陸地與海底大地電磁二維數(shù)值模擬對(duì)比研究

黃書華，趙立波，楊吉武

（廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510000）

1 概述

海底資源的勘探成為有效解決陸地資源短缺，以及拓展資源開發(fā)的重要途徑。我國的海洋地球物理探測和海底地質(zhì)調(diào)查大多采用海洋重磁、海洋地震和海洋測井等勘探方法，基本不使用電磁法進(jìn)行海洋探測，缺乏獲取海洋巖石層電性資料的手段[1]。這是因?yàn)椋５椎貙拥碾娮杪室群Ｋ娮杪室?，?dǎo)致電磁場在到達(dá)海底地層之前已經(jīng)經(jīng)過海水層的衰減。到了21世紀(jì)，科技得到飛速的發(fā)展，這對(duì)于利用電磁法進(jìn)行海洋勘探成為可能。近些年，海洋電磁法測深在研究海洋巖石圈結(jié)構(gòu)方面，在勘探海底資源方面，海洋電磁法都有著重要的表現(xiàn)[2]。因此，模擬海洋環(huán)境下大地電磁法的不同地質(zhì)體異常響應(yīng)特征情況，以及不同海水深度對(duì)大地電磁測深的影響，這對(duì)研究海洋大地電磁探測能力有著重要作用。

2 海洋大地電磁法基本理論

在理論上，海洋大地電磁測深與陸地上的大地電磁測深（Magnetotelluric，簡稱MT）理論是一致的，都是以天然電磁場為場源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理方法。實(shí)驗(yàn)表明，所有電磁現(xiàn)象都服從Maxwell 方程。假設(shè)天然電磁場以平面波的形式由海面垂直向海底傳播，建立如下的直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在海平面上，Z軸為電磁波的傳播方向?？諝?、海水、海底地層模型如圖1 所示，海水厚度為h1，海水下面為海底地層[3]。

圖1 空氣、海水、海底地層模型

電磁場的分布遵守Maxwell方程組，該方程組[4]：

在高導(dǎo)海水中，不存在自由電荷的積累，取諧變因子為e-iωt。當(dāng)研究對(duì)象為二維問題時(shí)，考慮地質(zhì)體走向?yàn)閤方向，傾向?yàn)閥，垂向?yàn)閦。假設(shè)沿x軸方向上的電阻率參數(shù)是穩(wěn)定不變的，即，電導(dǎo)率只在y、z平面變化，則由赫姆霍茲方程可以推導(dǎo)出電磁場橫電波（TE）和橫磁波（TM）兩種模式。

進(jìn)行一系列的數(shù)值計(jì)算，可以求得兩種模式的視電阻率和相位角：

3 數(shù)值模擬

設(shè)置一低阻地電模型，在電阻率為100Ω?m 的均勻半空間中，存在一個(gè)電阻率為1Ω?m 的低阻異常體，該異常體頂部埋深1000m，長為2000m，高為2000m，測線垂直走向方向分布，測線長為10000m，測點(diǎn)間距500m，共20 個(gè)測點(diǎn)，頻率范圍是102～10-4Hz，共20 個(gè)頻點(diǎn)，海水層厚度為100m、500m。陸地模型則是將海水層去掉，其它參數(shù)不變。

圖2 表示陸地低阻模型的大地電磁兩種極化模式(TE、TM模式)的視電阻率和阻抗相位擬斷面圖。

由圖2（a）、2（b）的正演模擬的擬斷面圖中可以看出TE 模式下，低阻異常體的視電阻率異常范圍在0.01～1Hz之間，水平位置與初始模型大致一致。相位用笛卡爾坐標(biāo)系第一象限表示，TE模式的阻抗相位的響應(yīng)結(jié)果能夠和視電阻率結(jié)果對(duì)應(yīng)，且在0.1Hz 附近出現(xiàn)上面是高相位值，下面是低相位值的一個(gè)鏡面效果，并且上下出現(xiàn)的范圍相似。

圖2 陸地低阻異常體模型MT響應(yīng)擬斷面圖

由圖2（c）、2（d）的正演模擬的擬斷面圖中可以看出TM模式下，低阻異常體的視電阻率范圍出現(xiàn)在1Hz以下的全部頻率，水平位置和初始模型一致，但無法確定異常體底部邊界。相位用笛卡爾坐標(biāo)系第一象限表示，TM 模式的低阻異常體阻抗相位的響應(yīng)結(jié)果能夠和視電阻率結(jié)果對(duì)應(yīng)，阻抗相位異常范圍出現(xiàn)在0.1～10Hz。

圖3、圖4分別表示海水層厚為100m、500m時(shí)大地電磁兩種極化模式(TE、TM 模式)的視電阻率和阻抗相位擬斷面圖。

圖3 海水層厚100m低阻異常體模型MT響應(yīng)擬斷面圖

圖4 海水層厚500m低阻異常體模型MT響應(yīng)擬斷面圖

對(duì)比于陸地上的正演響應(yīng)圖2，對(duì)于TE 模式來說，其視電阻率擬斷面圖的異常范圍隨著海水層厚度的增加而在逐漸縮小，在10～100Hz 中高頻范圍內(nèi)，出現(xiàn)強(qiáng)烈的干擾；其阻抗相位擬斷面圖和陸地相比，異常很相似，都是在頻率為0.1Hz 附近出現(xiàn)鏡面，上下出現(xiàn)的范圍大致一致，在10～100Hz 中高頻范圍內(nèi)，出現(xiàn)強(qiáng)烈的異常干擾，并隨著海水層厚度的增加，干擾更加嚴(yán)重。

對(duì)于TM 模式來說，對(duì)比陸地上TM 模式的視電阻率擬斷面圖[圖2(c)]可知，由于存在海水層，使得TM模式視電阻率異常曲線得以圈閉，其低阻異常體的視電阻率擬斷面圖出現(xiàn)的范圍大致是在10～0.1Hz，這某種意義上來說，TM模式也可以勾畫異常體范圍；對(duì)于阻抗相位，與陸地上的相比，TM模式下其相位在頻率1Hz 也出現(xiàn)一個(gè)上面是高相位值，下面是低相位值的一個(gè)鏡面效果，上下出現(xiàn)的范圍大致一致，但是隨著海水層厚度的不斷增加，上面的高相位值逐漸縮小，鏡面效果變得越來越模糊，當(dāng)海水層厚度在1000m時(shí)，就只剩下下面的低相位值。

4 結(jié)論與建議

相比于陸地模型，不管是TE 模式還是TM 模式，海水層的存在對(duì)電磁響應(yīng)都有影響，且對(duì)阻抗相位的影響大于視電阻率的影響，中高頻（10～100Hz）范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的干擾，且隨著海水層厚度的增加，干擾增強(qiáng)。但TE 模式的響應(yīng)效果要比TM 效果更好。