海洋電磁學是海洋化學的一個分支學科，主要研究海洋的電磁特點，海洋中頻率高于紅外的電磁場運動形態(tài)和規(guī)律及其應用。并研究海洋的電磁特點，海洋中的電磁場和電磁波的運動形態(tài)和規(guī)律，及其在海洋科學、海洋電磁波通信和海洋開發(fā)中的應用的學科，是在電磁波和天然電磁場應用于海洋通信和海洋偵測研究過程中逐漸產(chǎn)生和發(fā)展上去的。
一、發(fā)展導論
海洋中的各類脂類幾乎完全解離，這使海水富含大量離子而成為導體。M.法拉第早在1832年就強調(diào)：在地磁場中流動的海水，就像在磁場中運動的金屬導體一樣，也會形成感應電動勢。他在泰晤士河做過實驗，但沒有得到預期的結(jié)果；但他強調(diào)，在英吉利海峽必將能測出。1851年，C.渥拉斯頓在橫過英吉利海峽的海底電纜線上，測量到和海水潮汐周期相同的電位變化，才否認了法拉第的預言，由此人們開始了對海洋中的電磁現(xiàn)象的研究。
隨著電磁波中的超短波用于對艦艇通信，和極短波用于對大洋深處核導彈通信的要求，各國陸續(xù)開始研究海水的電磁特點和電磁波在海洋中的傳播規(guī)律。19世紀70年代以來，早已開始將電磁波中的極短波用于偵測研究海底巖石圈的地質(zhì)構(gòu)造和探礦。海洋中海天然電磁場和海水在地磁場中運動時形成的感應電磁場，就會對水下通信和地質(zhì)探制導致干擾，這又使得人們對海洋中的天然磁場和感應電磁場進行更細致深入的研究。
現(xiàn)代海洋電磁法的研究源于20世紀60年代，經(jīng)過數(shù)六年的發(fā)展，它已成為一種新的月球化學偵測技術(shù)。1998年由國家863計劃立項研究“海底大地電磁偵測技術(shù)”，并先后在香港海峽和南海，黃海海域舉辦了海底大地電磁測深試驗，結(jié)束了我國海洋月球化學缺乏海洋電磁勘察方式的歷史。此后又經(jīng)過多年的研究和試驗，已逐漸產(chǎn)生了我國的“海底電磁偵測技術(shù)”。
二、海洋的電磁特點
⒈海水的電磁參數(shù)
海水的電磁參數(shù)包括磁導率μ、電導率σ和介電常數(shù)ε。它們與海水的酸度、溫度和電磁場的頻度有關(guān)。海水為非鐵磁性物質(zhì)，一般采用真空的磁導率μ0=4π×10-7H/m作為海水的磁導率μ。海水總濁度率σ為離子濁度率和偶極濁度率之和，一般用經(jīng)驗公式估算海水的離子濁度率，它表示為酸度和濕度的函數(shù)，通常在3～5(Ω·m)-1，海水的偶極濁度率與頻度有關(guān)。當頻度高于109赫、溫度為17°C時，標準海水的濁度率為4.54～4.81(Ω·m)-1，是銅的10-7倍，玻璃的1012倍，而比通常河水或溪水大千倍以上。
海水的介電常數(shù)與堿度、頻率和濕度的關(guān)系，還只有半經(jīng)驗公式。海水介電常數(shù)理論是采用克勞休斯一莫索締一德拜介電常數(shù)理論公式，但和實驗結(jié)果相差甚遠。和分別構(gòu)建了兩個經(jīng)驗公式，但也只表示相對介電常數(shù)與濕度、密度的關(guān)系，并沒有包含頻度，只適用于低頻。對高頻還要加頻率改正。當頻度大于109赫、溫度為17°C時，標準海水的相對介電常數(shù)εr約為81.5。
⒉海洋電磁場
海洋電磁場包括天然電磁場和感生電磁場。天然電磁場主要是穿過海洋的地磁場，在兩極約為（6～7)×104nT，在赤道約為（3～4)×104nT。其日變值可達數(shù)十個nT，隨經(jīng)度和季節(jié)有所不同。通常在凌晨3時左右達到極值。季節(jié)變化約為15～30nT，年變化可達100nT，短周期0.2～600s變化約為百分之幾到幾個nT。
當波高為lm、周期9s或波高為0.5m、周期為3s時，感生磁場約為1nT。潮汐感生的磁場約為20～30nT。寬60km、最大寬度為300m、的半橢圓截面的海流，當流速為0.514m/s（1kn）地磁場垂直份量為4.8×104nT時，感生磁場約為37nT。由感生磁場可以算出感生電場。
