第一章大地電場(chǎng).

1、信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 地球表面存在著天然的變化電場(chǎng)和穩(wěn)定電場(chǎng)。地球表面存在著天然的變化電場(chǎng)和穩(wěn)定電場(chǎng)。天然的變化電場(chǎng)是由地球外部的各種電流系在地天然的變化電場(chǎng)是由地球外部的各種電流系在地球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的，分布于整個(gè)地表或廣大地區(qū)，球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的，分布于整個(gè)地表或廣大地區(qū)，一般具有較小的梯度。天然的穩(wěn)定電場(chǎng)主要是由一般具有較小的梯度。天然的穩(wěn)定電場(chǎng)主要是由礦體、地下水和各種水系產(chǎn)生的，分布于局部地礦體、地下水和各種水系產(chǎn)生的，分布于局部地區(qū)，一般具有較大的梯度。各種天然的全球性或區(qū)，一般具有較大的梯度。各種天然的全球性或區(qū)域性的變化電場(chǎng)（電流場(chǎng)、電磁場(chǎng)），稱(chēng)為大區(qū)域性的變化電場(chǎng)（電流場(chǎng)、電

2、磁場(chǎng)），稱(chēng)為大地電場(chǎng)，而各種天然的地方性的穩(wěn)定電場(chǎng)，稱(chēng)為地電場(chǎng)，而各種天然的地方性的穩(wěn)定電場(chǎng)，稱(chēng)為自然電場(chǎng)。這兩種電場(chǎng)總稱(chēng)為地電場(chǎng)。本章僅討自然電場(chǎng)。這兩種電場(chǎng)總稱(chēng)為地電場(chǎng)。本章僅討論大地電場(chǎng)。論大地電場(chǎng)。表2.1.1 幾個(gè)國(guó)家的地電觀測(cè)極距國(guó) 家臺(tái) 名南北極距（公里） 東西極距（公里）德 國(guó)Barlin120262美 國(guó)Tueson56.893.9美 國(guó)College1.31.2英 國(guó)Greenrich25.015.6澳大利亞Watheroo3.4及2.09.9及5.6西 班 牙Ebro1.31.4加 拿 大Chesterfield1.30.9圖圖2.1.3 大地電場(chǎng)的矢端曲線(xiàn)大地電場(chǎng)的矢端

3、曲線(xiàn)（a）非線(xiàn)性極化；（）非線(xiàn)性極化；（b）似線(xiàn)性極化）似線(xiàn)性極化 大地電場(chǎng)的變化可分為兩大類(lèi)型，一類(lèi)是地電場(chǎng)的平靜變化，另一類(lèi)是地電場(chǎng)的干擾變化。平靜變化是連續(xù)出現(xiàn)的，具有確定的周期性。其中最重要的一種圖2.1.4 大地電場(chǎng)的對(duì)比性 （1952.2.24觀測(cè)） 變化是靜日地電日變化，周期為一天。干擾變化是偶然發(fā)生的，持續(xù)一段時(shí)間以后就消失了。地電場(chǎng)干擾變化又可分為各種類(lèi)型：高頻地電變化，周期約為1041秒；地電脈動(dòng)，周期一般為0.21000秒；地電灣擾，形如海灣而沒(méi)有周期性，變化的持續(xù)時(shí)間約為13小時(shí)；擾日地電日變化，周期為1天；地電暴，具有獨(dú)特的形態(tài)，變化的持續(xù)時(shí)間約為13天。圖圖2.1.

4、4 大地電場(chǎng)的對(duì)比性大地電場(chǎng)的對(duì)比性（1952.2.24觀測(cè)）觀測(cè)） 靜日地電日變化和擾日地電日變化具有相同的周期，兩者疊加在一起構(gòu)成的地電變化稱(chēng)為地電日變化。 高頻地電變化和地電脈動(dòng)，不僅周期短，而且變化幅度一般也較小，常稱(chēng)為地電微變化，必須用高靈敏快速記錄儀才能記錄下來(lái)。 三、三、 大地電場(chǎng)的場(chǎng)源大地電場(chǎng)的場(chǎng)源 圖圖2.1.5 地球磁層結(jié)構(gòu)地球磁層結(jié)構(gòu) 1-地球偶極磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；地球偶極磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；2-地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；3-磁層界磁層界限；限； 4-過(guò)渡帶；過(guò)渡帶；5-太陽(yáng)風(fēng)帶太陽(yáng)風(fēng)帶 大地電場(chǎng)的起源問(wèn)題目前研究得還不夠充分，但多數(shù)人認(rèn)為它是一種宇宙現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)代空間探測(cè)的研究發(fā)現(xiàn)

