淺水域可控源海洋電磁測(cè)量中空氣波的漸近表達(dá)與波場(chǎng)分離方法

沈金松, 汪 軒，魏帥帥，李 曼

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249 2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 3.中國(guó)石油集團(tuán)公司物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

?

淺水域可控源海洋電磁測(cè)量中空氣波的漸近表達(dá)與波場(chǎng)分離方法

沈金松1,2,3, 汪 軒1，魏帥帥1，李 曼1

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249 2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 3.中國(guó)石油集團(tuán)公司物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

可控源海洋電磁(MCSEM)勘探中空氣波對(duì)海底電磁響應(yīng)的影響已為業(yè)界所重視，它是由水平電偶極子源發(fā)射的電磁信號(hào)沿空氣-海水界面?zhèn)鞑ヅc來(lái)自海底地層的有效信號(hào)相互作用產(chǎn)生的。在淺水域勘探時(shí)，空氣波淹沒(méi)來(lái)自地層的有效信號(hào)，使淺水域MCSEM實(shí)現(xiàn)油氣層識(shí)別產(chǎn)生困難?；趯訝罱橘|(zhì)模型，采用電磁場(chǎng)的模式分解理論導(dǎo)出了半空間電阻率模型的空氣波表達(dá)式，利用該式將空氣波在海水層的傳播近似用海水-空氣界面與海底地層之間的多次鳴震表達(dá)。結(jié)合源和接收器兩邊電磁場(chǎng)的傳播特征，導(dǎo)出了有限水深時(shí)空氣波近似關(guān)系，用于近似模擬空氣波響應(yīng)。為了對(duì)比不同方法壓制空氣波的效果，基于上行波場(chǎng)和下行波場(chǎng)的分解方法，獲得了含油氣高阻儲(chǔ)層上上行波的異常幅度增大數(shù)倍的結(jié)果，顯示了波場(chǎng)分解方法壓制空氣波的良好效果。最后，利用不含油氣層的背景模型和含油氣儲(chǔ)層模型電磁響應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，比較空氣波漸近表達(dá)和波場(chǎng)分離2種空氣波壓制方法可知：對(duì)于水平層狀模型后者效果更好；前者可適用于崎嶇海底地層的數(shù)據(jù)處理，后者只適用于水平海底地層。

淺水域；海洋可控源電磁勘探；鳴震近似；波場(chǎng)分離；空氣波壓制

0 引言

可控源海洋電磁(MCSEM)勘探實(shí)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層識(shí)別和描述的主要原理在于電磁能量在海底地層中傳播時(shí)遇到不同電阻率層表現(xiàn)出衰減和相位的差異[1-4]。油氣儲(chǔ)層電阻率比圍巖高幾到幾十倍，電磁能量在儲(chǔ)層中衰減較慢，因此，儲(chǔ)層中的電磁場(chǎng)幅度比圍巖中大[5-6]。然而，在淺水域?qū)嵤㎝CSEM勘探時(shí)，發(fā)射源在空氣-海水界面激發(fā)的空氣波在大偏移距的海底接收器響應(yīng)信號(hào)中占主導(dǎo)，使來(lái)自海底地層的有效信號(hào)淹沒(méi)于強(qiáng)空氣波信號(hào)中，難以區(qū)分高阻層地層引起的異常[7-8]。相應(yīng)地，在深水域，由于空氣波在海水層中的雙程衰減，對(duì)接收信號(hào)的影響可以忽略。因此，MCSEM方法在海洋油氣勘探中的成功應(yīng)用目前主要限于深水域(水深>300 m)[9-10]。

圖1給出了海洋電磁信號(hào)的基本傳播路徑和模式，其中的“空氣波”是受彈性波傳播的啟發(fā)，最初是由Chave和Cox[11]命名的，主要指由源到海水面垂直擴(kuò)散的信號(hào)產(chǎn)生、在空氣層以波的形式傳播、通過(guò)海水層擴(kuò)散返回海底的信號(hào)，它在空氣層傳播時(shí)幾乎沒(méi)有衰減。與深水域相比，在淺水域時(shí)接收器記錄的空氣波要強(qiáng)得多，這是淺水域海洋電磁勘探的困難所在。

圖1 水平電偶極子源發(fā)射低頻電磁波在海水表面、水中和海底地層傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of propagation paths of low-frequency electromagnetic wave emitted from a horizontal electric dipole to the sea surface, seawater and undersea stratum

