陳 凱 ,羅賢虎 ,蘇建業(yè) ,孫 珍 ,田 稷 ,鄧顯明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京,100083;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州,511458;3.大連測(cè)控技術(shù)研究所,遼寧 大連,116013;4.中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州,510301;5.自然資源部第二海洋研究所 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州,310012)

0 引言

水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)借助高靈敏度電場(chǎng)傳感器觀測(cè)水下電場(chǎng)分布,經(jīng)信號(hào)處理獲取電場(chǎng)特征規(guī)律。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)面向不同的場(chǎng)源觀測(cè),水下目標(biāo)電場(chǎng)檢測(cè)面向電磁隱身、水下目標(biāo)識(shí)別等國防領(lǐng)域;地球物理領(lǐng)域的海洋可控源電磁場(chǎng)和大地電磁天然場(chǎng)源,應(yīng)用于如油氣、天然氣水合物、多金屬硫化物和淡水等資源勘探,以及洋中脊、海底火山及俯沖帶等深部地質(zhì)構(gòu)造研究;運(yùn)動(dòng)海水感應(yīng)電場(chǎng)面向物理海洋領(lǐng)域的水體研究。以上應(yīng)用均建立在高精度水下電場(chǎng)測(cè)量基礎(chǔ)上,因此水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)、前沿和熱點(diǎn)問題。水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)至今發(fā)展近2 個(gè)世紀(jì),取得了長足進(jìn)展,在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文中旨在綜述水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù),概括其發(fā)展歷程,介紹其相關(guān)的電場(chǎng)傳感器、放大器、測(cè)量設(shè)備、觀測(cè)方式以及信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù),列舉了多個(gè)代表性的應(yīng)用案例,并總結(jié)了當(dāng)前的存在問題,展望了未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 技術(shù)發(fā)展歷程

水下電場(chǎng)(海洋中的電場(chǎng))場(chǎng)源主要來自以下5 個(gè)方面: 1) 良導(dǎo)的海水在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),用E=V×B表達(dá)(其中V為海水速度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度);2) 天然場(chǎng)源大地電磁(magnetotelluric,MT)信號(hào),為太陽風(fēng)高能粒子流與地球磁層相互作用,在海底產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng);3) 局部電位異常,由海底礦體與海水的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生;4) 海洋生物產(chǎn)生的電性異常;5) 近岸工業(yè)、鉆井平臺(tái)、海底構(gòu)筑物以及船舶等人文活動(dòng)引起的電場(chǎng)。

水下電場(chǎng)測(cè)量研究最早可追溯到1832 年,Farady 研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象,在泰晤士河岸兩側(cè)借助電話線測(cè)量運(yùn)動(dòng)水體引起的電磁感應(yīng)信號(hào),但受限于當(dāng)時(shí)測(cè)量技術(shù),并未獲得可靠的數(shù)據(jù)。1851年,Wollaston 在英吉利海峽借助海底電纜觀測(cè)電場(chǎng)信號(hào)與海水潮汐周期相同變化。1920 年,Young等[1]論證了借助船尾拖曳電極測(cè)量運(yùn)動(dòng)海水電場(chǎng)的方案。

Cox 等[2]于1971 年嘗試了在海底開展MT 觀測(cè),電場(chǎng)測(cè)量極距達(dá)1 km,并研究了磁暴期間的海底電場(chǎng)特征。長極距的電極定位困難導(dǎo)致應(yīng)用受限,催生了短極距、自容式采集的海底觀測(cè)儀器。短極距條件下對(duì)觀測(cè)傳感器以及測(cè)量電路提出高要求,早期電場(chǎng)觀測(cè)借助鹽橋?qū)崿F(xiàn)[3]。1985 年,在巖石圈及軟流圈電磁探測(cè)計(jì)劃(EM sounding of lithosphere and asthenosphere beneath,EMSLAB)的支持下,工區(qū)覆蓋從Juan de Fuca 海域到Cascade 海域,投入了40 臺(tái)海底電磁接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)海底MT觀測(cè),旨在開展俯沖帶板塊深部構(gòu)造研究[4]。而后在1986 年,Cox 等[5]論證了可控源電磁探測(cè)與海底以下介質(zhì)電阻率的方案,開創(chuàng)了可控源電磁方法先河。1998 年,Constable 等[6]根據(jù)淺部油氣勘探需求,升級(jí)了AgCl 電極制備工藝,開發(fā)了低噪聲斬波放大器,在San Diego 外海水深約為1 km處獲取了高質(zhì)量的MT 信號(hào),驗(yàn)證高頻至3 s 的測(cè)量能力。2002 年,Key 等[7]在東太平洋海隆9°50′N 開展MT 測(cè)深,獲得了深部巖漿房電性結(jié)構(gòu)。

2002 年,挪威國家石油公司、英國南安普頓大學(xué)和美國Scripps 海洋研究所聯(lián)合開展了已知油氣田的可控源電磁探測(cè)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果大幅推動(dòng)了可控源電磁方法的工業(yè)化、商業(yè)化進(jìn)程[8]。而后,挪威EMGS 公司成立,在全球開展了大量的海洋可控源電磁商業(yè)勘探活動(dòng)[9],挪威PGS 公司也推出其拖曳電磁勘探系統(tǒng)[10],使水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí),日本研究機(jī)構(gòu)也先后研發(fā)了面向水合物調(diào)查的海底電阻率探測(cè)系統(tǒng)[11]、硫化物自然電位測(cè)量裝置[12]以及淺水型MT 觀測(cè)儀器[13]。

在國內(nèi),中國地質(zhì)大學(xué)(北京)率先開展水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究[14],與廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、中南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及吉林大學(xué)聯(lián)合開展了海底MT 技術(shù)研究,研制了國內(nèi)首套海底MT 儀器。后續(xù)在海域水合物及深水油氣勘探需求推動(dòng)下,又研制出國內(nèi)首套海洋可控源電磁探測(cè)系統(tǒng),完成首條可控源電磁剖面研究[15],并多次服務(wù)于水合物及油氣勘探任務(wù),在水下電場(chǎng)測(cè)量相關(guān)的傳感器、測(cè)量裝備和數(shù)據(jù)處理方面取得了一定的成果。中國海洋大學(xué)、中石油東方地球物理公司等也相繼開展了大量與水下電場(chǎng)測(cè)量相關(guān)的傳感器[16]、觀測(cè)儀器[17]、數(shù)據(jù)處理[18]以及多學(xué)科應(yīng)用研究[19]。

