浅水条件下浅层气走航式海洋电阻率法探测结果模拟分析❋

任子茵， 郭秀军，2❋❋， 吴景鑫

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100；2.山东省海洋环境地质工程重点实验室， 山东 青岛 266100)

近海浅层气指近海浅地层内聚集的气体，是一种海洋地质灾害类型[1]。近海浅层气通常为生物成因，形成后经过一定时期的运移与聚集，以层状浅层气、团块状浅层气、高压气囊、气底辟等形式存在于海底[2]。广泛分布的浅层气如同“定时炸弹”埋藏于海底，对海洋工程安全造成极大危害。沉积物中含气量的增加会引起土体膨胀，孔隙压力增大，有效应力降低，从而破坏土体骨架结构，增大土的压缩性，降低土体抗剪强度[3]。

地层中聚集的气体会显著改变沉积物声学特性，据此开展的海底声学和地震探测是当前浅层气勘查的主要方法[4]。但当声波能量被含气层吸收或全反射时，会在波形图像上形成一个内部层反射不可见的声空白带，形成“声学探测盲区”[5]。此外，探测结果易受沉积物类型、粒度的影响，形成与浅层气类似的散射与反射特征，也会对图像解译带来干扰。

实际上，岩土体充气后不仅声学性质发生变化，其导电性也会相应变化[6]。基于这种物性变化基础，电阻率成像技术在陆域浅层气探测与监测中已有诸多应用。比如，德国UFZ环境研究中心的Schütze等在捷克Cheb盆地用二维电阻率成像技术对地层中二氧化碳运移和储存情况进行监测，实现了小范围内变化过程的描述[7]。2016年，美国罗格斯州立大学的Terry等人用三维电阻率成像技术识别积累气体的空间分布并推断气体迁移过程，对深泥炭层几米内发生的原位动态变化过程进行了准确描述[8]。此外，美国加利福尼亚大学的Breen等还利用二维模型试验研究了二维电阻率成像技术对浅层气空间分布的描述能力及对含气饱和度的估算能力[9]。原位实验及模型试验均证明，电阻率成像技术可克服声学技术探测盲区，实现对浅层气空间分布的有效探测和含气饱和度估算。需要指出的是，目前尚未检索到电阻率成像技术用于海底浅层气调查的实例。

高导电率海水的“屏蔽效应”使海洋直流电场大部分在海水中耗尽，仅有少量电流进入沉积物，电场分布特征与陆域环境大不相同。虽然海洋电学探测难度远大于陆域，但近年来已得到较大发展。水面走航式电阻率法是指将多电极电缆置于水面开展连续走航式探测，已在咸水湖盐度划分[10]、沉积层调查[11-13]、咸淡水交界面调查[14]、水库渗漏调查[15]等领域成功应用。此方法主要适用于20 m以浅的水环境，可以探测一定深度以内(探测深度与多电极电缆长度有关)沉积层电阻率分布，在近海浅层气空间分布调查中具有应用前景。

本文以舟山火山列岛海域浅层气分布区为研究区，根据电测井资料分别构建不同埋深和尺寸的气层、气囊地电模型，进行水面走航式电阻率法探测结果正反演计算，并对计算结果进行对比分析，评价水面走航式电阻率法对近海浅层气的探测能力。

1 浅层气地电模型构建

1.1 研究区选取

选定的研究区位于舟山市岱山县火山列岛海域，如图1所示。2015年浙江省水文地质工程地质大队开展的“舟山群岛新区海岸带综合地质调查与监测”项目发现海域普遍分布海底浅层气，浅层气顶界埋深在2～30 m左右，大部分在十几米以内。

1.2 浅层气地电模型构建

根据浙江省水文地质工程地质大队2017年钻孔和电测井资料，本文选取其中三组电测井资料为依据构建相应的沉积物地电模型(见图2)。

图1 调查区及钻孔位置

图2 YS3、YS5、YS6电测井资料及相应地电模型

为分析海洋电阻率法对不同产状浅层气的探测能力，在初始模型基础上，构建多种产状地电模型进行数值模拟，分别为不同含气量层状浅层气模型、同一埋深不同厚度层状浅层气模型和同一埋深不同宽度不同含气量气囊模型。具体参数为：海水深度设为10 m，顶界埋深15 m，含气层厚度3～10 m，小气囊宽度16 m，大气囊宽度68 m，气囊厚度为5 m。海水电阻率取0.3 Ω·m，非含气土电阻率取4.5 Ω·m，含气土取5～6 Ω·m不等，具体地电模型如图3所示。