關(guān)于“空氣波”性質(zhì)的研究，早在50年前Wait[12]就曾論述過(guò)，后來(lái)Baos[13]、Bannister[14]和King等[15]也已開(kāi)展過(guò)研究，只是他們沒(méi)有用“空氣波”的名稱而已，他們將之稱為“側(cè)面波”并給出了半空間水層之上空氣層中的空氣波表達(dá)式。近年來(lái)，Constable等[1]、MacGregor等[4]、L?seth等[16]基于層狀介質(zhì)的TE(橫電)和TM(橫磁)模式分解理論，分析了空氣波產(chǎn)生的機(jī)制和影響大小。Um等[5]用電流密度剖面分析了不同海水深度上空氣波能量占主導(dǎo)的臨界偏移距位置，得到了垂直電場(chǎng)分量不受空氣波影響的重要認(rèn)識(shí)。Ziolkowski等[17]提出了時(shí)間域的信號(hào)分離等多種壓制空氣波方法。Amundsen等[8]基于“空氣波”的波動(dòng)性質(zhì)，將接收的電磁信號(hào)分離為上行和下行的電磁波場(chǎng)，通過(guò)去除下行波場(chǎng)實(shí)現(xiàn)空氣波的壓制。Lu等[18]提出了應(yīng)用數(shù)值模擬的方法估計(jì)空氣波信號(hào)，再?gòu)慕邮招盘?hào)中減去的方法，減弱空氣波的影響。國(guó)內(nèi)，殷長(zhǎng)春等[19]、沈金松等[20]和劉長(zhǎng)勝等[21]基于一維層狀介質(zhì)的電磁場(chǎng)響應(yīng)，分析了空氣波隨水深變化對(duì)接收器響應(yīng)的影響和相應(yīng)的壓制方法。

本研究基于電磁場(chǎng)的模式分解理論導(dǎo)出海底接收信號(hào)中空氣波與空氣層、海水層、海底地層的相互作用關(guān)系，用空氣波產(chǎn)生的物理機(jī)制解釋空氣波與海底地層信號(hào)的復(fù)雜耦合特征。在Nordskag等[22]研究的基礎(chǔ)上，利用有限水深模型，建立空氣波在海底地層和海水界面之間交混回響衰減模式，導(dǎo)出有限水深時(shí)空氣波分量的近似表達(dá)式，構(gòu)建模擬電磁場(chǎng)相減壓制空氣波的方法。同時(shí)，還依據(jù)Amundsen等[8]的波場(chǎng)分離方法，推導(dǎo)海洋電磁測(cè)量數(shù)據(jù)的上行和下行波場(chǎng)分離關(guān)系，討論對(duì)剖面數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)空氣波壓制的效果。通過(guò)層狀背景模型和高阻含油氣儲(chǔ)層模型的模擬數(shù)據(jù)比較2種空氣波壓制方法的效果，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 電磁場(chǎng)基本方程

由頻率域Maxwell方程，低頻水平電偶極子(HED)的電磁場(chǎng)可表示為[23]

,

在層狀均勻介質(zhì)中，方程(1)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可分解為橫電和橫磁2種模式及相應(yīng)的矢量位函數(shù)表示[20,23]：

ETE=-(

其中：ETE、ETM和HTE、HTM分別表示橫電(TE)和橫磁(TM)模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度；F和A為2種模式對(duì)應(yīng)的位函數(shù)。F和A滿足如下非均勻Helmholtz方程[23]：

對(duì)于圖2所示的無(wú)限水深單界面的情況，若以海水-空氣界面為z=0，向下為正，利用電磁場(chǎng)連續(xù)性條件，即可求得海水層中HED源激發(fā)的空氣和海水層中的電磁位[20]：

圖2 無(wú)限水深MCSEM分析介質(zhì)模型Fig.2 Model of infinite water depth for MCSEM analysis

2 海水半空間模型中空氣波的漸近表達(dá)式

為更好地分析源信號(hào)與空氣界面、海水層的相互作用，以半空間海水層模型(圖2)的電場(chǎng)徑向分量為例對(duì)空氣波的表達(dá)式進(jìn)行分析。根據(jù)式(6)——式(9)，TM和TE兩種模式的徑向電場(chǎng)分量可表示如下[20]：

