張安明 姜楷娜 崔 培 蔣大海 趙 哲 焦達(dá)文

（1.海軍駐大連地區(qū)第一軍事代表室 大連 116021）（2.大連測控技術(shù)研究所 大連 116013）

1 引言

海流一般分為三種［1］:由海水密度不同產(chǎn)生的海水運(yùn)動為梯度流；由于海風(fēng)作用使海水產(chǎn)生運(yùn)動的風(fēng)海流；由于長波運(yùn)動產(chǎn)生的海流，包括潮汐、內(nèi)波、假潮、海嘯等產(chǎn)生的海水運(yùn)動為長波潮流。由于漲潮、落潮、海面風(fēng)以及地域結(jié)構(gòu)的影響，海流在水面至海底的空間范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的流速和流向，如表層流、底層流、高潮和低潮時流速接近于0以及漲潮和落潮過程中不同水層流速和流向不斷變換等［2～8］。

海水為良導(dǎo)體，海流在地磁場中切割磁力線時會產(chǎn)生感應(yīng)電場。由于在水下不同水層處海流感應(yīng)電場幅值差異明顯，這將成為海洋油氣電磁勘探以及水下電磁探測等需要考慮的主要干擾源。

2 基礎(chǔ)理論

海水在地磁場中流動會感應(yīng)出電磁場，既有水平分量也有垂直分量。感應(yīng)電場的垂直分量與海水流速和地磁場的水平分量成正比；感應(yīng)電場的水平分量與海水流速和地磁場的垂直分量成正比［9～10］。

假設(shè)海水在水平面上流動，取海水流動的方向?yàn)閥軸方向，z軸垂直向下。地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在3個坐標(biāo)軸上的投影為Bx、By、Bz。根據(jù)洛倫茲力公式，海水中的正離子在地磁場中運(yùn)動，受到洛倫茲力作用:

由地磁場Bx分量所引起的洛倫茲力沿z軸的反方向指向海面，感應(yīng)電勢沿水深的分布是由電場垂直分量引起，可以得到:

3 感應(yīng)電勢空間分布特性

1）表層流

假設(shè)海水的流動出現(xiàn)在表面［11～12］，流速分布為

根據(jù)式（2）得到垂直方向上電位分布為

假定表層海流流速為V0，海流所在水層水深分別為z1=10m、z2=40m，實(shí)際水深為60m，地磁場Bx分量強(qiáng)度為28000nT，海流流速為0～1.5m/s，基本覆蓋我國近海海域海流流速變化范圍。仿真計(jì)算結(jié)果如圖1～圖2。

圖1 典型流速海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

圖2 不同流速海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

假定海流流速為1m/s，地磁場Bx分量強(qiáng)度為10000nT～35000nT，基本覆蓋我國領(lǐng)海海域地磁場Bx分量強(qiáng)度變化范圍。仿真計(jì)算結(jié)果如圖3～圖4。

圖3 典型地磁強(qiáng)度海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

圖4 不同地磁強(qiáng)度海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

仿真結(jié)果表明，海水電勢與海流流速和地磁場強(qiáng)度滿足線性關(guān)系。當(dāng)海流流速和地磁場強(qiáng)度逐漸降低時，隨水深增加，海水電勢變化程度也隨之減少，直至保持不變。

2）分層流

假設(shè)海流流速在不同水深處分布存在差異，具體的流速分布為

垂直方向上電位分布為

以遼東灣頂淺海區(qū)不同水層潮流流速為例［2］，研究不同水層海流流速感應(yīng)電勢空間分布。潮流流速見表1。

表1 遼東灣頂淺海區(qū)最大可能潮流流速統(tǒng)計(jì)表

假定地磁場Bx分量強(qiáng)度為28000nT，表層海流流速為V0、中層海流流速為V1、底層海流流速為V2（不同水層流速取值來自于表1），海流所在水層水深分別為z1=3m、z2=6m、z3=8m、z4=11m，實(shí)際水深為15m。

圖5 典型分層海流流速感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

假定海流流速V0=61cm/s、V1=79cm/s、V2=58cm/s，地磁場Bx分量強(qiáng)度為10000nT～35000nT。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6。

從實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以看出，當(dāng)不同水層流速變化較小時，海水電勢與水深近似服從線性關(guān)系。隨著海流流速和地磁場Bx分量強(qiáng)度增大，海水電勢也表現(xiàn)為線性增加。

圖6 典型地磁強(qiáng)度分層海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

3）“表進(jìn)底出”流

由于海面風(fēng)對歐拉余流的影響［3］，海流在海水表面和海底可能會表現(xiàn)出方向相反的情況。假設(shè)表層海流流速為V0、中層海流流速為0、底層海流流速為-V1，海流所在水層水深分別為z1=10m、z2=25m、z3=30m、z4=45m，實(shí)際水深為60m。

假定地磁場Bx分量強(qiáng)度為28000nT，表層海流流速V0在0～1.6m/s之間變化，最大值為1.6m/s；底層海流流速-V1在-1.6m/s～0之間變化，最小值為-1.6m/s。仿真計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 “表進(jìn)底出”典型海流流速感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

假定海流流速V0=80cm/s、-V1=-80cm/s，地磁場Bx分量強(qiáng)度為10000nT～35000nT。仿真計(jì)算結(jié)果如圖8。

圖8 “表進(jìn)底出”典型地磁強(qiáng)度海流感應(yīng)電勢隨水深變化規(guī)律

上述仿真計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)表層海流大于底層海流流速時，在水下一定深度處，并未出現(xiàn)海水電勢的0點(diǎn)；當(dāng)表層海流小于底層海流流速時，會出現(xiàn)海水電勢的0點(diǎn)，并且差異越大，電勢0點(diǎn)出現(xiàn)的深度越低；當(dāng)表層和底層海流流速相反時，對于不同地磁場Bx分量強(qiáng)度在55m處會出現(xiàn)海水電勢0點(diǎn)的交匯，隨著水深增加，電勢變?yōu)樨?fù)值。

4 結(jié)語

本文基于理論模型，重點(diǎn)研究了典型的幾類海流所產(chǎn)生感應(yīng)電場的空間分布特性。仿真計(jì)算結(jié)果表明在表層海流流速0～1.5m/s和地磁場Bx分量強(qiáng)度10000nT～35000nT的變化范圍內(nèi)，海水電勢能夠達(dá)到1mV?；谶|東灣頂淺海區(qū)實(shí)測結(jié)果，在不同水層海水電勢最大可以達(dá)到0.5mV。表層海流和底層海流方向相反時，海底處海水電勢可以達(dá)到-1mV。數(shù)值分析結(jié)果可以為海洋電磁法勘探以及水下電磁探測裝備設(shè)計(jì)等提供參考。

在真實(shí)的海洋環(huán)境中，海流流速、流向以及地磁場強(qiáng)度的空間分布比較復(fù)雜，如海流中的潮流存在旋轉(zhuǎn)方向和一定的橢圓率，地磁場強(qiáng)度在不同的地域和方向上存在明顯差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要對被測海域的海流進(jìn)行長期監(jiān)測，掌握海流分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)而確定該海域海流感應(yīng)電場的空間分布特性。