淺水條件下淺層氣走航式海洋電阻率法探測(cè)結(jié)果模擬分析?

任子茵， 郭秀軍，2??， 吳景鑫

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

近海淺層氣指近海淺地層內(nèi)聚集的氣體，是一種海洋地質(zhì)災(zāi)害類型[1]。近海淺層氣通常為生物成因，形成后經(jīng)過一定時(shí)期的運(yùn)移與聚集，以層狀淺層氣、團(tuán)塊狀淺層氣、高壓氣囊、氣底辟等形式存在于海底[2]。廣泛分布的淺層氣如同“定時(shí)炸彈”埋藏于海底，對(duì)海洋工程安全造成極大危害。沉積物中含氣量的增加會(huì)引起土體膨脹，孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，從而破壞土體骨架結(jié)構(gòu)，增大土的壓縮性，降低土體抗剪強(qiáng)度[3]。

地層中聚集的氣體會(huì)顯著改變沉積物聲學(xué)特性，據(jù)此開展的海底聲學(xué)和地震探測(cè)是當(dāng)前淺層氣勘查的主要方法[4]。但當(dāng)聲波能量被含氣層吸收或全反射時(shí)，會(huì)在波形圖像上形成一個(gè)內(nèi)部層反射不可見的聲空白帶，形成“聲學(xué)探測(cè)盲區(qū)”[5]。此外，探測(cè)結(jié)果易受沉積物類型、粒度的影響，形成與淺層氣類似的散射與反射特征，也會(huì)對(duì)圖像解譯帶來干擾。

實(shí)際上，巖土體充氣后不僅聲學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，其導(dǎo)電性也會(huì)相應(yīng)變化[6]。基于這種物性變化基礎(chǔ)，電阻率成像技術(shù)在陸域淺層氣探測(cè)與監(jiān)測(cè)中已有諸多應(yīng)用。比如，德國(guó)UFZ環(huán)境研究中心的Schütze等在捷克Cheb盆地用二維電阻率成像技術(shù)對(duì)地層中二氧化碳運(yùn)移和儲(chǔ)存情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了小范圍內(nèi)變化過程的描述[7]。2016年，美國(guó)羅格斯州立大學(xué)的Terry等人用三維電阻率成像技術(shù)識(shí)別積累氣體的空間分布并推斷氣體遷移過程，對(duì)深泥炭層幾米內(nèi)發(fā)生的原位動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了準(zhǔn)確描述[8]。此外，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Breen等還利用二維模型試驗(yàn)研究了二維電阻率成像技術(shù)對(duì)淺層氣空間分布的描述能力及對(duì)含氣飽和度的估算能力[9]。原位實(shí)驗(yàn)及模型試驗(yàn)均證明，電阻率成像技術(shù)可克服聲學(xué)技術(shù)探測(cè)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層氣空間分布的有效探測(cè)和含氣飽和度估算。需要指出的是，目前尚未檢索到電阻率成像技術(shù)用于海底淺層氣調(diào)查的實(shí)例。

高導(dǎo)電率海水的“屏蔽效應(yīng)”使海洋直流電場(chǎng)大部分在海水中耗盡，僅有少量電流進(jìn)入沉積物，電場(chǎng)分布特征與陸域環(huán)境大不相同。雖然海洋電學(xué)探測(cè)難度遠(yuǎn)大于陸域，但近年來已得到較大發(fā)展。水面走航式電阻率法是指將多電極電纜置于水面開展連續(xù)走航式探測(cè)，已在咸水湖鹽度劃分[10]、沉積層調(diào)查[11-13]、咸淡水交界面調(diào)查[14]、水庫滲漏調(diào)查[15]等領(lǐng)域成功應(yīng)用。此方法主要適用于20 m以淺的水環(huán)境，可以探測(cè)一定深度以內(nèi)(探測(cè)深度與多電極電纜長(zhǎng)度有關(guān))沉積層電阻率分布，在近海淺層氣空間分布調(diào)查中具有應(yīng)用前景。