式中：k0≈0m-1；k1=(iωμ0σ1)1/2；ω是圓頻率；θ是源的方位角；zs和zr分別為源和接收器的深度。

3 有限水深模型中空氣波的近似表達(dá)與壓制

3.1 有限水深模型中空氣波的多次鳴震近似

基于遠(yuǎn)場(chǎng)近似關(guān)系式(13)知道，在半空間海水層的情況下，空氣波主要與4個(gè)因素相關(guān)，即海水層的電導(dǎo)率σ1、源與接收器的深度zs和zr，以及源與接收器之間的偏移距ρ。對(duì)于有限水深，Bannister[14]對(duì)側(cè)面電磁波的研究表明，水平電偶極子源的TE模式分量基本由源垂直向上傳播，在海水與空氣界面感應(yīng)產(chǎn)生空氣波，在海底地層和海水界面之間形成一系列快速衰減的交混回響信號(hào)。同樣，由源激發(fā)的垂直向下傳播的TE模式信號(hào)到達(dá)海底也形成向上反射的交混回響衰減信號(hào)。類似地，在接收器一側(cè)，最初垂直向下的TE模式信號(hào)在海底地層和海水面之間也發(fā)生交混回響。然而，由于海水層電導(dǎo)率較大，其趨膚深度較小，在海水層中對(duì)空氣波分量有較大貢獻(xiàn)的交混回響次數(shù)不會(huì)太大。因此，對(duì)于有限水深的空氣波傳播，筆者從發(fā)射器一側(cè)、海水空氣界面和接收器一側(cè)3個(gè)路徑上電磁信號(hào)的傳播和交混回響來(lái)分析。

圖3給出了源激發(fā)的空氣波在海水和海底界面之間反射的示意圖。海水的電導(dǎo)率為σ1，深度為zb處海底地層的電導(dǎo)率為σ2。圖3a給出由zs源處激發(fā)向上擴(kuò)散的信號(hào)到達(dá)z=0處的海水面。由式(13)第一個(gè)指數(shù)項(xiàng)，發(fā)射器一側(cè)的影響可以近似地表示為[24]

式中，復(fù)波數(shù)k1決定了信號(hào)的衰減。

a.來(lái)自源的初始上行波場(chǎng)；b, c.由初始上行波場(chǎng)感應(yīng)的多次交混回響；d.初始下行波場(chǎng)和海底反射在海水面感應(yīng)的空氣波；e,f.由下行波場(chǎng)誘發(fā)的多次交混回響。圖3 源側(cè)反射和交混回響信號(hào)Fig.3 Signals of the reflection and reverberation near the source side

圖3d為源產(chǎn)生的信號(hào)向下擴(kuò)散再在海底反射向上傳播，并在海水面誘發(fā)空氣波。參考式(14)在z=0處的空氣波可用下式近似：

圖3b和圖3c給出了圖3a中描述的向上傳播的源信號(hào)在空氣波產(chǎn)生前所發(fā)生的一次或二次鳴震，對(duì)應(yīng)的近似關(guān)系分別為[24]：

同樣，圖3e和圖3f給出了圖3d中最初向下傳播的源信號(hào)在產(chǎn)生空氣波前發(fā)生了一次或二次鳴震，對(duì)應(yīng)的關(guān)系分別為[24]：

exp(-ik1zs)·R·

exp(-ik1zs)·R·

空氣波交混回響過(guò)程的無(wú)限持續(xù)所形成的總信號(hào)為[7,24]

其中，

S={1+R·exp[2ik1(zb-zs)]}[1+R·

exp(2ik1zb)+R2·exp(4ik1zb)+…+

Rn·exp(2nik1zb)+…]={1+R·

exp[2ik1(zb-zs)]}/{1-R·exp(2ik1zb)} 。

S是一個(gè)濾波器，它表示源一側(cè)產(chǎn)生的所有空氣波分量。兩個(gè)花括號(hào)中的項(xiàng)依次代表來(lái)自源的初始信號(hào)和海底反射信號(hào)。

類似地，圖4中給出了空氣波分量由海底反射和鳴震在接收器一側(cè)的改造作用。在圖4a中，空氣波分量到達(dá)zr處的接收器；然后，它在海底反射又回到接收器。這一過(guò)程可以近似地描述為[24]