在國防應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)水下電場(chǎng)主要源自對(duì)潛低頻通信與水下目標(biāo)探測(cè)需求。艦船電場(chǎng)已成為探測(cè)設(shè)備和引信裝置新的“信息源”,自20 世紀(jì)50、60 年代起,國外就積極開展目標(biāo)電場(chǎng)特性的研究[20]。前蘇聯(lián)在20 世紀(jì)50 年代末研發(fā)了非觸發(fā)反潛錨雷,70 年代在此基礎(chǔ)上研發(fā)了水下電勢(shì)電場(chǎng)水雷,利用潛艇電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。西班牙SAES公司在20 世紀(jì)90 年代末開發(fā)了水下多感應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)搭載了SET-200/P 電場(chǎng)傳感器,近年來該公司研發(fā)的MINEA 引信水雷更是搭載了三軸電極陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)海水中的電場(chǎng)信號(hào)測(cè)量,目前國外新研發(fā)的水雷普遍增加了水下電場(chǎng)引信[21]。美、俄等國均開展了海底預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)劃,其中電場(chǎng)信號(hào)是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)特征之一[22-22]。

隨著對(duì)入侵目標(biāo)水下電磁特性認(rèn)識(shí)的深入,基于水下電場(chǎng)的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)也得到發(fā)展。目標(biāo)船體和槳等都是由金屬制作,腐蝕防腐電流、內(nèi)部推進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)和船的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。當(dāng)艦船通過探測(cè)線陣的上方時(shí),電場(chǎng)傳感器或者磁場(chǎng)傳感器接收到艦船的電磁場(chǎng)信號(hào),這一信號(hào)被送到岸上進(jìn)行處理和顯示后可以對(duì)入侵目標(biāo)給出報(bào)警信息?；陔妶?chǎng)和低頻電磁場(chǎng)的探測(cè)手段,可以對(duì)抗具有高效消磁能力的目標(biāo)。海軍工程大學(xué)龔沈光團(tuán)隊(duì)[23-25]在水下目標(biāo)電場(chǎng)探測(cè)與識(shí)別方面開展了大量的研究工作,推進(jìn)了水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在國防領(lǐng)域的發(fā)展。

當(dāng)前海上電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜,且目標(biāo)電磁隱身技術(shù)不斷發(fā)展,水下目標(biāo)的電磁探測(cè)難度也愈發(fā)增加。為拓展探測(cè)范圍、提升目標(biāo)識(shí)別能力,多物理場(chǎng)、多探測(cè)手段相結(jié)合,多節(jié)點(diǎn)互相配合和網(wǎng)絡(luò)化分布式監(jiān)測(cè)成為趨勢(shì),并亟需在探測(cè)方法、核心傳感器、觀測(cè)裝備和信號(hào)處理等方面進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)。

2 測(cè)量裝備

電場(chǎng)傳感器用于實(shí)現(xiàn)水下電場(chǎng)高精度測(cè)量,其常見觀測(cè)方式是在2 個(gè)空間位置布置傳感器,計(jì)算2 點(diǎn)電勢(shì)差與極距的比值即為電場(chǎng)強(qiáng)度。從材質(zhì)區(qū)分,現(xiàn)有水下電場(chǎng)傳感器主要分為金屬/難溶鹽金屬(如銀/氯化銀)[26]和碳纖維(carbon fiber,CF)[27]。其他新材質(zhì)也有體現(xiàn),如鎳基氧化物[28]、鉭/氧化鉭電極[29],各材質(zhì)電極原理及優(yōu)勢(shì)對(duì)比見表1。

表1 各種水下電極原理及優(yōu)勢(shì)對(duì)比Table 1 Comparison of principles and advantages of various underwater electrodes

2.1 Ag/AgCl 電極

Ag/AgCl 電極屬于金屬/難溶鹽電極,主要由金屬(Ag)、難溶鹽(AgCl)以及與難溶鹽具有相同陰離子(Cl-)的可溶性鹽溶液組成。Ag/AgCl 電極在海水中存在Ag/AgCl/Cl-兩個(gè)相界面,主要由金屬Ag、固體AgCl 和含有可溶性氯化物的電解液組成。金屬陽離子參加氧化還原反應(yīng),而陰離子只在固/液界面進(jìn)行溶解和沉積(生成難溶鹽)[30]。電極處于平衡狀態(tài)時(shí),氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)速度相等,電極凈反應(yīng)速度為零,反應(yīng)可表示為

AgCl 電極制備工藝主要有電解法和粉壓法2種,電解法的關(guān)鍵點(diǎn)在于為Ag 片鍍上一層AgCl;粉壓法的重點(diǎn)在于較大的AgCl 粉末壓鑄成型后的大比表面積。以電解法工藝制備AgCl 電極為例,結(jié)構(gòu)見圖1,電極由Ag 片、AgCl 緩沖物及外部的多孔管防護(hù)罩、水密接插件組成。制備AgCl 電極時(shí),將電極作為陰極,通以恒定電流,為Ag 片鍍上一層致密的AgCl,實(shí)物照片見圖2。經(jīng)測(cè)試,電極對(duì)的本底噪聲水平可低至0.6 nV/rt(Hz)@1 Hz(結(jié)果見圖3),電極對(duì)阻抗約為5 Ω@10 Hz,典型極差小于±200 μV,極差漂移小于10 μV/d(結(jié)果見圖4)。

圖1 AgCl 電極結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AgCl electrode

圖2 AgCl 電極照片F(xiàn)ig.2 Photo of AgCl electrode

圖3 電極噪聲功率譜密度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Noise power spectrum density test result of electrode

圖4 多電極極差漂移測(cè)試結(jié)果(編號(hào)A～I(xiàn))Fig.4 Potential drift test result of multiple electrodes (No.A–I)

Ag/AgCl 電極存在維護(hù)過程難(需要避光保存、持續(xù)浸泡在鹽水中)、不便于運(yùn)輸、壽命短(3～5 年)及成本高等不足。

2.2 CF 電極

CF 電極是一種含碳量在90% 以上的纖維狀碳材料,利用表面雙電層的變化將外界電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),通常利用電極的可極化性質(zhì),電極電位對(duì)表面電荷密度比較敏感。CF 電極由多根細(xì)碳纖維經(jīng)過物理化學(xué)表面處理,其化學(xué)性質(zhì)呈惰性,相比Ag/AgCl 電極具有皮實(shí)耐用、成本低、存儲(chǔ)條件簡(jiǎn)易以及使用壽命長等優(yōu)勢(shì),在水下電磁探測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。但其穩(wěn)定性差,自噪聲較高,而且存在較大的低頻容抗,使其靈敏度降低,難以適用于低頻微弱信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域。

瑞典國防科研院所研制的CF 電極由一種常用的纖維(TORAY T300)制成,表面積質(zhì)量比為0.5 m2/g,該電極由大約120 萬根纖維組成,單根直徑為7 μm,長度為20 cm。將纖維束所有纖維與外部金屬線進(jìn)行電氣連接,并用環(huán)氧樹脂灌封保證連接點(diǎn)的水密。此后,在溶劑中洗滌纖維束,用于去除多余的軟性環(huán)氧涂層,留下清潔的表面,以便與海水接觸,傳遞電場(chǎng)信號(hào)。

