客观日本

资源勘探技术(2)

2011年12月20日 科技交流

开发海底资源电磁波勘探新方法

近年来,海底下埋藏的化石燃料和金属资源等海底资源备受世界瞩目。这类海底资源与陆地资源相比尚存在许多未知领域,因而风险较大,且需要进行新的技术开发和大量费用。海底资源之所以在这种情形下仍备受关注,原因在于近年来随着世界经济(尤其是中国、印度等工业化急速发展的国家)的增长,资源需求不断扩大。据预测,虽然原油价格和金属价格受2008年世界经济危机影响而下跌,但发展中国家的资源需求在今后仍将不断扩大。

对海底资源的分布规模等进行调查之际,与陆地资源开发一样,也要实施物理勘探(以测量、分析物理现象的方法勘探地下状况的技术)和试掘。在这种物理勘探中,使用电磁波的物理勘探方法在近年来备受瞩目,其原因在于海洋资源自身的电气特性。例如含石油、天然气、甲烷水合物的堆积层的电阻率(长度为1米,单位横截面积为1平方米的物质的电阻)达数十Ωm以上,比普通的海底堆积物和海底玄武岩的电阻率(约1~3Ωm)还高。此外,在海底矿产资源中,硫化物矿床的电阻率约为0.2Ωm,比标准的堆积物和海底玄武岩或海水自身(约0.3Ωm)还低。因此,如果实施对海底下的电气结构进行调查的物理勘探,则可明确这些目标资源在海底下的分布,使海底资源的发现和数量评估更为容易,从而最终推进海底资源的商业采掘。基于以上原因,本文对使用电磁波的海底勘探的类别和动向予以概述。本文的一部分基于后藤等(2009)之论著,详细论述请参考该稿。

测定海底电磁场并获取海底下电阻率信息及电阻率结构的电磁勘探被称为“海底电磁勘探”,大致可划分为两种,一种使用自然的电磁信号,另一种则使用人工发射的电磁信号。。前者的代表性例子是海洋MT (Magnetotelluric)勘探,这是利用多个海底电位差磁力仪(Ocean Bottom Electromagnetometer: OBEM)测定海底的自然电磁场变动、获取地下信息的电磁勘探方法之一。自然的地磁变动在海底制造的诱导电场的大小,取决于其变动频率和地下电阻率。此外,电磁场的变动频率越低,在地下的穿透深度越大。因此,只要以各种测定频率测定电磁场的变动,便可以得知海底下浅部~深部的电阻率结构信息。海洋MT勘探已经被用于油气调查中,例如Key et al.(2006)提到,在墨西哥湾实施海洋MT勘探时,参与石油藏层生成过程的岩盐,其形象为分布于海底下1~5km的高电阻率体。

但是在海洋MT勘探中,难以获得海底正下方的地下电阻率结构信息。海洋MT勘探中所用的自然电磁场变动起源于电离层,因此高频的电磁场变动在海水中会逐渐衰减,无法到达海底。另一方面,低频的电磁场变动可以到达海底,且在海底的正下方不会急速衰减,所以可以获得海底下数公里深处的平均电阻率信息。因此,要勘探比海底下数公里还要浅的部位,需要在海底附近设置频率较高的人工电磁场信号源,进行人工电磁勘探。

 使用人工信号源的海底电磁勘探

 

使用人工信号的海底电磁勘探可以大致分为两类,一种方法是在海底设置接收装置,用调查船拖曳发送装置。代表性例子是海洋CSEM勘探和MMR勘探。海洋CSEM勘探(Controlled Source Electromagnetic sounding)是指在被深海拖曳型人工电流发送装置拖曳于海底附近的两个发送电极之间接通交流电,用设置于海底并脱离开来的OBEM等装置接收此时海底产生的电磁场信号的电磁勘探法。另一方面,MMR勘探 (Magnetometric Resistivity sounding)与海洋CSEM法类似,差别在于不用水平偶极子而用铅垂偶极子发送人工电流。

