2013, Vol. 56
2. 广州海洋地质调查局, 广州 510075;
3. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室, 北京 100083
, ZHANG Han-Quan2
, WU Zhong-Liang2, SHENG Yan2, LUO Xian-Hu2, JING Jian-En1,3, CHEN Kai1,3
2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China;
3. Key Laboratory of Geo-detection, Ministry of Education, Beijing 100083, China
海洋可控源电磁探测（MCSEM，Marine Controlled Source Electromagnetic）[1]，是将电磁发射机拖曳至近海底，通过发射偶极向海底发射大功率电磁波，由布设在海底静止的混场源电磁接收机采集感应场源信号.将发射和接收数据经过一定的处理和反演计算，就可分析出海底以下介质的导电性结构特征[2-3].该方法对与海底围岩电阻率有差异的烃类碳氢化合物有较好的探测能力[4]，是目前进行海洋能源资源调查的有效手段[5].
美国Scripps研究院于1998年开始，先后研制了SUESI 100和SUESI 500型发射机[6]；2000年开始，英国Southampton海洋研究中心和OHM公司联合研制了DASI系列发射系统[7-8]，美国WesternGECO公司[9]和挪威EMGS公司[10]也都研制出了用于商业勘探的发射系统.以上基于MCSEM方法的发射系统主要用于勘探海底的油气资源，并且绝大部分结果得到了其他学科资料的佐证或钻井的确认，取得了良好的勘探效果[11].
考虑到天然气水合物的巨大潜在价值[12]，MCSEM也被用于天然气水合物探测，该项研究内容最早是由Edwards于1997年提出[13]，后来Yuan和Edwards[14]、Schwalenberg [15-16]、Weitemeyer[17-18]、Darnet[19]、Evans[20]、Ellis[21]、Zach和Brauti[22]等展开了深入研究.其中，Weitemeyer、Constable和Key等人在Oregon地区进行的实际海洋探测结果表明[17-18]，通过人工发射和接收电磁场信号，可实现海底以下数百米深度的介质电阻率成像，与地震方法相结合，能有效解决天然气水合物异常区范围圈定问题.
因此，我国有必要对MCSEM相关方法理论与硬件技术展开研究.“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划）之前，国内的MCSEM仅仅开展了少部分的理论模拟研究[23]，在MCSEM硬件设备研制方面还处于空白[24-25].本文展示了近期国内自主研发完成的MCSEM发射系统研究成果.
2 电偶极源参数变化对激发场影响的分析目前MCSEM一般采用动态电偶源发射、静态接收机采集的装置[26].David等[27]对上述装置的电磁场分布进行了模拟计算，给出了TM模式下电场E和磁场B在水平方向上的分量响应公式.
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（1）、（2）式中，r是发射源与接收机之间的距离；θ是发射偶极轴与发射源和接收机连线的夹角；P是发射源偶极矩，即发射极距L和发射电流I的乘积；σ0为海水电导率；β0为合成波数，定义为β0=
参照（1）和（2）式，以天然气水合物在海底的一维地电模型为例，模型参数如图 1所示，其中源偶极矩为150 A×150 m.因天然气水合物一般赋存于海底以下浅部，发射电流不一定太大，但需要较高的激发频率才能取得较好的分辨效果[28].当发射频率在0.5~32 Hz时，电场幅值（本文均以Ex幅值为例进行说明）随发射频率和收发距变化的分布规律如图 2所示.
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图 1 天然气水合物的一维地电模型 Fig. 1 One-dimensional geo-electric model of gas hydrate |
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图 2 发射频率不同时Ex幅值与收发距曲线 Fig. 2 Ex amplitude and transceiver distance curves with different emission frequencie |
目前我们自主研发的接收机能接收到归一化场值为10-13（V·A-1·m-2）量级的信号.由图 2可得，相同收发距情况下，随着激发频率升高，感应电场幅值降低；幅值一定的情况下，收发距越远，高的激发频率感应的电场幅值衰减越快.对于32 Hz而言，小于200 m收发距的感应信号易溢出，超过1 km的信号幅度太小，可用收发距短.理论上16 Hz的收发距达2 km，8 Hz达2.7 km，2 Hz达4 km，0.5 Hz达4.5 km.故实际海洋作业过程中选择0.5 Hz、2 Hz、8 Hz和16 Hz的激发频率较为合适.
