海底电磁探测.docx

密级分类号中国地质大学（北京）课程结课报告海洋电磁信息探测学生姓名 陈 浩 院（系）地球物理与信息技术 专 业电子与通信工程学 号任课教师 邓明 职 称 教授二O 一四年四月目录绪论 11. 海底电磁探测原理 11.1大地电磁探测 11.2海底电磁探测 11.3海洋电磁探测的技术特点 32. 麦克斯韦理论 33. 海底电磁探测挑战与展望 5绪论地球表面的五分之三被海洋覆盖尽管石油只是生产与相对浅的陆架区，去储量也是十 分巨大的对于固体矿产，除锰结核、富含金属的卤水外，人们一度认为海底是贫瘠的，然 而20世纪人们发现海洋中的热液活动和多金属硫化矿床的丰富度和规模是十分可观的一 些方法可以定位这些硫化矿床，但是不能用于判断它们的延伸和储存地质体的性质，海底电 磁法时适用于这一目的的少数几种方法之一在进入新世纪以来，各国对海洋资源的开采十分重视海底电磁探测是由陆地发展而来， 但是所要突破的难题是前所未见的我院邓明教授在国内外对于海底电磁探测的工作颇有研 究成果，在国内领导一批有志青年多年投入到海淀电磁探测的事业中，为国家的海洋资源开 发作出了突出贡献通过观测海底大地电磁场数据，研究海底以下不同深度的岩层导电性， 达到探测地下地质构造特征的目的。

海底大地电磁场的场源信号来自海底地下介质受高空电 离层电磁辐射后产生的感应电磁场该场源携带着海底地下介质的电性信息通过对其探测， 将采集的信号进行成像反演处理，即可推断海底地下电性异常体的产状及规模，从而可为海 洋岩石圈构造研究和海上油气资源勘探与评价等提供有价值的科学依据海底油气的开发， 开始于20世纪初它的发展经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程受技术条件的限 制，最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的油气矿藏80年代以来，在能源危机和技术进 步的刺激下，近海石油勘探与开发飞速发展，海洋石油开发迅速向大陆架挺进，逐渐形成了 崭新的近海石油工业部门1. 海底电磁探测原理海洋电磁法时由陆地电磁法演变而来，但无论从规模和难度上都远远超过陆地电磁法 我们先从大地电磁原理开始，再过度到海底电磁探测1.1大地电磁探测大地电磁探测法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物 理方法其基本原理是依据不同频率的电磁波在导电煤质中具有不同趋肤深度的原理，在地 表测量由高频至低的频的地球电磁响应序列，经过相关的资料处理来获得大地由浅至深的电 性结构1.2海底电磁探测在寻找海洋石油过程中，地震勘探的作用是不言而喻的，但是在某些时候地震方法受到 一些限制，比如遇到碳酸岩礁、火山岩盖等散射体时，海洋电磁法可以为一种补充的技术方 法应用于这些地区。

在陆地上，电磁法能够很好的给出地球内部电性机构的信息，是一种较为成熟和有用的地球物理探测方法但该方法从前却很少被用在海上，主要要原因有以下两点其一，地震 勘探能成功描述海底地质结构；其二，人们普遍对高导海水不利于电磁阀应用的看法深信无 疑然而今年来随着一起和海洋地质学的发展，海洋电磁法应用取得了实质的进展目前已 发展的方法有：海底大地电磁探测、直流电阻率法、磁阻率法、自然电位法和时域频域可控 源法其中，海洋大地电磁探测法时目前较为成熟的方法海洋大地电磁探测原理与陆地大 地电磁探测相同但由于海洋环境的特殊性，使海洋大地电磁探测具有特殊性，主要表现在 海洋的电磁噪音、仪器及装置和解决地质问题的能力方面海洋环境的特殊性变现在如下方 面：（1） 海底上覆盖着一层高导液体一一海水，海水的导电率较高，同下覆盖的地壳有较 大的差别，海水最深处达到11km2） 海水是流动的导电介质且其流动规律非常复杂3） 海底与陆地地壳的地址结构不同4） 海水具有动能且海底压力高，无特殊设备不易接近海底5） 海面气候条件恶劣从60年代起，国际上一些著名的地海上试验1984年开始著名的EMSLAB，该项目 研究在海洋大地电磁理论、仪器、海洋电磁噪音和海洋MT的应用等方面取得了重大进展， 标志着海洋MT技术已经日趋成熟。

