大地电磁场的特征与起源
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发布时间：2022-04-22 22:27
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时间：2023-06-24 19:10
4.2.1.1 大地地电磁场的特征
在很大地区范围内观测到的地球天然交变电磁场称为大地电磁场，它是以地球的电场和磁场分量的变化形式表现出来的。其中，在地球内部感应产生的分布于整个地球表面或较大区域的变化电场称为大地电场。大地电场与地球变化的磁场是密切联系、不可分割的，它们具有相同类型的变化。地球变化的磁场属于地磁学的重要内容，这里主要介绍大地电场。
大地电场的变化可分为两大类：一类是地电场的平静变化，另一类是地电场的干扰变化。平静变化是连续出现的，具有确定的周期性，干扰变化是偶然发生的。
平静变化有多种周期性，其中变化周期为11 a的，与太阳黑子出现的周期相同；有年变化周期，与太阳公转周期相同，并与季度变化有关，夏季场强幅度大，冬季场强幅度小；有月变化周期，与月球绕地球的周期相同；有静日地电日变化，与地球自转周期相同。
干扰变化与平静变化相比，它的出现带有一定的偶然性。干扰变化有高频地电变化，周期为0.000 1～1 s；有地电脉动，周期为0.2～1 000 s；有地电湾扰，无周期，持续时间为1～3h；有扰日地电日变化，周期为1d；有地电暴，变化持续的时间为1～3d。它们是大地电磁测深法主要的信号源。
图4.2.1给出了周期范围10-4～104s的大地电磁场振幅谱，是根据地磁场静日变化分析统计得出的。它包括了从湾扰到各类地电脉动(Pc、Pi)以及天电(ELF)等高频地电变化这些大地电磁现象所覆盖的频率范围。可以看出，在这一频率范围内，大地电磁场在1Hz附近振幅较小，而在更低和更高的频率上振幅都增大。
图4.2.1 天然电磁场振幅与频率的关系
在电法勘探中称之为地磁脉动(P波)的短周期脉动具有周期为0.2～1 000 s的似周期振动特性，在白天以波群形式几小时之内连续出现，故称该波为连续脉动波——Pc波，且主要是在早晨和下午期间出现。晚间，脉动具有衰减的正弦波性质，称这种振动为不规则脉动波——Pi波。这两类脉动又分若干个小类(图4.2.1)，其中Pc3和Pi2亚振动类型的振幅最大，且出现的概率也最大。在地电学中，电磁脉动的研究占有重要地位。
由于各种频率的振动成分起因不同，振动强度与昼夜变化、季节、纬度、甚至太阳活动有关。大地电磁场的最大振幅一般出现在夏季，在中纬度地区，大地电流场的振幅一般不超过几毫伏/千米，而磁场振幅为10-3～10-1A/m。
大地电场是个矢量，在某一测点O上，可采用不同方向的两组电极M1N1和M2N2来测量大地电场的场强E。一般使M1N1⊥M2N2，如图4.2.2a所示。Ex是大地电场在M1N1方向的分量，Ey是大地电场在M2N2方向的分量，用平行四边形法，将Ex和Ey的末端引出平行四边形的两条相邻边，并交于一点，此点即为矢量E的末端位置。
图4.2.2b，c是大地电场的两段记录。从图中量出各个时刻的Ex和Ey，可算出各个时刻的场强E。在直角坐标系中，先点出各个时刻的电场矢量E的端点，再按时间顺序连接各个端点就得到图4.2.2d，e所示的矢端曲线。从图中可以看出，大地电场强度不仅振幅随时间发生变化，而且方向也随时间变化，故在有限时间里(与变化周期比较)矢量端点描述出复杂图形。若场的矢端曲线具有等距图形和多交叉点形式(图4.2.2d)，这种极化称为非线性极化。一般这种情形可在陆台地区和巨大的等轴状盆地上观测到。在一些地区，如坳陷边缘区，矢端曲线具有伸长形状，且其长度超过横向宽度十倍，这种极化称为似线性极化(图4.2.2e)。在这种情形下，Ex和Ey变化或Hx和Hy变化几乎是相关的，矢端曲线的伸长线称为极化轴。
图4.2.2 电场测量方法(a)和Ex和Ey的振动记录(b，c)及相应的矢端曲线(d，e)