2.2 发射偶极侧向漂移对电场响应的影响因风向和海流影响，发射偶极行进路线不可能与预定测线完全吻合，会在侧向上有所偏移.取发射频率为2 Hz，源偶极矩为150 A×150 m，发射偶极离测线距离分别取图 3所示参数.由图看出，侧向漂移主要影响小收发距的场值，对大收发距的场值影响不明显.当侧向漂移小于50 m时，对0~4000 m收发距的电场响应影响较小；当侧向漂移为100 m时，0~500 m收发距电场响应有部分影响；而当侧向漂移500 m时，对0~3000 m收发距的电场响应有明显影响.发射偶极的侧向漂移尽管难以避免，但通过对其动态位置和航迹信息进行记录，可在后续的数据处理中进行场值影响的校正.因而，发射偶极位置信息的实时记录，对提高反演解释的质量较为重要.
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图 3 发射偶极侧向漂移不同时Ex幅值与收发距曲线 Fig. 3 Ex amplitude and transceiver distance curves with different lateral drifts |
发射偶极子长度、发射电流与激励能量究竟有怎样的内在联系？可以通过图 4进行分析.
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图 4 源偶极矩不同时Ex幅值与收发距曲线 Fig. 4 Ex amplitude and the transceiver distance curves with different source dipoles |
取发射频率为2 Hz，改变发射电流和发射偶极子长度，使源偶极矩分别取图 4中所示的参数.由图可得：不同源偶极矩时的响应Ex幅值曲线形态一致；在同一个接收点处，源偶极矩越大，响应幅值越大；反之，响应幅值越小；源偶极矩分别为500 A×20 m和50 A×200 m时Ex曲线完全重合，也就是说，当改变发射偶极子的长度和发射电流，但它们的乘积不变，即源偶极矩不改变的情况下，电场响应也不会改变.故将响应幅值用源偶极矩做归一化处理（幅值/源偶极矩）能够消除观测过程源偶极矩变化产生的影响.因此，在数据采集时需要实时记录发射电流的波形和发射电极的具体位置.
3 拖体设计及其水动力学分析在进行海上勘测作业时，电磁发射机拖体维持在距海底50 m以内的高度拖曳[28].由于发射偶极由拖体牵引，因此需使拖体平稳匀速行进（拖曳速度保持在2~2.5 kn），为达到以上要求，拖体设计需满足以下准则：第一，具备航向稳定性；第二，具备良好的水动力性能.
3.1 拖体稳定性拖体稳定是指尽量保持拖体行进过程中无纵倾与横倾[29].拖体在水下的运动包括纵向运动（沿垂直面的升沉和俯仰）和横向运动（沿水平面的横摇和偏航）.
根据水动力学观点，拖体（可近似为小型潜器）垂直面稳定性衡准数Cp满足[30]
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(3) |
（3）式中M′q为单位纵摇角速度引起的力矩，M′w为单位垂向角速度引起的力矩，Z′w为单位纵摇角速度引起的力，Z′q为单位垂向角速度引起的力；m′为质量的无因次量，与拖体的几何尺寸有关，表示为[30]
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(4) |
（4）式中，CB为拖体的排水体积V与拖体所占空间的长L、宽B、高H所构成的长方体体积之比.当拖体的水动力导数M′q、M′w、Z′w确定后，Z′q数值较小，符号可正可负，其对拖体稳定性影响较小，故在Cp推荐范围内，m′越小，或者宽度和高度与长度之比越小，垂直面的运动稳定性越好.
若拖体具有垂直面运动稳定性，则Cp＞0，但Cp相对较大时，拖体受控响应变慢，拖曳时不易控制，一般取0.1~0.35；若Cp=0，则拖体处于微幅振荡状态；若Cp＜0时，则振荡加剧.
拖体水平面稳定性衡准数CH满足[30]
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(5) |
式中N′v为单位横摇角速度引起的力矩，Y′r为单位水平角速度引起的力矩，N′r为单位横摇角速度引起的力，Y′v为单位水平角速度引起的力；m′意义同上.由于N′rY′v总是正的，m′是个较大的正数，一般有（m′-Y′r）＞0，而N′v一般为负数，因此在CH推荐范围内，m′越小，水平面的运动稳定性越好.
