2. 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室, 湖南长沙 410083
2. Hunan Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazard Exploration, Changsha 410083, China
海洋地球物理方法是用于探测海底结构和海底资源的重要手段之一。针对目标体的差异, 常用的重、磁、电、震等物探方法在海洋环境下同样适用。由于海洋电磁勘探可以提供海洋地震勘探以外的电性差异等原因使得海洋资源、能源勘探的风险大幅度降低, 因而海洋电磁法成为近年来发展最快的海洋地球物理方法之一。
地球物理学家关心的海洋方面的研究方向主要有: 海底板块构造[1]、火山运动[2]、海啸预警[3]、油气勘探[4]和水合物调査等[5]。近年来, 在上述领域海洋地球物理方法取得了显著的效果。2000年, 挪威国家石油公司在安哥拉海域的油气勘探试验成功, 标志着海洋电磁法进入了石油勘探的商业时代[6-7]。同时, 石油工业界的发展也促进了海洋电磁法的研究和推广, 目前海洋电磁法发展得相对成熟[8], 在地震方法难以奏效的区域(火成岩、碳酸岩、盐丘等)[4]实现油气勘探、海洋深部构造研究并且节约成本, 是一种行之有效的勘探方法[9]。
伴随着海洋电磁法在工业界的广泛应用, 学术界的科研进展日新月异。地球物理学家们陆续发表了一些重要的综述文章, 在不同的时间段总结了海洋电磁法的研究进展[4, 8, 10-12], 三维可控源电磁法的数据采集, 正、反演和各向异性等问题, 超浅层水体问题以及深海的玄武岩勘探等问题都在研究和探索。有关海洋电磁的方法, 有以下几篇经典的论文, 分别是: ①海洋大地电磁, CONSTABLE等[13]和HOVERSTEN等[14]; ②海洋可控源电磁法, EIDESMO等[6]、ELLINGSRUD等[7]和CONSTABLE[8]; ③海洋瞬变电磁法, ALLEGAR等[15]、HOLTEN等[16]和周胜等[17]; ④海洋激电法, IVANOV等[18]和VEEKEN等[19]。
近20年是海洋电磁法发展的黄金时期, 本文主要针对海洋电磁法的发展历程, 从方法、正演、反演、数据处理、应用和仪器6个方面进行了综述, 最后就海洋电磁法未来发展的方向提出见解。海洋瞬变电磁方法和海洋激电法的勘探深度比较浅, 适用于近海底探测, 多用于海底多金属硫化物矿产勘探。海洋大地电磁采集天然电磁场中的低频信号, 主要用来解决海底深部的构造问题, 对浅部异常体的敏感度弱, 分辨率也低。因此, 在油气勘探领域, 发挥主要作用的电磁勘探方法是可控源电磁法。
1 海洋电磁勘探技术发展海洋电磁法源于20世纪70年代[8], 在1980年之前, 为了把电磁法应用到海洋资源勘查领域, 开始研究海洋电磁探测的理论方法。最初将海洋可控源技术应用于浅水领域, 是由于在浅层会有空气波等干扰, 对接收信号造成严重干扰, 当时应用并没用取得良好效果, 只进行了一些简单的试验。1981年, COX等[20]首次使用海洋可控源电磁法测量了洋底岩石圈的电阻率。1986年, EDWARDS等[21]研制出可控源时间域海底电磁法观测系统, 并利用该系统探测浅水区的天然气水合物[22]。1995年, 美国加州大学斯克里普斯海洋学院和加利福尼亚大学伯克利分校等研究人员将该项技术应用于深水区, 并且在设备的研发[14-23]、数据的处理解释[24]以及实际应用[25]等方面都取得了很大的进步, 为该技术后续的发展提供了重要保障。EIDESMO等[6]提出海底基站式数据采集方法—后, 海洋可控源电磁法(CSEM)开始被广泛应用于海洋资源的勘探, 并首先用该方法探测了安哥拉海域的石油资源[7]。MYER等[26]采用海洋可控源电磁法对夏威夷的罗希海底山进行勘查, 绘制出该区域的电导率图像。进入21世纪后, 该项技术逐步发展成熟, 多用于研究石油和天然气资源的电阻率异常情况, 虽然分辨率不如地震勘探, 但是对于电阻率的灵敏度更明显以及对油气资源勘探的成本较低[27]。