CF 呈電容特性,電極易極化,導(dǎo)致電極電位不穩(wěn)定。對(duì)CF 進(jìn)行表面處理可有效改善電極特性。常見的處理方法包括表面熱處理、納米處理、生物酶、表面活化處理和CF 紙。研究表明,在清洗工藝的基礎(chǔ)上,將CF 在馬弗爐的高溫(445,465,485 ℃)保溫4 h,靜止冷卻至室溫,用蒸餾水清洗后自然風(fēng)干待用[31],結(jié)果表明,熱處理溫度的升高能顯著提高電極在海水中的電位穩(wěn)定性、抗極化性能及電極自噪聲穩(wěn)定速度。

瑞典Polyamp 公司生產(chǎn)的PA3001 型CF 電極(見圖5（a)),尺寸為D50 mm×H125 mm,工作壽命達(dá)5 年以上,最大作業(yè)水深500 m。海軍工程大學(xué)申振等[32]利用聚丙烯腈CF T300 制備了電容型電極(見圖5（b）),并研究了熱處理對(duì)電極的性能影響,自噪聲約為1 nV/rt(Hz)。中國海洋大學(xué)付玉彬團(tuán)隊(duì)[33]研究表明水合肼高溫?fù)降男訡F 有望提高其電化學(xué)性能和電場(chǎng)響應(yīng)性能,工作頻段拓展到1 mHz。

圖5 典型CF 電極Fig.5 Typical CF electrodes

2.3 鎳基氧化物電極

基于稀土鎳基氧化物的水下電場(chǎng)傳感器主要通過探測(cè)海洋中低頻電場(chǎng)觸發(fā)鎳酸釤(ReNiO3)氫致相變所引起的電阻率變化來感知電場(chǎng)強(qiáng)度[34]。ReNiO3是一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土族鎳酸鹽,屬于具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)的量子材料。模仿海洋生物的電場(chǎng)感知原理,在海水環(huán)境的電場(chǎng)作用下,H+進(jìn)入鎳酸釤晶格,形成氫化鎳酸釤。這種質(zhì)子流導(dǎo)致鎳原子的三維軌道電子構(gòu)型發(fā)生變化,電阻特性極大改變,產(chǎn)生了強(qiáng)烈的莫特-哈伯德電子間作用,使材料從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。

相比于Ag/AgCl 電極,基于ReNiO3仿生電極直接測(cè)量的物理量為電阻變化而非電位差,因此受海水湍流等干擾程度較低,更適用于移動(dòng)平臺(tái)裝載下的水下電場(chǎng)探測(cè)。區(qū)別于傳統(tǒng)測(cè)量2 個(gè)空間位置的電位差獲取電場(chǎng)方法,該仿生電場(chǎng)傳感器無需長極距配置,大幅壓縮了測(cè)量設(shè)備的體積,且無需特殊維護(hù)保養(yǎng),提升了儀器海上作業(yè)效率,更適用于局部電場(chǎng)的陣列觀測(cè)場(chǎng)景。

鎳基氧化物薄膜電極單軸方向結(jié)構(gòu)見圖6,3 個(gè)正交的電極組成微型3 軸電極。主要包括鎳酸釤薄膜、陶瓷襯底、激勵(lì)恒流源以及斬波放大器等,在待測(cè)電場(chǎng)Ex的垂直方向施加微弱激勵(lì)恒流源I0,垂直電流方向的電阻Rx隨待測(cè)電場(chǎng)Ex變化,斬波放大器將Rx變化量轉(zhuǎn)換為電壓Ux輸出。

圖6 鎳基氧化物薄膜電極Fig.6 Principle of electric field sensor with nickel-based oxide film

相比于Ag/AgCl 水下電極,基于ReNiO3仿生電極的直接測(cè)量物理量為電阻變化而非電位,區(qū)別于傳統(tǒng)的借助大極距獲取電位差間接計(jì)算電場(chǎng)的方法,具有單點(diǎn)高精度、免維護(hù)和小體積的優(yōu)勢(shì),有望對(duì)水下電場(chǎng)測(cè)量帶來革命性的創(chuàng)新。

2.4 斬波放大器

水下電場(chǎng)信號(hào)觀測(cè)頻段一般為DC～100 Hz,傳統(tǒng)的低噪聲放大器(如OPA211、LT1028)低頻段存在明顯的1/f噪聲,斬波自穩(wěn)零放大器(如ADA4528、CS3301)低頻噪聲平坦但本底噪聲仍較大(大于5 nV/rt(Hz)@1 Hz)。分立元件搭建的斬波放大技術(shù)受限于斬波開關(guān)注入電荷噪聲影響,超低頻(0.1 mHz～0.1 Hz)噪聲還有待進(jìn)一步改善[35-36]。

針對(duì)水下微弱電場(chǎng)信號(hào)觀測(cè),借鑒了基于低注入電荷噪聲的斬波放大技術(shù)[37]。斬波放大器基本原理見圖7,主要包括調(diào)制電路、變壓器耦合電路、一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、解調(diào)電路以及三級(jí)放大電路等單元。在一級(jí)與二級(jí)放大電路之間嵌入注入電荷噪聲抑制電路,設(shè)計(jì)脈沖開關(guān)信號(hào)(圖7 中紅色為脈沖信號(hào))抑制開關(guān)噪聲,實(shí)現(xiàn)低開關(guān)電荷注入,降低放大器本底噪聲水平。在解調(diào)電路前設(shè)置脈沖開關(guān),即將開關(guān)噪聲較大的時(shí)刻斷路,僅通過開關(guān)噪聲較小的部分,使得開關(guān)噪聲不再傳遞至下一級(jí),有效降低低頻1/f噪聲,顯著提升超低頻段電場(chǎng)信噪比。從低注入電荷斬波器放大器與傳統(tǒng)的斬波放大器噪聲對(duì)比結(jié)果看(如圖8 所示),超低頻段噪聲得到明顯抑制,超低頻段噪聲均低于1 nV/rt(Hz)。

圖7 斬波放大器原理框圖Fig.7 Principle of chopper amplifier

圖8 低注入電荷斬波放大器與傳統(tǒng)斬波放大器噪聲功率譜密度對(duì)比曲線Fig.8 Noise power spectrum density curves of chopper amplifier with low injection charge and traditional chopper ampllifier

3 測(cè)量平臺(tái)

水下電場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求,按作業(yè)方式主要分為海床基(含海底觀測(cè)網(wǎng))、拖曳陣浮標(biāo)和無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)平臺(tái)等,各類型平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)對(duì)比見表2。

表2 不同平臺(tái)電場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比Table 2 Application scenarios of electric field measurement on different platforms

3.1 海床基平臺(tái)

