復雜地質條件下淺海區電性源瞬變電磁法三維響應特征

雷松達，王顯祥，劉遂明. 復雜地質條件下淺海區電性源瞬變電磁法三維響應特征. 吉林大學學報（地球科學版），2024，54（3）：10161030. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230336.

Lei Songda， Wang Xianxiang， Liu Suiming. Three-Dimensional Response Characteristics of Transient Electromagnetic Method with Electrical Sources in Shallow Sea Areas Under Complex Geological Conditions. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2024， 54 （3）： 10161030. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230336.

摘要：

與頻域電磁法相比，瞬變電磁法可有效區分空氣波和海底電磁響應，在淺海油氣藏探測中具有良好的應用前景。近海海域地質條件一般較為復雜，普遍具有強切割地形及復雜構造，使電磁場響應特征變得異常復雜，給數據解釋工作帶來極大困難。本文基于時域有限元法，采用非結構化網格對復雜地質模型進行剖分，通過構建時域有限元方程并結合偶極子離散的長導線源近似技術以及后退歐拉離散技術，實現了復雜地質條件下淺海區電性源瞬變電磁三維正演模擬。在驗證算法精度后，通過復雜地質模型的三維正演，分析了不同海水深度對空氣波與海底油氣藏目標體的影響，在此基礎上，進一步分析了不同圍巖電阻率以及海底地形對油氣藏目標體分辨率的影響，結果表明：在淺海條件下，脈沖響應受空氣波影響較大，階躍響應受空氣波影響較小，隨著深度增大空氣波影響變小，對油氣藏的分辨率也降低；圍巖電阻率及海底復雜地形對電性源瞬變電磁影響嚴重。

關鍵詞：

瞬變電磁法；淺海；非結構化網格；三維正演；時域有限元

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230336

中圖分類號：P631.3

文獻標志碼：A

收稿日期：20231208

作者簡介：雷松達（1999—），男，碩士研究生，主要從事瞬變電磁法正反演方面的研究，E-mail：em_leisongda@163.com

通信作者：王顯祥（1986—），男，副教授，博士，主要從事瞬變電磁法數值模擬及反演方面的研究，E-mail：wangxianxiang09@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（42274185，41964006）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42274185， 41964006）

Three-Dimensional Response Characteristics of Transient Electromagnetic Method with Electrical Sources in Shallow Sea Areas Under Complex Geological Conditions

Lei Songda， Wang Xianxiang， Liu Suiming

School of Geophysics and Measurement-Control Technology， East China University of Technology， Nanchang 330013， China

Abstract：

Compared with the frequency domain electromagnetic method， the transient electromagnetic method can effectively distinguish between" air waves and seafloor electromagnetic response， which has a good application prospect in the shallow offshore oil and gas reservoir detection. The geological conditions of offshore area are generally more complicated， and there are strong cut terrain and complex structures，" making the electromagnetic field response characteristics become extremely complex. These problems will bring great difficulties to the data interpretation work. In this paper， based on the time-domain finite element method （FEM）， the unstructured mesh is used to dissect the complex geological model. By constructing the time-domain finite element equations and combining the long wire source approximation technique with dipole discretization and the backward Euler discretization technique， the three-dimensional forward modeling" simulation of"" electromagnetic transient with" electrical source in shallow sea" area under" complex geological conditions is realized. After verifying the accuracy of the algorithm， the influence of different seawater depths on" air waves and the target body of" seafloor" oil and gas reservoir is analyzed through the three-dimensional forward modeling" of the complex geological model. Based on these results， the influence of different surrounding rock resistivity and seafloor" topography on the resolution of the target body of" oil and gas reservoir is further analyzed." The results show that under shallow sea conditions， the pulse response is greatly affected by air waves， while the step response is less affected by air waves. As the depth increases， the influence of air waves" decreases， and the resolution of oil and gas reservoirs also decreases. The electrical resistivity of surrounding rocks and the complex seafloor topopraphy" have a serious impact on the transient electromagnetic properties of electrical sources.