1.1 海洋可控源电磁法简介海洋电磁法是利用靠近海底的深拖发射器从电偶极子向海水中发射电磁信号, 在海底不同位置测量磁场和电场。在海洋电磁法研究中, 国内外研究人员取得了很多突破。最常见的海洋电磁装置是深水拖曳水平发射-固定阵列接收装置(图 1)和深水拖曳水平发射-水平接收装置[28](图 2)。水平发射-固定阵列接收装置发射源位于海底上方30~100 m处, 接收机固定于海床, 这样能够得到最大的异常响应, 而且可同时采集沿测线、垂直测线和方位角3个方向的数据; 水平发射-水平接收装置发射和接收均在海底上方30~100 m处, 相比于固定接收装置布设速度较快, 缺点是该装置只能接收沿测线的数据。此外, 还有海底垂直发射-垂直接收装置[16]和浅拖曳水平发射-水平接收装置[29]。海底垂直发射-垂直接收装置采用短收发距, 提高了水平分辨率; 浅拖曳水平收发装置主要用于浅水域勘探, LI等[30]分析了浅水域的瞬变电磁响应, 结果表明, 相比深拖曳装置, 浅拖曳装置不仅能够显示有效的高阻异常, 而且信号强度并没有明显的减弱。海洋电磁勘探方法的实例很多, KEY等[31]用正交普罗科斯旋转分析确定海洋可控源电磁法接收机的方位。2011年, 出现一种新的聚焦源电磁法(FSEM), 该方法将电磁场集中在垂直方向上, 以提供垂向的电场和磁场数据, 与传统海洋可控源电磁方法相比具有空间分辨率高和研究深度大的优点[32]。陈凯等[33]对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行了讨论并将该方法应用于国内海洋试验与评估; 王猛等[34]利用坐底式和拖曳式联合作业方法, 对异常体进行宽频带激发测试。
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图 1 深水拖曳水平发射-固定阵列接收电磁数据采集系统[28] |
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图 2 深水拖曳水平发射-水平接收电磁数据采集系统[28] |
在海洋油气勘探中, 海洋电磁数值模拟研究的发展速度非常快, 主要方法包括积分方程法、有限差分法、有限元法和有限体积法等[35]。这些数值模拟方法也可用于电磁法之外的其它扩散场方程组[36]。早期的数值模拟计算以一维模型和二维模型为主, 随着计算机的发展和存储技术的提高, 三维高精度数值模拟技术逐渐成为国内外学者研究的热点。近20年来, 海洋可控源电磁法已经从简单的异常探测发展到运用超级计算机对多分量数据进行三维各向异性数值模拟。随着研究的深入, 以前海洋勘查中存在的计算精度低、计算速度慢、复杂地质模型计算难度大等问题逐渐得到解决。
在积分方程法中, BAKR等[37]评估了简化散射积分方程方法的准确性, 并模拟海洋可控源电磁法复杂的二维结构, 取得了较好的计算结果。陈桂波等[38]应用压缩映射的积分方程法, 实现了各向异性介质的海洋可控源电磁法响应研究。
有限差分法因其计算速度快而成为正演数值模拟中常用的方法, 目前使用有限差分解决的问题有各向异性、薄层的电阻率和CO2监测等。在解决各向异性问题中, 殷长春等[39]开展了基于一维和二维模型研究电阻率各向异性的影响, 并进行了三维任意各向异性介质海洋可控源电磁有限差分数值模拟研究。罗鸣等[40]编写了相应的海洋可控源电磁法数据处理程序用于解决一维电阻率各向异性问题。