海水與海底接觸處的電物理過程，海底的電場可達100μV/m，15～20m深處的底棲動物和真菌聚集區(qū)，垂直方向的電勢變化可達4mV。
大氣電離層發(fā)生的各類動力學過程，包括來自太陽的等離子流和月球高空磁層，電離層的互相作用，不斷形成頻度范圍很寬的電磁波。其中周期為數(shù)分鐘以上的，才能穿過海水達到海底，再穿過海底沉積層抵達上地慢巖石圈，甚至更深處。
⒊電磁波在海水中的傳播
電磁波在海水中傳播時，電場形成傳導電壓。電磁場能量通過電壓轉(zhuǎn)化為熱能，使得電磁場的振幅減少，頻度愈低衰減愈慢傳播愈遠。電磁波的振幅衰減為原先的1/e時的傳播距離，稱為穿透深度D。由麥克斯韋等式組可得：其中f為電磁波的頻度，單位為赫。兆赫以上的電磁波在海水中的D大于25cm,海水對這些電磁波就成為很強的屏蔽層；而頻度高于10Hz/h的極低頻電磁波，在海水中的D可達5000m。這樣，海洋就成為完全可穿透的了。這些極低頻的電磁波，可用于陸地對大洋深處核導彈通信和海底地?；瘜W探礦，是海洋電磁學研究的一項主要內(nèi)容。
三、海洋電磁場的分類
海洋電磁場包括天然電磁場和感應電磁場兩大類。
天然電磁場海洋中主要的天然電磁場是地磁場，而搶占地磁場99%以上的主磁場電磁波的應用，幾乎全部起因于地幔。另外，月球大氣電離層中發(fā)生的各類動力學過程，包括來自太陽的等離子流和月球磁圈及電離層的互相作用，不斷形成頻度范圍很寬的電磁波。其中的周期為數(shù)分鐘以上的，才能穿過海水而達到海底，再穿過海底沉積層，達到上地殼巖石圈甚至更深處。
感應電磁場海水和海底接觸處的電物理過程，巖石中的滲透過程，及海水在巖石中的擴散作用等化學作用和物理作用，在海洋中也能形成電場，其硬度可達100μV/m。在底棲動物和真菌的集聚區(qū)，也發(fā)覺有生物電場。
海水的各類較大尺度的運動，如表面短波、內(nèi)波、潮汐和海流等，都能感應出相應的電磁場。研究海水各類尺度運動所形成的感應電磁場，探索檢測它們的方式，從而通過電磁檢測來了解海水的各類運動，也是海洋電磁學研究的一個重要內(nèi)容。
四、海洋電磁學的應用
⒈在海洋水文檢測中的應用
南斯拉夫?qū)W者覺得，在大洋磁流體熱學領(lǐng)域內(nèi)進行理論和實驗研究，可以構(gòu)建剖析海流和波浪過程運動學的有效方式和手段。并可用于研究表面波和內(nèi)波在沿岸楔和臺灣架出口后的變型以及內(nèi)波場和海流參數(shù)的統(tǒng)計特點值。并覺得在可構(gòu)建潮汐發(fā)電廠的地方，可以借助電磁法確定進水量及能量的計算。
自60年代以來許多學者對線性波動、內(nèi)波海流等感生電磁場進行研究，給出解析解。我們用-海浪模型，得出了感生電磁場的解析解，并借助海浪感生電磁場的磁場硬度份量的時間序列，恐怕海浪的能譜和方向譜。
⒉在海洋電磁波通信中的應用
陸地、艦艇和客機與水下潛艇進行無線電通信時，所用的電磁波中的超短波，波長在萬米以上（頻度高于30千赫），電磁波沿月球表面和高度為70～80公里的電離層所構(gòu)成的兩個同心反射層之間傳播，之后垂直透入海水。導彈可在海面以下30米深處收到這些電磁波。要從陸地上和藏在大洋深處的核導彈通信，比較可靠的手段是極低頻電磁波（波長在百萬米以上）。實驗說明：潛航于120米深的核導彈用300米長的拖曳接收天線，能順利地收到4600公里遠的極短波指令。使用超短波和極短波對導彈通信，其優(yōu)點是不受磁爆、核爆燃和太陽黑子的影響。缺點是發(fā)射天線太長，只能雙向通信。
⒊在海底電磁波地質(zhì)鉆探中的應用