Key words：

transient electromagnetic method; shallow sea; unstructured grid; 3D forward modeling; time domain finite element

0" 引言

海洋電磁法作為探測海底資源分布的重要地球物理方法之一，可有效彌補地震勘探在海底異常探測分辨率不足的問題［1］。國際上將水深500 m以內的海域定義為淺海區域。我國作為海洋大國，淺海區域面積占總海域的60％以上［2］，近海待發現油氣資源量約占我國待發現資源量的2/3［3］。空氣波對海洋電磁信號影響顯著，影響范圍和幅度隨海水深度的減小而增大。與深海水域多用頻域電磁法不同，淺海域較薄的海水層使頻域電磁場受空氣波干擾嚴重，而瞬變電磁法可以有效區分空氣波與海底地層的響應，在淺海資源勘探中具有更高的分辨率［45］。瞬變電磁法按照發射源方式可分為磁性源和電性源，其中：磁性源以不接地線圈作為發射源，通過接收線圈進行觀測，由于發射線圈所產生的磁場信號在地層中衰減較快，探測深度較淺［67］；電性源利用接地長導線作為發射源，對高阻體的可分辨厚度大幅提升至埋深的5%［8］，對低阻體和高阻體探測均具有極佳的表現，在淺海區資源勘探領域具有良好的應用前景［910］。

目前常用的電磁數值模擬方法包括積分方程法［11］、有限差分法［1214］、有限體積法［15］和有限元法［1619］等。其中有限元法因空間離散靈活，在處理復雜模型時更具自由性和準確性。隨著非結構化網格剖分技術的進步，非結構化網格對復雜地形的精細刻畫使得基于非結構化網格的有限元法非常適合對復雜地質模型的三維正演［20］。Zhang等［21］直接在時域求解，實現了基于自適應有限元法的航空瞬變電磁三維正演模擬，并分析了地形對航空瞬變電磁響應的影響。齊彥福等［22］和王新宇等［23］基于非結構時域有限元分別開展了電性源短偏移距和長偏移距瞬變電磁在起伏地形影響下的響應特征分析，結果均表明復雜地形與地下目標體相互耦合使得觀測響應十分復雜，難以進行有效分辨。周鐘航等［24］基于三維非結構時域有限元算法，研究了山峰對電性源地面瞬變電磁響應的影響，并根據疊加原理提出一種以瞬變響應為校正參量的地形效應校正方法。

在海洋電磁法數值模擬方面，高研等［25］采用六面體網格構建了海底可燃冰與油氣雙儲層模型，基于頻域矢量有限元研究了不同收發據下可控源音頻大地電磁法的響應特征。殷長春等［26］基于非結構有限元，針對海洋電磁半拖拽式和雙船拖拽式工作方式，研究了海底起伏地形對時域海洋可控源電磁法的影響及高阻層的響應特征。葉益信等［27］實現了基于非結構化網格的海洋可控源電磁場三維正演，并提出了一種非結構化網格的局部加密方法，有效提高了有限元數值解的精度。Um等［28］基于時域有限元首次使用后推歐拉方法實現了帶地形的時域海洋瞬變電磁響應計算。由于使用四面體網格，該方法相比于時域有限差分方法可以更好地擬合復雜海底地形。趙越等［29］研究了不同發射波形下磁性源淺海瞬變電磁的響應特征，并證明了磁性源瞬變電磁適合探測低阻異常體。劉曉等［30］使用時域偽譜法模擬瞬變水平電偶極源對三維海底模型的響應，通過研究早期電磁場幅值隨收發據的變化來確定高阻體的存在；但僅研究了磁場強度豎直分量Hz的觀測響應，并沒有研究電場強度水平分量Ex的響應。通過以上分析可知，當前研究雖開展了部分三維數值模擬工作，但模型設置相對簡單，且對復雜地質環境下的響應特征缺乏系統深入的認識，距離實際勘探的要求仍有不小差距。

淺海域多為大陸架區域，作為大陸和海洋的過渡地帶，其復雜的地質條件對電磁法畸變效應的影響也更為嚴重，嚴重限制了拖拽式電性源瞬變電磁法在復雜條件下的應用效果，使瞬變電磁數據的解釋變得十分困難。鑒于電性源瞬變電磁法在淺海地區復雜地質條件下的電磁場響應特征研究較少，本文基于非結構時域有限元法，利用非結構四面體網格對復雜地形模擬的靈活性和準確性，對復雜地質條件下淺海區進行電性源瞬變電磁三維正演模擬。在驗證算法的準確性后，討論不同海水深度下的空氣波特征及海底水平油氣藏的響應特征，研究淺海地區不同地層電阻率以及海底復雜地形對海底高阻油氣資源探測效果的影響，系統開展電性源瞬變電磁三維響應特征分析。