以海底電磁接收機(jī)為代表的海床基平臺(tái),常用于海底電磁信號(hào)靜態(tài)測(cè)量。通常安裝電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳感器,以實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)自容測(cè)量。圖9 羅列了6 種海底電磁接收機(jī),分別來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps 海洋研究所(Scripps Institution of Oceanograpy,SIO)MK-IV型(見 圖9(a))[38]、挪威EMGS 公司RX4 型(見圖9(b))[39]、英國UE 公司產(chǎn)品(見圖9(c))[40],以及國內(nèi)中國地質(zhì)大學(xué)的OBEMIII 型(見圖9(d))、中國海洋大學(xué)和重慶地質(zhì)儀器廠相關(guān)產(chǎn)品(見圖9(e)和圖9(f))。美國Quasar 公司生產(chǎn)的小型海底電磁接收機(jī)Qmax EM3[41]是當(dāng)前小型海底電磁接收機(jī)的優(yōu)秀代表,采用電容電極技術(shù),無需電場(chǎng)測(cè)量臂,整機(jī)體積僅約D1 m×H0.9 m。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)最早于2017 年開展了小型電場(chǎng)接收機(jī)的研制[42],受限于功耗水平與浮力,尚不具備磁場(chǎng)測(cè)量能力。

圖9 海床基電場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備Fig.9 Seafloor electric field observation equipment

在海底MT 探測(cè)需求驅(qū)動(dòng)下,針對(duì)現(xiàn)有海底電磁接收機(jī)存在的外圍尺寸大、電源功耗大以及制造成本高等問題,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)(北京)啟動(dòng)了小型海底電磁接收機(jī)(micro ocean bottom electro magnetic receiver,MicrOBEM)的研發(fā)工作[43],著力針對(duì)小體積、低功耗和低成本方面開展研究工作。采取了如下方案: 1) 小體積層面,與笨重且昂貴的傳統(tǒng)聲學(xué)釋放器相比,集成了水聲通信模塊及外置的電腐蝕脫鉤器的方案,所需浮力大幅降低,玻璃球數(shù)量由原有的4 個(gè)減至1 個(gè);2) 低功耗層面,新研制的低功耗采集電路和前放電路,整機(jī)功耗約至500 mW(感應(yīng)式線圈配置),為原來OBEM-III 的1/3,功耗的降低節(jié)省了電池?cái)?shù)量進(jìn)而減少浮力需求;3) 低成本方面,無需傳統(tǒng)聲學(xué)釋放器,減少玻璃球數(shù)量,整機(jī)硬件成本降低一半;4) 具備磁通門傳感器擴(kuò)展功能,為長周期MT 測(cè)量奠定了基礎(chǔ),配置磁通門傳感器時(shí),整機(jī)功耗僅為200 mW;5) 開發(fā)了回收信標(biāo),集成LED模塊,方便夜間回收打撈,進(jìn)一步提升海上作業(yè)效率。

MicrOBEM 實(shí)物圖如圖10 所示,主要包括玻璃浮球、數(shù)據(jù)采集艙、感應(yīng)式磁傳感器艙、磁通門傳感器艙(選裝)、電極測(cè)量臂、電場(chǎng)傳感器、水聲換能器、框架、水泥塊、水密電纜、電腐蝕脫鉤器以及信標(biāo)浮球等。其中玻璃浮球用于提供浮力;數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)置采集電路和水聲通信模塊;感應(yīng)式磁傳感器艙內(nèi)置感應(yīng)線圈,實(shí)現(xiàn)水平磁場(chǎng)分量測(cè)量;磁通門傳感器艙內(nèi)置磁通門傳感器,實(shí)現(xiàn)3 軸正交磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量;4 支測(cè)量臂和電場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)分量測(cè)量;水聲通信板、換能器和電腐蝕脫鉤器組成設(shè)備的聲學(xué)釋放單元;各個(gè)電氣單元之間通過耐壓水密電纜相連;信標(biāo)浮球用于打撈時(shí)的位置指示,提升打撈效率。

圖10 MicrOBEM 小型海底電磁接收機(jī)實(shí)物圖Fig.10 Photo of MicrOBEM

3.2 拖曳陣平臺(tái)

海床基平臺(tái)具有隱蔽布放、水下長期觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),但也存在無法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、丟失風(fēng)險(xiǎn)等不足。結(jié)合淺水油氣高分辨率勘探需求,挪威PGS公司開發(fā)了Towed EM Streamer 拖曳電磁探測(cè)系統(tǒng)(見圖11)[10],類似于海面多道地震拖纜,在船尾布放電偶源,源偶極矩為800 m&1 500 A,接收拖纜在水面以下約100 m 處測(cè)量地層電磁響應(yīng),收發(fā)距0～7 700 m,拖曳速度4 kn,獲取油氣目標(biāo)區(qū)地層電阻率模型。該系統(tǒng)具有橫向分辨率高、作業(yè)效率高和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的優(yōu)勢(shì),在油氣勘探任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。不足在于目前僅適用于淺水作業(yè)。

圖11 挪威PGS 公司的拖曳電磁探測(cè)系統(tǒng)Fig.11 Towed electromagnetic detection system from PGS,Norway

美國SIO 針對(duì)淺部水合物探測(cè)需求,開發(fā)了深拖可控源電磁探測(cè)系統(tǒng)(見圖12)[44],在發(fā)射源拖體尾部接入4 個(gè)3 軸電場(chǎng)測(cè)量節(jié)點(diǎn),收發(fā)距位于500～1 200 m 之間,單個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝有6 個(gè)AgCl 電極,極距為1 m 和2 m,近海底拖曳過程中測(cè)量人工場(chǎng)源電場(chǎng)信號(hào),獲取淺部水合物目標(biāo)區(qū)的電性結(jié)構(gòu)。

圖12 美國Scripps 海洋研究所的深拖可控源電磁探測(cè)系統(tǒng)Fig.12 Deep towed electric field measurement device from SIO,USA

針對(duì)我國海域深水油氣勘探任務(wù)需求,中國地質(zhì)大學(xué)(北京)聯(lián)合廣州海洋地質(zhì)局等單位在“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下[45],開發(fā)了雙船拖曳可控源電磁探測(cè)系統(tǒng),區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)方案,發(fā)射源與接收機(jī)分別由2 條船各自拖曳,收發(fā)距、方位可調(diào),旨在提升探測(cè)深度與精度[46],拖曳接收機(jī)測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖見圖13,借助以太網(wǎng)將多個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián),實(shí)現(xiàn)供電、通信和時(shí)間同步,單個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量3 軸正交電場(chǎng)、磁場(chǎng),并實(shí)時(shí)獲取離地高度、深度和3 軸姿態(tài)等信息。

圖13 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的拖曳電場(chǎng)接收機(jī)測(cè)量節(jié)點(diǎn)Fig.13 Towed electric field receiver measurement node from China University of Geosciences (Beijing)

3.3 浮標(biāo)平臺(tái)

針對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景,浮標(biāo)平臺(tái)的電場(chǎng)探測(cè)主要包括以下2 類: 1) 敏感海域艦艇航行軌跡預(yù)判監(jiān)測(cè);2) 重要海域長期值守監(jiān)測(cè)[47-48]。預(yù)判監(jiān)測(cè)是基于情報(bào)信息和所測(cè)海域內(nèi)的海流變化,預(yù)判艦艇航行路線,并計(jì)算浮標(biāo)在海水中的運(yùn)動(dòng)速度,提前將浮標(biāo)空投至指定位置,浮標(biāo)入水后進(jìn)入采集狀態(tài),獲取經(jīng)過附近的艦艇電磁目標(biāo)特性;重要海域長期值守是將浮標(biāo)布放在艦艇經(jīng)常出沒的海域,平常處于低功耗值守狀態(tài)(如圖14 所示),當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)獲取裝置,采集目標(biāo)電磁特征數(shù)據(jù),分析提取結(jié)果并及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送回指揮中心。

