中國大陸大地電流時空分布及渦旋現(xiàn)象研究.pdf

1、大地電流是固體地球上天然存在的一種電流，起源于空間電流體系擾動、地下流體活動、地球深部物質(zhì)運移等引起的地殼物質(zhì)差異造成的電位分布。一般認為地電流場由大地電流和局部電流兩部分組成，大空間尺度電流來源于地球外部空間電流體系，局部電流來源于地殼各種電位過程，而大地電流變化是兩者變化的綜合響應。因此，大地電流與地球變化磁場密切相關，兩者的場源都是來自地球外部的各種電流體系在地球內(nèi)部的感應，或地球深部物質(zhì)運移產(chǎn)生的電流向地表傳導，因此兩者具有相似

2、的成分和變化形態(tài)。近年來，大地電流的研究涉及了地震預報、自然電場機理、高壓輸電損耗計算及其它基礎性的研究。然而，上述研究都較少考慮大地電流與構造活動、水文地質(zhì)、電磁擾動及地球深部結構的聯(lián)系。隨著觀測資料的積累和相關研究的深入，這些問題都需要進一步的考量和解決。
　　本文從微分歐姆定理出發(fā)，使用地電臺站觀測數(shù)據(jù)和淺層電阻率計算得到大地電流矢量，該矢量具有平面正交的2分量。使用矢量插值法繪制大地電流流線圖和矢量圖，通過大地電流矢量場得

3、到其渦度和散度，可以用來表征的大地電流分布和隨時間變化情況。另外，大地電流的時變性與地磁場相關，基于部分臺站的秒采樣(1Hz)數(shù)據(jù)考慮了地電、磁場的頻譜范圍；進一步基于電磁場傳播的平面波理論和電阻率測深資料，計算了地磁感應電流(GIC)的大小，并與實測大地電流對比，分析其空間分布狀態(tài)。本研究從以下5個方面展開討論：
　　(1)使用平面波模型由變化地磁場計算得出的地磁感應電流(GIC)與原始觀測有較強相關性，地電暴主相前后地電場與地

4、磁感應電場(GIE)存在一些幅度差，其相位具有很好的一致性?？紤]到地電暴是大區(qū)域電磁擾動，其場源具有某種均衡性和同步性。因此，采用地電暴的最大幅度獲取大地電流具有特殊的意義，地電暴時大地電流渦旋中心北漂明顯。通過1Hz采樣的地電場頻譜與地磁場頻譜對比，對前人總結的電磁頻譜進行了補充，拓展了地電脈動部分的頻率，明確了4.8h和12h等頻率成分。
　　(2)大地電流時空分布與構造活動和近地表的水文環(huán)境有關。華北地區(qū)郯廬斷裂帶對于大地電

5、流流向具有明顯的分異作用，斷裂帶兩側(cè)大地電流的方向顯示為不相關甚至相反方向，在斷裂帶被錯斷處，大地電流具有局部的延續(xù)性。在川滇地區(qū)，大斷裂帶對流線顯示為匯集作用，沿斷裂帶走向，大地電流的流線束狀發(fā)散或匯聚。因此在該分布狀態(tài)改變時，可能意味著斷裂帶的活動、地震的萌發(fā)，因此考慮將該方法應用于監(jiān)測地震活動。
　　(3)在中國大陸東部沿海，大地電流方向一般指向海洋，個別站點(即臺站)電流方向隨季節(jié)改變明顯。在海南島和崇明島，大地電流的方向

6、與周邊水流的水文條件相關，冬季和夏季的洋流受季風影響，在北部灣和海南島形成不同方向的環(huán)流，進而影響海島大地電流的方向，而崇明島大地電流方向主要受長江不同方向沉積的局部電流控制。
　　(4)我國大陸具有4個相對完整的似電流渦旋場，分別分布在東北、華北、西南和西北地區(qū)，渦旋中心處于30°N(2個)和38°N(1個)附近，另一個渦旋中心處于東北地區(qū)的榆樹附近。為了更好地解釋大地電流的渦旋現(xiàn)象，本文建立了渦旋電流模型。渦流的源是某種空間等

7、效環(huán)電流產(chǎn)生的垂直于地面的變化磁場，盡管這種渦流的電流比較小，但高導電地質(zhì)塊體的存在能使等效電流環(huán)的感應磁場在地面引起渦流。
　　(5)通過推導渦流對于導體塊加熱的計算公式，討論了渦旋電流分布區(qū)域的加熱效應，模擬渦旋電流對于地層的加熱效果和對局部熱流的響應。渦旋電流具有一系列的附帶效應，渦流導致的導電塊體中心熱值較周圍為大，這可能形成局部區(qū)域的地質(zhì)塊體地層加熱，渦旋附近的地磁Z分量應大于周圍非渦旋地區(qū)，該現(xiàn)象能夠通過其他的地球物理

8、觀測數(shù)據(jù)予以證實。在大地電流渦旋的分布區(qū)域，由于特殊的導電結構，在近地表存在導電塊體，從而具有良好的電流通道，這些都是產(chǎn)生渦流的必要條件。
　　在文中提出了一些新的研究方法，這很大程度地擴展了地球物理觀測資料的應用，比如用流場來表征大地電流。另外，數(shù)據(jù)處理方面使用相對變化值而不是測值的均值，這在很大程度上規(guī)避了電極漂移、觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定以及其他偶然因素造成的基準值差異，使大范圍內(nèi)的觀測值具有可比性，同時也是研究大尺度大地電流流向和渦