圖4b和圖4c分別考慮海水層中的一次和二次鳴震，其數(shù)學(xué)表達(dá)為[24]

exp(-ik1zr){1+R·

exp(-ik1zr){1+R·

最后，考慮無(wú)限多次鳴震的衰減，接收器一側(cè)的反射和鳴震級(jí)數(shù)可表示為[24]

對(duì)于有限水深模型的空氣波，除了式(13)中的項(xiàng)外，還包括了源一側(cè)和接收器一側(cè)的反射和鳴震：

方程(25)假設(shè)了HED源激發(fā)的TE模式場(chǎng)最初是在海水層中垂直向上和向下傳播的，且也在海水層中激發(fā)一系列垂直傳播并以指數(shù)形式衰減的反射和鳴震級(jí)數(shù)，每個(gè)TE模式分量在海水表面誘發(fā)幅度逐漸衰減的空氣波分量。在接收器一側(cè)，也發(fā)生與源一側(cè)類似的反射和鳴震。

a.接收器記錄的來(lái)自空氣波的下行波場(chǎng)和海底反射；b,c.接收器一側(cè)經(jīng)過(guò)多次鳴震改造的空氣波下行波場(chǎng)和海底反射。圖4 接收器一側(cè)反射和交混回響信號(hào)Fig.4 Signals of the reflection and reverberation near the receiver side

3.2 崎嶇海底和海水電導(dǎo)率橫向變化模型中空氣波的近似

設(shè)源一側(cè)的水深為zbs，海底的反射系數(shù)為Rs：

式中：σ1s為源位置海水的電導(dǎo)率；σ2s為zbs處海底地層的電導(dǎo)率。將Rs代入式(20)中的S[7,22,24]：

同樣，在接收器一側(cè)，若海水深為zbr及海底反射系數(shù)為Rr：

式中：σ1r為接收器位置海水的電導(dǎo)率；σ2r為zbr處海底地層的電導(dǎo)率。用zbr和Rr代替方程(24)中的zb和R，可以得到新的R[24]：

利用式(26)和式(27)的修正關(guān)系，可在源和接收器附近為局部平坦崎嶇海底(圖5)實(shí)現(xiàn)空氣波壓制。它在除海底反射外局部崎嶇區(qū)域不發(fā)生較大散射時(shí)，可以較好地模擬崎嶇海底的空氣波。需要注意的是，前文分析的鳴震近似方法主要考慮了發(fā)射和接收機(jī)附近電性分布變化的影響，同時(shí)在式(26)和式(27)中也考慮了源和接收器處的海水深度變化，但沒(méi)有考慮發(fā)射接收間距較大情況下電性變化和海底起伏較大時(shí)對(duì)空氣波的影響，這也是本方法有待改進(jìn)的致命缺陷之一。

圖5 源和接收器在深度存在較大差異的崎嶇海底Fig.5 Rugged seabed model with different depth levels of source and receiver positions

3.3 鳴震近似關(guān)系空氣波壓制效果

為分析前述空氣波近似關(guān)系(式(27))的空氣波壓制效果，利用有限水深模型(圖6a)計(jì)算的近似空氣波的可探測(cè)性與無(wú)限水深模型(圖6b)進(jìn)行對(duì)比，分析交混回響近似。

a.100 m水深五層和三層模型；b.15 000 m水深五層和三層模型。圖6 空氣波壓制效果模型示意圖Fig.6 Models for indication of the air wave mitigation effect

圖6a中左右兩模型的差異為儲(chǔ)層的有無(wú)：左圖是五層模型，存在一層電導(dǎo)率為0.02 S/m的儲(chǔ)層；右圖是三層模型，無(wú)儲(chǔ)層。圖6b中兩模型與圖6a的差異為海水層的厚度，圖6b中兩模型海水深度都為15 000 m，用于近似模擬無(wú)限水深模型，計(jì)算無(wú)空氣波時(shí)的電場(chǎng)幅度。

a.水深100 m；b.五層模型。圖7 鳴震近似壓制空氣波結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of the air wave mitigation results by using reverberation approximate expression

圖7a給出了100 m水深時(shí)五層模型和三層模型的原始電場(chǎng)徑向分量曲線與鳴震近似關(guān)系壓制空氣波后的電場(chǎng)徑向分量曲線。由圖7a看到：2種模型測(cè)量的原始數(shù)據(jù)(未壓制)只在4 000～6 000 m的偏移距上出現(xiàn)微小的幅度差，顯示了油氣儲(chǔ)層的存在；用鳴震近似關(guān)系壓制后，電場(chǎng)幅度在3 000～5 000 m的偏移距上得到微小提升。