5、，在星際空間存在著來(lái)自太陽(yáng)的等離子流，又稱(chēng)太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)是一種超聲速的粒子流（它在地球附近的速度為300500km/s），且具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，地磁場(chǎng)不能穿過(guò)它，因而其磁力線(xiàn)發(fā)生畸變，遠(yuǎn)離地球區(qū)域的等離子體對(duì)地磁場(chǎng)起著屏蔽作用，使地磁場(chǎng)被局限在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為磁層。等離子體在磁層內(nèi)部與電離層相接，磁層向著太陽(yáng)一面的邊界離地心約810個(gè)地球半徑遠(yuǎn)，而背著太陽(yáng)的另一端則延伸很遠(yuǎn)，如圖2.1.5所示。圖2.1.5 地球磁層結(jié)構(gòu)1-地球偶極磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；2-地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)；3-磁層界限；4-過(guò)渡帶；5-太陽(yáng)風(fēng)帶 在離地球較近的區(qū)域，太陽(yáng)風(fēng)的等離子體將和地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面繞著地磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)運(yùn)

6、動(dòng)，另一方面又沿著磁力線(xiàn)方向在靠近兩極的70緯度帶附近往返振蕩，電荷的這種運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)就是電磁脈動(dòng)的一種場(chǎng)源。太陽(yáng)風(fēng)粒子流在地磁場(chǎng)作用下，在高度約300km的極區(qū)電離層中形成一個(gè)電流系，并在距離地心約5至7個(gè)地球半徑的遠(yuǎn)處形成一個(gè)赤道電流環(huán)，它們分別是地電灣擾和地電暴的場(chǎng)源 地電日變化的場(chǎng)源是分布在電離層中的電流系，其中，靜日地電日變化的電流系主要分布在中、低緯度地區(qū)的上空，高度約100km。而擾日地電日變化的電流系主要分布在高緯度地區(qū)的上空。高頻地電變化的場(chǎng)源是在對(duì)流層中產(chǎn)生的雷電，主要分布在赤道上空8km附近。 太陽(yáng)等離子體與磁層中離子的波動(dòng)產(chǎn)生的以微脈動(dòng)形式出現(xiàn)的低頻（1Hz）電

7、磁波，都在電離層和地球表面來(lái)回反射。它們?cè)诖┩傅貙拥倪^(guò)程中，可在導(dǎo)電地層中感應(yīng)出強(qiáng)度不大，而分布范圍很廣的渦旋電流場(chǎng)，這種弱電流脈沖稱(chēng)為磁大地電流。其傳播深度主要依賴(lài)于振動(dòng)頻率或一次電磁場(chǎng)的變化周期。高頻（短周期）波的電流集中于上部地層，反映地殼淺部的地質(zhì)信息，而低頻（長(zhǎng)周期）波則可傳播到很深處，反映地殼深部的地質(zhì)信息。 大地電場(chǎng)在地面上的分布，不僅取決于外部場(chǎng)源，而且還取決于地殼和地幔的電性結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)用大地電場(chǎng)資料可以研究地殼和地幔的電性結(jié)構(gòu)，也可以探測(cè)礦產(chǎn)和地?zé)岬荣Y源。 應(yīng)當(dāng)指出，大地電場(chǎng)和地球變化磁場(chǎng)是密切聯(lián)系，不可分割的。它們的場(chǎng)源都是各種天電，因此兩者具有相同類(lèi)型的變化。地球的變

8、化磁場(chǎng)屬于地磁學(xué)的重要內(nèi)容，本書(shū)不做介紹。 2.1.2 地電日變化 地電日變化由靜日地電日變化和擾日地電日變化疊加而成。圖2.1.6 地電日變化 一、一、 地電日變化的形態(tài)地電日變化的形態(tài) 地電日變化的形態(tài)如圖2.1.6所示，實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別為地電和地磁的日變化。由圖可見(jiàn)，地電北向分量日變化與地磁東向分量日變化的形態(tài)比較一致，而地電東向分量日變化與地磁北向分量日變化的形態(tài)比較一致，不過(guò)地電日變化與地磁變化之間有一定的相位差。 地電和地磁的日變化都是以日為周期的變化，但是形態(tài)并不是簡(jiǎn)單的正弦型。這說(shuō)明它們含有多種諧波成份。用傅氏級(jí)數(shù)進(jìn)行波譜分析表明，它們含有周期為24，12，8，6小時(shí)的各次諧波，