我国开展海洋大地电磁探测方面的研究较晚，近年来， 中国地质大学，同济大学，长春科技大学等单位进行了水下的浅海实验工作长春科技大学 与1996年成功研制出浅海阵列大地电磁探测仪，并与1997年在辽河油田进行了为期3个月 的研究地球电磁法分支示意图SP白卷电位法la•IP激蛊极化71昼磕酒^rh. 地 电E4.F人工源超低段图1地球电磁法分支示意图在国内，中国地质大学（北京）在海洋863项目的支持下开展了海洋MT的研究和试验， 研制出五分量海底大地电磁仪，在我国东海采集到海底MT资料，在国内尚属首次；并率先 在国内相关领域注册专利中南工业大学、吉林大学、同济大学、浙江石油勘探处等单位于 90年代加入了海洋电磁研究的行列，包括TEM、MT等方法虽然我国在海洋电磁探测方 面已经做出了一些成绩，但在高分辨率海洋CSEM的研究方面，我国仍处于起步阶段，需 要更多的组织、单位和个人付出努力1.3海洋电磁探测的技术特点在海洋环境中探测大地电磁场，其特殊的表现形式为：信号采集必须在海底进行由于 海底进行由于海底是一种较为特殊的环境，要实现探测目的，就需要研制海底大地电磁仪 器系统研制过程需解决的技术问题包括：（1） 海底微弱电磁信号的检测。

由于激发场源透过海水，其能量被大大滴衰减因而 在海底所测量的信号幅度微弱，量级在数毫伏至微伏通常测量大地电磁场需要记录5个长 分量由于各场分量相互之间在同一个时间点上存在相关性，数据反演中需对这一特性做运 算处理，因此对5路场分量的测量必须是同步进行的，测量样点不可在时间上发生错位2） 海底环境状态监测仪器系统从海面到达海底后，由于没有人为干预，其姿态将 受到海底地形、海流运动等影响在陆地哈桑进行大地电磁测量是，可人工调整仪器的布放 位置然而在水下，姿态自动调整装置由于所涉及的成本较高，从经济上考虑不值得3） 仪器承压与密封所有的电路器件及电池都必须要有安全的水下工作空间，这就 需要设计相应的承压密封舱舱体由非磁性材料制成，并且能承受海下的巨大压力4） 仪器的安全投放与回收为使仪器系统能完成海底数据采集并顺利返回海面，需 要在海上投放阶段，仪器应具有负浮力，能平稳地沉到指定位置；在信号采集阶段，仪器在 海底基本平稳，不因海底的洋流的推动而发生远距离的位移；而在设备回收阶段，当收到海 面发来的声学信号后，仪器能自动由原来的负浮力系统变成能实现返回的正浮力系统图2深海固定施工方法示意图2. 麦克斯韦理论麦克斯韦理论为海底大地电磁探测技术奠定了坚实基础。

在海底大地电磁探测技术中，传感器系统的方位及水平状态直接影响着大地电磁场分量 的观测结果因此，在观测的过程中，必须随时准确地测定系统分布的方位角和水平分量传 感器的水平状态，以便对观测的数据进行方位畸变校正另外，当测量电磁场分量的传感器 系统放入海底时，由于海水的各种各样的运动，传感器系统在正常工作的同时，会产生振动， 造成电场分量和磁场分量的测量数据不精确因此要设法对测量的数据进行校正设计上， 传感器系统的振动对电场分量数据的影响是很小的，这种影响常常被忽略；但是这些振动对 磁场分量数据的影响是很大的，必须进行正确的振动畸变校正，才能得到准确的磁场分量数 据对于方位角和倾角所引起的干扰，校正依据的是“图形的几何变换”原理电场只有两 具分量，可以依据“二维图形的几何变换”原理在海底大地电磁探测技术中，由于在海底大地测量系统中的5个探头满足右手坐标系原 理，因而可以利用实验测得的电场和磁场的5个分量以及所测的倾角和对于北向的方位角进 行方位和水平校正设在海底测得的电场和磁场的5个分量分别用Ex、Ey、Hx、Hy、Hz表示，设探头测 得的X分量对于北向的夹角为a，对于立不的倾角为xt，设探头测得的Y分量对于水平面 的倾角为yt，设校正后的5个分量分别为Ex'、Ey'、Hx'、Hy'、Hz'，将T1和T2分别代入上式后，可以求出校正后的Ex'、Ey'、Hx'、Hy'、Hz'，即校正后 电磁场分量的值。