圖7b給出了五層模型在15 000、100 m水深時(shí)的原始電場(chǎng)響應(yīng)與鳴震近似關(guān)系壓制空氣波后100 m水深的標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)幅度曲線(分別用各自的三層模型標(biāo)準(zhǔn)化)。從圖7b中看出：由于空氣波的影響，水深100 m時(shí)，原始電場(chǎng)曲線(未壓制)難以顯示油氣儲(chǔ)層，而經(jīng)過(guò)鳴震近似關(guān)系壓制空氣波后，在3 000～5 400 m的偏移距上顯示了小幅度提升，但在5 400～10 000 m又呈現(xiàn)小幅度下降，該空氣波壓制方法效果仍有待改善；將水深100 m鳴震近似后的標(biāo)準(zhǔn)化幅度曲線與水深15 000 m的原始電場(chǎng)響應(yīng)(未壓制)的標(biāo)準(zhǔn)化幅度曲線對(duì)比知道，前文實(shí)現(xiàn)的鳴震近似空氣波壓制方法仍然難以較好地消除空氣波的影響，這主要是由于前文的鳴震近似方法未考慮占比較大的非垂直傳播散射場(chǎng)的影響。

4 上行波與下行波分離及空氣波壓制方法

4.1 散射電磁波的上行與下行波場(chǎng)分離

前文的鳴震近似壓制空氣波的方法主要將空氣波的傳播近似看成海水層中垂直傳播和空氣層中的測(cè)量傳播的波場(chǎng)，這是將散射場(chǎng)近似成波場(chǎng)的考慮方法。類似地，將散射場(chǎng)近似看成向上和向下衰減的波場(chǎng)，L?seth等[25]和Andréis等[26]提出了將接收器記錄的散射場(chǎng)分解成上行和下行衰減場(chǎng)，進(jìn)而壓制空氣波的方法。下面以他們[25-26]的波場(chǎng)分解理論為基礎(chǔ)，分析上行和下行散射場(chǎng)分解壓制空氣波的方法。

假設(shè)接收器記錄的電磁響應(yīng)是在某個(gè)電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為已知常數(shù)的平面上獲得的，設(shè)x=(x1,x2,x3)=(x,y,z)，記深度軸向下為正，與式(1)相似，各向同性無(wú)源介質(zhì)中電磁場(chǎng)方程(1)退化為[27-28]

×E=-iωμH ,

其中：

Eh=(E1,E2)T，Hh=(-H2,H1)T。

為了導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系以及它們與上行和下行分量之間的關(guān)系，需要找出系統(tǒng)矩陣A的特征函數(shù)，即如下方程的解：

其中：λN是特征值；而lN是對(duì)應(yīng)λN的特征向量。4個(gè)特征值之間有如下關(guān)系：

它們可以組合成4×4的對(duì)角陣：

Λ=diag[λ1,λ2,λ3,λ4]=

類似地，將特征向量作為列向量也可以形成4×4的矩陣：

那么方程(31)的特征解可表示為

在介質(zhì)空間的均勻區(qū)域，系統(tǒng)矩陣A是常數(shù)，從而特征矢量矩陣L與x3無(wú)關(guān)。對(duì)于電磁場(chǎng)矢量b的一階微分方程(29)可以轉(zhuǎn)化成下面的一階微分方程：

引入4×1的列向量w=L-1b，方程(36)對(duì)每個(gè)w元素變?yōu)閷?duì)上行波場(chǎng)和下行波場(chǎng)解耦的微分方程，分別代表2個(gè)上行波場(chǎng)和2個(gè)下行波場(chǎng)的微分方程。因此,w中的元素代表了上行波和下行波場(chǎng)。對(duì)特征向量作如下標(biāo)準(zhǔn)化可以得到

其中，L-1的作用是將電磁場(chǎng)矢量分解成上行波和下行波分量，因此，L-1稱為分解矩陣。

事實(shí)上，分解只是物理變量的簡(jiǎn)單線性變換，它是一個(gè)穩(wěn)定的計(jì)算過(guò)程。由b=Lw知道，L的作用是將上行和下行衰減場(chǎng)分量組合成電磁場(chǎng)矢量，L稱為組合矩陣。在波動(dòng)理論中，λN代表相位慢度，lN表示極化矢量[29]，將電磁場(chǎng)矢量分解成上行和下行衰減場(chǎng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