圖14 浮標(biāo)平臺(tái)電場(chǎng)探測(cè)裝置工作示意圖Fig.14 Buoys for electric field detection

美國ISL 公司從最初研制的海床基電磁探測(cè)傳感器,到系繩式電場(chǎng)測(cè)量浮標(biāo),后來發(fā)展為空氣投射浮標(biāo),逐漸向小型化、便攜式發(fā)展。其研制的電場(chǎng)浮標(biāo)見圖15(a),探測(cè)頻率為0.5～30 Hz,探測(cè)半徑達(dá)800～2 000 m。美國Quasar 公司的Aphros電場(chǎng)浮標(biāo)(見圖15(b))采用干式電極[49],極距1 m,噪聲優(yōu)于1 nV/m/rt(Hz)@1 Hz,克服了現(xiàn)有AgCl電極維護(hù)難的局限性,具有快速布放、低噪聲、低功耗以及低成本的特點(diǎn)。海軍工程大學(xué)研制的電場(chǎng)浮標(biāo)裝置可獲取不同深度的天然場(chǎng)源電場(chǎng)分布特征[50](見圖15(c))。

圖15 典型電場(chǎng)浮標(biāo)Fig.15 Typical electric field buoys

電磁浮標(biāo)[51]水面部分主要包括發(fā)射天線、定位系統(tǒng)、浮體和電子艙等(見圖16)。電磁浮標(biāo)水下部分主要包括減振彈簧、阻尼器、姿態(tài)傳感器、高靈敏度磁場(chǎng)傳感器、配重鉛塊和電場(chǎng)傳感器支架等。

圖16 電磁浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Structure of electromagnetic buoy

3.4 UUV 平臺(tái)

UUV 平臺(tái)與上述的海床基、拖曳陣和浮標(biāo)平臺(tái)相比最大的優(yōu)勢(shì)在于可自主移動(dòng)觀測(cè),自主性更強(qiáng)。通常將電場(chǎng)探測(cè)裝置搭載在自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)或水下遙控航行器(remote operated vehicle,ROV)上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)量。

2015 年,美國愛達(dá)荷大學(xué)開發(fā)的AUV 平臺(tái)水下電場(chǎng)探測(cè)裝置(見圖17(a))[52],在AUV 平臺(tái)頭部安裝3 軸AgCl 電極,極距約為3.81 cm,電極直徑為2 mm,旨在開展水下目標(biāo)軸頻電場(chǎng)探測(cè)。2018年,美國SIO 針對(duì)海底硫化物探測(cè)需求[53],在AUV平臺(tái)安裝了6 支電場(chǎng)傳感器(E1～E6)(見17(b)),實(shí)現(xiàn)3 分量自然電位測(cè)量,并在沖繩熱液硫化物區(qū)成功驗(yàn)證。自然資源部第二海洋研究所針對(duì)西南印度洋硫化物調(diào)查需求[54],于2020年對(duì)潛龍二號(hào)AUV 平臺(tái)進(jìn)行了改造,分別在AUV 的尾部、兩側(cè)及頂部安裝了電場(chǎng)傳感器與采集裝置,6 個(gè)電場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)正交3 分量電場(chǎng)觀測(cè)，分別垂直方向電場(chǎng)EV、軸向水平分量ER、交叉水平分量ET，實(shí)現(xiàn)熱液區(qū)硫化物自然電位異常測(cè)量(見圖17(c))[55]。

圖17 AUV 平臺(tái)電場(chǎng)測(cè)量Fig.17 Electric field measurement on AUV platform

4 信號(hào)處理方法

水下電場(chǎng)測(cè)量過程中,不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)信號(hào)與噪聲的定義不同,比如MT 測(cè)深作業(yè)時(shí),有用的信號(hào)為天然場(chǎng)源MT 信號(hào),水下目標(biāo)電磁特征信號(hào)被視為人工源噪聲;而在水下目標(biāo)電場(chǎng)特征信號(hào)過程中,MT 信號(hào)被視為噪聲,需要借助濾波器抑制。地球物理電磁勘探過程中,MT 和可控源電磁方法的數(shù)據(jù)處理過程較為成熟,限于篇幅,主要介紹噪聲抑制方法的最新進(jìn)展。

4.1 MT 噪聲抑制方法

MT 信號(hào)幅值微弱、頻帶寬、場(chǎng)源激發(fā)隨機(jī),極易受到其他噪聲干擾。強(qiáng)干擾抑制方法一直伴隨著MT 方法發(fā)展,MT 去噪方法研究至今,國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多方案,根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理過程的不同階段可以分為以下4 類。

1) 時(shí)間序列處理階段。蔣禮[56]借鑒地震多道疊加技術(shù)思路,將多站同步長周期MT 數(shù)據(jù)在時(shí)域或頻域疊加來消除隨機(jī)噪聲。該方法要求測(cè)點(diǎn)間距不能太遠(yuǎn),以保證測(cè)點(diǎn)間天然場(chǎng)信號(hào)相同,但難以去除強(qiáng)人為干擾。形態(tài)濾波法基于信號(hào)的幾何特征,利用結(jié)構(gòu)元素對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配。湯井田等[57]將其應(yīng)用到MT 信噪分離中,表明該方法可以精細(xì)刻畫數(shù)據(jù)的主體輪廓,濾除大尺度噪聲,但主要面向低頻大尺度干擾抑制,去噪的同時(shí)會(huì)去除部分有用信號(hào)[58]。王輝等[59]根據(jù)卡爾曼濾波原理提出利用MT 信號(hào)時(shí)間序列依賴關(guān)系的穩(wěn)定性來合成信號(hào)。該方法在具備時(shí)間足夠長的本地高信噪比數(shù)據(jù)和全時(shí)段高信噪比遠(yuǎn)參考站數(shù)據(jù)前提下,能夠取得較好的應(yīng)用效果。

2) 頻譜估計(jì)階段。徐義賢等[60]提出基于小波分析的MT 信號(hào)譜估計(jì)方法,通過設(shè)定小波系數(shù)閾值來濾除噪聲,對(duì)較強(qiáng)的白噪聲以及局部的相關(guān)噪聲有著明顯的抑制效果。但該方法只能抑制小部分強(qiáng)噪聲,如脈沖噪聲。另外,小波變換的處理效果還依賴于母小波的選取和閾值的設(shè)定。希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform,HHT)是一種非線性非平穩(wěn)信號(hào)分析方法,具有自適應(yīng)分解信號(hào)和時(shí)頻分析的優(yōu)點(diǎn),還可以多尺度考察信號(hào)、分離噪聲[61],不足在于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解時(shí),窗口首尾兩端會(huì)引入誤差,無法揭示每時(shí)段的頻率特性和能量差異所具有的細(xì)微變化,且運(yùn)算效率較低。景建恩等[62]采用廣義S 變換進(jìn)行MT 時(shí)間序列頻譜分析,并采用時(shí)頻比值和門檻值方法,結(jié)合時(shí)頻濾波方法抑制噪聲,為時(shí)頻濾波方法提供高精度的時(shí)頻譜,改善了MT 阻抗張量元素的統(tǒng)計(jì)特性。