1" 時域有限元電磁法控制方程

瞬變電磁法中電場和磁場分量隨時間的變化符合時域麥克斯韋方程組：

SymbolQC@×E（r，t）=－B（r，t）t；SymbolQC@×H（r，t）=J（r，t）+Js（r，t）。（1）

式中：r為位置矢量；E（r， t）、B（r， t）、H（r， t）和J（r， t）分別為r處、t時刻的電場強度、磁感應強度、磁場強度和傳導電流密度；Js（r， t）為r處、t時刻的外加源電流密度。電流密度和磁場的本構方程為：

J=σ^E；B=μH。（2）

式中：σ^為各向異性電導率張量；μ=μ0μr，為磁導率（μr為相對磁導率；μ0=4π×10-7 H/m）。式（2）第一行為微分形式歐姆定律，第二行為B和H的基本關系。聯立式（1）與式（2）即可消去磁場，得到時域電場擴散方程：

SymbolQC@×［1μSymbolQC@×E（r，t）］+σ^E（r，t）t+Js（r，t）t=0。（3）

為了將式（3）轉化為時域有限元近似方程，定義殘差矢量R（r， t）公式為

R（r，t）=

SymbolQC@×［1μSymbolQC@×E（r，t）］+σ^E（r，t）t+Js（r，t）t。（4）

將計算區域離散成若干個四面體有限單元，并對其進行加權積分，使每個單元的殘差矢量被強制為0。假設計算區域Ω內的殘差加權體積分為

ΩW（r）·R（r，t）dV=0。（5）

式中：W（r）為加權系數；V為體積。式（5）的意義為使W（r）和R（r， t）的內積最小化，即使W（r）和R（r，t）正交來尋找最優解。將式（4）代入式（5）可得

ΩW（r）·SymbolQC@×［1μSymbolQC@×E（r，t）］dV+ΩW（r）·σ^E（r，t）tdV+ΩW（r）·Js（r，t）tdV=0。（6）

基于第一矢量格林定理，將式（6）第一項的積分展開，得到

ΩW（r）·SymbolQC@×［1μSymbolQC@×E（r，t）］dV=1μ·Ω［SymbolQC@×W（r）］·［SymbolQC@×E（r，t）］dV－1μΓW（r）×［SymbolQC@×E（r，t）］·ndS。（7）

式中：Γ為外邊界；n為面的法向量；S為面積。

本文采用非結構四面體網格對計算區域進行離散，采用自動滿足電場切向分量連續且無散的矢量插值基函數來近似單元內線性分布的電場。每個四面體單元內任意位置的電場可表示為

E（r，t）=∑6j=1Ej（t）Nj（r）。（8）

式中：Ej（t）為四面體單元第j條棱邊的切向電場，可稱為自由度；Nj（r）為四面體單元第j條棱邊的矢量插值基函數。在伽留金法中采用矢量插值基函數作為加權系數時，內邊界面兩側的面積分相互抵消，外邊界距離發射源足夠遠，滿足Sommerfeld邊界條件。在忽略面積分后，式（7）可寫成

ΩW（r）·SymbolQC@×［1μSymbolQC@×E（r，t）］dV=1μΩ［SymbolQC@×W（r）］·［SymbolQC@×E（r，t）］dV。（9）

將式（8）和式（9）代入式（6）可得

1μ∑6j=1Ej（t）Ω［SymbolQC@×N（r）］·［SymbolQC@×N（r）］dV+∑6j=1Ej（t）tΩN（r）·σ^·N（r）dV+ΩN（r）·Js（r，t）tdV=0。" （10）

式中，N（r）為矢量插值基函數。將所有單元加權殘差累加，可寫成矩陣形式：

SE（t）+MdE（t）dt=－J。（11）

式中：S和M分別為整體剛度矩陣和質量矩陣；E（t）為棱邊上的待求電場；J為外加源項。S、M和J具體表達式如下：

S=1μΩ［SymbolQC@×N（r）］·［SymbolQC@×N（r）］dV；M=ΩN（r）·σ^·N（r）dV；J=ΩN（r）·Js（r，t）tdV。（12）

