1）东太平洋洋脊构造研究

图5.9　海底MT站点布置图

2000年，美国SIO的Key等为获得东太平洋洋脊的地壳及上地幔电性结构，开展了海底MT探测工作。第一次使用了宽频带海底大地电磁仪器，该仪器的扩展高频性能使其比传统海洋MT仪器（当时有效带宽通常不高于300 s）有更高的浅部地层分辨率。由于宽带海底MT对地壳和地幔的低阻体很敏感，而干冷的洋壳圈的电阻率非常高，如果在洋壳扩张中溶入少量的岩浆或海水，使电阻率大大降低，让洋脊结构成为MT方法的有效探测目标。2000年2月，Key等在9°50′N附近的东太平洋海隆（EPR）上部署了宽带海洋MT仪器，该宽带MT仪器装配有宽屏感应式磁传感器和电场接收偶极，该仪器使用交流耦合传感器设计以测量在0.1～10 000 s周期范围内的微弱海底电场和磁场信号变化。不过此次试验中，最短的可测量周期受到导电海洋的衰减限制，约为18 s。图5.9为作业布置图，在脊轴附近布置四个MT站位。

借助Robust方法对采集得到的时间序列开展MT阻抗估计，获得了18～6 000 s频段的MT阻抗数据。阻抗张量主轴和偏离角估计表明地层呈二维结构，但也表现出在阻抗张量主轴方向的频率依赖性，阻抗张量主轴估计中存在两个主要的分组，在频率小于100 s时，阻抗张量主轴方向与山脊走向几乎一致，这与深水脊结构是一样的；在大于100 s的频段，阻抗张量主轴方向聚集在距北境约20°的地方。长周期数据的走向变化可能是由结构走向的深度偏移、地磁海岸效应引起的长周期MT场变形或地幔橄榄石的电各向异性引起的。为了实现二维建模，在100 s周期内旋转数据，最大限度地减小非对角阻抗分量，而在大于100 s的周期内，将数据减少到8°和20°的脊线。图5.10显示了每个站点旋转后的MT测深曲线，TE和TM模式之间表现出强烈的不对称性。

图5.10　各站位MT测深曲线（图片源自Key，2002）

图5.11　二维反演地电模型（图中虚线为地震方法获得的地层速度结构，图片源自Key，2002）

结合有限元正演模型代码，进行了MT二维反演，图5.10是反演拟合的视电阻率与相位曲线。反演模型给出了约20 km深的二维电阻率结构，并且在洋脊下6～12 km深处具有高导电区域（1～10Ω·m），MT站点剖面较短（距脊5 km内的四个地点），并不能约束观测剖面之外的深度电性结构。因此将解释重点放在模型的地壳和上地幔，如图5.11所示。

反演得到的地电模型给出了地壳和上地幔电性结构，该模型的左侧和右侧显示出海底以下约1 km的深度呈一维层状结构，其电阻率为10～100Ω·m，随深度增加电阻率迅速增大到约10 000Ω·m。虽然该结构位于观测剖面两端，并没有受到很好的约束，但它确实与东北太平洋4 000万年洋壳上的CSEM测深结果一致。反演模型表明低电阻率主导的脊轴上存在岩浆系统，并与两侧干冷高阻岩石圈存在过渡带，深度在6～10 km。

在海底以下1.5～6 km处洋脊两侧延伸约3 km内地壳导电带电阻率为1～100Ω·m，并与地震观测到的低P波速度和低S波速度区域一致。为证明MT响应对这个特征的敏感性，计算反演模型响应。在图5.10中，蓝线和黑线对于周期小于约100 s的响应在所有站点上相差明显，表明数据对高导电区域具有很好的约束。

二维反演模型在9°50′N东太平洋海隆（EPR）四个MT站点收集的数据证明了在地壳和上地幔电阻率结构成像方法的可行性。虽然测点试验远远不足以提供地质结构上的严格约束，但低电阻区在地壳部分的反演模型与地震层析成像结果依然吻合得很好。