本文以舟山火山列島海域淺層氣分布區(qū)為研究區(qū)，根據(jù)電測(cè)井資料分別構(gòu)建不同埋深和尺寸的氣層、氣囊地電模型，進(jìn)行水面走航式電阻率法探測(cè)結(jié)果正反演計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)水面走航式電阻率法對(duì)近海淺層氣的探測(cè)能力。

1 淺層氣地電模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)選取

選定的研究區(qū)位于舟山市岱山縣火山列島海域，如圖1所示。2015年浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)開展的“舟山群島新區(qū)海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)海域普遍分布海底淺層氣，淺層氣頂界埋深在2～30 m左右，大部分在十幾米以內(nèi)。

1.2 淺層氣地電模型構(gòu)建

根據(jù)浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)2017年鉆孔和電測(cè)井資料，本文選取其中三組電測(cè)井資料為依據(jù)構(gòu)建相應(yīng)的沉積物地電模型(見圖2)。

圖1 調(diào)查區(qū)及鉆孔位置

圖2 YS3、YS5、YS6電測(cè)井資料及相應(yīng)地電模型

為分析海洋電阻率法對(duì)不同產(chǎn)狀淺層氣的探測(cè)能力，在初始模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建多種產(chǎn)狀地電模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分別為不同含氣量層狀淺層氣模型、同一埋深不同厚度層狀淺層氣模型和同一埋深不同寬度不同含氣量氣囊模型。具體參數(shù)為：海水深度設(shè)為10 m，頂界埋深15 m，含氣層厚度3～10 m，小氣囊寬度16 m，大氣囊寬度68 m，氣囊厚度為5 m。海水電阻率取0.3 Ω·m，非含氣土電阻率取4.5 Ω·m，含氣土取5～6 Ω·m不等，具體地電模型如圖3所示。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)定

海面走航式海洋電阻率法測(cè)量時(shí)將電極系拖曳在母船尾部，漂浮在海面。電極材料以石墨和不銹鋼為主。母船上配有數(shù)據(jù)采集主機(jī)、DGPS、回聲測(cè)深儀等系統(tǒng)。DGPS能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航，定位母船的實(shí)時(shí)地理位置。母船下部安置的回聲測(cè)深儀則能夠探測(cè)剖面不同位置水深。航行過程中電極系上的A、B供電極連續(xù)供電，其他電位極(M1、M2、…、M9)同步并行采集，實(shí)現(xiàn)電阻率剖面測(cè)量(見圖4)。數(shù)值計(jì)算時(shí)裝置選用常用的偶極裝置，分別設(shè)計(jì)了兩套裝置參數(shù)：4 m極距，60極電極；2 m極距，120極電極。雖然這種設(shè)置方式和實(shí)際采集時(shí)形成剖面的方式不同，但對(duì)地下目標(biāo)體的反映能力相同。

圖3 不同賦存狀態(tài)淺層氣地電模型

圖4 海面走航式探測(cè)示意圖

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

正演計(jì)算采用有限差分法，計(jì)算時(shí)四剖分單位極距，輸入與沉積物模型相符的數(shù)據(jù)文件，設(shè)置干擾噪音。反演計(jì)算采用抑制平滑度的最小二乘法，計(jì)算時(shí)將初始阻尼系數(shù)設(shè)置為0.15，最小阻尼系數(shù)設(shè)為0.02，進(jìn)行6次迭代，均方根誤差控制在0.5%以內(nèi)。反演完成后讀取數(shù)據(jù)，保存為帶坐標(biāo)的文本文件。實(shí)際計(jì)算時(shí)前者采用RES2DMOD軟件實(shí)現(xiàn)，后者采用RES2DINV軟件實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同厚度層狀淺層氣電剖面特征