2 数值模拟计算

2.1 数据采集设定

海面走航式海洋电阻率法测量时将电极系拖曳在母船尾部，漂浮在海面。电极材料以石墨和不锈钢为主。母船上配有数据采集主机、DGPS、回声测深仪等系统。DGPS能够实现导航，定位母船的实时地理位置。母船下部安置的回声测深仪则能够探测剖面不同位置水深。航行过程中电极系上的A、B供电极连续供电，其他电位极(M1、M2、…、M9)同步并行采集，实现电阻率剖面测量(见图4)。数值计算时装置选用常用的偶极装置，分别设计了两套装置参数：4 m极距，60极电极；2 m极距，120极电极。虽然这种设置方式和实际采集时形成剖面的方式不同，但对地下目标体的反映能力相同。

图3 不同赋存状态浅层气地电模型

图4 海面走航式探测示意图

2.2 数值计算方法

正演计算采用有限差分法，计算时四剖分单位极距，输入与沉积物模型相符的数据文件，设置干扰噪音。反演计算采用抑制平滑度的最小二乘法，计算时将初始阻尼系数设置为0.15，最小阻尼系数设为0.02，进行6次迭代，均方根误差控制在0.5%以内。反演完成后读取数据，保存为带坐标的文本文件。实际计算时前者采用RES2DMOD软件实现，后者采用RES2DINV软件实现。

3 数值计算结果分析

3.1 不同厚度层状浅层气电剖面特征

图5为不同含气量、不同厚度层状浅层气探测电阻率剖面，其中图5(a)为正演设置的模型，图5(b)采用4 m极距，60极电极的装置参数，图5(c)采用 2 m极距，120极电极的装置参数，每组具有相同的比色刻度尺。

图5(b)显示含气土层厚3 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为4.8 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.76 Ω·m的等值线相吻合。含气土层厚5 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为4.9 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.82 Ω·m的等值线相吻合。含气土层厚10 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为5.1 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.96 Ω·m的等值线相吻合。当含气区电阻率与未含气地层电阻率比值不小于1.22，层厚不小于5 m时，底界埋深在电剖面图上能够被识别，含气区电阻率与未含气地层电阻率比值不小于1.33时识别效果较好。

图5(c)显示含气土层厚3 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为4.82 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.7 Ω·m的等值线相吻合。含气土层厚5 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为4.92 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.82 Ω·m的等值线相吻合。含气土层厚10 m时，探测剖面中含气层顶界埋深与电阻率为5.13 Ω·m的等值线相吻合，底界埋深与电阻率为4.82 Ω·m的等值线相吻合。当含气区电阻率与未含气地层电阻率比值不小于1.22，层厚不小于5 m时，底界埋深在电剖面图上能够被识别，含气区电阻率与未含气地层电阻率比值不小于1.33时识别效果较好。

3.2 不同尺寸气囊电剖面特征

图6为不同尺寸气囊探测电阻率剖面，分别设计了两套装置参数：图6(b)4m极距，60极电极；图6(c) 2 m极距，120极电极。图6显示虽然不同宽度气囊探测电剖面特征不同，但电剖面图并不能直接清晰的反映出气囊宽度。

图5 层状含气土电阻率剖面图

图6 囊状含气土电阻率剖面图

4 问题讨论

从数值模拟结果来看，通过选择不同的等值线间隔，可以找到与设置埋深相符的等值线值，但埋深与等值线值的规律不明显。从图像上直接观察来看，一定条件下，探测电阻率剖面可以反映出含气区域的底界埋深，但并不能直接反映出含气层的顶界埋深和分布尺寸，这与海水层的屏蔽作用和地层背景影响相关[16]。为消除两者的影响，提高探测数据的分辨能力，设含气沉积物电阻率为ρ1，原始沉积物电阻率为ρ2，令ρ′=(ρ1-ρ2)/ρ2，称为电阻率变化比，需要指出的是变化比可能为负值。