聯立式（11）和式（12），采用二階后推歐拉法近似式中i+2時刻電流密度與電場對時間的導數：

dJ（i+2）s（t）dt=" 12Δt［3J（i+2）s（t）－4J（i+1）s（t）+J（i）s（t）］；dE（i+2）（t）dt=" 12Δt［3E（i+2）（t）－4E（i+1）（t）+E（i）（t）］。（13）

式中，Δt為時間步長。將式（13）代入到式（11）中可得：

2ΔtJ（i+2）（t）=3J（i+2）（t）－4J（i+1）（t）+J（i）（t）；（3M+2ΔtS）E（i+2）（t）=M［4E（i+1）（t）－" E（i）（t）］－2ΔtJ（i+2）（t）。（14）

由式（14）中的第一行即可得到任意發射電流波形的電流源項，而式（14）中的第二行可簡寫為

KE=b。（15）

式中：K為系數矩陣；E為棱邊上的未知電場；b為已知發射源項。

本文電性源瞬變電磁三維數值模擬采用下階躍激勵方式。下階躍激勵的初始電場E（r，0）由長導線源內部導線的電場E1（r）與導線兩端正負電極向地下供電形成的穩定直流電場E2（r）兩部分組成：

E（r，0）=E1（r）+E2（r）。（16）

在計算中，往往忽略E1（r），而E2（r）為電位梯度，可通過電勢φ（r）的負梯度計算：

E2（r）=－SymbolQC@φ（r）。（17）

設點源位于rs=（xs，ys，zs）處，電流強度為I，基于式（2）中微分形式的歐姆定律及電場連續性易得

SymbolQC@·J（r）=Ιδ（r－rs）。（18）

式中：J（r）為r處的電流密度；δ為脈沖函數。聯立式（18）與微分形式的歐姆定律（式（2）第一行），可得到正負點源電場滿足的泊松方程：

SymbolQC@·［σ^SymbolQC@φ（r）］=－Iδ（r－rs）。（19）

最后，為保證直流電場與矢量電場邊界的一致性，對直流電場與時域電場采用相同的四面體網格，且均采用總場方法求解直流問題與時域電磁問題。實際上，截斷邊界離發射源很遠，因此可以在計算過程中對外邊界Γ均施加狄利特雷邊界條件：

φ|Γ=0；（n×E）|Γ=0。（20）

2" 數值實驗

2.1" 精度驗證

為了驗證本文算法的計算精度，設置如圖1所示的一維層狀海洋模型：海水層厚度為400 m，電阻率為0.3 Ω瘙簚m；上方為空氣層，電阻率為108 Ω瘙簚m；下方為海底沉積層，電阻率為1 Ω瘙簚m。工作裝置為軸向裝置。發射源長度為300 m，中心坐標為（-5 850， 0， 40），距海底40 m，發射電流為1 A，發射源為下階躍。接收點坐標為（0， 0， 30），距海底30 m。對開源軟件CSEM1D［31］和本文算法計算的Ex數據進行了對比，結果如圖2所示：本文的計算結果與CSEM1D結果吻合性較好（圖2a），相對誤差在早期小于4%，晚期小于2%（圖2b），有效地驗證了本文算法的準確性。

2.2" 不同海水深度對分辨率的影響

2.2.1" 對空氣波的響應

在淺海區內，海洋電磁信號受空氣波影響顯著。為研究不同海水深度下的空氣波特征，參照圖1建

立的一維層狀海洋模型，將海水深度分別設置為100、200、300和400 m，發射源和接收點位置保持不變，研究了脈沖發射源和階躍發射源下的電場響應特征，結果如圖3所示。由圖3a可知：當海水深度小于200 m時，脈沖響應曲線存在兩個明顯峰值，分別對應空氣波響應和海底地層響應；隨著海水深度的增加，兩個峰值的時間間距逐漸減小，在水深超過300 m時已不能明顯區分兩個峰值，空氣波影響可忽略。由圖3b可知，階躍響應受空氣波影響較小，相比于脈沖響應，階躍響應并不存在明顯區分空氣波和海底地層響應的兩個峰值。