4.2 電磁波場(chǎng)分離壓制空氣波的效果

a.水深100 m；b.五層模型。圖8 上行波和下行波分離壓制空氣波結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of the air wave mitigation results by using decomposition of up going and down going wave fields

為了考察電磁波場(chǎng)分離壓制空氣波的效果并與前文的鳴震近似壓制空氣波效果對(duì)比，這里仍然沿用圖6a所示的層狀介質(zhì)模型。偶極子源發(fā)射0.25 Hz的正弦波。

2種模型下，利用一維頻域模擬算法計(jì)算得到的E1幅度曲線如圖8a所示。從圖8a看到:2種模型測(cè)量的原始數(shù)據(jù)(未壓制)只在3 000～6 500 m的偏移距上出現(xiàn)微小的幅度差，顯示了油氣儲(chǔ)層存在；上、下行波場(chǎng)分離與空氣波壓制后，電場(chǎng)幅度在空氣波較強(qiáng)的大偏移距上得到一定提升。

圖8b給出了五層模型在15 000、100 m水深的原始電場(chǎng)響應(yīng)(未壓制)與水深100 m時(shí)上下行波分離壓制后的標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)幅度曲線。從圖8b中看出：水深100 m時(shí)，由于空氣波的影響，原始電場(chǎng)曲線(未壓制)難以顯示油氣儲(chǔ)層，而經(jīng)過(guò)下行波分離和壓制后，上行波場(chǎng)幅度有所提升;在3 000～8 500 m的偏移距上顯示了小幅度異常，顯示了油氣儲(chǔ)層的存在。然而，將水深100 m時(shí)上下行波分離壓制后的標(biāo)準(zhǔn)化幅度曲線與水深15 000 m時(shí)原始電場(chǎng)(未壓制)的標(biāo)準(zhǔn)化幅度曲線對(duì)比可知，前文描述的上行、下行波場(chǎng)分離的空氣波壓制方法仍然難以完全壓制空氣波的影響。這主要是由于前文的分離方法難以將與地下地層信號(hào)相互耦合的空氣波影響消除，而且這些影響在空氣波響應(yīng)中占較大比重。

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

基于Maxwell方程和模式分解理論導(dǎo)出了無(wú)限水深時(shí)空氣波的完整表達(dá)式，據(jù)此分析了空氣波的作用機(jī)理和近似表達(dá)式。由無(wú)限水深空氣波的完整表達(dá)式知道，在MCSEM測(cè)量中空氣波分量主要來(lái)自于HED源場(chǎng)的TE模式，它幾乎從源垂直向上及向下傳播；在海水面，上行波信號(hào)產(chǎn)生空氣波，在海水面和海底之間激發(fā)一系列快速衰減的鳴震信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)在海水面又激發(fā)額外的空氣波信號(hào)。從激發(fā)源一側(cè)和接收器一側(cè)空氣波反射和鳴震的近似數(shù)學(xué)表達(dá)出發(fā)，建立了層狀介質(zhì)和崎嶇海底的空氣波近似耦合關(guān)系，給出了可用于崎嶇海底空氣波近似分析的方法。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，鳴震近似空氣波模擬方法，只是模擬了垂直入射和反射的空氣波部分，它們只占空氣波中的極小比例，因此，空氣波壓制效果不甚理想，若期望進(jìn)一步改善效果，只有考慮所有非垂直入射和與地下地層信號(hào)耦合的多次空氣波才可能實(shí)現(xiàn)。另外，基于電磁場(chǎng)上行波和下行波分解的方法，雖然從理論上可以較好地壓制空氣波，但數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該方法對(duì)空氣波壓制及提升有效信號(hào)的比例仍然有限。這主要是由于上行波場(chǎng)中仍然包含很大部分空氣波與地層信號(hào)相互干涉的多次波場(chǎng)。對(duì)比文中2種壓制空氣波方法的應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)際測(cè)量的情況，研究如何分離及消除空氣波與地層信號(hào)相互干涉的多次波場(chǎng)，而盡可能不損傷地層有效信息的壓制空氣波的方法，才是解決淺水域MCSEM勘探的根本出路。

[1] Constable S, Weiss C J. Mapping Thin Resistors and Hydrocarbons with Marine EM Methods: Insights from 1D Modeling[J]. Geophysics, 2006, 71(2): 43-51.