圖5為不同含氣量、不同厚度層狀淺層氣探測(cè)電阻率剖面，其中圖5(a)為正演設(shè)置的模型，圖5(b)采用4 m極距，60極電極的裝置參數(shù)，圖5(c)采用 2 m極距，120極電極的裝置參數(shù)，每組具有相同的比色刻度尺。

圖5(b)顯示含氣土層厚3 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為4.8 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.76 Ω·m的等值線相吻合。含氣土層厚5 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為4.9 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.82 Ω·m的等值線相吻合。含氣土層厚10 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為5.1 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.96 Ω·m的等值線相吻合。當(dāng)含氣區(qū)電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.22，層厚不小于5 m時(shí)，底界埋深在電剖面圖上能夠被識(shí)別，含氣區(qū)電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.33時(shí)識(shí)別效果較好。

圖5(c)顯示含氣土層厚3 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為4.82 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.7 Ω·m的等值線相吻合。含氣土層厚5 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為4.92 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.82 Ω·m的等值線相吻合。含氣土層厚10 m時(shí)，探測(cè)剖面中含氣層頂界埋深與電阻率為5.13 Ω·m的等值線相吻合，底界埋深與電阻率為4.82 Ω·m的等值線相吻合。當(dāng)含氣區(qū)電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.22，層厚不小于5 m時(shí)，底界埋深在電剖面圖上能夠被識(shí)別，含氣區(qū)電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.33時(shí)識(shí)別效果較好。

3.2 不同尺寸氣囊電剖面特征

圖6為不同尺寸氣囊探測(cè)電阻率剖面，分別設(shè)計(jì)了兩套裝置參數(shù)：圖6(b)4m極距，60極電極；圖6(c) 2 m極距，120極電極。圖6顯示雖然不同寬度氣囊探測(cè)電剖面特征不同，但電剖面圖并不能直接清晰的反映出氣囊寬度。

圖5 層狀含氣土電阻率剖面圖

圖6 囊狀含氣土電阻率剖面圖

4 問題討論

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，通過選擇不同的等值線間隔，可以找到與設(shè)置埋深相符的等值線值，但埋深與等值線值的規(guī)律不明顯。從圖像上直接觀察來看，一定條件下，探測(cè)電阻率剖面可以反映出含氣區(qū)域的底界埋深，但并不能直接反映出含氣層的頂界埋深和分布尺寸，這與海水層的屏蔽作用和地層背景影響相關(guān)[16]。為消除兩者的影響，提高探測(cè)數(shù)據(jù)的分辨能力，設(shè)含氣沉積物電阻率為ρ1，原始沉積物電阻率為ρ2，令ρ′=(ρ1-ρ2)/ρ2，稱為電阻率變化比，需要指出的是變化比可能為負(fù)值。

圖7為根據(jù)圖5(b)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的電阻率變化比剖面圖，圖中用黑色虛線框表示出設(shè)置的含氣區(qū)域，此時(shí)選取的裝置參數(shù)為4 m極距，60 m極電極。從圖中可以看到，含氣層含氣量變化時(shí)，電阻率比也相應(yīng)變化，ρ′≥0.025時(shí)能夠直接判定淺層氣存在的信息，ρ′為0.06時(shí)可判定淺層氣的埋深。

圖7 層狀含氣土電阻率變化比等值線圖

當(dāng)含氣層厚度為3 m時(shí)，等值線圖中存在明顯的高值區(qū)，ρ′=0.035時(shí)能粗略反映含氣層的設(shè)置深度，但不能精準(zhǔn)確定含氣層頂?shù)捉缑娴穆裆?。?dāng)含氣層厚度為5 m時(shí)，等值線圖中ρ′=0.06的曲線可以表示出含氣層的頂?shù)捉缑?。?dāng)含氣層厚度為10 m時(shí)，等值線圖中ρ′=0.11的曲線可以表示出含氣層的頂?shù)捉缑?。綜上，能與含氣區(qū)域良好吻合的等值線的值與含氣層厚度的1.2%相近，即ρ′=0.012h，h為含氣層厚度的值。