图7为根据图5(b)模拟数据计算的电阻率变化比剖面图，图中用黑色虚线框表示出设置的含气区域，此时选取的装置参数为4 m极距，60 m极电极。从图中可以看到，含气层含气量变化时，电阻率比也相应变化，ρ′≥0.025时能够直接判定浅层气存在的信息，ρ′为0.06时可判定浅层气的埋深。

图7 层状含气土电阻率变化比等值线图

当含气层厚度为3 m时，等值线图中存在明显的高值区，ρ′=0.035时能粗略反映含气层的设置深度，但不能精准确定含气层顶底界面的埋深。当含气层厚度为5 m时，等值线图中ρ′=0.06的曲线可以表示出含气层的顶底界面。当含气层厚度为10 m时，等值线图中ρ′=0.11的曲线可以表示出含气层的顶底界面。综上，能与含气区域良好吻合的等值线的值与含气层厚度的1.2%相近，即ρ′=0.012h，h为含气层厚度的值。

图8为根据图6(b)模拟数据计算的电阻率变化比剖面图，图中用黑色虚线框表示设置的含气区域,此时选取的装置参数为4 m极距，60极电极。从图中可以看到，当含气土电阻率为5 Ω·m时，图8(a)情况下，ρ′=0.006的曲线能够反映出含气区域的宽度，但无法表示出含气区域的顶底埋深。图8(b)的情况下，ρ′=0.004的曲线能够反映出含气区域的宽度，ρ′=0.018的曲线能够反映出含气区域的底界埋深，但整体不明显。当含气土电阻率为6 Ω·m时，图8(c)的情况下，ρ′=0.022的曲线能够反映出含气区域的宽度和底界埋深，图8(d)的情况下，ρ′=0.037的曲线能够反映出含气区域的宽度，ρ′=0.061的曲线能够反映出含气区域的底界埋深。综上，等值线图能够较清晰的反映气囊宽度。

图8 囊状含气土电阻率变化比等值线图

为提高测量精度，选用2 m极距，120极电极的偶极装置进行模拟，图9为根据图5(c)模拟数据计算的电阻率变化比剖面图。从图中获得的信息与采用4 m极距时相似。ρ′≥0.025时能够直接判定浅层气存在，ρ′为0.04时可判定浅层气的埋深。当含气层厚度为3 m时，ρ′=0.034时能粗略反映含气层的设置深度。当含气层厚度为5 m时，等值线图中ρ′=0.06的曲线可以表示出含气层的顶底界面。当含气层厚度为10 m时，等值线图中ρ′=0.13的曲线可以表示出含气层的顶底界面。综上，能与含气区域良好吻合的等值线的值与含气层厚度的1.2%相近，即ρ′=0.012h，h为含气层厚度的值。

图10为根据图6(c)模拟数据计算的电阻率变化比剖面图。从图中可以看到，囊状含气区域的图像特征与层状含气区域有所差别。当含气土电阻率为5 Ω·m时，图10(a)中ρ′=0.014的曲线能够反映出含气区域的宽度，但与含气区域的顶底埋深有偏移。图10(b)中ρ′=0.016的曲线能够反映出含气区域的宽度和顶底埋深。当含气土电阻率为6 Ω·m时，图10(c)中ρ′=0.021的曲线能够反映出含气区域的宽度和底界埋深，图10(d)中ρ′=0.025的曲线能够反映出含气区域的宽度，ρ′=0.065的曲线能够反映出含气区域的底界埋深。综上，等值线图能够较清晰的反映气囊宽度。

图9 层状含气土电阻率变化比等值线图

图10 囊状含气土电阻率变化比等值线图

5 结论

(1)当海水深度为10 m，含气区域顶界埋深为15 m时，海面走航式电法探测剖面能够有效区分出浅层气的赋存形式是层状还是囊状，对含气区域的不同电阻率和不同形状均有不同反映，但对其赋存状态并不能准确有效判断。

(2)处理后的电阻率变化比剖面可有效反映层状含气土的顶底界面，囊状含气土的宽度，进而能够反映出浅层气厚度以及气囊宽度的变化。其中当含气土与非含气土的电阻率变化比与含气层厚度值的1.2%相近时，对应的等值线能够与层状含气区域良好吻合，有效反映出含气区域的底界埋深。

(3)浅水的走航式海洋电阻率法可作为识别浅层气分布及变化的新型手段。