2）北海道近岸地下水研究

2014年，日本地质调查局为评估北海道的幌延沿海地区的咸水／淡水分布和水文结构，进行了近海MT探测工作。浅水区和沿海地区开展电磁方法探测的难点在于：①渔业活动受限制；②浅水导致传统的大型调查船无法作业；③海浪引起的感应电磁噪声，特别是0.01～100 Hz频段。因此需要采用不会对渔业活动产生影响的被动源MT方法，并且浅水限制大船的航行必须借助小船。另外还要克服运动海水引起的电磁噪声，为此定制开发了新的MT观测系统，其体积小、抗海浪，适用于小船开展投放回收作业，在陆地及海底MT联合数据采集中都获得了高质量的数据。海岸到海底的现场数据二维反演结果表明，由测井确定的一个厚度为几百米的第四纪沉积层为淡水层，在海平面以下延伸几千米。图5.12为测线布置图，线上开展了海底MT和陆地MT工作、近海和陆地的地震勘探工作、钻探工作，另外还在日本本州岛东北部建立了一个远参考站点，距离海洋MT测量点大约500 km，远参考处理有助于提高陆地和海洋的MT数据处理效果。

图5.12　测线布置图（包括陆地及海上MT测点、地震测线、钻孔位置，图片源自Ueda，2014）

为适应浅水MT数据采集的新开发MT接收机实物如图5.13所示，由基板、电场测量臂、数据记录舱和感应式磁传感器压力舱组成，整体高度小于250 mm，这样的扁平设计减少了电磁传感器受海浪振动的干扰。底板上还附着了一个小型电子罗盘，用来记录仪器水下作业时的方位角。图5.14为现场作业图。

图5.13　MT接收机实物图（图片源自Ueda，2014）

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图5.14　作业现场示意图（图片源自Ueda，2014）

图5.15示出了陆上和海底MT数据迭代反演计算的测量线A的二维电阻率模型及地震解释。二维电阻率模型和地震解释清楚地表明，通过钻探确定的几百米厚的第四纪沉积层为淡水层，并且在海底延伸了几千米，从测量线B的反演也得到了类似的结果。在二维电阻率模型（图5.15）中，陆上MT站点（1101～1111）下大约50 m深度上有一个电阻背景（10～100Ω·m）下的薄的（10～30 m）相对导电（1～10Ω·m）层，通过陆上时域EM调查也发现了该导电层。据分析，该层被认为是淤泥质黏土的潟湖沉积。这种导电层对于浅层和更局部的水文研究非常重要。1120～MA3区间下方显示淡水区域，最深达500 m，淡水层并向海域延伸。

图5.15　测量线A的二维电阻率模型及地震解释（图片源自Ueda，2014）

此案例为了解决浅水MT作业过程所遇到的难题而开发的新型海洋MT测量系统，体积非常小，能够减少运动海水所产生的干扰；其结构紧凑，使得吨位小的测量船来实施设备投放回收变得可行。在日本北海道幌延沿海地区的陆上MT调查和近海数据采集都获得了高质量的数据。二维反演表明，通过钻探确定的一个厚度为几百米的第四纪沉积层为淡水层，并且在海底延伸了几千米。本次研究结果充分说明所提出的海洋MT系统可用于核废料场地评估咸水／淡水在沿海地区的分布和结构。

3）南黄海油气勘探

针对南黄海盆地深层地震地质条件差、地震波受屏蔽、能量严重衰减、在海洋反射地震资料中很难识别反映中-古生界的反射地震波组、不能满足南黄海盆地前第三系油气资源前景评价的需要等问题，中国地质大学（北京）于2006年5月开展了南黄海海域海底MT测深试验。在盆地内五莲斜坡和胶州凹陷区布设了三个海底MT测深点，取得了可靠的海底观测数据。对试验观测资料进行处理和反演，并结合地质、物性资料进行综合分析，结果表明在南黄海盆地海底以下深部还存留有古生代地层，这对于南黄海前第三系含油气前景的评价具有重要意义。试验结果也证明了海底MT测深技术在研究古生代残留盆地方面的问题可以发挥相当好的作用。