2.2.2" 對目標體分辨率的影響

為研究不同海水深度對勘探目標體分辨率的影響，設置了如圖4所示的三維地電模型：海水層厚度分別為100、200和400 m，電阻率為0.3 Ω瘙簚m；上方為空氣層，電阻率為108 Ω瘙簚m；下方為海底沉積層，電阻率為1 Ω瘙簚m；油氣藏大小為4 000 m×4 000 m×200 m，頂部埋深距海底600 m，中心坐標為" （0， 0， -700），電阻率為100 Ω瘙簚m；其余參數同圖1一致。

不同海水深度水平海底油氣藏模型電場響應計算結果如圖5所示。通過分析圖5a—f可知，Ex既

隨收發距的增大而衰減，也受目標層的影響，在此二因素的疊加下，很難從Ex響應曲線對應位置看出油氣藏的影響，需要對總場進行歸一化處理。本文通過計算異常場與背景場之比將電場響應轉換為相對異常。通過分析圖5g、h、i可知，Ex相對異常在靠近發射源一側出現極小值，在遠離發射源一側出現極大值，兩極值點在x軸上位置分別與油氣藏的邊界位置相對應。Ex相對異常曲線在異常體范圍內平緩變化，可從曲線的形態特征分析出異常體的位置

和邊界，進而達到對異常體有效識別的目的。當海水深度為100、200和400 m時，最大相對異常

分別

a、b、c. 海水深度分別為100、200、400 m，含有油氣藏時的Ex；d、e、f. 海水深度分別為100、200、400 m，不含油氣藏時的Ex；g、h、i. 海水深度分別為100、200、400 m時含有油氣藏與不含油氣藏的Ex相對異常。

為150%、140%和130%，隨著海水深度的增加，相對異常峰值出現明顯下降，但在水深400 m時仍能對油氣藏進行有效識別。

2.3" 地層電阻率變化對目標體探測效果的影響

目標體的探測效果受圍巖電阻率影響明顯。為研究地層電阻率變化對電磁場響應的影響規律，設計了三種海底分層地電模型（圖6），三種模型中海水層厚度均為400 m，電阻率為0.3 Ω瘙簚m；海底沉積層共分為兩層，地層分界面距海底300 m，異常體大小為4 000 m×4 000 m×2 00 m，頂部埋深距海底600 m，中心坐標為（0， 0， -700），位于下沉積層，高阻時電阻率為100 Ω瘙簚m，低阻時電阻率為0.1 Ω瘙簚m。下沉積層電阻率變化的高阻異常體模型（圖6a）中海底上沉積層電阻率為1 Ω瘙簚m，下沉積層電阻率變化，分別為2、5和10 Ω瘙簚m，異常體電

阻率為高阻；上沉積層電阻率變化的高阻異常體模型（圖6b）將下沉積層電阻率設置為1 Ω瘙簚m，上沉積層電阻率變化，分別為2、5和10 Ω瘙簚m，異常體電阻率為高阻；下沉積層變化的低阻異常體模型（圖6c）將上沉積層電阻率設置為1 Ω瘙簚m，下沉積層電阻率變化，分別為2、5和10 Ω瘙簚m，異常體電阻率為低阻。

圖7給出了下沉積層電阻率變化的高阻異常體

模型（圖6a）的電場響應，分析可知，當海底地層出現分層情況時，高阻異常體的Ex相對異常曲線特征與異常體的位置和邊界仍存在對應關系，且與前文一致。當下沉積層電阻率為2、5和10 Ω瘙簚m時，最大相對異常分別為118%、108%和103％，相對異常峰值隨高阻異常所在地層電阻率的增加出現明顯降低，曲線形態也由光滑變為崎嶇。當下沉積層電阻率為10 Ω瘙簚m時，相對異常曲線形態已經十分復雜，僅通過分析相對異常很難判斷異常體的存在和位置。

圖8給出了上沉積層電阻率變化的高阻異常體模型（圖6b）的電場響應，可以看出，當高阻異常體所在地層電阻率為1 Ω瘙簚m的低阻沉積層時，上沉積層電阻率的增加基本不影響Ex響應曲線的趨勢，Ex相對異常曲線也較為光滑，通過觀察相對異常峰值位置可以清晰地判斷高阻異常體的位置和邊界。當上沉積層電阻率為2、5和10 Ω瘙簚m時，最大相對異常分別為130%、125%和118％：與水平海底油氣藏模型（圖5）相比，上沉積層電阻率的增加雖導致相對異常峰值有所下降，但仍可以達到對異常體有效識別的目的；相比于下沉積層電阻率變化的高阻異常體模型（圖7）而言，影響較小。

