海洋论坛▏海洋电磁学及其应用
海洋中的各种类几乎完全解离，这使海水含有大量离子而成为导体。M.法拉第早在1832年就指出：在地磁场中流动的海水，就象在磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势。他在泰晤士河做过实验，但没有得到预期的结果；但他指出，在英吉利海峡必定能测出。1851年，C.渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上，检测到和海水潮汐周期相同的电位变化，才证实了法拉第的预言，由此人们开始了对海洋中的电磁现象的研究。
随着电磁波中的超长波用于对潜艇通讯，和极长波用于对大洋深处核潜艇通讯的要求，各国相继开始研究海水的电磁特性和电磁波在海洋中的传播规律。19世纪70年代以来，已经开始将电磁波中的极长波用于探测研究海底岩石圈的地质构造和探矿。海洋中海天然电磁场和海水在地磁场中运动时产生的感应电磁场，都会对水下通讯和地质探制造成干扰，这又促使人们对海洋中的天然磁场和感应电磁场进行更细致深入的研究。
现代海洋电磁法的研究始于20世纪60年代，经过数十年的发展，它已成为一种新的地球物理探测技术。1998年由国家863计划立项研究“海底大地电磁探测技术”，并先后在台湾海峡和南海，黄海海域开展了海底大地电磁测深试验，结束了我国海洋地球物理缺少海洋电磁勘查方法的历史。随后又经过多年的研究和试验，已逐步形成了我国的“海底电磁探测技术”。
⒈海水的电磁参数
海水的电磁参数包括磁导率μ、电导率σ和介电常数ε。它们与海水的盐度、温度和电磁场的频率有关。海水为非铁磁性物质，通常采用真空的磁导率μ0=4π×10-7H/m作为海水的磁导率μ。海水总电导率σ为离子电导率和偶极电导率之和，通常用经验公式计算海水的离子电导率，它表示为盐度和温度的函数，一般在3～5(Ω•m)-1，海水的偶极电导率与频率有关。当频率低于109赫、温度为17°C时，标准海水的电导率为4.54～4.81(Ω•m)-1，是的10-7倍，玻璃的1012倍，而比一般湖水或河水大千倍以上。
海水的介电常数与盐度、频率和温度的关系，还只有半经验公式。海水介电常数理论是采用克劳休斯一莫索缔一德拜介电常数理论公式，但和实验结果相差甚远。Lgradn和Dorsey分别建立了两个经验公式，但也只表示相对介电常数与温度、密度的关系，并没有包含频率，只适用于低频。对高频还要加频率改正。当频率小于109赫、温度为17°C时，标准海水的相对介电常数εr约为81.5。
⒉海洋电磁场
海洋电磁场包括天然电磁场和感生电磁场。天然电磁场主要是穿过海洋的地磁场，在两极约为（6～7)×104nT，在赤道约为（3～4)×104nT。其日变值可达数十个nT，随纬度和季节有所不同。一般在下午3时左右达到极值。季节变化约为15～30nT，年变化可达100nT，短周期0.2～600s变化约为百分之几到几个nT。
当波高为lm、周期9s或波高为0.5m、周期为3s时，感生磁场约为1nT。潮汐感生的磁场约为20～30nT。宽60km、最大厚度为300m、的半椭圆截面的海流，当流速为0.514m/s（1kn）地磁场垂直分量为4.8×104nT时，感生磁场约为37nT。由感生磁场可以算出感生电场。
海水与海底接触处的电化学过程，海底的电场可达100μV/m，15～20m深处的浮游植物和细菌集聚区，垂直方向的电势变化可达4mV。
大气电离层发生的各种动力学过程，包括来自太阳的等离子流和地球高空磁层，电离层的相互作用，不断产生频率范围很宽的电磁波。其中周期为数分钟以上的，能够穿过海水达到海底，再穿过海底沉积层到达上地慢岩石圈，甚至更深处。
⒊电磁波在海水中的传播
电磁波在海水中传播时，电场产生传导电流。电磁场能量通过电流转化为热能，致使电磁场的振幅减小，频率愈低衰减愈慢传播愈远。电磁波的振幅衰减为原来的1/e时的传播距离，称为穿透D。由麦克斯韦方程组可得：其中f为电磁波的频率，单位为赫。兆赫以上的电磁波在海水中的D小于25cm,海水对这种电磁波就成为很强的屏蔽层；而频率低于10Hz/h的极低频电磁波，在海水中的D可达5000m。这样，海洋就成为完全可穿透的了。这种极低频的电磁波，可用于陆地对大洋深处核潜艇通讯和海底地壳物理探矿，是海洋电磁学研究的一项主要内容。
海洋电磁场包括和两大类。
海洋中主要的天然电磁场是地磁场，而占据地磁场99%以上的主磁场，几乎全部起因于地核。另外，地球大气电离层中发生的各种动力学过程，包括来自太阳的等离子流和地球磁圈及电离层的相互作用，不断产生频率范围很宽的电磁波。其中的周期为数分钟以上的，能够穿过海水而达到海底，再穿过海底沉积层，达到上地幔岩石圈甚至更深处。
海水和海底接触处的电化学过程，岩石中的渗透过程，及海水在岩石中的扩散作用等物理作用和化学作用，在海洋中也能产生电场，其强度可达100μV/m。在浮游植物和细菌的聚集区，也发现有生物电场。
海水的各种较大尺度的运动，如表面长波、内波、潮汐和海流等，都能感应出相应的电磁场。研究海水各种尺度运动所产生的感应电磁场，探求测量它们的方法，进而通过电磁测量来了解海水的各种运动，也是海洋电磁学研究的一个重要内容。
