海底电缆的磁异常产生原理及探测方法

1.海底电缆磁性产生原理

海底电缆系统按照功能和用途一般可以分为电力电缆、海底光缆以及能同时进行电力和通信传输的光电复合缆。不同的海底电缆因其结构的不同，磁异常产生的原因各有不同。

电力电缆以提供电力为主，加载电流是产生磁力异常的主要原因，而电力电缆外包裹的铠装铁磁性材料所产生的磁异常相对加载电流通过时产生的磁异常要小很多。电力电缆通电时在水深10m的环境中可产生约2000nT的磁异常，异常幅度宽150m，所以电力电缆更容易被磁力仪探测到。

常见海底光缆由许多光纤、光信号转发器、铠装铁磁性包裹层、隔水保温层、防压防腐层等结构组成。当光缆传输光信号时本身不会产生磁异常，但在用磁力仪做光缆检查时却能探测到磁异常。通常认为海底光缆产生磁异常的原因有两种：一是为了达到光信号远距离传输的需要，在光缆上都要加装一定数量的光信号转发器，这些转发器必须依靠电流才能正常工作，这个电流可能是产生磁异常的原因；二是光缆包裹层含有刚性或其他能产生磁异常的铁磁性材料，光缆就相当于一个无限延伸的圆柱体，同样可能产生磁异常。根据长期的海洋磁测作业，一条光缆所产生的磁异常幅度和异常形态与光缆埋藏深度、电流加载方向、水深有关，海底光缆可以产生小于30nT的磁异常。

因此，不论是电力电缆、海底光缆还是兼具两者磁性特征的光电复合缆，均可建立一套相同的模型，该模型由两部分构成：

T=T₁+T₂

其中，T为海底电缆磁场；T₁为电缆铁磁性材料自身产生的磁场；T₂为通电情况下产生的附加磁场。

2.海底电缆的磁异常模型仿真

（1）电缆铁磁性材料磁异常仿真

为提高海底电缆探测的效率，任来平、黄谟涛、翟国君等从磁偶极子模型出发，通过磁矩的轴向分解及其磁场的矢量合成，并考虑地磁背景场影响，提出了一种计算海底电缆磁场的数学模型。

选择三种不同走向即南北走向、东西走向和45°走向的未通电海底电缆作为仿真对象，按照微分学的极限概念，认为海底电缆是无数个无限小点状铁磁体的线状排列，海底电缆在空间某点产生的磁场是无数个无限小的点状铁磁体磁场的叠加。因为海底管线一般掩埋于海底下面0.5～1m处，故将海洋磁力仪探头距离海底的距离设定为2m。

设某海域的地磁背景场总强度46865nT，地磁倾角41.21°，地磁偏角为0°。在该海域铺设的一条海底电缆粗细均匀，每单位分米长度的磁矩量为0.1Am²/dm，磁矩方向与地磁场方向保持一致。分别布置剖面线横切南北走向、东西走向和45°走向的海底电缆，得到如下三条剖面曲线图，如图7-1、图7-2、图7-3所示。

图7-1 南北向海底电缆磁场剖面曲线

图7-2 东西向海底电缆磁场剖面曲线

图7-3 45°走向海底电缆磁场剖面曲线

从图7-1可知，南北向海底电缆磁场呈对称分布，在海底电缆正上方磁场出现最大值，在东西两侧各出现一个最小值；从图7-2可知，东西向海底电缆磁场具有以下特点：沿海底电缆走向的北部出现一个凹陷带，沿海底电缆走向南部出现一个磁突起带，而且磁异常的量值要远远大于南北向海底电缆磁场，因此东西向海底电缆比南北向海底电缆更容易被探测到。从图7-3可知，45°走向海底电缆磁场分布与东西向海底电缆类似，沿海底电缆走向的北部出现一个磁凹陷带，沿海底电缆走向南部出现一个磁突起带，磁异常的量值介于南北向海底电缆和东西向海底电缆之间。(www.xing528.com)

改变磁倾角的方向（不同纬度时），可绘制出东西向海底电缆模型的磁异常曲线定性示意图，如图7-4所示。磁倾角为0°时，圆柱体模型为关于y轴对称的负异常；磁倾角为90°时，圆柱体模型为关于y轴对称的正异常。

图7-4 海底电缆圆柱体模型仿真曲线示意图

综合分析以上三种走向和不同磁倾角的海底电缆磁场分布可知，海底电缆的磁场分布随走向和磁倾角的不同而不同。

（2）海底光缆通电磁异常仿真

为方便与海底电缆圆柱体模型相比较，假设海底光缆为东西走向。海底光缆周围的介质均为非磁介质，当通过光缆的电流为直流电或者低频电流时，光缆中的线电流在其周围空间产生的磁场可表示为

由于磁力仪测得的是在T₀方向的分量ΔT（如图7-5），因此

即

式中，ΔT为电流磁场H在T₀方向的分量（nT）；I为光缆的电流强度（A）；x为观测点至光缆的水平距离（cm）；z为光缆的埋深（cm）；α为电流磁场H与水平面之间的夹角（°）；i为正常场T₀方向与水平面之间的夹角（°）。

图7-5 光缆横剖面内磁场分布示意图

光缆电流模型的磁异常曲线定性示意图如图7-6所示。由图可见，在磁倾角为30°的区域，该磁场曲线与圆柱体磁场模型的磁场曲线（图7-4）除了都为南正北负外，其他特征均截然相反，如当磁倾角为0°时，圆柱体模型为关于y轴对称的负异常，而电流模型则为关于y轴对称的正异常；90°时，圆柱体模型为关于y轴对称的正异常，而电流模型则为关于原点对称的南正北负异常。

图7-6 电流模型磁异常曲线定性示意图