圖9給出了下沉積層變化的低阻異常體模型（圖6c）的電場響應。可以看到，當低阻異常所在地層電阻率增大時，Ex響應曲線的變化趨勢同目標體為高阻、下沉積層電阻率變化時的Ex響應曲線（圖7）相比，在低阻異常位置內曲線的形態出現明顯彎曲（圖9a、b、c）。在圖9d、e、f中，下沉積層電阻率分別為2、5和10 Ω瘙簚m時，最大相對異常分別為120%、115%和111％，相對異常峰值同樣隨異常體所在地層電阻率的增加而降低。不同的是，與高阻異常相比，低阻異常的相對異常曲線形態發生改變，曲線特征表現為在靠近和遠離發射源處出現兩個峰值，分別對應低阻異常體兩側邊界位置；在兩峰值中間出現一極小值，對應異常體中心位置。與高阻異常相對異常曲線相比，低阻異常的相對異常曲線峰值位置與異常體邊界位置出現偏差，并不能很好地判斷低阻異常體的位置和邊界。

為了進一步分析海底地層電阻率變化對電磁場響應特征的影響以及高/低阻異常出現不同響應特征曲線的原因，繪制了如圖10所示的t=1 s時的地下電場分布及電場矢量圖。圖10a、b對應下沉積

層電阻率變化（2、10 Ω瘙簚m）的高阻異常體模型；圖10c、d對應下沉積層變化（2、10 Ω瘙簚m）的低阻異常體模型。由圖10易得，無論是高阻還是低阻異常體，紅色虛線方框附近的電場響應及電流密度矢量圖均發生了嚴重的畸變。在圖10a、b中，感應電流表現為垂直穿過高阻異常體，并圍繞高阻異常體周圍產生電流通道效應；在圖10c、d中，低阻異常對電流存在吸引作用，感應電流沿x方向在低阻異常體內平行通過，并產生明顯的電流通道效應，異常體兩端邊界處的電流流向均發生明顯改變，且變化幅度隨地層電阻率的增加而變大。與高阻異常體不同的是，低阻異常體兩端邊界處的電流方向變化明顯。矢量

圖很好地解釋了高阻異常和低阻異常出現不同響應特征曲線的原因。

2.4" 海底起伏地形對目標體探測效果的影響

我們設計了山峰地形模型和山谷地形模型，以研究電性源瞬變電磁場在海底復雜地形條件下的響應特征。

2.4.1" 山峰地形

在山峰地形高阻油氣藏模型（圖11）中，通過改變山峰高度更好地分析山峰地形帶來的影響。峰頂距海底平面分別為200和250 m，x和y方向長均為2 000 m，在山峰下方含有高阻油氣藏，接收點測線沿海底地形布置，始終保持距離海底表面30 m，其余參數與圖1保持一致。

圖12為山峰地形高阻油氣藏模型電場響應。從圖12a、b可以看到，由于測點沿地形布置，因此山峰地形高阻油氣藏模型Ex響應曲線的形態隨地形發生改變，且曲線形態與地形一致，受地形影響，油氣藏響應被地形響應所淹沒。圖12c、d為山峰地形下含有油氣藏與水平地形下含有油氣藏的Ex相對異常曲線，可以清晰地看到地形起伏情況。圖12e、f為山峰地形下含有油氣藏與不含油氣藏的Ex相對異常曲線，與水平海底油氣藏模型相似，相對異常曲

線形態與異常體位置和邊界仍存在對應關系；當山峰高度為200 m時，相對異常的極值點與高阻異常的邊界位置吻合良好，最大相對異常為125%（圖12e），相較于水平海底地形出現小幅度降低，但仍具有較高分辨率；當山峰高度為250 m時，盡管相對異常峰值沒有下降，但曲線形態發生了明顯的改變，遠離發射源一側的相對異常極值點位置發生偏離（圖12f），無法準確判斷異常體邊界所在，說明地形因素對電性源瞬變電磁在淺海區的探測效果有一定的影響。圖12g、h為山峰地形下含有油氣藏與海底水平地形下不含油氣藏的Ex相對異常曲線，可以看出受山峰地形的影響，靠近發射源一側的相對異

