)電磁響應(yīng)特征的影響

為認(rèn)識(shí)油氣層埋深變化對(duì)電磁場(chǎng)響應(yīng)特征的影響，對(duì)含油氣高阻模型(圖4b)，改變覆蓋層厚度h2，計(jì)算了覆蓋層厚度分別為10 m, 100 m, 1000 m和2000 m時(shí)電場(chǎng)分量Ex、磁場(chǎng)分量Hy、視電阻率ρ和相位Phase響應(yīng)曲線，如圖10所示.大功率源位于海面上，觀測(cè)點(diǎn)位于海底界面，發(fā)射電流200 A, 偶極子長度50 km, 收發(fā)距為200 km，發(fā)射頻率f=2n,n取值從-10到8，間隔0.5，共37個(gè)頻點(diǎn).

圖9 不同海水層深度的電磁響應(yīng)曲線(a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.9 Frequency response curves of different sea depths(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

由圖10可知，上覆蓋層厚度(油氣層埋深)變化對(duì)不同頻點(diǎn)的電磁場(chǎng)值的影響不同.頻率低于0.01 Hz范圍內(nèi)，上覆蓋層厚度的變化對(duì)電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量的幅值沒有任何影響，視電阻率曲線反映海底深部電性結(jié)構(gòu)信息.但隨著頻率增加，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量幅值快速減小，說明上覆蓋層的影響與海水層的影響相似，即吸收高頻電磁能量，導(dǎo)致信號(hào)能量減弱.發(fā)射頻率在0.01～30 Hz頻率范圍內(nèi)，由于海底高阻異常體對(duì)電磁波能量的散射作用增強(qiáng)，接收到的電磁波能量增強(qiáng)，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量的幅值增大.對(duì)比不同覆蓋層厚度電磁響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，在油氣層埋深較淺時(shí)(小于100 m)，低頻信號(hào)在上覆蓋層中衰減較弱，視電阻率和相位響應(yīng)曲線能夠觀測(cè)到明顯的高阻異常；但隨著油氣層埋深增加，信號(hào)在上覆蓋層中衰減增強(qiáng)，信號(hào)能量減弱，曲線異常也隨之減小.這一結(jié)論與覆蓋層厚度對(duì)TEM電磁響應(yīng)特征影響(周建美等, 2016)相一致.在上覆蓋層中等厚度(500～1000 m)時(shí)，0.1～20 Hz范圍依然能夠觀測(cè)到明顯異常.頻率大于30 Hz時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量快速衰減可能和海水層對(duì)高頻信號(hào)衰減有關(guān).

2.2.4 油氣層厚度變化對(duì)電磁響應(yīng)特征的影響

為認(rèn)識(shí)不同油藏厚度的電磁響應(yīng)特征，對(duì)含油氣高阻模型(圖4b)，改變油氣層厚度h3，計(jì)算了不存在油氣層和油氣層厚度分別為100 m, 500 m, 1000 m和2000 m時(shí)，垂直測(cè)線x方向的電場(chǎng)響應(yīng)歸一化曲線，如圖11所示.大功率源位于海面上，觀測(cè)點(diǎn)位于海底界面，發(fā)射電流200 A, 偶極子長度50 km, 收發(fā)距為200 km，發(fā)射頻率f=2n,n取值從-10到8，間隔0.5，共37個(gè)頻點(diǎn).

由圖11有，頻率低于0.01 Hz范圍內(nèi)，電磁信號(hào)反映深部電性結(jié)構(gòu)，含油氣模型的電場(chǎng)和磁場(chǎng)響應(yīng)幅值與不含油氣模型的電場(chǎng)和磁場(chǎng)響應(yīng)幅值之比(歸一化幅值)接近于1；頻率大于30 Hz范圍內(nèi)，電磁信號(hào)因高導(dǎo)海水層和上覆蓋層衰減作用快速衰減，歸一化幅值相同并最終趨近于1.頻率在0.01～30 Hz頻率范圍內(nèi)，高阻油氣層厚度越大，響應(yīng)曲線異常越明顯；隨著油氣層厚度逐漸減小，響應(yīng)曲線的異常也逐漸減小.這是由于高阻油氣層厚度越薄，對(duì)電磁波能量的散射作用越弱，在儲(chǔ)層上方電磁接收站接收到的信號(hào)越弱.對(duì)本文模型，在油氣層厚度減小至100 m時(shí)，0.1～10 Hz頻率范圍內(nèi)電磁響應(yīng)曲線上依然能夠觀測(cè)到一定的異常幅值.