自1970年左右起,海洋CSEM勘探一直被用于调查海底下数公里~10公里深度的海洋地壳结构,但是自2000年左右起,以油气调查为目的且基于商业需求的应用事例急速增加,并取得了成果。例如Constable and Srnka (2007)用3个例子介绍了以油气层为目标的海洋CSEM勘探。其中,在西非海域的两个例子中,位于海底下1~3km的油气层作为50Ωm以上的高电阻率层而被检测出来。在另一个西非海域事例中虽未检测出高电阻率层,却得知该油气候补层实际上充满了盐水。仅凭地震波勘探而推定此处是油气层,于是进行挖掘,结果希望落空。换言之,使用海洋CSEM勘探方法可以降低这种挖掘风险。目前,世界各地正在以这些成果为基础,以油气勘探为主要目的,实施海洋CSEM勘探(山根,2008)。

使用人工电流源的海底电磁勘探中,也使用了将发送装置和接收装置一体化并拖曳于海底附近的勘探法。拖曳式CSEM勘探和海底电力勘探便属于代表性例子。海洋CSEM勘探在勘探深度较浅(数百米以下)之时,会在信号收发距离等方面出现测位误差问题。但在拖曳式CSEM勘探和海底电力勘探中,由于信号收发装置被一体化,因此不会出现大问题,从而有利于海底下极浅部的勘探。信号收发装置一体化还有一个优点,即可以在勘探之时监控实时的电磁勘探数据。拖曳式CSEM勘探已被开始用于调查海底下甲烷水合物等方面。此外,海底电力勘探多被用于以调查地下水等为目的的浅海域(水深低于50米左右),但正如下文所述,其被用于勘探深海资源的例子也开始有所报告。

 对海底下甲烷水合物进行海底电磁勘探的例子

 

作为人工电磁勘探的一例,介绍一下在日本海上越海域甲烷水合物分布区域实施的海底电力勘探结果(Goto et al. 2008;后藤等,2009)。该海底电力勘探系统由深海拖曳体及其后方长达160米的收发电缆组成,在与海底保持5-10米的高度下拖曳该系统,便能测知海底下100米左右以内的电阻率结构。经过对2005年8月海域调查所得的收发数据进行分析,最终得出的海底下电阻率结构。在海底地形较高的部分,海底正下方至海底下100米显示出较高的电阻率值(5Ωm以上),水平位置600米地点附近的电阻率值尤其高,达100Ωm以上。而且就整个测线来看,海底下60-80米以下分布着3Ωm以上的高电阻率层。在该区域用活塞岩心采样器采集海底堆积物时,可以在海底正下方确认出高电阻率体的区域采集到甲烷水合物及其溶解物。而且用摄像拖曳体观察其周边海底时,可以在100米左右范围观察到海底变色区域。另一方面,在海底正下方1Ωm左右区域可以采集到普通的堆积物,观察不到海底变色区域。基于以上因素,一般认为,海底电力勘探中所显示的高电阻率体与甲烷水合物或依附其上的甲烷气体有关。此外,如果假定堆积物空隙之间充满海水和甲烷水合物,通过所获电阻率结构求出堆积物中的甲烷水合物饱和度,则可以在海底表层附近至海底下100米左右推定部分超过50%的甲烷水合物饱和度。而且在测线以下,均可看到海底下60-80米以下似乎分布着甲烷水合物饱和度超过50%的层。就这样,我们通过海底电力勘探便可详细得知被认为是甲烷水合物层的高电阻率体的深度分布(尤其是表面的分布)。

 针对海底热液矿床的新的物理勘探

 