探测海底深部的高阻薄层并在钻井前评估潜在油气藏是近年来探索的另一方向。WEISS等[41]用一维和三维模型的正反演技术检验了海洋可控源电磁法对高阻薄层的敏感性。SASAKI等[42]用三维有限差分来数值模拟浅海和深海可控源电磁响应, 通过简单的三维储层模型研究了不同频率下电场和磁场的异常响应, 结果表明, 综合电场和磁场的响应有助于探测海底深部的薄层。在CO2监测领域, BHUYIAN等[43]通过使用三维时域有限差分(FDTD)正演模拟论证了海洋可控源电磁法可以监测地下的CO2储藏。
有限元法因其计算精度较高而广泛应用于海洋电磁法, LI等[44]开展了海洋可控源电磁法二维自适应非结构化有限元数值模拟, 通过计算二次场得到了在海洋环境中的精确解, 并取得了较好的结果。KEY等[45]实现了海洋电磁法2.5维自适应有限元并行计算研究, 它可以很容易地应用到反演算法中, 对未来简单和复杂近海结构的模型研究有很大帮助。SCHWARZBACH等[46]采用高阶矢量有限元法实现了电导率各向同性介质的海洋可控源电磁法三维数值模拟, 并通过模拟真实的海上可控源电磁法场景来验证其优越性。CAI等[47]应用六面体网格单元进行了海洋可控源电磁法三维矢量有限元正演研究。杨军等[48]实现了海洋可控源电磁三维非结构化矢量有限元数值模拟。DUNHAM等[49]使用三维有限元正演模拟程序计算了海洋可控源电磁法响应, 并用于油气储层评价。CHEN等[50]提出了一种基于非结构化网格的三维各向异性海洋电磁源电磁法建模方法, 可用于计算任意各向异性介质的井孔地球物理勘探模拟。
在三维数值模拟中, 有限体积法也是一种常用的方法。由于发射场源的长度、形状和方位均会对数据分析结果造成影响, 韩波等[51]用交错网格体积法对任意方位有限长直导线的发射源成功进行了海洋可控源电磁三维正演。PENG等[52]提出了一种稳健而有效的基于散射型标量矢量势的有限体积算法模拟三维任意各向异性地层中的海洋可控源电磁响应。
还有一些其他数值模拟方法, 如FOLORUNSO等[53]对具有足够电阻率差异的油气藏及其周围地层进行正演分析并应用于尼日尔三角洲碳氢化合物探测中。NAZABAT等[54]利用小波变换技术模拟海洋可控源电磁法正演响应。UM等[55]提出了一种有限元离散化算子, 该算子可以将3D有限差分模型自动转换为可靠且高效的四面体有限元网格, 以进行可控源电磁法建模。LIU等[56]用基于积分方程和矢量有限元的混合求解器解决了3D可控源电磁法数值建模问题。
1.3 海洋可控源电磁法反演理论研究油气勘探领域中的海洋电磁反演方法有很多, 本文主要从梯度类算法、概率反演方法、海洋电磁与其他方法联合反演等几类算法的角度探讨反演理论。
梯度类算法作为传统的反演方法在海洋电磁法中应用广泛, 如CHRISTENSEN等[57]利用迭代阻尼最小二乘法分析了噪声变化对一维海洋可控源电磁法的影响, 认为四层电阻率模型中参数的不确定性主要取决于其自身的厚度和覆盖层的厚度。目前在大规模海洋电磁法数据反演, 常见的梯度类算法有共轭梯度算法和高斯-牛顿算法。NEWMAN等[58]基于非线性共轭梯度和全波场数值模拟, 提出了可处理横向各向异性问题的三维海洋可控源电磁法成像算法并验证了其有效性。GRIBENKO等[59]基于严格的积分方程形式, 对正则化梯度类型反演算法进行了改进, 随后实现了利用积分方程算子的重加权正则化共轭梯度算法, 并将其成功应用于海洋电磁数据三维反演当中。ZHANG等[60]采用基于非结构四面体网的有限元方法进行正演计算, 并采用共轭梯度法求解高斯-牛顿反演方程, 实现了复杂海底地形储层的三维正则化反演。对于网格的选择, GUO等[61]利用三种模型对结构化网格和非结构化网格进行比较, 得出结构化网格更有利于油气资源勘探的电磁法数据反演。