圖10 不同覆蓋層厚度的電磁響應(yīng)曲線(a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.10 Frequency response curves of different overburden thickness(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

圖11 不同厚度高阻層的電磁響應(yīng)曲線(a) 電場(chǎng); (b) 磁場(chǎng); (c) 視電阻率; (d) 相位.Fig.11 Frequency response curves of high resistivity layers with different thickness(a) Electric field; (b) Magnetic field; (c) Resistivity; (d) Phase.

對(duì)比圖11中有無油氣藏模型的電磁響應(yīng)，結(jié)合前文正演結(jié)果有：WEM可在數(shù)百千米收發(fā)距下反映淺海區(qū)域(水深小于400 m)海底有一定規(guī)模(h大于100 m)的高阻油氣層，能夠有效用于海底高阻油氣藏勘探.

3 結(jié)論

本文將“地-電離層”全空間電磁波傳播理論應(yīng)用到含海水介質(zhì)的“地-電離層”全空間模型，推導(dǎo)了場(chǎng)點(diǎn)位于海底界面時(shí)電磁場(chǎng)的表達(dá)式.建立簡(jiǎn)化海洋地電模型，采用2040點(diǎn)高密度采樣濾波系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含油氣高阻模型電磁響應(yīng)的一維正演計(jì)算與分析.

通過對(duì)比觀測(cè)點(diǎn)分別位于陸地和海底兩種情況下無異常體模型的電磁響應(yīng)，檢驗(yàn)了場(chǎng)點(diǎn)位于海底界面時(shí)電磁場(chǎng)公式推導(dǎo)和程序計(jì)算的正確性和可靠性.在此基礎(chǔ)上，分析了不同觀測(cè)方式、收發(fā)距、發(fā)射頻率、海水層厚度、覆蓋層厚度以及高阻油層厚度等情況下極低頻電磁探測(cè)方法對(duì)海底高阻油氣層的電磁響應(yīng).

對(duì)于所設(shè)計(jì)的模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明，WEM 可在數(shù)百千米收發(fā)距下反映淺海區(qū)域(水深小于400 m)海底有一定規(guī)模的高阻油氣層，可適用于海底地電結(jié)構(gòu)探測(cè), 具有廣闊應(yīng)用前景.電場(chǎng)和磁場(chǎng)在不同海底地質(zhì)環(huán)境中的衰減規(guī)律不一.海水層的存在加速了電磁能量的衰減，導(dǎo)致海底信號(hào)能量減弱，尤其在高頻部分更為明顯.其中，海水層對(duì)電場(chǎng)能量的吸收衰減作用更為強(qiáng)烈，導(dǎo)致海底電場(chǎng)幅值遠(yuǎn)小于磁場(chǎng)幅值.在油氣層埋深較淺時(shí)，視電阻率和相位曲線可觀測(cè)到明顯的高阻異常，隨著油氣層埋深增加，信號(hào)衰減，異常逐漸減小；在埋深固定時(shí)，油氣藏厚度越大，響應(yīng)曲線的異常也越明顯.

由于實(shí)際海水介質(zhì)的覆蓋范圍以及海底油氣藏分布范圍是有限的，用無線延伸的水平高阻層模擬海底油氣藏的異常特征具有一定的局限性，且WEM場(chǎng)源位于陸地，因此，建立場(chǎng)源位于陸地，測(cè)點(diǎn)位于海底的有限范圍海底油氣藏三維模型進(jìn)行正演計(jì)算，分析海底油氣藏電磁響應(yīng)特征將是下一步研究的重點(diǎn).