海底电磁勘探不仅用于化石燃料的调查,还开始用于金属资源的调查,尤其在海底热液矿床方面备受瞩目。海底热液矿床是指地下水因岩浆活动等因素受热上升,在海底底面遇到海水而急速冷却,由溶解于地下水中的铜、铅、锌、铁等金属沉淀生成的矿床。这些金属中含有所谓的稀有金属,被视为颇有前景的资源。就海底热液矿床的开发而言,世界各国正开始进行技术开发,加拿大的企业等已经开始在巴布亚新几内亚的领海等区域实施矿床勘探。日本可实施经济开发的海域面积位居世界第六,也开始在国家的组织下开发新的勘探开发技术。其中一例便是文部科学省2008年实施的项目“旨在促进海洋资源之利用的基础工具开发计划”。日本当前正在开发以海底热液矿床为对象的、利用磁力∕电磁∕地震波∕重力等的地下勘探技术等。其中,由东海大学和京都大学等推进的“使用遥控潜水器(ROV)的海底电力勘探”。原型开发已经结束,预计2009年末在真实海域实施设备试验,2010年在热液矿床区域实施试验性勘探。关于与之同时开发的利用自主式无人潜航器(AUV)的磁力勘探,听说在最近实施的海域试验中取得了良好结果。可以想象,在不久将来,可以通过同时利用多种物理勘探方法实现海底热液矿床的地下结构可视化。

 今后课题小结

 

正如上文所述,我们可以预知,以运用人工电流源的电磁勘探法勘探海底下资源的事例在今后将越来越多。但是在勘探技法方面仍需提高。例如,单纯用电磁勘探方法难以清晰确认地层边界,这便需要结合地震波勘探法予以综合分析,求出高精度的层中(地震波反射面之间)电阻率。这种综合分析法能够同时获得某个地层的地震波速度、电阻率等多项物性值,因此还有助于更正确地进行资源量评估。而且,不仅在海底资源开发的事前调查中实施物理勘探,在采掘中实施物理勘探的事例也在不断增加。这便是所谓的利用物理勘探实施海底下监控,其目的在于通过掌握资源残存情况提高开发作业效率,并使环保评估与资源开发同步进行。在贮藏二氧化碳以及在地层中处理放射性废弃物之时也很需要这种监控技术,因此在全球变暖对策及能源问题方面也备受瞩目。

关于上述以海底资源调查为目的的海底电磁勘探,相信国内外研究者之间今后会加大技术开发竞争(或联合研究)。此外,虽然使用海底电磁勘探实施资源调查的方法正由试验阶段逐步转向实用阶段,但实际能在多大程度上推进以民间为对象的技术转移仍是一个重要课题,研究开发之际必须对此予以充分考虑和预计。

 

引用文献

Constable, S., and Srnka, L. J. (2007): An introduction to marine controlled-source electromagnetic methods for hydrocarbon exploration. Geophysics, 72, WA3-WA12.

Goto, T., et al. (2008): Marine deep-towed DC resistivity survey in a methane hydrate area, Japan Sea. Exploration Geophysics, 39, 52-59; Butsuri-Tansa, 61, 52-59; Mulli-Tamsa, 11, 52-59.

后藤忠德等(2009)通过海底电磁勘探检测海底下的甲烷水合物,地学杂志,正在印刷。

Key, K., et al. (2006): Mapping 3D salt using 2D marine MT: Case study from Gemini Prospect, Gulf of Mexico. Geophysics, 71, B17-B27.

山根一修(2008):油气田勘探中适用海洋电磁法的可能性。 石油与天然气评论,42,55-73。

 

 

后藤 忠德

简历:

京都大学研究生院工学研究科社会基础工学专业副教授。

生于1968年6月。1997年,京都大学研究生院博士后期课程理学研究科地球物理学专业,博士(理学)。曾任日本学术振兴会特别研究员、爱知教育大学教育学部助手、(德国)海洋研究开发机构技术研究员等职务,2009年就任现职。从事各种海底观测装置和勘探方法的开发。专业为物理勘探学、地球电磁学。

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