海流感应电场空间分布特性研究∗

张安明 姜楷娜 崔 培 蒋大海 赵 哲 焦达文

（1.海军驻大连地区第一军事代表室 大连 116021）（2.大连测控技术研究所 大连 116013）

1 引言

海流一般分为三种［1］:由海水密度不同产生的海水运动为梯度流；由于海风作用使海水产生运动的风海流；由于长波运动产生的海流，包括潮汐、内波、假潮、海啸等产生的海水运动为长波潮流。由于涨潮、落潮、海面风以及地域结构的影响，海流在水面至海底的空间范围内表现出不同的流速和流向，如表层流、底层流、高潮和低潮时流速接近于0以及涨潮和落潮过程中不同水层流速和流向不断变换等［2～8］。

海水为良导体，海流在地磁场中切割磁力线时会产生感应电场。由于在水下不同水层处海流感应电场幅值差异明显，这将成为海洋油气电磁勘探以及水下电磁探测等需要考虑的主要干扰源。

2 基础理论

海水在地磁场中流动会感应出电磁场，既有水平分量也有垂直分量。感应电场的垂直分量与海水流速和地磁场的水平分量成正比；感应电场的水平分量与海水流速和地磁场的垂直分量成正比［9～10］。

假设海水在水平面上流动，取海水流动的方向为y轴方向，z轴垂直向下。地磁场的磁感应强度矢量在3个坐标轴上的投影为Bx、By、Bz。根据洛伦兹力公式，海水中的正离子在地磁场中运动，受到洛伦兹力作用:

由地磁场Bx分量所引起的洛伦兹力沿z轴的反方向指向海面，感应电势沿水深的分布是由电场垂直分量引起，可以得到:

3 感应电势空间分布特性

1）表层流

假设海水的流动出现在表面［11～12］，流速分布为

根据式（2）得到垂直方向上电位分布为

假定表层海流流速为V0，海流所在水层水深分别为z1=10m、z2=40m，实际水深为60m，地磁场Bx分量强度为28000nT，海流流速为0～1.5m/s，基本覆盖我国近海海域海流流速变化范围。仿真计算结果如图1～图2。

图1 典型流速海流感应电势随水深变化规律

图2 不同流速海流感应电势随水深变化规律

假定海流流速为1m/s，地磁场Bx分量强度为10000nT～35000nT，基本覆盖我国领海海域地磁场Bx分量强度变化范围。仿真计算结果如图3～图4。

图3 典型地磁强度海流感应电势随水深变化规律

图4 不同地磁强度海流感应电势随水深变化规律

仿真结果表明，海水电势与海流流速和地磁场强度满足线性关系。当海流流速和地磁场强度逐渐降低时，随水深增加，海水电势变化程度也随之减少，直至保持不变。

2）分层流

假设海流流速在不同水深处分布存在差异，具体的流速分布为

垂直方向上电位分布为

以辽东湾顶浅海区不同水层潮流流速为例［2］，研究不同水层海流流速感应电势空间分布。潮流流速见表1。

表1 辽东湾顶浅海区最大可能潮流流速统计表

假定地磁场Bx分量强度为28000nT，表层海流流速为V0、中层海流流速为V1、底层海流流速为V2（不同水层流速取值来自于表1），海流所在水层水深分别为z1=3m、z2=6m、z3=8m、z4=11m，实际水深为15m。

图5 典型分层海流流速感应电势随水深变化规律

假定海流流速V0=61cm/s、V1=79cm/s、V2=58cm/s，地磁场Bx分量强度为10000nT～35000nT。仿真计算结果如图6。

从实测数据分析结果中可以看出，当不同水层流速变化较小时，海水电势与水深近似服从线性关系。随着海流流速和地磁场Bx分量强度增大，海水电势也表现为线性增加。

图6 典型地磁强度分层海流感应电势随水深变化规律

3）“表进底出”流

由于海面风对欧拉余流的影响［3］，海流在海水表面和海底可能会表现出方向相反的情况。假设表层海流流速为V0、中层海流流速为0、底层海流流速为-V1，海流所在水层水深分别为z1=10m、z2=25m、z3=30m、z4=45m，实际水深为60m。

假定地磁场Bx分量强度为28000nT，表层海流流速V0在0～1.6m/s之间变化，最大值为1.6m/s；底层海流流速-V1在-1.6m/s～0之间变化，最小值为-1.6m/s。仿真计算结果如图7。

图7 “表进底出”典型海流流速感应电势随水深变化规律

假定海流流速V0=80cm/s、-V1=-80cm/s，地磁场Bx分量强度为10000nT～35000nT。仿真计算结果如图8。

图8 “表进底出”典型地磁强度海流感应电势随水深变化规律

上述仿真计算结果表明，当表层海流大于底层海流流速时，在水下一定深度处，并未出现海水电势的0点；当表层海流小于底层海流流速时，会出现海水电势的0点，并且差异越大，电势0点出现的深度越低；当表层和底层海流流速相反时，对于不同地磁场Bx分量强度在55m处会出现海水电势0点的交汇，随着水深增加，电势变为负值。

4 结语

本文基于理论模型，重点研究了典型的几类海流所产生感应电场的空间分布特性。仿真计算结果表明在表层海流流速0～1.5m/s和地磁场Bx分量强度10000nT～35000nT的变化范围内，海水电势能够达到1mV。基于辽东湾顶浅海区实测结果，在不同水层海水电势最大可以达到0.5mV。表层海流和底层海流方向相反时，海底处海水电势可以达到-1mV。数值分析结果可以为海洋电磁法勘探以及水下电磁探测装备设计等提供参考。

在真实的海洋环境中，海流流速、流向以及地磁场强度的空间分布比较复杂，如海流中的潮流存在旋转方向和一定的椭圆率，地磁场强度在不同的地域和方向上存在明显差异，因此在实际应用中，需要对被测海域的海流进行长期监测，掌握海流分布的统计规律，进而确定该海域海流感应电场的空间分布特性。