陸地與海底大地電磁二維數值模擬對比研究

黃書華，趙立波，楊吉武

（廣東省地質調查院，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，以及拓展資源開發的重要途徑。我國的海洋地球物理探測和海底地質調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]。這是因為，海底地層的電阻率要比海水電阻率要大，導致電磁場在到達海底地層之前已經經過海水層的衰減。到了21世紀，科技得到飛速的發展，這對于利用電磁法進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構方面，在勘探海底資源方面，海洋電磁法都有著重要的表現[2]。因此，模擬海洋環境下大地電磁法的不同地質體異常響應特征情況，以及不同海水深度對大地電磁測深的影響，這對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部電性結構的一種重要的地球物理方法。實驗表明，所有電磁現象都服從Maxwell 方程。假設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系，坐標原點在海平面上，Z軸為電磁波的傳播方向。空氣、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]：

在高導海水中，不存在自由電荷的積累，取諧變因子為e-iωt。當研究對象為二維問題時，考慮地質體走向為x方向，傾向為y，垂向為z。假設沿x軸方向上的電阻率參數是穩定不變的，即，電導率只在y、z平面變化，則由赫姆霍茲方程可以推導出電磁場橫電波（TE）和橫磁波（TM）兩種模式。

進行一系列的數值計算，可以求得兩種模式的視電阻率和相位角：

3 數值模擬

設置一低阻地電模型，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，測點間距500m，共20 個測點，頻率范圍是102～10-4Hz，共20 個頻點，海水層厚度為100m、500m。陸地模型則是將海水層去掉，其它參數不變。

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。相位用笛卡爾坐標系第一象限表示，TE模式的阻抗相位的響應結果能夠和視電阻率結果對應，且在0.1Hz 附近出現上面是高相位值，下面是低相位值的一個鏡面效果，并且上下出現的范圍相似。

圖2 陸地低阻異常體模型MT響應擬斷面圖

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。相位用笛卡爾坐標系第一象限表示，TM 模式的低阻異常體阻抗相位的響應結果能夠和視電阻率結果對應，阻抗相位異常范圍出現在0.1～10Hz。

圖3、圖4分別表示海水層厚為100m、500m時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響應擬斷面圖

圖4 海水層厚500m低阻異常體模型MT響應擬斷面圖

對比于陸地上的正演響應圖2，對于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，出現強烈的干擾；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 附近出現鏡面，上下出現的范圍大致一致，在10～100Hz 中高頻范圍內，出現強烈的異常干擾，并隨著海水層厚度的增加，干擾更加嚴重。

對于TM 模式來說，對比陸地上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 也出現一個上面是高相位值，下面是低相位值的一個鏡面效果，上下出現的范圍大致一致，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，當海水層厚度在1000m時，就只剩下下面的低相位值。

4 結論與建議

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