常極小值不再明顯，曲線在山峰邊界處及峰頂位置均出現明顯波峰，曲線形態與山峰地形形態一致，并隨著山峰高度的增加變得更為明顯，在遠離發射源一側相對異常極大值仍對應異常體邊界位置。

2.4.2" 山谷地形

在山谷地形高阻油氣藏模型（圖13）中，谷底距海底平面200 m，x和y方向長2 000 m，在谷底下方埋有高阻油氣藏，接收點測線沿地形布置，始終保持距離海底表面30 m，其余參數與圖1保持一致。

圖14為山谷地形高阻油氣藏模型電場響應。從圖14a可以看出，山谷地形下含有油氣藏時Ex響應曲線同山峰地形一致，曲線形態同樣隨地形發生改變，且曲線形態與地形一致。圖14b為山谷地形下含有油氣藏與水平海底下含有油氣藏的Ex相對異常曲線，從中可以清晰看到地形起伏情況。圖14c為山谷地形下含有油氣藏與不含油氣藏的Ex相對異常曲線，曲線出現兩個極值點，對應異常體的邊界位置，最大相對異常為126%，相較于水平海底地形出現小幅度降低，但仍具有較高分辨率，可以對異常體進行有效識別和探測。圖14d為山谷地形下含有油氣藏與海底水平地形下不含油氣藏的Ex相對異常曲線，可以看出受山谷地形影響，靠近發射源一側的相對異常極小值不再明顯，曲線在山谷邊界處出現明顯波峰，在谷底位置出現波谷，在遠離發射源一側相對異常極大值仍對應異常體邊界位置。

因此，在淺海地區進行電性源瞬變電磁探測時，可以依靠聲納系統測定海底地形，并計算海底半空

間響應，通過計算海底異常體的相對異常，實現對海

底起伏地形下異常體的有效探測。

為了進一步研究地形對瞬變電磁法響應特征的影響，繪制了海底山峰地形和海底山谷地形高阻油氣藏模型的電場分布及電場矢量圖（圖15）。從圖15中可以看出，地形的起伏會影響電場響應及電場矢量，電流方向在海底山峰、山谷地形處發生改變。結合上文對海底地層電阻率變化時電場響應的研究，山峰/山谷地形可以分別看作是一局部高/低阻

a. 山谷地形下含有油氣藏的Ex；b. 山谷地形下含有油氣藏與海底水平地形下含有油氣藏的Ex相對異常；c. 山谷地形下含有油氣藏與山谷地形下不含油氣藏的Ex相對異常；d. 山谷地形下含有油氣藏與海底水平地形下不含油氣藏的Ex相對異常。

a. 山峰地形高阻油氣藏模型；b. 山谷地形高阻油氣藏模型。紅色實線表示海底沉積層分界線；紅色虛框表示異常體。

體，因此相比于海底山峰地形，海底山谷地形條件下淺海電性源瞬變電磁對異常體的識別能力有所提高。

3" 結論

本文基于時域有限元法，利用非結構四面體網格的靈活性對復雜地質模型進行構建，實現了電性源瞬變電磁在淺海區復雜地質條件下的三維響應特征分析。通過大量數值模擬得出以下結論：

1）脈沖響應受空氣波影響較大，海水深度超300 m時可忽略空氣波影響，階躍響應受空氣波影響明顯減?。浑娦栽此沧冸姶琶}沖響應和階躍響應在淺海區均可有效分辨海底地層響應，在海水深度100～400 m范圍內可對高阻異常體進行有效識別。

2）相對異常曲線的峰值大小可反映出探測效果的好壞，同時利用相對異常曲線峰值位置可以很好地界定高阻異常體的位置和邊界，但對低阻異常而言，識別效果有所下降。

3）在海底地層分層情況下，地層電阻率的變化對電性源瞬變電磁探測效果影響較大，特別是異常體所在沉積層電阻率增加時，相對異常峰值出現明顯下降，沉積層電阻率為10 Ω·m時異常體的響應特征已十分微弱，無法達到有效識別的目的。

4）淺海區海底地形會對電性源瞬變電磁的探測效果造成一定影響，可以通過測定海底地形半空間響應并計算相對異常，來界定異常體的位置和邊界。相比于山谷地形，山峰地形對探測效果影響更為嚴重，并隨著山峰地形高度的增加，相對異常峰值點出現偏移，探測精度有所下降。在實際勘探中，必須考慮地形因素帶來的影響。

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