电法勘探第二篇第一章

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 大地电场,地球表面存在着天然的变化电场和稳定电场。天然的变化电场是由地球外部的各种电流系在地球内部感应产生的，分布于整个地表或广大地区，一般具有较小的梯度。天然的稳定电场主要是由矿体、地下水和各种水系产生的，分布于局部地区，一般具有较大的梯度。各种天然的全球性或区域性的变化电场（电流场、电磁场），称为大地电场，而各种天然的地方性的稳定电场，称为自然电场。这两种电场总称为地电场。本章仅讨论大地电场。,信息工程学院,表,几个国家的地电观测极距,国 家,台 名,南北极距（公里）,东西极距（公里）,德 国,Barlin,120,262,美 国,Tueson,56.8,93.9,美 国,College,1.3,1.2,英 国,Greenrich,25.0,15.6,澳大利亚,Watheroo,3.4,及2.0,9.9,及5.6,西 班 牙,Ebro,1.3,1.4,加 拿 大,Chesterfield,1.3,0.9,图2.1.3 大地电场的矢端曲线,（a）非线性极化；（b）似线性极化,大地电场的变化可分为两大类型，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。其中最重要的一种图2.1.4 大地电场的对比性,（观测）,变化是静日地电日变化，周期为一天。干扰变化是偶然发生的，持续一段时间以后就消失了。地电场干扰变化又可分为各种类型：高频地电变化，周期约为1041秒；地电脉动，周期一般为0.21000秒；地电湾扰，形如海湾而没有周期性，变化的持续时间约为13小时；扰日地电日变化，周期为1天；地电暴，具有独特的形态，变化的持续时间约为13天。,图2.1.4 大地电场的对比性,（观测）,静日地电日变化和扰日地电日变化具有相同的周期，两者叠加在一起构成的地电变化称为地电日变化。,高频地电变化和地电脉动，不仅周期短，而且变化幅度一般也较小，常称为地电微变化，必须用高灵敏快速记录仪才能记录下来。,三、大地电场的场源,图2.1.5 地球磁层结构,1-地球偶极磁场磁力线；2-地磁场磁力线；3-磁层界限；,4-过渡带；5-太阳风带,大地电场的起源问题目前研究得还不够充分，但多数人认为它是一种宇宙现象。根据现代空间探测的研究发现，在星际空间存在着来自太阳的等离子流，又称太阳风。太阳风是一种超声速的粒子流（它在地球附近的速度为300500km/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磁场起着屏蔽作用，使地磁场被局限在一个有限的范围内，这个区域称为磁层。等离子体在磁层内部与电离层相接，磁层向着太阳一面的边界离地心约810个地球半径远，而背着太阳的另一端则延伸很远，如图所示。,图2.1.5 地球磁层结构,1-地球偶极磁场磁力线；2-地磁场磁力线；3-磁层界限；4-过渡带；5-太阳风带,在离地球较近的区域，太阳风的等离子体将和地球一起转动，一方面绕着地磁场的磁力线运动，另一方面又沿着磁力线方向在靠近两极的70纬度带附近往返振荡，电荷的这种运动所产生的电磁效应就是电磁脉动的一种场源。太阳风粒子流在地磁场作用下，在高度约300km的极区电离层中形成一个电流系，并在距离地心约5至7个地球半径的远处形成一个赤道电流环，它们分别是地电湾扰和地电暴的场源,地电日变化的场源是分布在电离层中的电流系，其中，静日地电日变化的电流系主要分布在中、低纬度地区的上空，高度约100km。而扰日地电日变化的电流系主要分布在高纬度地区的上空。高频地电变化的场源是在对流层中产生的雷电，主要分布在赤道上空8km附近。,太阳等离子体与磁层中离子的波动产生的以微脉动形式出现的低频（1Hz）电磁波，都在电离层和地球表面来回反射。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，而分布范围很广的涡旋电流场，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一次电磁场的变化周期。