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盛堰;邓明;魏文博;柯胜边
【摘 要】海洋电磁探测是利用海底介质的电磁感应信息,,因此可以利用电磁探测方法用于探测海底自然气水合物.“863 工程”“自然气水合物的海底电磁探测技术”,、争论现状及我国“863 工程”研制的海洋自然气水合物电磁探测仪器进展了介绍.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2025(009)002
【总页数】7 页(P127-133)
【关键词】自然气水合物;电磁探测;海洋
【作 者】盛堰;邓明;魏文博;柯胜边
【作者单位】广州海洋地质调查局,广东广州 510760;中国地质大学地球物理与信息技术学院,北京 100083;中国地质大学地球物理与信息技术学院,北京 100083;广州海洋地质调查局,广东广州 510760
【正文语种】中 文
【中图分类】 1 引 言
海洋电磁探测是利用海底岩石介质的电磁感应信息，对海底的矿产资源分布进展电
性推断的一种技术。电磁探测方法用于探测海底甲烷水合物的根本原理在于甲烷水合物与海底沉积物的电学性质差异。与声波的变化相比，电阻率的变化似乎对水合物的存在更敏感，例如：在普拉德霍湾(Prudhoe Bay)含有水合物的区域内，测井曲线上声波速度增加了 30%，而电阻率却增加了 30 倍；从物理机制上说，海底的岩石介质要产生电磁感应，必需有鼓励场源。鼓励场源有两种途径,一种是自然的鼓励场源，另一种就是人工场源。利用自然场源进展探测的方法，叫做大地电磁测深法(Magneto telluric, 简称 MT)；而利用人工场源的，则称为可控源电磁法(Controlled Source Electromagnetic, 简称 CSEM)。自然状况下，由于地球电离层存在着猛烈的电磁扰动，高空不断有电磁波辐射到地球外表，高空的电磁场往地表方向传播，可以被近似地认为是一种平面波场，当平面波到达地表或海面，再往下传播时，原自然场源中包含的能量主要以传导电流为主，传播过程中，宽频带的电磁波往地表以下的到达深度随频率成分的差异有不同的表现形式，根本规律为， 高频成分衰减较快，中频成分次之，而低频成分衰减较慢，这一现象也被称为趋肤效应。因而造成在地表的浅部，以高频信息为主，越往深部，频率成分越低。
电磁探测对测深的衡量尺度，常常是以频率的降低或周期的加长作为深度增加的观看标记，海水是一层高导层，对电磁波的衰减较快。当自然电磁波到达海面时，高频成分根本上被海水过滤，海底以下，一般只保存中频到低频的电磁信息，所以， 海底以下的介质要产生电磁感应，绝大局部的信息是来自中频至低频，尽管有高频缺损，海底的电磁感应信息还是可以被观测到。与陆地状况相比，海洋的电磁感应信息幅值小，信号微弱，要到达好的观测效果，需要增加观测时间，因此，海底的电磁测量要比陆地上的测量时间长。一个海底大地电磁测量点的测量时间，一般是两至三天，高频成分缺损问题，可以通过技术手段予以弥补，这就是与自然场源相对应的另一种场源，叫做可控源。可控源是由人工产生的电磁场源，它一般不是从
海面往下传播，而是从海底往下传播，这才能避开海水层对电磁能量的衰减，人工
源也可以是宽频带放射，但一般为了节约时间并提高效率，大多数人工场源都是以中高频成分为主。电磁探测的中高频段，一般在 ～20Hz 之间，在这区间选择假设干个频点，向海下的目标区域进展拖曳式电磁放射，到达电磁扫面的效果，对于一些埋藏较浅的如自然气水合物资源，假设不使用可控源，仅靠自然场源，则难以获得其介质电性信息。
国外及国内的技术现状
海洋 CSEM 技术具有很多独特的优点，它能够有助于确定地震方法勘探划定的构造储层中的成分，并经钻孔的验证率极高，为资源的评价推测迈出了关键一步。国外一些大石油公司、勘探效劳公司、仪器制造厂还有科研院校，都已把海洋
CSEM 作为勘探流程中的不行缺少的重要组成局部。目前，包括巴西海疆、北海、西非海疆、远东地区、南北美及墨西哥湾等地的世界范围内已经实施了 250 多项CSEM 勘探。