3) 功率譜計(jì)算階段。遠(yuǎn)參考方法借助參考點(diǎn)信號(hào)與本地信號(hào)相關(guān)的特點(diǎn),抑制參考點(diǎn)與本地不相關(guān)的噪聲[63]。遠(yuǎn)參考方法處理效果依賴于參考點(diǎn)與本地點(diǎn)信號(hào)之間的相關(guān)性和噪聲的非相關(guān)性,實(shí)際中很難選擇合適的參考距離,以保證測(cè)點(diǎn)之間信號(hào)相關(guān)且盡可能遠(yuǎn)離噪聲。Egbert[64]提出Robust 多站處理算法,利用奇異值分解多站同步數(shù)據(jù),判斷和估算相關(guān)噪聲,當(dāng)參考點(diǎn)不含噪聲或者測(cè)點(diǎn)之間只存在不相關(guān)的間歇噪聲時(shí),處理效果要好于遠(yuǎn)參考的Robust 估計(jì)。

4) 張量阻抗估計(jì)階段。最小二乘法可以抑制高斯隨機(jī)噪聲,而對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中經(jīng)常存在不滿足高斯分布的“飛點(diǎn)”噪聲,易導(dǎo)致張量阻抗估算偏離真值。Robust 估計(jì)通過加權(quán)估計(jì),對(duì)“飛點(diǎn)”具有較好的抑制效果[65],但其前提條件是有大部分可靠的數(shù)據(jù),從而找到正確的“中值”來剔除異常值。當(dāng)輸入端含有噪聲時(shí),反而會(huì)加重噪聲的影響。

表3 總結(jié)對(duì)比了以上方法,可知不足在于需要以足夠長的高信噪比數(shù)據(jù)為前提,或者只能去除隨機(jī)噪聲(對(duì)相關(guān)噪聲無效),或者對(duì)強(qiáng)干擾抑制效果有限。而面對(duì)具有持續(xù)時(shí)間長、作用范圍廣、能量強(qiáng)、頻帶寬及電磁分量相關(guān)等特征的運(yùn)動(dòng)海水電磁強(qiáng)干擾噪聲時(shí),以上方法都不夠理想。德國海洋地球科學(xué)研究中心的Chen[66]也提出: 海底MT 測(cè)量經(jīng)常受到表面波浪、過往船只對(duì)儀器的干擾,該干擾屬于相關(guān)噪聲,對(duì)電磁分量均有影響,傳統(tǒng)的處理方法抑制效果有限。

表3 MT 噪聲抑制方法對(duì)比表Table 3 Comparison table of MT noise suppression methods

4.2 可控源電磁噪聲抑制方法

海洋可控源電磁方法面對(duì)增強(qiáng)電磁響應(yīng)信號(hào)需求,國外同行在資料處理層面采取諸多有效措施。挪威PGS 公司針對(duì)其開發(fā)的Towed-Streamer EM 系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)遇到的電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)噪聲問題,在數(shù)據(jù)處理過程借鑒合成孔徑思路,在Fan 等[67]的研究基礎(chǔ)上,利用雷達(dá)領(lǐng)域合成孔徑思想的合成源處理方法,通過對(duì)地質(zhì)目標(biāo)體的定向聚焦來增強(qiáng)來自目標(biāo)體的異常,突出儲(chǔ)層的電阻率異常響應(yīng)[68],從而更好地識(shí)別高阻油氣藏,展示了合成孔徑方法在拖曳式海洋可控源電磁領(lǐng)域強(qiáng)大的生命力。后續(xù)的研究[69]還證實(shí)了合成孔徑方法在壓制空氣波、抑制隨機(jī)噪聲和提升探測(cè)深度方面的有效性和先進(jìn)性。美國SIO 針對(duì)噪聲抑制問題采取的方案是延續(xù)其傳統(tǒng)的半拖曳可控源電磁方法中的1 階差分預(yù)白濾波技術(shù)[70],噪聲改善效果有限。

國內(nèi)在海洋可控源電磁噪聲抑制方面開展了許多卓有成效的工作,主要?dú)w納如下: 1) 針對(duì)空氣波,于彩霞[71]利用Hilbert 變換進(jìn)行有效信號(hào)分離;Zhang 等[72]采用合成源方法抑制空氣波干擾,經(jīng)理論分析顯著提高海洋可控源電磁法對(duì)高阻油氣資源的探測(cè)能力;朱忠民[73]采取合成孔徑、波場(chǎng)分解法和反褶積干涉法增強(qiáng)有效信號(hào)和壓制空氣波。2) 針對(duì)MT 噪聲,李予國等[74]采用1 階差分預(yù)白技術(shù)減弱低頻MT 信號(hào)對(duì)可控源電磁信號(hào)頻譜估計(jì)的“污染”;周文強(qiáng)[75]分別開展了基于雙對(duì)稱發(fā)射波形、短時(shí)窗結(jié)合預(yù)白化濾波、稀疏分解的降噪方法研究。3) 針對(duì)海水?dāng)_動(dòng)噪聲,李肅義等[76]提出了一種基于小波多分辨率分析的校正方法,根據(jù)水平電偶極源發(fā)射波形與小波基特點(diǎn),選取最優(yōu)小波基并研究其最佳分解層數(shù),利用最高分解層數(shù)所對(duì)應(yīng)的近似序列估計(jì)出海水?dāng)_動(dòng)噪聲并從原始信號(hào)中去除,達(dá)到消除海水?dāng)_動(dòng)噪聲的目的。4) 針對(duì)隨機(jī)噪聲,林昕等[77]采用時(shí)域?yàn)V波和噪聲估計(jì)方法,通過模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證在加入噪聲時(shí)可獲得有效信號(hào)的收發(fā)距離約為2 km,濾除主動(dòng)噪聲后的有效收發(fā)距可增加到5 km;李澤林[78]將自適應(yīng)濾波技術(shù)引入海洋電磁信號(hào)噪聲處理中,以抑制隨機(jī)信號(hào)。

綜上,國內(nèi)同行研究主要集中在解決傳統(tǒng)海洋可控源電磁探測(cè)系統(tǒng)所面臨的空氣波、MT 噪聲、運(yùn)動(dòng)海水?dāng)_動(dòng)噪聲和隨機(jī)噪聲等方面,并取得了較好成效,但還未涉及到拖曳電場(chǎng)觀測(cè)時(shí)所面臨的電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)噪聲問題。