钻井资料显示，南黄海盆地内自下而上发育有古生代、中生代和新生代地层（见图5.16）。其中古生界由海相碎屑岩及碳酸盐岩组成，厚达数千米；中生界主要为陆相断陷盆地碎屑沉积岩，厚度0～6 000 m；新生界下第三系以陆相断陷盆地碎屑岩沉积为主，上第三系主要为浅海沉积，厚度为500～3 000 m。区内表层沉积物类型复杂，包括中砂、细砂、粉细砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土等。针对南黄海中-古生界深层地震波屏蔽、衰减引起的深部地层无连续地震波组反射，很难揭示南黄海盆地中-古生界分布等问题，而采用深部成像的大地电磁测深方法，就可以获得为南黄海前第三系油气成藏规律认识、油气资源潜力评估所需的地质信息。

图5.16　南黄海盆地区域构造简图（图片源自魏文博，2009）

图5.17是南黄海三个试验点的海底MT测深曲线。从图5.17a、b上看，MT100和MT110号点xy和yx两个极化模式的视电阻率测深曲线类型与H形曲线相近；而MT120号点两个模式的测深曲线类型却与它们相差甚远，类似于Q形曲线（图5.17c）。这说明实际上MT100和MT110号点应处在同一构造区内，即处在胶州凹陷内，只有MT120号点是在五莲斜坡带上。

图5.17　南黄海试验点的海底MT测深曲线（图片源自魏文博，2009）

图5.18　南黄海试验点的海底MT测深一维反演拟合曲线（图片源自魏文博，2009）

根据MT测深曲线对海底电性结构进行一维反演，反演拟合情况如图5.18所示。根据钻孔资料可知，胶州凹陷内地下上部为新生界上第三系，其底界深度为1 119 m，岩性以泥岩为主；其下为下第三系，底界深度在1 340 m，岩性仍以泥岩为主。中生界白垩系深度在1 340～1 410 m，岩性为砾石层；1 410～1 987 m深度为三叠系上青龙组含泥质岩屑灰岩；1 987～2 812 m深度为下青龙组灰岩。2 812 m深度以下是古生界二叠系大隆组，其底界在2 930 m深度，岩性以砂泥岩为主；其下至孔深3 259.84 m仍未穿透二叠系龙潭组，岩性以泥岩、粉砂质泥岩夹灰岩为主。而根据反射地震剖面的结果，在MT100号点海底以下1 119 m深（双程走时1.1 s）为上第三系底界；1 410 m深度（双程走时1.25 s）为下第三系加白垩系底界；2 812 m深（双程走时1.7 s）为三叠系青龙组底界；3 600 m深度（双程走时2.2 s）为二叠系龙潭组底界。在MT120号点海底以下900 m深（双程走时0.94 s）为第三系底界；2 700 m深（双程走时1.54 s）为三叠系青龙组底界；3 300 m深度（双程走时1.8 s）为二叠系龙潭组底界。

南黄海海底MT测深试验研究的结果给出一个重要认识：在南黄海盆地海底二叠系以下还存留有古生代地层，这对于南黄海前第三系含油气前景的评价具有重要意义。试验是成功的，结果也证明了海底MT测深技术在研究古生代残留盆地方面问题可以发挥比较好的作用。

海底MT是为数不多的海底深部探测方法，尤其在地震方法效果较差的区域发挥着独特的优势。在海底板块构造、油气勘探、浅部地下水调查中取得了较好的效果。近年来在深部探测需求的驱动下，在方法技术、仪器设备进步的支撑下，海底MT正焕发新的生命力。