西方兴旺国家从 20 世纪 70 年月开头对海底大地电磁探测技术与仪器进展争论(Filloux J H,1973)，至 80 年月，消灭了大地电磁方法被用于海洋探测的例子(Cox C S, L K,1981)，大地电磁方法走向海洋的时间点远落后于其他地球物理方法，如人工地震、重力、磁法等。长期以来，人们深信电磁波无法穿透海水，因而无法采集到来自海底的地电场源，加上当时的电子器件难以高质量地检测到微伏级的场源信号，故研发高精度的探测仪器成了技术难题。另外，在海洋环境中，电磁方法有别于地震、重力、磁法等，它必需将测量仪器沉放于海底(Bnnett D J,1975.)，需设置陆上远参考站(Gamble T D,1979)，而不是象其他技术方法，在海面上就可以进展测量。在数据处理方面，它还需考虑海水层的存在，其正演与反演算法与陆上资料处理大为不同(Parker R L, P,2025)。
随着海洋地球物理争论的深入，人们渐渐觉察，在一些使用地震方法效果不佳的地
区，如火山岩掩盖区，碳酸盐岩、珊瑚礁等分布区，以海底岩石电性为主要争论对
象的电磁法却有可能供给出有价值的信息(Wannamaker P E,1989. De Groot, A D,1991.)，而海洋高科技的进展，特别是电子与信息技术的快速崛起，给探测技术以极大的推动，这为电磁法走进海洋供给了契机(Fillous J H, J R,1989)。近二十多年来，西方学者在海洋 MT 方面渐渐走向成熟，南太平洋的 Tasman 打算(Ferguson I J,1985 and F E,1989)，其测线长约 360km，北太平洋的 Juan de Fuca 打算(White S N,1997)，其测区面积达 25000km2，可见争论区域在不断地扩大。至今为止，世界上最长的 MT 测线西起檀香山，东止加州的 Point Arena，横跨东太平洋，全长约4000km(Lizarralde D,1995)；而最大的探测深度到达了上地幔(Parkinson W
D,1996)。20 世纪 90 年月中后期，墨西哥湾的油气勘探(Hoversten G M,1998)、南太平洋的洋中脊壳幔构造争论(Evans R L,1999)都是海底大地电磁方法与仪器在海洋探测领域的标志性成果。海底大地电磁探测正成为解决地学问题的高技术(Constable S C, X, A G,2025)。
与国外的争论进展相比，国内的争论现状尚存较大差距。1998 年以前，虽有少数学者对海洋电磁方法进展过探讨，但仅是初步的，未有理论与技术突破。我国 “九·五”863 打算中，在海洋领域“820 主题”支持下，中国地质大学(北京)、广州海洋地质调查局等单位，合作完成了“海底大地电磁探测技术(820-03-04)”课题的争论，取得了突出的成果，填补了国内这方面的技术空白。 “十·五”期间， 又设立了“海底大地电磁探测与电磁成像技术(2025AA615020)”课题，进一步对“海底大地电磁探测技术”进展有用化争论。通过“九·五”和“十·五”的工作， 我国这方面的技术可以进入实际应用。“十一·五”期间，中国地质大学(北京)和广州海洋地质调查局又担当了“自然气水合物的海底电磁探测技术(2025AA09A201)”课题，争论对象从海洋 MT 转向海洋 CSEM，并已经取得了
可喜的争论成果。
自然气水合物的海洋电磁探测技术可行性
原理可行性
电磁探测方法用于探测海底甲烷水合物的根本原理在于甲烷水合物与海底沉积物的电学性质差异。与声波的变化相比，电阻率的变化对水合物的存在更敏感，例如： 在普拉德霍湾(Prudhoe Bay)含有水合物的区域内，测井曲线上声波速度增加了30%，而电阻率却增加了 30 倍。
我国于 2025 年在南海北部的神弧海疆成功钻获自然气水合物。从测井数据(图 1， 阴影局部为含水合物层)可以看出，含水合物层段，电阻率高于背景值，因此，通
过海底电磁探测获得海底纵向及横向的电阻率变化，并结合地震勘探资料可以对海底甲烷水合物的含量进展估量。
图 1 神弧海疆水合物测井曲线 Natural gas hydrate well logs of Shenhu
自然气水合物的海洋电磁探测仪器研制
“十一·五”期间，中国地质大学(北京)和广州海洋地质调查局又担当了“自然气水合物的海底电磁探测技术(2025AA09A201)”课题，成功研制了我国的自然气水合物的海洋 MT 观测仪器(图 2)。
