海流感應(yīng)電場(chǎng)空間分布特性研究?

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(cè)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(dòng)為梯度流；由于海風(fēng)作用使海水產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的風(fēng)海流；由于長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)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(dòng)為長(zhǎng)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(shí)流速接近于0以及漲潮和落潮過(guò)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(chǎng)中切割磁力線時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。由于在水下不同水層處海流感應(yīng)電場(chǎng)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(cè)等需要考慮的主要干擾源。

2 基礎(chǔ)理論

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

假設(shè)海水在水平面上流動(dòng)，取海水流動(dòng)的方向?yàn)閥軸方向，z軸垂直向下。地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在3個(gè)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，受到洛倫茲力作用:

由地磁場(chǎng)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(shì)沿水深的分布是由電場(chǎng)垂直分量引起，可以得到:

3 感應(yīng)電勢(shì)空間分布特性

1）表層流

假設(shè)海水的流動(dòng)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(chǎng)Bx分量強(qiáng)度為28000nT，海流流速為0～1.5m/s，基本覆蓋我國(guó)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(shì)隨水深變化規(guī)律

圖2 不同流速海流感應(yīng)電勢(shì)隨水深變化規(guī)律

假定海流流速為1m/s，地磁場(chǎng)Bx分量強(qiáng)度為10000nT～35000nT，基本覆蓋我國(guó)領(lǐng)海海域地磁場(chǎng)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(shì)隨水深變化規(guī)律

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

仿真結(jié)果表明，海水電勢(shì)與海流流速和地磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足線性關(guān)系。當(dāng)海流流速和地磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低時(shí)，隨水深增加，海水電勢(shì)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(shì)空間分布。潮流流速見(jiàn)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(chǎng)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(lái)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(shì)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(chǎng)Bx分量強(qiáng)度為10000nT～35000nT。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6。

從實(shí)測(cè)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(shí)，海水電勢(shì)與水深近似服從線性關(guān)系。隨著海流流速和地磁場(chǎng)Bx分量強(qiáng)度增大，海水電勢(shì)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(shì)隨水深變化規(guī)律

3）“表進(jìn)底出”流

由于海面風(fēng)對(duì)歐拉余流的影響［3］，海流在海水表面和海底可能會(huì)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(chǎng)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(shì)隨水深變化規(guī)律

假定海流流速V0=80cm/s、-V1=-80cm/s，地磁場(chǎng)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(shì)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(shí)，在水下一定深度處，并未出現(xiàn)海水電勢(shì)的0點(diǎn)；當(dāng)表層海流小于底層海流流速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)海水電勢(shì)的0點(diǎn)，并且差異越大，電勢(shì)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(shí)，對(duì)于不同地磁場(chǎng)Bx分量強(qiáng)度在55m處會(huì)出現(xiàn)海水電勢(shì)0點(diǎn)的交匯，隨著水深增加，電勢(shì)變?yōu)樨?fù)值。

4 結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)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(chǎng)Bx分量強(qiáng)度10000nT～35000nT的變化范圍內(nèi)，海水電勢(shì)能夠達(dá)到1mV。基于遼東灣頂淺海區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果，在不同水層海水電勢(shì)最大可以達(dá)到0.5mV。表層海流和底層海流方向相反時(shí)，海底處海水電勢(shì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)被測(cè)海域的海流進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，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(chǎng)的空間分布特性。