高频（短周期）波的电流集中于上部地层，反映地壳浅部的地质信息，而低频（长周期）波则可传播到很深处，反映地壳深部的地质信息。,大地电场在地面上的分布，不仅取决于外部场源，而且还取决于地壳和地幔的电性结构。因此，应用大地电场资料可以研究地壳和地幔的电性结构，也可以探测矿产和地热等资源。,应当指出，大地电场和地球变化磁场是密切联系，不可分割的。它们的场源都是各种天电，因此两者具有相同类型的变化。地球的变化磁场属于地磁学的重要内容，本书不做介绍。,2.1.2 地电日变化,地电日变化由静日地电日变化和扰日地电日变化叠加而成。图2.1.6 地电日变化,一、地电日变化的形态,地电日变化的形态如图所示，实线和虚线分别为地电和地磁的日变化。由图可见，地电北向分量日变化与地磁东向分量日变化的形态比较一致，而地电东向分量日变化与地磁北向分量日变化的形态比较一致，不过地电日变化与地磁变化之间有一定的相位差。,地电和地磁的日变化都是以日为周期的变化，但是形态并不是简单的正弦型。这说明它们含有多种谐波成份。用傅氏级数进行波谱分析表明，它们含有周期为24，12，8，6小时的各次谐波，而主要的谐波成份是周期为24小时的全日波和周期为12小时的半日波。一般说来，地电日变化的半日波比全日波强，而地磁日变化的半日波比全日波弱。,图2.1.6 地电日变化,图2.1.7 地电地磁日变幅度的长期变化,1大地电场强度；2.磁场强度；3.太阳黑子数,二、地电日变化随时间的变化,图2.1.7 地电地磁日变幅度的长期变化,1大地电场强度；2.磁场强度；3.太阳黑子数,一个台站所记录到的地电日变化是逐日而异的，其幅度和相位都会有变化，不过幅度的变化要比相位的变化更明显。这种逐日变化没有明显的规律性，必须利用多年的资料进行统计分析才能看出变化的规律来。地电日变化的幅度具有1年和大约11年的周期变化。前者称为年变化或季节变化，一般夏季幅度大，冬季幅度小。后者称为11年变化或太阳周变化，它和太阳活动密切相关。太阳活动的强弱一般用太阳黑子数来表示，黑子数越高太阳活动越强。图给出了大地电场、地磁场和太阳黑子数的逐年变化，三者之间的相关性是非常明显的，变化的平均周期约为11年。,三、地电日变化的地面分布,图2.1.8 地电场的分布图,地电日变化形态和幅度是因地而异的，主要随着纬度的改变而改变。在不同纬度处，不仅幅度不同，而且形态还可能相反。利用世界各个地电台站同一时刻的大地电场观测值，可以绘出大地电场或大地电流在地面上的分布，称为大地电流的世界分布图。图是吉什（O.Gish）利用1936年世界时18点的全球资料编制的大地电流分布图，这是全年地电资料的平均结果。由于全球地电台站的数目太少，且南半球主要是海洋，所以此图只能给出大地电流地面分布的一个梗概。由图可见，电流是呈涡旋形分布的，并且全球应有16个涡旋形电流，南北半球各8个，不过南半球只能画出4个。涡旋电流的中心随纬度的分布具有一定的规律性：在中低纬度区，中心位置在30附近；在高纬度区，中心位置接近于70涡旋电流的方向（顺时针或反时针），随着经纬度而交替改变。,赤道两侧的8个涡旋电流与静日地电变化相对应，白天的电流强，夜间的电流弱。高纬度处的涡旋电流与扰日地电日变化相对应，电流强度昼夜相差不多。这种电流系相对于太阳的位置是固定的，地球自转一周，各地的大地电场就出现了以日为周期的变化，并且整个过程应经历两次起伏。地电日变化的幅度平均为10mv/km。,图2.1.8 地电场的分布图,2.1.3 大地电场的干扰变化,一、地电微变化,图2.1.9 短周期电磁脉动频谱图,由于高频地电变化和地电脉动的幅度比较小，所以常称为地电微变化，其频谱如图所示。,E,和,H,分别表示电场和磁场，二者频谱是一一对应的。从图中可以清楚地看出变化幅度与变化频率的关系：在1Hz附近，幅度最小；高于或低于这个频率，变化幅度增大，并且在一些频段上幅度具有极值。,由雷电引起的高频地电变化的频率为1104Hz。按无线电波划分，这是低频段（ELF）。地电脉动P的频率为1031Hz，其中又可分为许多小频段。频率104103Hz的变化已经是地电湾扰了。,图2.1.9 短周期电磁脉动频谱图,