[2] Eidesmo T, Ellingsrud S, MacGregor L M, et al. Sea Bed Logging (SBL): A New Method for Remote and Direct Identification of Hydrocarbon Filled Layers in Deepwater Areas[J]. First Break, 2002, 20(3):144-152.

[3] Ellingsrud S, Eidesmo T, Johansen S, et al. Remote Sensing of Hydrocarbon Layers by Sea Bed Logging-SBL: Results from a Cruise Offshore Angola[J]. The Leading Edge, 2002, 21(10):972-982.

[4] MacGregor L M, Thomkins M, Andreis D. Electromagnetic Surveying for Hydrocarbon Reservoirs: U K,20050077902[P]. 2005-04-14.

[5] Um E S, Alumbaugh D L. On the Physics of the Marine Controlled-Source Electromagnetic Method[J]. Geophysics, 2007, 72(2): 13-26.

[6] Chave A D, Constable S C, Edwards R N. Electrical Exploration Methods for the Seafloor[C]//Nabighian M N.Electromagnetic Methods in Applied Geophy-sics. Tulsa: Society of Exploration Geophysicists, 1991:931-966.

[7] Chen J, Alumbaugh D L. Three Methods for Mitigating Airwaves in Shallow Water Marine Controlled-Source Electromagnetic Data[J]. Geophysics, 2011, 76(2): 89-99.

[8] Amundsen L, L?seth L, Mittet R, et al. Decomposition of Electromagnetic Fields into Up Going and Down Going Components[J].Geophysics,2006, 71(5):211-223.

[9] Constable S. Ten Years of Marine CSEM for Hydrocarbon Exploration[J]. Geophysics, 2010, 75(5):7567-7581.

[10] Maa? F A, Nguyen A K. Enhanced Subsurface Response for Marine CSEM Surveying[J]. Geophysics, 2010,75(3):7-10.

[11] Chave A D, Cox C S. Controlled Electromagnetic Sources for Measuring Electrical Conductivity Beneath the Oceans: 1: Forward Problem and Model Study[J]. Journal of Geophysical Research, 1982, 87(B7): 5327-5338.

[12] Wait J R. The Electromagnetic Fields of a Horizontal Dipole in the Presence of a Conducting Half-Space[J]. Canadian Journal of Physics, 1961, 39(7):1017-1027.

[14] Bannister P R. New Simplified Formulas for ELF Sub-surface-to-Subsurface Propagation[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1984, 9(3):154-163.

[15] King R W P, Owens M, Wu T T. Lateral Electromagnetic Waves: Theory and Applications to Communications, Geophysical Exploration, and Remote Sensing[M]. Newyork: Springer-Verlag Inc,1992.

[16] L?seth L O, Amundsen L, Jenssen A J K. A Solution to the Airwave-Removal Problem in Shallow-Water Marine EM[J]. Geophysics, 2010, 75(5):37-42.

[17] Ziolkowski A, Wright D. Removal of the Airwave in Shallow Marine Transient EM Data[C]// 77th Annual International Meeting. San Antonio: Society of Exploration Geophysicists, 2007:534-538.

[18] Lu X, Srnka L J, Carazzone J J. Method for Removing Air Wave Effect from Offshore Frequency Domain Controlled-Source Electromagnetic Data: U S, O2005/010 560A1[P].2005-10-20.

[19] 殷長(zhǎng)春，劉云鶴，翁愛(ài)華，等, 海洋可控源電磁法空氣波研究現(xiàn)狀及展望[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版， 2012，42(5)，1506-1520. Yin Changchun, Liu Yunhe, Weng Aihua, et al. Research on Marine Controlled Source Electromagnetic Method Airwave[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition, 2012, 42(5):1506-1520.

[20] 沈金松, 詹林森, 王鵬飛, 等.可控源海洋電磁勘探中空氣波影響的理論分析和數(shù)值模擬[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2012, 55(7):2473-2488. Shen Jinsong, Zhan Linsen, Wang Pengfei, et al. Theoretic Analysis and the Numerical Simulation of the Effects of the Air Wave Interaction on the Marine Controlled Source Electromagnetic Exploration[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(7): 2473-2488.