为使拖体也具备水平面稳定性和较好的水平方向受控性，应CH＞0，一般取值0.35~0.612.
综上，在满足设备装载要求和投放作业便利的前提下，且当Cp和CH在推荐范围内时，m′中CB、B/L、H/L较小，拖体具备垂直面和水平面的运动稳定性.
3.2 导流头形状的选择导流头形状与拖体所受阻力关系紧密，需设计成流线形状以减小阻力，助于破水前进.参考AUV（水下自航器）的设计[31]，一般有水滴型、鱼雷型、Myring型、拔模型等，考虑到本拖体拖曳速度较低和载重量较大的因素，拟采用拔模型结构设计导流头.
当导流头YZ平面（示于图 6）底部尺寸为700 mm× 700 mm，X方向长度为600 mm时，分别计算0°、10°、15°、20°、25°和30°拔模角情况下导流头承受最大压强和阻力（如图 5所示）.根据结果分析，20°的导流头在前行运动过程中，不但承受的最大压强较小，而且承受的最大阻力也较小.
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图 6 20°拔模角导流头压力云图 Fig. 6 Contours of diversion head pressure for draft 20° |
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图 5 导流头最大压强和阻力随拔模角度的变化曲线 Fig. 5 Diversion head maximum pressure and resistance curves with different draft angles |
对20°拔模角度的导流头进行水动力分析，用CATIA建立三维模型，ICEM对其进行网格剖分，最后导入到Fluent软件中进行仿真计算.由图 6导流头的压力云图可知，前行过程中，导流头中间部位所承受压强最大，侧面所承受压强相对较小，故中间部位的结构强度要求较高.
由图 7导流头的对称平面矢量图可知，导流头两侧的流速较快，头部位置流速较小，故需尽量保证导流头的对称性和封闭导流头的底部，防止拖体侧边和导流头内部出现流速不均的扰流而导致拖体偏离测线.
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图 7 20°拔模角导流头对称平面矢量图 Fig. 7 Symmetric plane vectors for draft 20° |
借鉴船体侧面积和形状对航向稳定性的相关理论，分析拖体侧面积和形状对航向稳定性的影响.如图 8所示，横轴为拖体侧面积系数，即拖体侧面投影面积S与其所占矩形面积L·T之比；纵轴为侧面积形心至拖体中部距离OM与拖体长度L的比值，以拖体前方为正向，形心靠后则比值为负值.
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图 8 拖体侧面积和形状与航向稳定性的关系 Fig. 8 Relationship between towed-body′ sarea and shape and course stability |
当侧面积系数和形心比值处于图中不同区域时，将会出现拖体“稳定”、“不稳定”和“振荡稳定”三种状态.在“稳定”区域内，当侧面积系数和形心位置在一定范围内，拖体才具备航向稳定性，例如当S/（L·T）为0.83，OM/L取值在-0.11~0.01时，拖体才具备航向稳定性，否则将有可能进入“不稳定”或“振荡稳定”区；当OM/L为0.03，S/（L·T）取值在0.90~0.97时，拖体具备航向稳定性，否则将进入“不稳定”区.
因此，在拖体长度和高度确定后，需调整尾翼所占矩形面积的比值和形心所在位置，才能保证拖体的航向稳定性能.
按照稳定性和减小阻力的要求，确定拖体外形主体尺寸、合适的导流头拔模角度、尾翼的面积和侧面形心位置.另外，考虑到拖曳速度、设备重量、加工工艺和便于设备装卸等因素，拖体总体采用框架式结构，部件布置如图 9所示，拖体中需装载的设备包括水下变压器、发射机承压密封舱、高度计、定位信标、导流头和尾翼等.拖体长3653 mm、宽780 mm、高1146 mm，在空气中的重量约为1385 kg，水中重量约为820 kg.