1987年, CONSTABLE等[62-63]首次将高斯-牛顿算法的变种OCCAM反演应用于电磁测深数据反演, 并于1990年在二维OCCAM反演中考虑了横向光滑问题[64]。然而, 这些算法主要测试和解决了各向同性介质的反演问题。直到NGUYEN等[65]发表了一种大规模三维各向异性的高斯-牛顿反演算法, 反演的异常电阻率分布和深度比BFGS(Broyden Fletcher Goldfarb Shanno)算法更准确。2018年, 陈汉波等[66]基于非结构四面体网格有限单元法和高斯-牛顿反演技术实现了海洋可控源电磁法数据三维各向异性反演。
另外, 梯度类算法的主要计算成本是梯度和海森矩阵(Hessian Matrix)的计算, 而计算时会消耗大量时间, 所以, 实际数据集过于庞大阻碍了这类算法在海洋电磁法中的应用。于是, 通过算法优化达到节约成本的目的是梯度类算法的未来研究方向。ZHDANOV等[67]提出了用于反演三维海洋可控源电磁法数据的海森近似方法, 降低了数值模拟的复杂程度。ZACH等[68]使用快速有限差分时域正演代码和基于近似海森矩阵的海洋可控源电磁法三维反演, 减少了在多个频率下的数据反演所需的节点数量, 一定程度降低了反演的成本。SILVA等[69]使用解析函数的导数在地震数据的共中心点(CMP)域快速进行海洋可控源电磁法反演以替代计算成本高的二维和三维反演。SCHWARZBACH等[46]提出了几种并行计算方案, 能够提高反演计算效率。2016年, 彭荣华等[70]实现了针对海洋和陆地不同可控源电磁法勘探环境的三维并行反演程序并验证了其有效性。贲放等[71]等提出了基于L-BFGS最优化算法的海洋可控源电磁法三维反演, 降低了传统方法对于计算机内存的要求。
为了规避梯度以及海森矩阵计算耗时高的特点, 比较流行的办法是概率反演。基于概率的反演方法, 以贝叶斯反演的研究为主。HOU等[72]利用基于最小相对熵的地震振幅随角度变化(AVA)和海洋可控源电磁法数据贝叶斯反演识别储层参数, 取得了较好成果。RAY等[73-74]提出了利用跨维度自参数化算法对海洋可控源电磁法数据进行贝叶斯反演, 并用跨维二维参数化的海洋可控源电磁法数据的贝叶斯反演方法研究了澳大利亚西北陆架斯卡伯勒气田的数据, 检验了该算法在薄的、分段的和电阻性储层评价中的应用效果。
在海洋电磁反演成像工作中, CARAZZONE等[75]测试了各向异性成像对于海洋可控源电磁法数据解释的重要性。YUAN等[76]提出了一种用于三维海洋可控源电磁法测量的成像方法, 通过墨西哥湾的案例得出了该方法能分辨R度较小(2 km×2 km)、电阻率较低(ρ＜5 Ω·m)的目标。
海洋可控源电磁法与地震勘探、大地电磁测深等方法的联合反演是海洋地球物理勘探研究的热点之一。HOVERSTEN等[77]研究了一种新的直接估计储层参数的联合反演算法, 并对北海涡旋场的AVA、海洋可控源电磁法和AVA-可控源电磁法联合资料在井控位置进行了反演, 该算法的优势在于利用储层参数反演结合了地震AVA和海洋可控源电磁法数据, 其结果表明, 联合反演得到的含气饱和度、含油饱和度和孔隙度估计值与测井值更接近。2010年, DU等[78]提出了一种基于地震AVA和海洋可控源电磁法资料储层参数反演的全局遗传算法(GA)联合反演方法, 并以卢瓦气田为例展示了联合解释时较强的反演储层参数的能力。MACKIE等[79]利用非线性共轭梯度算法完成了对海洋可控源电磁法和大地电磁数据的联合反演, 提高了反演结果的分辨率。GUO等[80]为了提高电磁法电阻率反演结果的分辨率, 提出了图像引导的正则化反演方法, 该算法基于相干性的张量将地震或者地质图像的引导纳入OCCAM反演中, 可用于海洋可控源电磁法反演和大地电磁数据反演, 并且也适用于海洋CSEM和大地电磁数据联合反演。
1.4 海洋可控源电磁法数据处理研究海洋电磁数据处理技术发展比较早, 在20世纪90年代就有研究人员开始处理洋中脊的海洋可控源电磁法资料[28]。而在过去的10年中, 海洋可控源电磁法数据处理技术迅速发展, 数据的精细化处理、高精度、高灵敏度依然是主要研究目标。