⒈在海洋水文测量中的应用
苏联学者认为，在大洋磁流体力学领域内进行理论和实验研究，可以建立分析海流和波浪过程运动学的有效方法和手段。并可用于研究表面波和内波在沿岸楔和大陆架出口后的变形以及内波场和海流参数的统计特征值。并认为在可建立潮汐发电站的地方，可以利用电磁法确定进水量及能量的估算。
自60年代以来许多学者对线性波动、内波海流等感生电磁场进行研究，给出解析解。我们用Languet-Higgins海浪模型，得出了感生电磁场的解析解，并利用海浪感生电磁场的磁场强度分量的时间序列，估计海浪的能谱和方向谱。
⒉在海洋电磁波通讯中的应用
陆地、舰艇和飞机与水下潜艇进行无线电通讯时，所用的电磁波中的超长波，波长在万米以上（频率低于30千赫），电磁波沿地球表面和高度为70～80公里的电离层所构成的两个同心反射层之间传播，然后垂直透入海水。潜艇可在水面以下30米深处收到这种电磁波。要从陆地上和藏在大洋深处的核潜艇通讯，比较可靠的手段是极低频电磁波（波长在百万米以上）。实验说明：潜航于120米深的核潜艇用300米长的拖曳接收天线，能顺利地收到4600公里远的极长波指令。使用超长波和极长波对潜艇通讯，其优点是不受磁爆、核爆炸和太阳黑子的影响。缺点是发射天线太长，只能单向通讯。
⒊在海底电磁波地质勘探中的应用
裂隙中充满海水的岩石和硫化矿物，都能使的电导率增加2个量级以上，这可以用电磁波探测到，这可以用电磁波探测到，是一种有效的探测手段。海底岩石圈的电导率与它的物理化学、和等均有关系。根据海底附近的电磁测量，推断海底以下的上地幔岩石圈的电磁性质，可用来研究海底岩石圈的结构、热力学过程和海底岩基的运动及海底矿床的形成。该方法不断发展，能解决其他海洋地质调查方法所不能解决的一系列海洋地质和地球物理问题。美国斯克里普斯海洋研究所把发射源放在海底，用可在海底自由散布的接收器来测量电场。在19公里范围内测出0.25～2.25赫的极低频信号，提供了30公里深处的上地幔导电结构。对深部岩石圈性质的探测，尚无其他有效的手段，故海洋电磁学在这方面的就显得更加重要了。
⒋水下小目标探测中的应用
不论在地球表面还是地球以外的直接观测都表明地球的周围存在着磁场，并且对于整个地球表面而言，磁场是不均匀的。正常地磁场在几米范围内可以认为是大小相等方向相同的均匀场，其梯度（空间二点的磁场差值）很小，约为5nT／km，如果在正常的地磁场内，有一铁磁性物体存在，局部改变了地磁场的正常分布，就称磁异常。磁法探测的特点是它能连续、快速地测量地磁场及其微小变化，可在较大磁梯度环境下正常工作，不受空气、水、泥等介质的影响，能准确检测出铁磁物质所引起的磁异常。铁磁体的磁场与距离立方成反比，铁磁物体的存在进而引起的磁异常是决定磁性探测原理的基本条件。这种磁异常不受海水、泥砂等介质的屏蔽，对磁性探测呈现“透明”特性，使得磁法探测具有不同于声、电及水下电视等设备鲜明特征。海洋磁力测量的这一特点也为海底小目标的探测提供了机会。
⒌微波在海洋要素测量中的应用
海浪不同的波高和波长相当于海面具有不同的粗糙度，对微波能量的散射不同。用微波对海浪扫描，接收海浪对微波散射的能量，可以得出海浪波高和波长的统计分布。微波还可以探测海污、海温、海流、海雾、海冰和海风(通过海面的粗糙度)。海面水汽大、云雾重、可见光和红外遥感受限制，微波却能穿透，具有全天候、全天时的优点，因而卫星微波遥感能同时测量全球海况，成为海洋遥感的主力。
海底天然气水合物不仅是一种重要的能源，而且是影响海底陆坡稳定性和气候变化的重要因素。在海底天然气水合物探测中，地震学方法得到了广泛应用。利用地震学方法探测水合物的关键是寻找似海底反射层（BSR），然而，许多蕴藏天然气水合物的区域，由于水合物稳定区下部没有自由气体，地震学探测结果并没有出现似海底反射层，且利用地震资料难以确定水合物层顶界和水合物稳定区内部的结构特征。因此，在海底天然气水合物探测中，地震学方法仍面临许多挑战。与地震勘探相比，海洋电磁法能够方便地得到海底的导电性参数，可以为天然气水合物研究提供重要的电性信息。国外已有研究表明，海洋电磁法能够在水合物探测中取得较好的应用效果。
我国是一个海洋大国，海域的总面积约为陆地面积的三分之一，其中蕴藏有丰富的油气资源。开发并利用这些资源对于解决我国的能源问题、发展国家经济、提高国家综合实力具有重要而深远的意义。然而，在海洋油气勘探方面，国内所用的方法目前仍然只限于三维地震勘探，而对于海洋可控源电磁法的研究尚处于起步阶段，与国外相比存在着很大的差距。目前，二维模型正反演目前应用较普遍，随着三维数据采集标准化,三维模型正反演将无疑成为常规处理的一部分。
近年来，人们也开始向三维方向进行研究。如为了测试海洋电磁法在我国天然气水合物探测中的适用性，2012年4～5月在中国地质调查局“天然气水合物资源勘查与试采工程”项目支持下，利用自主研发的海洋电磁探测仪器，在我国某海域开展了海洋电磁探测试验，获得了我国海洋可控源电磁探测的首批宝贵资料。
■本文依据网络资料综合编写
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