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图 9 发射机拖体侧面示意图 Fig. 9 Schematic side view of towed body of transmitter |
发射系统原理框图如图 10所示，主要包括船载大功率发电机、甲板升压控制单元、甲板端上位机监控单元、万米光电复合缆（深拖缆）、水下变压器、拖曳式大功率电磁发射机拖体和发射偶极等.甲板升压控制单元将发电机输出升压至2800 V，以便于在深拖缆中长距离低损耗地传输给水下的发射机.甲板端上位机监控单元利用深拖缆中的光纤和光端机建立远程数据通信，进而对发射机进行状态监测和控制.水下变压器将深拖缆中的高压转为低压，然后在大功率电磁脉冲逆变电路的控制下，将电能通过发射偶极激发至海水介质中.
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图 10 海洋可控源电磁发射系统原理框图 Fig. 10 Block diagram of MCSEM launch system |
如图 10所示，发射机利用光端机接收来自甲板端的监控命令，并通过主控单元及辅助电路实现各种预定的功能.
主控单元以ARM芯片作为控制核心，主要完成如下功能（见图 11）：通过光端机将串口数据转换为能够进行长距离数据通信的光信号，在甲板端将光信号还原，从而实现发射机与甲板监控单元的通信；通过串口UART进行GPS对钟，更新实时钟RTC，进行时间同步；通过自定的协议通讯，使可编程逻辑控制芯片控制逆变开关智能功率模块IPM，使其能够开启、停止、更改发射频率和调整脉宽等.
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图 11 主控单元功能框图 Fig. 11 Block diagram of main control unit functions |
发射机拖体在近海底被拖曳过程中，测量和记录其姿态方位信息（包括俯仰、横摇和方位等角度）；通过高度计实时监测距离海底的高度；通过模拟数字转换A/D接口和隔离放大器，实时监测并记录能够间接反映发射机正常工作的正反向供电电流和发射电压；实时监测仪器承压舱内部的温度.
4.2 大功率电磁脉冲逆变单元大功率电磁脉冲逆变单元包含了如图 12所示的单元电路.大功率直流电接至IPM的P端和N端，主控单元控制IPM将输入的直流电逆变成为一定频率的交流方波信号，在其U端和V端通过发射偶极向海水负载供电.主控单元通过霍尔电流传感器来检测发射电流的大小.IPM监测到过压、过流和过热等现象时，将通过报警信号FO来提示主控单元.
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图 12 大功率电磁脉冲逆变原理图 Fig. 12 High-power electromagnetic pulse inverter unit |
MCSEM要求发射和接收同步，因此研发了专门针对海底环境的计时同步单元.该单元由稳定度10-8s/s的高精度温补晶振、CPLD及RTC等模块构成[32].仪器入水之前进行一次GPS对钟，该单元在整个测量期间保持与接收机的同步[33].
4.3 发射机运行程序发射机运行程序框图如图 13所示.发射机上电启动后，先进行各个模块的初始化，然后在甲板上进行GPS对钟及系统同步，最后在仪器释放至近海底且状态测试正常的情况下，上位机开始按照通信协议监控发射机的运行.
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图 13 发射机运行程序框图 Fig. 13 Block diagram of transmitter operation program |
拖体一经被投放入水，操作人员只能通过监控单元和深拖缆对其进行实时监测和控制.自主编制的监控软件，可图形化地显示发射机的各种控制操作以及实时的运行状况.甲板端上位机可与水下发射机实时进行数据和命令的交互，其交互协议包含了查询发射机运行状态、控制发射机复位与启停、改变供电频率和供电模式等命令.操作人员可根据海试作业要求，更改发射机工作模式，或根据发射机的工作状态，配合船上驾驶员，调整船的航行方位.
4.4 发射系统主要性能指标发射信号波形：单频或多频矩形波；
发射频率：0.01~100 Hz；
发射频率稳定度：10-8s/s；
千米水深以下的发射电流：150 A；
发射极距：150 m；
发射源偶极矩：22500 A·m；
最大工作水深：4000 m.
5 海洋试验及生产应用2012年5月和2013年5月，搭载广州海洋地质调查局的海洋六号科考船，在天然气水合物的某潜在海区开展了国内首轮MCSEM生产性试验.十个接收站位如图 14的S1到S10所示，站位间距1~4 km；实线为拖曳路线，沿西北和东南走向；试验点水深916~1513 m.