在面對(duì)海域油氣和水合物勘探過程中的微弱異常探測(cè)、加大探測(cè)深度以及提高探測(cè)分辨率等重大需求時(shí),拖曳式海洋可控源電磁方法遇到電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)噪聲問題,為改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、提升勘探效果,亟須采取有效措施抑制電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)噪聲。借鑒合成孔徑多源聚焦提升響應(yīng)信號(hào)的思路,有望增強(qiáng)電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比,提升微弱異常識(shí)別能力,提高探測(cè)分辨率,改善海洋可控源電磁的勘探效果。

5 應(yīng)用案例

5.1 水下目標(biāo)探測(cè)

水下目標(biāo)的電場(chǎng)探測(cè)主要分為探測(cè)未知目標(biāo)與評(píng)估已知目標(biāo)兩部分,前者的典型應(yīng)用場(chǎng)景為水下電場(chǎng)柵欄、魚雷引信判別,后者為電磁隱身評(píng)價(jià)。艦船水下電場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果對(duì)于艦船水下電磁隱身評(píng)價(jià)有直接意義,同時(shí)測(cè)量過程中獲得的艦船水下電磁場(chǎng)特性對(duì)目標(biāo)探測(cè)裝置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有重要價(jià)值。

中國船舶第760 研究所開發(fā)的水下電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)[51](見圖18),多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過光電復(fù)合纜連接至岸站或船載甲板終端,單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)集成3 分量電場(chǎng)傳感器,極距約為20 cm,站間距約為50 m,主要用于測(cè)量已知目標(biāo)的電場(chǎng)特征信號(hào),為評(píng)估已知目標(biāo)的電磁隱身特性提供參考。電場(chǎng)強(qiáng)度矢量測(cè)量采用短基線方式,水下測(cè)量體包含3 對(duì)電極,分別測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度3 個(gè)正交分量,系統(tǒng)由多節(jié)點(diǎn)組成海底觀測(cè)陣列。該方式可以測(cè)量艦船靜電場(chǎng)和交變電場(chǎng),并獲取較豐富的電磁特征信息。

圖18 電場(chǎng)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)測(cè)量示意圖Fig.18 Dynamic measurement of electric field intensity

韓國科技大學(xué)[79-80]借鑒地球物理勘探中的直流電法勘探原理,在水下布設(shè)1 對(duì)供電電極,在供電電極之間布設(shè)了若干測(cè)量電極組成1 個(gè)觀測(cè)剖面,實(shí)時(shí)獲取剖面電阻率動(dòng)態(tài)分布。當(dāng)水下目標(biāo)穿過測(cè)量剖面時(shí),剖面電阻率分布發(fā)生畸變,從而實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(見圖19)。

圖19 直流電阻率剖面方法探測(cè)水下目標(biāo)示意圖Fig.19 Direct current resistivity profile method for detecting underwater targets

5.2 地球物理勘探

海洋地球物理勘探領(lǐng)域主要以地震方法為主,但碳酸鹽巖、珊瑚礁、泥底辟等區(qū)域存在地震波受屏蔽、能量衰減嚴(yán)重的影響,導(dǎo)致地震方法難以適用[81],且存在彈性參數(shù)對(duì)高飽和度油氣識(shí)別不靈敏、海底模擬反射層無法識(shí)別水合物頂界等不足;而可控源電磁方法對(duì)油氣、水合物等高阻異常識(shí)別靈敏[82],可作為輔助方法為儲(chǔ)層識(shí)別提供電性信息。

2016 年,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在南海瓊東南盆地海域開展了可控源電磁探測(cè)任務(wù)[83],布設(shè)了1 條長4.5 km、含10 個(gè)站位的剖面,水深約1 400 m,發(fā)射電流頻率為0.5&1.5 Hz 組合頻率,2 Hz、8 Hz 單頻,峰值約為500 A。經(jīng)處理反演獲得了目標(biāo)區(qū)的電阻率模型(見圖20),圖中R1～R10 為10 個(gè)海底觀測(cè)站位,H1～H6 為推測(cè)的水合物礦體分布區(qū)域,BSR(bottom simulating reflector)為“似海底發(fā)射層”,用來指示水合物礦體邊界,Sn?hvit 和 Albatross 分別代表2 個(gè)勘探區(qū)塊。結(jié)合水合物穩(wěn)定帶的估算與反射地震剖面資料,分析了水合物分布和游離氣運(yùn)移,初步給出了目標(biāo)區(qū)水合物成藏模式。

圖20 瓊東南海域水合物可控源電磁探測(cè)電阻率模型Fig.20 Resistivity model of hydrate in southeast sea area of Hainan Province by Controlled Source Electromagnetic detection

2013 年,挪威PGS 公司在挪威北部北海氣田TWOP 海域開展了拖曳電磁探測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證(見圖21)[84]。工區(qū)水深為310～350 m,拖曳電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演得到的電阻率異常,探測(cè)深度達(dá)4 000 m,油氣儲(chǔ)層埋藏深度約為海底以下2 000 m。與先前獲得地震剖面數(shù)據(jù)的水平范圍、埋藏深度非常吻合,圈定了油氣目標(biāo),提高了目標(biāo)儲(chǔ)層識(shí)別精度,為儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)提供了電磁數(shù)據(jù)支撐。

2018 年5 月,自然資源部第二海洋研究所組織大洋49 航次在西南印度洋的玉皇海山進(jìn)行了自然電位(self potential,SP)測(cè)量工作[54],旨在開展多金屬硫化物調(diào)查。工區(qū)玉皇熱液區(qū)位于西南印度洋中脊第29 脊段南側(cè),距離中央洋脊7.5 km。已有的鉆孔和取樣資料表明,在玉皇海山的北面出露硫化物堆積體,暫未觀測(cè)到熱液活動(dòng)。SP 測(cè)量設(shè)備搭載在瞬變電磁儀拖體上,3 組電極等間距排列組成水平陣列,電極距5 m,用來采集電場(chǎng)水平分量。測(cè)量時(shí)船速1～2 kn,離底高度約40 m。原始數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣、濾波后提取的SP 異常(電位梯度),見圖22,熱液區(qū)上方電位梯度發(fā)生變化,異常最大達(dá)-20 mV。已有鉆孔在該異常西側(cè)約100 m處見硫化物。

5.3 深部構(gòu)造研究

地下巖層的電性參數(shù)(如電阻率等)能較好地反映巖石性質(zhì)(如巖性、組分、孔隙度和水飽和度等),以及巖石所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓力、熔融和脫水等)。MT 測(cè)深是一種天然場(chǎng)源的方法,設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)便,比較容易在海洋條件下施工。該方法不受高阻層屏蔽的影響,對(duì)低阻層更加靈敏,探測(cè)深度可以達(dá)到上地幔。MT 測(cè)深在海洋深部構(gòu)造研究中得到了廣泛應(yīng)用,是當(dāng)前海洋地質(zhì)熱點(diǎn)前沿手段。

