淺水條件下淺層氣走航式海洋電阻率法探測結果模擬分析?

任子茵， 郭秀軍，2??， 吳景鑫

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院， 山東 青島 266100；2.山東省海洋環境地質工程重點實驗室， 山東 青島 266100)

近海淺層氣指近海淺地層內聚集的氣體，是一種海洋地質災害類型[1]。近海淺層氣通常為生物成因，形成后經過一定時期的運移與聚集，以層狀淺層氣、團塊狀淺層氣、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“定時炸彈”埋藏于海底，對海洋工程安全造成極大危害。沉積物中含氣量的增加會引起土體膨脹，孔隙壓力增大，有效應力降低，從而破壞土體骨架結構，增大土的壓縮性，降低土體抗剪強度[3]。

地層中聚集的氣體會顯著改變沉積物聲學特性，據此開展的海底聲學和地震探測是當前淺層氣勘查的主要方法[4]。但當聲波能量被含氣層吸收或全反射時，會在波形圖像上形成一個內部層反射不可見的聲空白帶，形成“聲學探測盲區”[5]。此外，探測結果易受沉積物類型、粒度的影響，形成與淺層氣類似的散射與反射特征，也會對圖像解譯帶來干擾。

實際上，巖土體充氣后不僅聲學性質發生變化，其導電性也會相應變化[6]。基于這種物性變化基礎，電阻率成像技術在陸域淺層氣探測與監測中已有諸多應用。比如，德國UFZ環境研究中心的Schütze等在捷克Cheb盆地用二維電阻率成像技術對地層中二氧化碳運移和儲存情況進行監測，實現了小范圍內變化過程的描述[7]。2016年，美國羅格斯州立大學的Terry等人用三維電阻率成像技術識別積累氣體的空間分布并推斷氣體遷移過程，對深泥炭層幾米內發生的原位動態變化過程進行了準確描述[8]。此外，美國加利福尼亞大學的Breen等還利用二維模型試驗研究了二維電阻率成像技術對淺層氣空間分布的描述能力及對含氣飽和度的估算能力[9]。原位實驗及模型試驗均證明，電阻率成像技術可克服聲學技術探測盲區，實現對淺層氣空間分布的有效探測和含氣飽和度估算。需要指出的是，目前尚未檢索到電阻率成像技術用于海底淺層氣調查的實例。

高導電率海水的“屏蔽效應”使海洋直流電場大部分在海水中耗盡，僅有少量電流進入沉積物，電場分布特征與陸域環境大不相同。雖然海洋電學探測難度遠大于陸域，但近年來已得到較大發展。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走航式探測，已在咸水湖鹽度劃分[10]、沉積層調查[11-13]、咸淡水交界面調查[14]、水庫滲漏調查[15]等領域成功應用。此方法主要適用于20 m以淺的水環境，可以探測一定深度以內(探測深度與多電極電纜長度有關)沉積層電阻率分布，在近海淺層氣空間分布調查中具有應用前景。

本文以舟山火山列島海域淺層氣分布區為研究區，根據電測井資料分別構建不同埋深和尺寸的氣層、氣囊地電模型，進行水面走航式電阻率法探測結果正反演計算，并對計算結果進行對比分析，評價水面走航式電阻率法對近海淺層氣的探測能力。

1 淺層氣地電模型構建

1.1 研究區選取

選定的研究區位于舟山市岱山縣火山列島海域，如圖1所示。2015年浙江省水文地質工程地質大隊開展的“舟山群島新區海岸帶綜合地質調查與監測”項目發現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。

1.2 淺層氣地電模型構建

根據浙江省水文地質工程地質大隊2017年鉆孔和電測井資料，本文選取其中三組電測井資料為依據構建相應的沉積物地電模型(見圖2)。

圖1 調查區及鉆孔位置

圖2 YS3、YS5、YS6電測井資料及相應地電模型

為分析海洋電阻率法對不同產狀淺層氣的探測能力，在初始模型基礎上，構建多種產狀地電模型進行數值模擬，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。具體參數為：海水深度設為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 數值模擬計算

2.1 數據采集設定

海面走航式海洋電阻率法測量時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。母船上配有數據采集主機、DGPS、回聲測深儀等系統。DGPS能夠實現導航，定位母船的實時地理位置。母船下部安置的回聲測深儀則能夠探測剖面不同位置水深。航行過程中電極系上的A、B供電極連續供電，其他電位極(M1、M2、…、M9)同步并行采集，實現電阻率剖面測量(見圖4)。數值計算時裝置選用常用的偶極裝置，分別設計了兩套裝置參數：4 m極距，60極電極；2 m極距，120極電極。雖然這種設置方式和實際采集時形成剖面的方式不同，但對地下目標體的反映能力相同。