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图 14 MCSEM海试站位及作业示意图 Fig. 14 Schematic of MCSEM sea trial stations and operation |
如图 14所示，先在各站位投放静止观测的接收机.到预定发射点位附近，投放尾标（如图 16所示）和发射偶极（发射偶极间距为150 m），利用船上A型吊将发射机（如图 15所示）拖体投放入海.拖体受自身重力牵引自由下沉过程中，通过高度计实时监测距离海底的高度，距拖体远处的发射电极离海底高度信息则由尾标采集，也实时传送至甲板监控单元.当整套拖曳系统距离海底0~50 m范围时，发射机进入工作状态，由作业船的深拖缆牵引沿测线匀速行进，按照预定发射方案向海水供电.发射的同时，接收机自动进行电磁场数据采集.最后结合发射电流、导航和水下定位等数据，对接收机采集的数据进行处理，从而获得海底以下纵向及横向电阻率变化信息，并结合其他地质资料，对天然气水合物的分布进行估计.
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图 16 监测位置信息的尾标 Fig. 16 Trailer monitoring the location information |
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图 15 拖曳式海洋可控源电磁发射机 Fig. 15 Towed MCSEM transmitter |
试验中成功实施了近海底拖曳发射作业，分段分时地拖曳了8段往返测线，供电频率16 Hz、8 Hz、2 Hz和0.5 Hz，供电电流达150 A，并在甲板仪器控制室实时对水下发射机及尾标的工作状态进行了监控和记录.
图 17为接收机距离发射机2000 m时采集到的五分量可控源发射波形片段，发射频率为2 Hz，从发射机发出的逆变矩形波经海水衰减以后，剩下近似正弦波的波形.其中Ex和Ey峰峰值均不大于20 μV、Ez峰峰值不大于2 μV、Hx和Hy峰峰值不超过3 nT，以上幅值较发射机在接收机正上方时接收到的幅值衰减了约1/1000.该序列片段说明发射机在海底成功地建立了稳定可靠的可控源电磁场.
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图 17 接收到的可控源发射波形时间序列片段 Fig. 17 Segments of controlled-source emission waveform time series |
采集到可控源电磁数据以后，首先对原始数据进行整理、标定及增益校正，然后开窗计算电磁场分量的振幅，最后根据源偶极矩对电磁场分量的振幅进行归一化处理，得到不同发射频率下各电磁场分量振幅随收发距衰减的曲线（Magnitude Versus Offset，MVO）.图 18为某测点0.5 Hz发送频率下Ex分量的MVO曲线，从图中得到，实际有效收发距离为3000 m，该点MVO曲线的变化特征符合MCSEM场值衰减规律，能够间接反映海底介质电阻率的变化信息.有关本轮生产试验的进一步数据处理结果将另文讨论.
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图 18 某测点Ex分量的MVO曲线 Fig. 18 MVO curve of Ex component from a measurement site |
（1）以天然气水合物在海底的一维地电模型为例，采用数值模拟探讨了电偶极源对激发场影响的因素，重点分析了电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩等参数对电场响应的影响，为发射系统的研制和海洋生产试验提供了理论铺垫.
（2）自主研制了国内首套海洋可控源电磁发射系统，重点研发了拖体水动力学设计、船载大功率高压输配电、智能化发射机控制、大功率电流脉冲逆变、精确的发射与接收时间同步等关键技术.
（3）在南海天然气水合物某潜在海区进行了国内首轮MCSEM海上生产试验，验证了方法的有效性和本发射系统的各项技术指标，为我国海洋可控源电磁探测做了前期探索.
（4）深海条件下的可控源电磁发射，与陆地或浅海的可控源电磁发射是截然不同的技术概念.后者仅与发射电路关系紧密，而前者，尤其在千米水深以下，不单指发射电路，还涵盖了水下长距离高压输配电、耐高压密封、水动力分析计算、海底多种状态信息的实时监测等技术内容，比后者的技术含量要复杂得多.因而，千米水深以下的发射电流指标，是一项综合技术指标，离开水深条件的发射电流指标不具备实际意义.
致谢向提供海试方案指导和技术支持的广州海洋地质调查局相关领导以及海洋六号科考船全体工作人员表示感谢；向对本文提出修改建议的邓明教授表示感谢.
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