9、而主要的諧波成份是周期為24小時(shí)的全日波和周期為12小時(shí)的半日波。一般說(shuō)來(lái)，地電日變化的半日波比全日波強(qiáng)，而地磁日變化的半日波比全日波弱。圖2.1.6 地電日變化圖2.1.7 地電地磁日變幅度的長(zhǎng)期變化1大地電場(chǎng)強(qiáng)度；2.磁場(chǎng)強(qiáng)度；3.太陽(yáng)黑子數(shù) 二、二、 地電日變化隨時(shí)間的變化地電日變化隨時(shí)間的變化 圖圖2.1.7 地電地磁日變幅度的長(zhǎng)期變化地電地磁日變幅度的長(zhǎng)期變化 1大地電場(chǎng)強(qiáng)度；大地電場(chǎng)強(qiáng)度；2.磁場(chǎng)強(qiáng)度；磁場(chǎng)強(qiáng)度；3.太陽(yáng)黑子數(shù)太陽(yáng)黑子數(shù) 一個(gè)臺(tái)站所記錄到的地電日變化是逐日而異的，其幅度和相位都會(huì)有變化，不過(guò)幅度的變化要比相位的變化更明顯。這種逐日變化沒(méi)有明顯的規(guī)律性，必須利用多年的

10、資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才能看出變化的規(guī)律來(lái)。地電日變化的幅度具有1年和大約11年的周期變化。前者稱(chēng)為年變化或季節(jié)變化，一般夏季幅度大，冬季幅度小。后者稱(chēng)為11年變化或太陽(yáng)周變化，它和太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)。太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱一般用太陽(yáng)黑子數(shù)來(lái)表示，黑子數(shù)越高太陽(yáng)活動(dòng)越強(qiáng)。圖2.1.7給出了大地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)和太陽(yáng)黑子數(shù)的逐年變化，三者之間的相關(guān)性是非常明顯的，變化的平均周期約為11年。 三、三、 地電日變化的地面分布地電日變化的地面分布 圖圖2.1.8 地電場(chǎng)的分布圖地電場(chǎng)的分布圖 地電日變化形態(tài)和幅度是因地而異的，主要隨著緯度的改變而改變。在不同緯度處，不僅幅度不同，而且形態(tài)還可能相反。利用世界各個(gè)地電臺(tái)站同

11、一時(shí)刻的大地電場(chǎng)觀測(cè)值，可以繪出大地電場(chǎng)或大地電流在地面上的分布，稱(chēng)為大地電流的世界分布圖。圖2.1.8是吉什（O.Gish）利用1936年世界時(shí)18點(diǎn)的全球資料編制的大地電流分布圖，這是全年地電資料的平均結(jié)果。由于全球地電臺(tái)站的數(shù)目太少，且南半球主要是海洋，所以此圖只能給出大地電流地面分布的一個(gè)梗概。由圖可見(jiàn)，電流是呈渦旋形分布的，并且全球應(yīng)有16個(gè)渦旋形電流，南北半球各8個(gè)，不過(guò)南半球只能畫(huà)出4個(gè)。渦旋電流的中心隨緯度的分布具有一定的規(guī)律性：在中低緯度區(qū)，中心位置在30附近；在高緯度區(qū)，中心位置接近于70渦旋電流的方向（順時(shí)針或反時(shí)針），隨著經(jīng)緯度而交替改變。 赤道兩側(cè)的8個(gè)渦旋電流與靜日地電變化相對(duì)應(yīng)，白天的電流強(qiáng)，夜間的電流弱。高緯度處的渦旋電流與擾日地電日變化相對(duì)應(yīng)，電流強(qiáng)度晝夜相差不多。這種電流系相對(duì)于太陽(yáng)的位置是固定的，地球自轉(zhuǎn)一周，各地的大地電場(chǎng)就出現(xiàn)了以日為周期的變化，并且整個(gè)過(guò)程應(yīng)經(jīng)歷兩次起伏。地電日變化的幅度平均為10mv/km。圖2.1.8 地電場(chǎng)的分布圖 2.1.3 大地電場(chǎng)的干擾變化 一、一、 地電微變化地電微變化 圖2.1.9 短周期電磁脈動(dòng)頻譜圖 由于高頻地電變化和地電脈動(dòng)的幅度比較小，所以常稱(chēng)為地電微變化，其頻譜如圖2.1.9所示。E和H分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)，二者