節(jié)理中飽含海水的巖石和硫化礦物，都能使巖石的濁度率降低2個量級以上，這可以用電磁波偵測到，這可以用電磁波偵測到，是一種有效的偵測手段。海底巖石圈的濁度率與它的化學物理性質(zhì)、溫度和含水量等均有關(guān)系。按照海底附近的電磁檢測，推測海底以下的上地殼巖石圈的電磁性質(zhì)，可拿來研究海底巖石圈的結(jié)構(gòu)、熱力學過程和海底巖基的運動及海底礫巖的產(chǎn)生。該方式不斷發(fā)展，能解決其他海洋地質(zhì)調(diào)查方式所不能解決的一系列海洋地質(zhì)和月球數(shù)學問題。日本斯克里普斯海洋研究所把發(fā)射源置于海底，用可在海底自由散播的接收器來檢測電場。在19公里范圍內(nèi)測出0.25～2.25赫的極低頻訊號，提供了海底30公里深處的上地殼導電結(jié)構(gòu)模型。對深部巖石圈性質(zhì)的偵測，尚無其他有效的手段，故海洋電磁學在這方面的研究就變得更加重要了。
⒋水下小目標偵測中的應用
不論在月球表面還是月球以外的直接觀測都表明月球的周圍存在著磁場，但是對于整個月球表面而言，磁場是不均勻的。正常地磁場在幾米范圍內(nèi)可以覺得是大小相等方向相同的均勻場，其梯度（空間二點的磁場差值）很小，約為5nT／km，假如在正常的地磁場內(nèi)，有一鐵磁性物體存在，局部改變了地磁場的正常分布，就稱磁異常。磁法偵測的特征是它能連續(xù)、快速地檢測地磁場及其微小變化，可在較大磁梯度環(huán)境下正常工作，不受空氣、水、泥等介質(zhì)的影響，能確切檢查出鐵磁物質(zhì)所造成的磁異常。鐵磁極的磁場與距離立方成正比，鐵磁物體的存在從而造成的磁異常是決定磁性偵測原理的基本條件。這些磁異常不受海水、泥砂等介質(zhì)的屏蔽，對磁性偵測呈現(xiàn)“透明”特性，致使磁法偵測具有不同于聲、電及水下電視等設(shè)備鮮明特點。海洋磁力檢測的這一特性也為海底小目標的偵測提供了機會。
⒌微波在海洋要素檢測中的應用
海浪不同的波高和波長相當于水面具有不同的粗糙度，對微波能量的散射不同。用微波對海浪掃描，接收海浪對微波散射的能量，可以得出海浪波高和波長的統(tǒng)計分布。微波還可以偵測海污、海溫、海流、海霧、海冰和海風(通過水面的粗糙度)。水面水汽大、云霧重、可見光和紅外遙感受限制，微波卻能穿透電磁波的應用，具有全天候、全天時的優(yōu)點，因此衛(wèi)星微波遙感能同時檢測全球海況，成為海洋遙感的主力。
五、海洋電磁法在我國的發(fā)展應用
海底天然氣水合物除了是一種重要的能源，并且是影響海底陸坡穩(wěn)定性和氣候變化的重要誘因。在海底天然氣水合物偵測中，水災學方式得到了廣泛應用。借助水災學方式偵測水合物的關(guān)鍵是找尋似海底反射層（BSR），但是，許多潛藏天然氣水合物的區(qū)域，因為水合物穩(wěn)定區(qū)上部沒有自由二氧化碳，水災學偵測結(jié)果并沒有出現(xiàn)似海底反射層，且借助水災資料無法確定水合物層頂界和水合物穩(wěn)定區(qū)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點。為此，在海底天然氣水合物偵測中，水災學方式仍面臨許多挑戰(zhàn)。與水災鉆探相比，海洋電磁法才能便捷地得到海底的導電性參數(shù)，可以為天然氣水合物研究提供重要的電性信息。美國已有研究表明，海洋電磁法才能在水合物偵測中取得較好的應用療效。
我國是一個海洋大國，海域的總面積約為陸地面積的三分之一，其中蘊涵有豐富的油氣資源。開發(fā)并借助那些資源對于解決我國的能源問題、發(fā)展國家經(jīng)濟、提高國家綜合實力具有重要而深遠的意義。但是，在海洋油氣鉆探方面，國外所用的方式目前依然只限于三維水災鉆探，而對于海洋可控源電磁法的研究尚處于起步階段，與美國相比存在著很大的差別。目前，二維模型正反演目前應用較普遍，隨著三維數(shù)據(jù)采集標準化,三維模型正反演將無疑成為常規(guī)處理的一部份。
近些年來，人們也開始向三維方向進行研究。如為了測試海洋電磁法在我國天然氣水合物偵測中的適用性，2012年4～5月在中國地質(zhì)調(diào)查局“天然氣水合物資源勘察與試采工程”項目支持下，借助自主研制的海洋電磁偵測儀器，在我國某海域舉辦了海洋電磁偵測試驗，獲得了我國海洋可控源電磁偵測的首批寶貴資料。
■本文根據(jù)網(wǎng)路資料綜合編撰