目前基本的海洋可控源电磁法数据处理消除了采集系统的特征, 从接收机时间序列数据中已经可以提取归一化的地球光谱响应, 并且已经开发出更复杂的方法来简化解释[81], 然而测深效应和电波效应等问题仍需要解决, 这些问题对电磁法数据处理造成了困难。为了深入了解水深的影响, LI等[82]在二维海洋可控源电磁模拟中研究了测深效应的影响。SASAKI等[83]针对石油和天然气水合物勘探两种情况, 采用有限差分模拟方法研究了海底地形变化对可控源电磁响应的影响, 结果表明, 可以利用类似大地电磁地形校正的手段将浅层目标响应与测深变形分开。GUO等[84]用储层敏感性指数比较海洋可控源电磁数据采集系统并分析了水深的影响, 从而为该问题的解决提供了一定的理论基础。对于电波效应, 王书明等[85]用分离异常场的方法消除电磁信号中的空气波异常。除了上述两类问题, DELL'AVERSANA等[86]利用海洋可控源电磁法数据的对称性分析快速检测电阻率不连续性并且可以将堆叠电阻的影响分开。HÖLZ等[87]利用旋转不变性解释海洋可控源电磁法数据; 徐震寰等[88]利用时频方向谱分析海洋可控源电磁法数据等。这类问题的不断解决, 为海洋可控源电磁法数据的精细化处理打下了基础。
由于周围海底的复杂性, 接收机记录的信号会受到不同类型噪声的影响[89]。因此, 降噪是海洋可控源电磁法数据处理中的一项重要工作。降噪技术类型多样, 例如利用多分辨率小波分析可以成功去除高斯白噪[90]; 利用时域滤波和噪声估计去除噪声等[91]。MYER等[92]研究了海洋电磁法的宽带处理以减少大地电磁或其他低频噪声对频谱的污染。HSU等[93]在中国台湾西南部海域进行海洋可控源电磁法勘探并利用巴特沃斯(Butterworth)滤波器降噪。刘宁[94]分析了噪声特性并采用时变双边滤波方法来解决低信噪比(SNR)问题。ZHANG等[89]将压缩感知应用于海洋可控源电磁法数据去噪。这些研究工作为提高海洋电磁法的精度和扩大应用范围打下了理论基础。
灵敏度的研究也是海洋电磁数据处理技术中十分重要的工作。RAMANANJAONA等[95]提出了一种增强海洋可控源电磁法地下响应的鲁棒性新方法。MITTET等[96]研究了海洋可控源电磁方法对油气勘探的敏感性。MYER等[97]研究了澳大利亚西北海岸斯卡伯勒气田海洋可控源电磁法调查的规划、处理和不确定性分析。LUO等[98]基于一系列3-D模型研究了油气藏的灵敏度分布特征。
1.5 海洋可控源电磁法应用海洋可控源电磁方法作为海洋电磁法的一个分支, 具有浅部分辨率髙、海上作业效率高、高阻异常识别能力强的优势, 尤其适用于油气及天然气水合物等高阻异常体的调查[99]。
在油气储层勘探中, 由于含油储层与其周围饱含水地层之间的巨大电阻率差异, 海洋可控源电磁法方法不仅可以直接探测油气储层[100], 而且也是区分油层和含水层的重要海洋地震评估辅助方法[10], 例如BLACK等[101]利用海洋可控源电磁法方法来监测油气藏并取得了较好的勘探效果。WEISS等[41]用海洋电磁法描述高阻薄层和烃类化合物的电阻率分布情况。AVDEEVA等[102]利用可控源电磁法在时间域和频率域对海洋环境中油气藏的可探测性进行了对比研究。NIU等[103]用三维全矢量时域有限差分(finite-difference time domain, FDTD)方法在海洋可控源电磁法油气检测问题中的应用, 研究了在海洋可控源电磁法油气检测问题中, 对上覆空气区域和海洋-空气界面进行精确建模的重要性。MYER等[104]探索了海洋可控源电磁法和海洋大地电磁数据的二维反演模糊目标成像在澳大利亚西海岸外的斯卡伯勒气藏中的应用。GUO等[105]对比了海洋可控源电磁方法的海底基站式和拖曳拖缆式数据采集系统在近海油气勘探中的探测能力, 为近海域勘探积累了一些经验。DUNHAM等[106]将三维海洋可控源电磁有限元正演模拟技术应用于加拿大纽芬兰和拉布拉多近海佛兰德山口盆地油气勘探。