该接收机是一个集成系统，包括浮力部件、提升部件、声控释放部件、重力牵引部件、安全保护部件、信号检测部件、数据采集部件和机械固定部件等。浮力部件由浮球、浮球保护箍及其固定立杆组成，用于供给整个装置的浮力；提升部件由提梁组成，用于在设备投放和回收时将整套装置吊起；声控释放部件用于转变海底自然场源电磁探测系统的浮力性质，由声学释放器和受控机械挂钩组成，声学释放器垂直装配在不锈钢框架的中上部；重力牵引部件用于将海底自然场源电磁探测系统牵引下沉至海底，它包括配重锚系及锚链；安全保护部件用于给海底自然场源电磁探测系统供给安全措施；信号检测部件用于检测海底可控源电磁场的五路场源信号，
它包括四个电场传感器和三个磁场传感器，电场传感器检测水平正交的两路电场，
磁场传感器检测水平与垂直相互正交的三路磁场。
图 2 CSEM 电磁接收机原理 CSEM receiver schematic
数据采集部件包括方向传感器、倾斜传感器、ARM 嵌入式掌握器、测量电路以及锂电池包，用于采集海底自然场源电磁探测系统的方位、倾斜信息及锂电池包的工作状态信息，并且将该信息传送至 ARM 嵌入式掌握核心和测量电路；机械固定部件用于实现海底自然场源电磁探测系统全部功能部件的整体集成，其特征在于不锈
钢框架支撑着浮力部件、提升部件、声控释放部件、信号传感部件及数据采集部件。在测量电场信号时，对应于两路电场信号的 4 个电场传感器被分成两对，分别指
向海底自然场源电磁探测系统的中心以外的 4 个不同方向且固定电场传感器的位置与该中心相距为 5m，每对电场传感器的相对距离在 10m 以上，电场传感器之间用由 ABS 塑料管制造的电场测量臂伸展；每根电场测量臂的长度大于 5m，用不锈钢铰关节实现测量臂的分段连接；测量臂内敷设有水密电缆，电场信号由该电缆经数据采集器承压密封舱端盖上的水密插座传递到舱内的采集电路中。
测量电路中包含有 6 路数据采集通道，其中 1～5 通道分别采集水平正交的两路电场(Ex、Ey)和水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)，第 6 通道采集方向和倾斜状态的信息。该系统依据预先设定的程序，可自动定时、变采样周期、定时间长度进展数据采集。在 16 ms 以下，承受级联分样方法进展抗混叠滤波抽样采集。
接收机整体技术指标如下： 频率范围(100～)Hz；
6 路采集通道(同步记录 5 重量 MT 信号及海底环境信息)； 与 GPS 的时间误差：<10 0ns；
24 位 A/D 转换；
电场观测灵敏度：；
磁场观测灵敏度：；
采样率：4kHz～8192ms，15 种选择 ； 道间串音(cross talk/signal)：<90dB； 道内噪声：<1μV；
存储器介质：SD、USB； 功耗：4W；
整机体积：××(不包括电场测量臂)； 工作水深：4000m 以浅。
可控源电磁探测的设备包括：拖曳式大功率海洋电偶源电磁放射系统、拖曳式海底电场接收机和海底混场源电磁接收机，后者可在海底 MT 接收机的根底上优化而成。
拖曳式大功率海洋电偶源电磁放射系统是由船载大功率发电机、甲板升压变压单元、甲板上位机掌握单元、深拖缆、海底降压变压单元、拖曳式海洋电偶源电磁放射机， 拖曳式拖体和相关的关心设备(水深平衡器、声纳定位系统、放射电极、水下放射
与接收同步装置、承压密封装置)等集合而成。技术原理如图 3 所示。
放射机利用船上的 50Hz、380V 三相沟通发电机供电，为节约传输过程中的线缆
功耗，通过升压变压器把供电电压提升到 2700V，经过水下万米电缆的功率传输， 输送至海底的降压变压电源，以猎取一样传输功率状况下的大电流输出。再经过放射机内部的波形掌握电路和供电电极，把电磁波放射到海底的介质里。
图 3 CSEM 电磁放射系统原理 CSEM launch system schematic diagram 为使水下装置能够靠近海底，在拖体底部装有铅块，其后部有固定翼，这有助于破水前进，并能阻挡前进过程中的横摇。电偶极是由放射电缆和铜管构成，在海底能向四周的介质发送电流。
可控源电磁放射机在海底被拖曳过程中，需要实时掌握和监视其工作状态。利用自