圖3 不同賦存狀態淺層氣地電模型

圖4 海面走航式探測示意圖

2.2 數值計算方法

正演計算采用有限差分法，計算時四剖分單位極距，輸入與沉積物模型相符的數據文件，設置干擾噪音。反演計算采用抑制平滑度的最小二乘法，計算時將初始阻尼系數設置為0.15，最小阻尼系數設為0.02，進行6次迭代，均方根誤差控制在0.5%以內。反演完成后讀取數據，保存為帶坐標的文本文件。實際計算時前者采用RES2DMOD軟件實現，后者采用RES2DINV軟件實現。

3 數值計算結果分析

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電阻率剖面，其中圖5(a)為正演設置的模型，圖5(b)采用4 m極距，60極電極的裝置參數，圖5(c)采用 2 m極距，120極電極的裝置參數，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，探測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，探測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，探測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。當含氣區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，底界埋深在電剖面圖上能夠被識別，含氣區電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.33時識別效果較好。

圖5(c)顯示含氣土層厚3 m時，探測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，探測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，探測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。當含氣區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，底界埋深在電剖面圖上能夠被識別，含氣區電阻率與未含氣地層電阻率比值不小于1.33時識別效果較好。

3.2 不同尺寸氣囊電剖面特征

圖6為不同尺寸氣囊探測電阻率剖面，分別設計了兩套裝置參數：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

從數值模擬結果來看，通過選擇不同的等值線間隔，可以找到與設置埋深相符的等值線值，但埋深與等值線值的規律不明顯。從圖像上直接觀察來看，一定條件下，探測電阻率剖面可以反映出含氣區域的底界埋深，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[16]。為消除兩者的影響，提高探測數據的分辨能力，設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值。

圖7為根據圖5(b)模擬數據計算的電阻率變化比剖面圖，圖中用黑色虛線框表示出設置的含氣區域，此時選取的裝置參數為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，電阻率比也相應變化，ρ′≥0.025時能夠直接判定淺層氣存在的信息，ρ′為0.06時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

當含氣層厚度為3 m時，等值線圖中存在明顯的高值區，ρ′=0.035時能粗略反映含氣層的設置深度，但不能精準確定含氣層頂底界面的埋深。當含氣層厚度為5 m時，等值線圖中ρ′=0.06的曲線可以表示出含氣層的頂底界面。當含氣層厚度為10 m時，等值線圖中ρ′=0.11的曲線可以表示出含氣層的頂底界面。綜上，能與含氣區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為根據圖6(b)模擬數據計算的電阻率變化比剖面圖，圖中用黑色虛線框表示設置的含氣區域,此時選取的裝置參數為4 m極距，60極電極。從圖中可以看到，當含氣土電阻率為5 Ω·m時，圖8(a)情況下，ρ′=0.006的曲線能夠反映出含氣區域的寬度，但無法表示出含氣區域的頂底埋深。圖8(b)的情況下，ρ′=0.004的曲線能夠反映出含氣區域的寬度，ρ′=0.018的曲線能夠反映出含氣區域的底界埋深，但整體不明顯。當含氣土電阻率為6 Ω·m時，圖8(c)的情況下，ρ′=0.022的曲線能夠反映出含氣區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域的寬度，ρ′=0.061的曲線能夠反映出含氣區域的底界埋深。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

為提高測量精度，選用2 m極距，120極電極的偶極裝置進行模擬，圖9為根據圖5(c)模擬數據計算的電阻率變化比剖面圖。從圖中獲得的信息與采用4 m極距時相似。ρ′≥0.025時能夠直接判定淺層氣存在，ρ′為0.04時可判定淺層氣的埋深。當含氣層厚度為3 m時，ρ′=0.034時能粗略反映含氣層的設置深度。當含氣層厚度為5 m時，等值線圖中ρ′=0.06的曲線可以表示出含氣層的頂底界面。當含氣層厚度為10 m時，等值線圖中ρ′=0.13的曲線可以表示出含氣層的頂底界面。綜上，能與含氣區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為根據圖6(c)模擬數據計算的電阻率變化比剖面圖。從圖中可以看到，囊狀含氣區域的圖像特征與層狀含氣區域有所差別。當含氣土電阻率為5 Ω·m時，圖10(a)中ρ′=0.014的曲線能夠反映出含氣區域的寬度，但與含氣區域的頂底埋深有偏移。圖10(b)中ρ′=0.016的曲線能夠反映出含氣區域的寬度和頂底埋深。當含氣土電阻率為6 Ω·m時，圖10(c)中ρ′=0.021的曲線能夠反映出含氣區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域的寬度，ρ′=0.065的曲線能夠反映出含氣區域的底界埋深。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 結論

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

(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底界面，囊狀含氣土的寬度，進而能夠反映出淺層氣厚度以及氣囊寬度的變化。其中當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，對應的等值線能夠與層狀含氣區域良好吻合，有效反映出含氣區域的底界埋深。

(3)淺水的走航式海洋電阻率法可作為識別淺層氣分布及變化的新型手段。