由于相互連通的部分熔融物是典型橄欖巖電導(dǎo)率的2 倍,因此地幔電導(dǎo)率增加可能主要是由少量部分熔融物引起,而較少程度地依賴于地幔溫度和水合作用狀態(tài)。這樣的電導(dǎo)率差異使得MT響應(yīng)對(duì)地幔部分熔融物的存在非常敏感。2013 年,美國SIO 在尼加拉瓜附近的中美洲海溝布設(shè)了1 條長280 km、含50 個(gè)測(cè)點(diǎn)的MT 剖面[85],從科斯板塊深海盆地開始,跨過海槽,直到大陸架上,旨在研究俯沖帶深部結(jié)構(gòu)。MT 反演結(jié)果顯示見圖23(a),在高阻大洋巖石圈下面存在1 個(gè)深度在45～70 km 范圍的各向異性高導(dǎo)層。該高導(dǎo)層被解釋為冷的巖石圈之下的部分熔融體,可能揭示了年輕巖石圈-軟流圈邊界(lithosphere-asthenosphere boundary,LAB)的普遍特征;平行于板塊運(yùn)動(dòng)方向的電阻率各向異性,揭示了LAB 可能是上覆年輕的巖石圈與下面軟流圈的解耦層。該結(jié)果為認(rèn)識(shí)大洋板塊LAB 的性質(zhì)和狀態(tài)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

圖23 海底深部電阻率模型Fig.23 Deep resistivity model of seafloor

針對(duì)超慢速擴(kuò)張脊地幔物質(zhì)上涌是否對(duì)稱以及動(dòng)力來源這一學(xué)術(shù)界一直爭(zhēng)議的問題,挪威科技大學(xué)聯(lián)合EMGS 在北大西洋洋中脊Mohns 脊開展了可控源電磁和MT 聯(lián)合探測(cè)[86],測(cè)線長68 km,含30 個(gè)測(cè)點(diǎn)。聯(lián)合反演的電阻率模型展示了深達(dá)120 km 的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)變化(見圖23(b))。結(jié)果顯示,在超慢速擴(kuò)張脊之下,地幔物質(zhì)可沿著狹窄、傾斜以及嚴(yán)重不對(duì)稱的通道上涌,這與區(qū)域地表顯示的不對(duì)稱變形一致,為超慢速擴(kuò)張脊的動(dòng)力來源受控于慢速和不對(duì)稱的板塊運(yùn)動(dòng)提供了關(guān)鍵證據(jù)。

上述2 個(gè)具有代表性的工作顯示出海洋電磁探測(cè)手段為認(rèn)識(shí)板塊俯沖和洋中脊擴(kuò)張這2 個(gè)最重要的地質(zhì)問題提供了不可替代的證據(jù),推進(jìn)了海洋地質(zhì)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展。

5.4 物理海洋觀測(cè)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,良導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)海水在地磁環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),以海嘯為代表的運(yùn)動(dòng)海水引起電磁異常可能被海底電磁測(cè)量設(shè)備所觀測(cè)到。東京大學(xué)地震研究所在西北太平洋布設(shè)的4 個(gè)海底電磁站位觀測(cè)到2011 年日本9.0 級(jí)地震引起的海嘯電場(chǎng)信號(hào)(見圖24)[87],各臺(tái)站Ex分量幅值達(dá)1 mV/km,解算海嘯傳播速度為240 m/s,電場(chǎng)數(shù)據(jù)用于評(píng)估海嘯的參數(shù),顯示海嘯的波高與電場(chǎng)信號(hào)正相關(guān),并估算了海嘯的傳播方向。

圖24 2011 年日本海底地震引起的海嘯電場(chǎng)時(shí)間序列Fig.24 Electric field time series of tsunami caused by Japan undersea earthquake in 2011

6 展望

1) 多場(chǎng)景應(yīng)用。始終圍繞國家重大科學(xué)需求,如海底油氣資源勘探、海洋底深部構(gòu)造地質(zhì)研究以及水下目標(biāo)探測(cè)等,水下測(cè)量技術(shù)更好地服務(wù)于海洋地質(zhì)地球物理科學(xué)領(lǐng)域,成為科學(xué)研究與工程應(yīng)用的有力工具、重要支撐和可靠選項(xiàng)。

2) 多物理場(chǎng)觀測(cè)。水下目標(biāo)的低頻電磁場(chǎng)傳播距離可以達(dá)到公里級(jí)別,同時(shí)由于交變電磁場(chǎng)直接關(guān)聯(lián)艦艇的螺旋槳區(qū)域,通過采用多物理場(chǎng)(包括聲、水壓、磁、電以及地震波等)組合引信方式,降低單一物理場(chǎng)引信的虛警和漏報(bào)率。把多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行組合,以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。信息融合即利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì),提高傳感器系統(tǒng)的有效性,利用多種算法的不同優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合,達(dá)到最佳協(xié)同探測(cè)的效果。

3) 全海深作業(yè)。我國四大海海域水深小于300 m的淺海面積占有較大比例,相比深遠(yuǎn)海，淺海與資源環(huán)境、國家安全更加緊密,需求更加迫切。除了向更深作業(yè)水深進(jìn)發(fā)外,在淺水環(huán)境下開展電場(chǎng)高可靠度、高精度測(cè)量依然困難重重[13],主要體現(xiàn)在受淺水區(qū)運(yùn)動(dòng)海水干擾較大導(dǎo)致信噪比降低、近岸人文工業(yè)干擾大、漁業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備丟失風(fēng)險(xiǎn)高以及淺水海生物生長迅速影響設(shè)備性能等方面,當(dāng)前亟需在環(huán)境適應(yīng)性、抑制運(yùn)動(dòng)海水干擾等方面提升淺水區(qū)域作業(yè)能力。在淺水域開展構(gòu)造帶調(diào)查為電磁方法提供了廣闊的用武之地。

4) 低成本發(fā)展。當(dāng)前水下觀測(cè)設(shè)備依然存在功耗大、體積大和笨重等不足,關(guān)鍵零部件(如水密電纜、接插件和玻璃球浮體材料等)國產(chǎn)化率低,導(dǎo)致整機(jī)成本上升及生產(chǎn)周期不確定,終端用戶在有限的預(yù)算條件下難以開展更大規(guī)模的應(yīng)用。隨著國產(chǎn)化替代進(jìn)一步提升,儀器制造成本有望下降。

7 結(jié)束語

水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在以油氣、水合物、硫化物和淡水資源調(diào)查為代表的勘探地球物理領(lǐng)域,以俯沖帶、洋脊、海底火山和洋陸轉(zhuǎn)換帶研究為代表的海底構(gòu)造地質(zhì)領(lǐng)域,以水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、電磁隱身為代表的國防應(yīng)用領(lǐng)域,以海嘯、臺(tái)風(fēng)研究為代表的物理海洋領(lǐng)域等諸多學(xué)科領(lǐng)域得到成功應(yīng)用,國內(nèi)同行在測(cè)量方法理論、傳感器及儀器裝備、信號(hào)處理等方面均取得了長足進(jìn)展,水下電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)正朝向多場(chǎng)景應(yīng)用、多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)、全海深作業(yè)以及低成本方向發(fā)展。