主编写的图形化交互程序，实现与海洋电磁放射机的远程数据通信，进而实现对放射机的实时监控，软件界面如图 4 所示。
该上位机监控软件功能为：
实现上位机与水下放射机的远距离通讯，完成 GPS 同步对钟等功能的初始化， 保证电磁波放射的时间准确；
将信号线上接收到的各种数据进展分别解析；
将各种实时监测的数据以图形化的方式直观地显示出来，监视放射机的工作状态， 譬如电池电压、高压供电电压、正向供电电流、反向供电电流、舱内温度、基板温度、仪器姿势方位信息、拖体离海底的高度、当前放射频率等；
图 4 甲板监控软件界面 Deck monitoring software interface 4)将接收到的数据在 PC 机上实时存储，便于后期数据处理；
发送掌握命令，掌握放射机的工作模式，包括开头和关闭电磁放射、更改放射频率、更改工作方式、设置定时放射；
有容错、纠错和自启动功能。放射机的整体技术指标如下：
可进展频率域或时间域的单频放射； 发送信号波形 — 逆变矩形波；
发送信号频率 — (～100)Hz ； 放射电流 — 0～100A ；
根本放射频率下的源偶极矩—10000Am ； 放射电偶极距 — 100m ；
工作水深 — 4000m 以浅 。4 2025 年 8 月海试状况
从海洋六号船 HY6-202505 航次的试验可分析海洋大地电磁的探测效果。
试验时间为 2025 年 8 月 16 日，试验点位于 116°′E、18°′N，水深3737m。利用船后部的 A 型吊，将仪器从甲板上吊起，随后摆出舷外，释放钢缆。当仪器到达海面时，操作员拉动索控脱钩器，使仪器脱离挂钩并自由下沉。整个投放过程约 。
仪器在海底连续测量时间约为 20h。8 月 17 日中午，海洋六号船开回投放点实施
仪器回收。从释放命令发出至仪器从海底返回海面，用时约 2h，再经约 打捞， 仪器被安全送达后甲板。
测量结果可由时间序列曲线和视电阻率曲线予以评价。图 5 为整个测量数据中的其中一帧时间序列曲线。
从数据回放的时间序列曲线可初步了解所采集的数据是否合格。图上的 5 条曲线从上往下依次为 Ex、Ey、Ez、Hx、Hy。由于被测对象是来自同一场源，因而当场源变化大时，曲线幅值增大，反之则小。5 条曲线在同一时间点上都符合上述规律的，称为有相关性。相关性的优劣关系处处理结果质量的凹凸，但凡相关性差的
曲线，其处理结果是不行信的。本次采集的数据从时间序列曲线上看，相关性较好。经数据处理软件进展预处理，所得的视电阻率曲线见图 6，曲线反映了两种极化模式(x--y、y--x)的视电阻率。虽然说不上是圆滑曲线，曲线上的视电阻率值有误差
棒，这主要是由于采集时间较短，数据中各频点的迭加次数不够，加之海底的有用信号微弱，并受海洋电磁噪声的影响等缘由造成的，但曲线的形态较清楚，变化趋势明显，较客观地反映出该测量点从浅到深的介质电阻率的变化状况。
图 5 CSEM 数据时间序列曲线 CSEM data time-series graph
图 6 预处理后的视电阻率曲线 Resistivity curve of pretreatment 5 结 语
利用海洋电磁探测技术探测海洋自然气水合物从技术来说完全可行。但是，尽管我
国的海洋电磁探测技术进步较快，但是还应看到目前存在的与国外先进兴旺国家的
差距。主要差距之一是感应式磁场传感器的研发技术。目前，我国不管是开展陆地电磁测量还是海洋电磁测量，都无一例外地承受国外研制的磁传感器。我国自身还不能开发这一产品。技术瓶颈是导磁材料的研发，我相差较远。这一难题尽管受到国家科技部的重视，并在“863 打算”中设立课题进展攻关，但目前看来，短期内还不能有满足的答案，磁传感器还需要从国外进
口，每根磁传感器的价格约 8000 美元，一套海底大地电磁仪需要备三根磁传感器。
因而，目前整台仪器的本钱是不低的，约合 50 万元人民币。这一点或许影响着海洋电磁探测的工程化进程。
既取得进步，又看到差距，海洋电磁探测技术的推动势在必行，面临的困难终将攻克。期盼我国的海洋电磁探测技术在将来的海洋开发中发挥其乐观的作用。
参考文献：
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