大地电磁场矢端曲线的复杂性证明了场源的复杂性。根据多年的观测结果可以假设两种类型的场源：一是场源位置对地球表面的观察者是固定的，变化的仅是其电流的大小和方向；二是场源电流大小可能不变，但相对观察位置是变化的。无论是属于哪一种，对于观察者而言，电磁场源的方向和大小均随时间发生变化。所以，在大地电磁场法中可假设无穷多个信号源。
在某一瞬间，大地电磁场在几百平方千米或更大的范围内，振幅、频率均保持一定，且能够同时相互对比。西西里岛和撒哈拉两地相隔约2 000km，但对比性表明了它们有同源特点(图4.2.3)。
图4.2.3 大地电磁场的对比性
(1952-2-24观测)
4.2.1.2 天然电磁场的起源
据现代空间的探测研究发现，在星际空间存在着来自太阳的等离子流(太阳风)以及宇宙射出的高速带电粒子。它们是一种超音速的粒子流(它在地球附近的速度为300～800km/s)，且具有很强的导电能力，地磁场不能穿过它，因而其磁力线发生畸变。远离地球区域的等离子体对地球磁场起着屏蔽作用，使地磁场局限在一个有限的范围内，这个区域称为磁层。磁层的边界在朝太阳这一边距离地心约有8～11个地球半径远，在背向太阳这一边则延伸得很远，形成一个磁尾。磁尾延伸至少超过月球，用卫星还没有观测到磁尾的闭合。在地球与太阳的连线上，由于太阳风在地球朝着太阳这方面“压缩”地磁场，使磁场强度增加；而在背着太阳这一面，则由于“拉伸”使磁场强度减弱。因此地球的磁场只是在地球附近才近似一个偶极场，在远处则发生了畸变(图4.2.4)。
图4.2.4 地球磁层结构示意图
1—地球偶极磁场磁力线；2—地磁场磁力线；3—磁层界线；4—过渡带；5—太阳风带
太阳的另一种辐射是电磁辐射。地球高层大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致，此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气分子和原子，在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子。距地表60km以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态。
现代观察表明，天然电磁场的形成与太阳辐射(包括宇宙射线)作用下形成的地球磁层和电离层的变化有关。太阳风与地球磁层、电离层之间相互复杂的作用产生的各种电磁效应，形成各种成因的电流系统，激发出电磁波。如果这些磁效应是由太阳风的各种瞬时变化产生的，当观测到它们时，就归到微脉动一类；如果它们是由地球在非对称磁层内的各种传输现象产生的，则把它们归为日变效应一类。通常这些外磁场效应，较之于几乎不变的地球内场是相对小的。
除与宇宙现象有关的低频场(10-4～10Hz)外，在地球上还有相对高频(n～104Hz)的电磁场。其源可能是由工业漏电、超长波无电线电台、大气电现象及地磁场的变化形成的。高频地电变化的场源主要来源于在对流层中产生的雷电现象，主要在赤道上空8km处。以闪电形式的放电是典型的大功率电偶极子源。观测表明，每一秒中向地球冲击100 个左右的闪电。故雷电的电磁场实际上可认为是连续的，其电磁场的强度主要依赖于放电中心的位置及电磁场传播条件的变化。
不同频率的电磁场叠加在一起，形成一个非常复杂的电磁振动。在地球表面上的有限区域内，这些产生于地球外部的大地电磁场可近似为平面波。它们在穿透地层的过程中，可在导电地层中感应出强度不大而分布广泛的涡旋电流场。这种弱电流脉冲称为磁大地电流，其传播深度主要依赖于振动频率或者场的变化周期。因此，研究大地电磁场的频率响应，可以获得地下不同深度介质电阻率的分布。
大地电磁场含有较丰富的低频成分，人工产生这样低频的能力要付出很高的代价。而且，大地电磁场具有强大的能量，勘探深度大，磁暴时进行观测，获得的低频信息，可穿过巨厚的高阻地壳，达到几十乃至上百千米的上地幔，这是其他地球物理方法难以实现的，从而为人们研究地球深部构造提供了一种有力的工具。