天然气水合物因资源潜力、环境效应问题和对地质灾害影响, 受到了世界各国的广泛关注, 成为科学研究的热点[107]。而在天然气水合物的勘探和评估中, 海洋可控源电磁法起着不可或缺的作用[108]。在近海岸工程勘探、海底地质灾害监测等领域, 海底水合物的分解极易导致工程灾难和地质灾害等[109], 所以其造成的环境效应和地质灾害影响尤为重要。为了预防这些灾害, WEITEMEYER等[110]在俄勒冈州近海水合物脊和南加州圣克鲁斯(Santa Cruz)盆地开展了海洋可控源电磁法的水合物调查工作, SCHWALENBERG[111]在新西兰近海开展了海洋可控源电磁法的水合物调查工作等。在深水天然气水合物的勘探中, GOTO等[112]在日本海开展水合物调査工作并为甲烷水合物区域内的海底结构成像提供了新的工具。景建恩等[113]在南海天然气水合物远景区开展探测试验, 通过对采集数据进行处理与反演, 展示了在一个厚为50 m、电阻率为25 Ω·m、顶部埋深为181 m的高阻层, 为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料。2018年, 景建恩等[114]在琼东南盆地探测天然气水合物, 采集了10个站位的海洋可控源电磁法数据并进行二维反演, 综合利用电阻率、热力学条件和地震反射信息, 推断了天然气水合物稳定带的底界深度, 并在此基础上, 讨论了水合物稳定带的内部结构和海域水合物成矿模式与气源类型。
海洋电磁法在海底硫化物等海底矿产资源方面的应用也有很多, CÓRDOBA-RAMÍREZA等[115]获取并从地热的角度解释了两个位于墨西哥南加利福尼亚州圣罗萨利亚海岸附近的加利福尼亚州海湾可控源电磁剖面的数据。PENG等[116]使用固定偏移量的海洋可控源电磁法进行海底热液硫化物勘探。此外, 海洋电磁法在油气勘探中的应用有很多, 正在成为识别海上油气勘探和天然气水合物的重要工具[10, 117-118]。
1.6 海洋电磁法仪器研究对于海洋电磁法仪器的发展而言, 主要的部分是发射机和接收机。海洋电磁法其探测深度依赖于发射电磁波的强度[119], 因此降低内阻和内部损耗, 提高发射机发射效率是十分必要的。TAO等[120]提出使用二极管整流和脉冲宽度调制全桥转换器模式, 以提高发射器功率的密度和动态特性。DING等[121]介绍了级联多电平技术, 但是存在电容器电压平衡问题。张天信等[122]提出了使用GPS和高精度原子钟以及对仪器设计增益可调的放大电路的方法, 以满足高压供电发射机深海探测的要求。TAO等[119]提出了一种新型软开关三电平海洋电磁发射机的可控源电路。海洋电磁法广泛用于地球物理学的研究及应用均建立在对海洋环境下的电磁场信号高精度观测基础上, 即高精度观测的海底电磁接收机[123]。目前需要解决仪器的高可靠性投放回收、高稳定性水下作业、低噪声、大动态范围和低时漂等一系列技术难题。
2010年挪威石油地质地球物理服务(PGS)公司研发的拖曳拖缆式电场收发装置在挪威北海North Viking Graben和Troll等海域进行多次试验并取得了成功[31]。2011年, CONSTABLE等[124]研制了沿测线测量三轴电场的Vulcan系列拖曳式电场接收机, 并取得了出色的勘探效果。2013年, 陈凯等[33]研制了海洋拖曳式水平轴向电场接收机并用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估中, 研究结果表明仪器达到了设计指标。