[21] 劉長(zhǎng)勝, 林君. 海底表面磁源瞬變響應(yīng)建模及海水影響分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2006, 49(6): 1891-1898. Liu Changsheng, Lin Jun. Transient Electromagnetic Response Modeling of Magnetic Source on Seafloor and the Analysis of Seawater Effect[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2006, 49(6):1891-1898.

[22] Nordskag J I, Amundsen L, Ursin B. Decomposition of Marine Electromagnetic Fields into TE and TM Modes for Enhanced Interpretation[C]//EGM International Workshop. [S. l.]: EGM, 2007.

[23] Ward S H, Hohmann G W. Electromagnetic Theory for Geophysical Applications[C]//Ward H S, Hohmann W G. Electromagnetic Methods in Applied Geophysics. [S.l.]:SEG, 1988:131-311.

[24] Weiss C J. The Fallacy of the Shallow-Water Problem in Marine CSEM Exploration[J]. Geophysics, 2007, 72(6): 93-97.

[25] L?seth L O, Pedersen H M, Schaug-Pettersen T, et al. A Scaled Experiment for the Verification of the Seabed Logging Method[J]. Journal of Applied Geophysics, 2007, 64(3/4):47-55.

[26] Andréis D, MacGregor L. Controlled-Source Electromagnetic Sounding in Shallow Water: Principles and Applications[J]. Geophysics, 2008, 73(1):21-32.

[27] Ziolkowski A. Developments in the Transient Electromagnetic Method[J]. First Break, 2007, 25(6): 99-106.

[28] Mittet R. Normalized Amplitude Ratios for Frequency-Domain CSEM in Very Shallow Water[J]. First Break, 2008, 26(11):47-54.

[29] Wapenaar K, Slob E, Snieder R. Seismic and Electromagnetic Controlled-Source Interferometry in Dissipative Media[J]. Geophysical Prospecting, 2008, 56(3): 419-434.

Methods of Air Wave Approximation and Decomposition for Marine Controlled Source Electromagnetic Measurements in Shallower Water Domain

Shen Jinsong1,2,3, Wang Xuan1, Wei Shuaishuai1, Li Man1

1.FacultyofGeophysicsandInformatics,ChinaPetroleumUniversity(Beijing)，Beijing102249，China2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,Beijing102249,China
3.CNPCKeyLabofGeophysicalExploration,Beijing102249，China

In marine controlled-source electromagnetic (MCSEM) exploration, the influence on the EM response of the airwave has been paid great attention by the industry and the air wave is one kind of EM signal from the horizontal electric dipole (HED) source that is reflected from or travels along the air-sea interface and return back to receivers. In shallow water domains, the airwave dominates over the effective signal from seabed sediments, and makes it very difficult to identify the hydrocarbon reservoirs. On the basis of the layer model, we have derived airwave expression of half space resistivity model by using the mode decomposition theory of the EM field and the air wave in the sea water layer is approximately expressed as a series of wave reverberations that travel down and backward between the sea surface and the seabed. According to the propagations of EM field near sources and receivers, we have obtained airwave expression of a finite water layer. In order to compare the effectiveness of the various air wave mitigation methods, we have adopted the decomposition method of EM fields into upgoing and downgoing components, and have acuired larger anomaly of several times than that of the raw EM field above the resistive formation, and indicated the favorable effect of airwave attenuation by using of wave separation. Finally, simulation results of electromagnetic responses from different background and reservoir models have been used to check the effectiveness and adaptability of the two air wave mitigation methods of wave reverberations approximation and wave field decomposition, numerical results show that for model of horizontal layers, the latter is more effective, however, the former is applicable to rugged sea floor formation and the latter only fits for horizontal layers.

shallower water domain; marine controlled-source electromagnetic exploration; wave reverberations approximation; air wave separation; air wave mitigation

10.13278/j.cnki.jjuese.201501302.

2014-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374141)；國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB228605)

沈金松(1964——)，男，研究員，博士，主要從事地球物理測(cè)井及電磁探測(cè)理論方法和應(yīng)用研究，E-mail:shenjinsong@cup.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501302

P631.3

A

沈金松，汪軒，魏帥帥，等. 淺水域可控源海洋電磁測(cè)量中空氣波的漸近表達(dá)與波場(chǎng)分離方法.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(1):282-292.

Shen Jinsong, Wang Xuan, Wei Shuaishuai, et al. Methods of Air Wave Approximation and Decomposition for Marine Controlled Source Electromagnetic Measurements in Shallower Water Domain.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):282-292.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501302.