陆地与海底大地电磁二维数值模拟对比研究

2022-07-09黄书华赵立波杨吉武

西部探矿工程 2022年6期

黄书华，赵立波，杨吉武

（广东省地质调查院，广东广州 510000）

1 概述

海底资源的勘探成为有效解决陆地资源短缺，以及拓展资源开发的重要途径。我国的海洋地球物理探测和海底地质调查大多采用海洋重磁、海洋地震和海洋测井等勘探方法，基本不使用电磁法进行海洋探测，缺乏获取海洋岩石层电性资料的手段[1]。这是因为，海底地层的电阻率要比海水电阻率要大，导致电磁场在到达海底地层之前已经经过海水层的衰减。到了21世纪，科技得到飞速的发展，这对于利用电磁法进行海洋勘探成为可能。近些年，海洋电磁法测深在研究海洋岩石圈结构方面，在勘探海底资源方面，海洋电磁法都有着重要的表现[2]。因此，模拟海洋环境下大地电磁法的不同地质体异常响应特征情况，以及不同海水深度对大地电磁测深的影响，这对研究海洋大地电磁探测能力有着重要作用。

2 海洋大地电磁法基本理论

在理论上，海洋大地电磁测深与陆地上的大地电磁测深（Magnetotelluric，简称MT）理论是一致的，都是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理方法。实验表明，所有电磁现象都服从Maxwell 方程。假设天然电磁场以平面波的形式由海面垂直向海底传播，建立如下的直角坐标系，坐标原点在海平面上，Z轴为电磁波的传播方向。空气、海水、海底地层模型如图1 所示，海水厚度为h1，海水下面为海底地层[3]。

图1 空气、海水、海底地层模型

电磁场的分布遵守Maxwell方程组，该方程组[4]：

在高导海水中，不存在自由电荷的积累，取谐变因子为e-iωt。当研究对象为二维问题时，考虑地质体走向为x方向，倾向为y，垂向为z。假设沿x轴方向上的电阻率参数是稳定不变的，即，电导率只在y、z平面变化，则由赫姆霍兹方程可以推导出电磁场横电波（TE）和横磁波（TM）两种模式。

进行一系列的数值计算，可以求得两种模式的视电阻率和相位角：

3 数值模拟

设置一低阻地电模型，在电阻率为100Ω∙m 的均匀半空间中，存在一个电阻率为1Ω∙m 的低阻异常体，该异常体顶部埋深1000m，长为2000m，高为2000m，测线垂直走向方向分布，测线长为10000m，测点间距500m，共20 个测点，频率范围是102～10-4Hz，共20 个频点，海水层厚度为100m、500m。陆地模型则是将海水层去掉，其它参数不变。

图2 表示陆地低阻模型的大地电磁两种极化模式(TE、TM模式)的视电阻率和阻抗相位拟断面图。

由图2（a）、2（b）的正演模拟的拟断面图中可以看出TE 模式下，低阻异常体的视电阻率异常范围在0.01～1Hz之间，水平位置与初始模型大致一致。相位用笛卡尔坐标系第一象限表示，TE模式的阻抗相位的响应结果能够和视电阻率结果对应，且在0.1Hz 附近出现上面是高相位值，下面是低相位值的一个镜面效果，并且上下出现的范围相似。

图2 陆地低阻异常体模型MT响应拟断面图

由图2（c）、2（d）的正演模拟的拟断面图中可以看出TM模式下，低阻异常体的视电阻率范围出现在1Hz以下的全部频率，水平位置和初始模型一致，但无法确定异常体底部边界。相位用笛卡尔坐标系第一象限表示，TM 模式的低阻异常体阻抗相位的响应结果能够和视电阻率结果对应，阻抗相位异常范围出现在0.1～10Hz。

图3、图4分别表示海水层厚为100m、500m时大地电磁两种极化模式(TE、TM 模式)的视电阻率和阻抗相位拟断面图。

图3 海水层厚100m低阻异常体模型MT响应拟断面图

图4 海水层厚500m低阻异常体模型MT响应拟断面图

对比于陆地上的正演响应图2，对于TE 模式来说，其视电阻率拟断面图的异常范围随着海水层厚度的增加而在逐渐缩小，在10～100Hz 中高频范围内，出现强烈的干扰；其阻抗相位拟断面图和陆地相比，异常很相似，都是在频率为0.1Hz 附近出现镜面，上下出现的范围大致一致，在10～100Hz 中高频范围内，出现强烈的异常干扰，并随着海水层厚度的增加，干扰更加严重。

对于TM 模式来说，对比陆地上TM 模式的视电阻率拟断面图[图2(c)]可知，由于存在海水层，使得TM模式视电阻率异常曲线得以圈闭，其低阻异常体的视电阻率拟断面图出现的范围大致是在10～0.1Hz，这某种意义上来说，TM模式也可以勾画异常体范围；对于阻抗相位，与陆地上的相比，TM模式下其相位在频率1Hz 也出现一个上面是高相位值，下面是低相位值的一个镜面效果，上下出现的范围大致一致，但是随着海水层厚度的不断增加，上面的高相位值逐渐缩小，镜面效果变得越来越模糊，当海水层厚度在1000m时，就只剩下下面的低相位值。