总体来说, 国内的仪器发展相对滞后, 但是发展速度较快。早在2000年, 在国家"863"计划的支持下, 由中国地质大学牵头, 联合中南大学、吉林大学和同济大学, 成功研制了海底大地电磁系统, 并在我国东海开展了试验, 取得了较好的效果[125]。在此研究基础上, 中国地质大学(北京)开展了海洋可控源电磁探测研究, 自主研发了成套的海洋可控源电磁法探测设备[118, 126], 并在南海天然气水合物探测中得到了成功应用[127]; 2011年至2016年, 国家"863"计划启动了海洋技术领域重大项目课题《深水可控源电磁勘探系统开发》[128], 由东方地球物理公司、中国海洋大学等研制了一套大功率发射系统和10套海底电磁采集站, 并在南海进行了海试, 取得了较好的效果。2016年至2020年, 国家重点研发计划"深海关键技术与装备"专项资助"深水双船拖曳式海洋电磁勘探系统研发"项目, 由中国地质调查局广州海洋局牵头, 联合吉林大学、中国地质大学(北京)、北京工业大学、中南大学、中船重工710所和青岛海山海洋装备有限公司等单位, 研发了一套全新的双船拖曳式海洋电磁勘探系统, 为解决深水区复杂地质环境的油气勘探面临的分辨率低、探测深度浅、效率低下等重大瓶颈问题, 提供了解决方案。
2007年, 中南大学牵头, 湖南五维地质科技有限公司等多家单位参与共同研发了深海拖曳式瞬变电磁系统[17], 该系统先后参加了大洋第22、26、30、34、39、49等航次环球大洋科考, 已经装备大洋一号和向阳红10号船, 成为我国西南印度洋合同勘探区的重大勘探装备。
2 结论与展望海洋电磁法近年来得到了快速发展, 取得了明显进步, 观测系统和方法技术方面均有很多突破, 提高了海洋电磁法的精度和应用范围。正、反演方面产生了许多新算法, 并且得到广泛应用。海洋电磁法的数据处理在测深效应、电波效应、去噪、灵敏度等方面取得了一些成果。海洋电磁法的应用越来越广泛, 同时也对其提出了越来越高的要求。在海洋电磁法仪器方面, 接收系统和发射系统的稳定性改善了很多, 逐渐满足深海探测的要求。我国时间域和频率域的海洋电磁法勘探装备得到了飞速发展。
尽管海洋电磁法在油气勘探领域取得了长足的进步, 但是依然面临着挑战。海洋电磁法在油气勘探领域主要是为地震数据解释提供电阻率维度的信息。因此, 海洋电磁法勘探数据一般需要结合重震等其他地球物理资料共同解释。其次, 海洋勘探装备的成本较高, 海底基站式勘探方式的大规模三维采集应用需要大量的接收机, 如何降低仪器的成本依然是面临的重要挑战。再次, 海洋电磁信号弱, 如何降低噪声, 从采集信息中提取有用的高质量信号是数据处理方面面临的挑战。最后, 海洋电磁法三维正反演的计算量很大, 当三维反演问题遇到各向异性模型时, 计算耗时将有量级上的增加, 因此海洋电磁法的研究还面临计算过程中的耗时挑战。
面向2035年海洋强国战略, 海洋地球物理勘探方向的发展需要大量的专业技术人员和科研人员。我们对于海洋的认知还十分浅薄, 面对复杂系统我们将会从以下几个方面应对海洋电磁法的挑战。
海洋电磁勘探装备。电磁仪器将要向5G和物联网技术方向拓展。更加方便数据采集的海洋探测装备是未来发展的主要方向之一。对标美国、挪威、德国等海洋仪器装备技术强国, 我国的自主研发仪器还有很大的进步空间, 未来发展海洋电磁勘探装备势在必行。
海洋电磁数据处理技术。海洋电磁信号弱, 分辨率低, 应用于大的目标体勘探是目前的现状。未来, 数据的精细化处理、高精度、高灵敏度的数据处理解释将会迎来更高的挑战。无论是未来的近海岸工程, 还是深海资源开发都需要精细化数据处理, 因此, 高精度的信号处理是海洋电磁数据未来的重点研究方向。
海洋电磁数据三维各向异性反演技术。海洋电磁法的实测数据反演计算量大, 三维快速正演和三维各向异性反演是解读实测数据的重要手段。因此, 高效率的三维正反演算法依然是未来海洋电磁计算领域研究的主要目标。
海洋电磁方法的应用。随着我国对于海洋资源的重视以及国际市场的拓展, 近海岸工程勘探、海底地质灾害监测、天然气水合物勘探与开发、深海近海底矿产资源探查、海洋油气资源利用等领域是未来海洋电磁法的主要应用研究方向。
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