对于探头振动所引起的干扰磁场，可以通过先求出探头振动所引起的干扰磁场，然后再 滤波的办法进行校正在大地的某一点上的电场强度E为大地电场在这一点上的值E0与二次电场Es的叠加， 即：E=E0+Es在大地的某一点上的磁场强度B为大地磁场B0与二次磁场Bs的叠加，即：B=B0+Bs实际测量的是电场的水平方向上的两个分量，即Ex和Ey由于二次场Es的存在，则 有：Ex=Ex'+Esx,Ey=Ey'+Esy其中，Es为由于长探头振动所产生的二次电场(Es=Esx+Esy)探头的振动是不规则的，但可以将其分为两部分：(1) 长探头在垂直于磁场的方向上运动，切割磁力线，产生的感生电动势为Es1 (实 际中，由于探头很长，达到5m左右，因此，又可以将其视为长螺线管)2) 探头以某一角速度旋转，造成穿过探头线圈的磁通量发生变化，所产生的感生电 动势为Es2由于探头在海底放置，因此其旋转的角速度很小，由此造成的Es2可以忽略不计而 Es1=BLVsinB，B、L、V为已知量其中，B即为测量点的大地磁场B0和二次磁场Bs的 叠加，由于Bs相对于地磁场来说很小，可以忽略不计，所以B^B0； L即为探头的长度； V为探头切割磁力线的速度，由于采样时间间隔恐很小，则第n个采样点处的探头的运动 速度Vn=Vn-1+ an-1 △ t( a n-1为第n-1个采样点振动传感器得的加速度，Vn和Vn-1分别为 第n和n-1个采样点的速度，V0=0，t为采样时间间隔)；B为探头和B正向的夹角。

因此， 可以求出在某一点的感生电动势Es由于此感生电动势的影响，会在长探头附近产生感应 磁场Bs (二次磁场)根据安培环路定律得：Bs=^nI (^为探头内的磁介质的磁导率，n 为探头每单位长度上线圈的匝数，I为感生电动势Es产生的电流，I=Es/R，R为探头的电阻)因此： Bs= u nI=gnEs/R=gnBLVsinp/R设第n个采样点处的感应磁志Bs和Bsn，则有：Bsn=gnBsn-1(Vn- 1+an- 1At)sinp/R即： Bsn=KBsn-1(Vn-1+ an-1 At)校正结果利用Visual C++6.0设计了程序，对探测数据进行了畸变校正处理，取得了较好的效果对实际测得的数据进行了多次处理，现先取一些典型的实际结果做一些说明，以给读者 一个直观的理解是传感器系统在某一点测得的校正前后的电磁场分量的波形图研究结果表明，在观测过程中，一定要保证随时准确地测定系统分布的方位角和水平分 量传感器的水平，以便对观测数据进行正确的方位校正只要知道探头的一些参数和各采样点的振动传感器所测得的加速度的值，就可以求出在 第n个采样点的干扰成场的大小，从而可以校正由于海水运行引起的传感器探头振动所带来 的电磁场的干扰，就可以得到校正后的电磁场的真实值。

校正处理结果证实了振动校正的正 确性从校正前后的波形图上看，校正算法对高频电磁干扰的抑制效果明显3. 海底电磁探测挑战与展望海洋电磁勘探技术面临的挑战包括诸多方面：1. 地质目标识别的挑战：在地下地质情况复杂的地区，比如火成岩覆盖区，这些高阻 地质体会产生比油气更强的电磁异常，仅仅从海洋电磁法的手段还不足以识别这些异常、因 此，海洋电磁法资料和地震、地质信息的综合解释将成为勘探复杂地区的必须2. 仪器装备的挑战：由于海洋电磁仪器研制难度大，系统比较庞大，价格昂贵，一些 关键技术被少数几家技术服务公。