圖8為根據(jù)圖6(b)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的電阻率變化比剖面圖，圖中用黑色虛線框表示設(shè)置的含氣區(qū)域,此時(shí)選取的裝置參數(shù)為4 m極距，60極電極。從圖中可以看到，當(dāng)含氣土電阻率為5 Ω·m時(shí)，圖8(a)情況下，ρ′=0.006的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度，但無法表示出含氣區(qū)域的頂?shù)茁裆?。圖8(b)的情況下，ρ′=0.004的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度，ρ′=0.018的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的底界埋深，但整體不明顯。當(dāng)含氣土電阻率為6 Ω·m時(shí)，圖8(c)的情況下，ρ′=0.022的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度和底界埋深，圖8(d)的情況下，ρ′=0.037的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度，ρ′=0.061的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的底界埋深。綜上，等值線圖能夠較清晰的反映氣囊寬度。

圖8 囊狀含氣土電阻率變化比等值線圖

為提高測(cè)量精度，選用2 m極距，120極電極的偶極裝置進(jìn)行模擬，圖9為根據(jù)圖5(c)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的電阻率變化比剖面圖。從圖中獲得的信息與采用4 m極距時(shí)相似。ρ′≥0.025時(shí)能夠直接判定淺層氣存在，ρ′為0.04時(shí)可判定淺層氣的埋深。當(dāng)含氣層厚度為3 m時(shí)，ρ′=0.034時(shí)能粗略反映含氣層的設(shè)置深度。當(dāng)含氣層厚度為5 m時(shí)，等值線圖中ρ′=0.06的曲線可以表示出含氣層的頂?shù)捉缑?。?dāng)含氣層厚度為10 m時(shí)，等值線圖中ρ′=0.13的曲線可以表示出含氣層的頂?shù)捉缑?。綜上，能與含氣區(qū)域良好吻合的等值線的值與含氣層厚度的1.2%相近，即ρ′=0.012h，h為含氣層厚度的值。

圖10為根據(jù)圖6(c)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的電阻率變化比剖面圖。從圖中可以看到，囊狀含氣區(qū)域的圖像特征與層狀含氣區(qū)域有所差別。當(dāng)含氣土電阻率為5 Ω·m時(shí)，圖10(a)中ρ′=0.014的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度，但與含氣區(qū)域的頂?shù)茁裆钣衅?。圖10(b)中ρ′=0.016的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度和頂?shù)茁裆?。?dāng)含氣土電阻率為6 Ω·m時(shí)，圖10(c)中ρ′=0.021的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度和底界埋深，圖10(d)中ρ′=0.025的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的寬度，ρ′=0.065的曲線能夠反映出含氣區(qū)域的底界埋深。綜上，等值線圖能夠較清晰的反映氣囊寬度。

圖9 層狀含氣土電阻率變化比等值線圖

圖10 囊狀含氣土電阻率變化比等值線圖

5 結(jié)論

(1)當(dāng)海水深度為10 m，含氣區(qū)域頂界埋深為15 m時(shí)，海面走航式電法探測(cè)剖面能夠有效區(qū)分出淺層氣的賦存形式是層狀還是囊狀，對(duì)含氣區(qū)域的不同電阻率和不同形狀均有不同反映，但對(duì)其賦存狀態(tài)并不能準(zhǔn)確有效判斷。

(2)處理后的電阻率變化比剖面可有效反映層狀含氣土的頂?shù)捉缑?，囊狀含氣土的寬度，進(jìn)而能夠反映出淺層氣厚度以及氣囊寬度的變化。其中當(dāng)含氣土與非含氣土的電阻率變化比與含氣層厚度值的1.2%相近時(shí)，對(duì)應(yīng)的等值線能夠與層狀含氣區(qū)域良好吻合，有效反映出含氣區(qū)域的底界埋深。

(3)淺水的走航式海洋電阻率法可作為識(shí)別淺層氣分布及變化的新型手段。