利用地磁台站数据和站间传递函数估算长周期大地电磁测深的本地阻抗

大地电磁测深的有效信号为天然电磁场,容易受到人文电磁噪声干扰,如何提高大地电磁资料的信噪比,已经成为制约大地电磁应用和发展的一个重要因素.本文利用地磁台站数据,首先将地磁台站数据转化为长周期大地电磁测深所采集的磁场数据格式,利用远参考方法估算长周期大地电磁测点与地磁台站之间的站间传递函数,包括长周期大地电磁测点电场与地磁台站水平磁场之间的拟阻抗,以及长周期大地电磁测点水平磁场与地磁台站水平磁场之间的水平磁场传递函数,将拟阻抗与水平磁场传递函数相乘便可以得到长周期大地电磁测点本地阻抗的无偏估计.实测数据处理结果表明,该方法可以提高本地阻抗估算的数据质量,减小阻抗估算误差.     

华北地区地电暴时GIC及涡旋电流响应分析

通过地电场台址近地表介质电阻率和地电场值计算大地电流,从大地电流场中分离出涡旋电流;根据平面波理论和水平导电层模型,使用地磁暴观测数据在频率域计算地磁感应电场(GIE),由GIE计算地磁暴感应电流(GIC).计算结果与实测值对比分析表明:GIE计算结果与实测地电暴具有很好的相位一致性;GIC涡旋中心相对地电暴涡旋中心存在向SE漂移约3°的现象;磁暴时地磁场Z分量的幅值分布图中极大值区域与涡旋中心重合,可能是GIC涡旋中心偏移的原因.另外,根据电磁感应原理提出的等效环电流模型,在一定程度上解释了涡旋大地电流的形成机制.本项工作可应用于地磁观测与地电观测的相互校正,同时有助于认识地电暴对大地电流分布的影响.     

基于站间天然电磁场单位脉冲响应的大地电磁时间序列去噪方法

针对天然大地电磁场信号在人文活动密集地区易受噪声干扰的问题,本文提出利用两个同步测点天然电磁场时间序列之间的单位脉冲响应,合成本地点受干扰时段的数据,从而去除大地电磁噪声.首先,选择高信噪比时段的数据,采用最小二乘法,估算本地点与参考点之间的单位脉冲响应,再根据卷积定律,结合参考磁场合成本地点的磁场和电场.最后用合成数据替换含噪声时段数据,实现时间域去噪.实测高信噪比数据和含噪数据的处理结果表明,该方法可以高精度合成本地点磁场与电场信号,有效去除本地点电场和磁场噪声,包括相关噪声,提高大地电磁数据质量.     

空中电场大地电磁法

空中电场大地电磁法(Air Electric Field Magneto-Telluric method,简称AEMT),其基本的原理是,通过电容传感器测量近地表空中三个分量的交变电场,用磁棒观测交变磁场,再将所测电场和磁场转化为阻抗,通过对阻抗的解释,达到查明地下地质体的分布特征的目的.本文对AEMT基本原理进行较详细的论述,证明了电容传感器代替接电极原理的基本公式.分析了空气中垂直电场的来源,在介绍地面低频电磁波近似边界条件的基础上,导出了AEMT测量垂直电场分量时视电阻率的计算公式,并计算了一维情况下二层、三层地电模型AEMT视电阻率曲线.介绍了应用实例,最后讨论AEMT方法的技术特点.     

CSAMT单分量数据解释方法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)一直沿用大地电磁法(MT)的办法,通过计算电场分量与磁场分量的比值,求取卡尼亚视电阻率.而CSAMT场源已知,电场分量和磁场分量都与地下电阻率存在一定的关系,可以单独采用CSAMT电场分量或者磁场分量提取地下介质的视电阻率.本文通过分析电场分量与磁场分量的数据特性,提出利用CSAMT电场单分量数据进行视电阻率的计算,用改进的广义逆矩阵反演方法,使初始模型中的地电层数等于频道个数,克服了以往反演计算中层数较少的问题;实现全场区电场分量视电阻率曲线的拟合反演.同时对单分量视相位计算方法进行分析,结合山西大同地区积水采空区探测及数据解释结果,论证本文提出的单分量解释方法的有效性.     

黑龙江省大地电场观测数据的分析与应用

首先对黑龙江省7个大地电场观测台站的概况进行了简单的介绍,然后评估了大地电场观测数据的效能,分析了大地电场观测的日变化特征和干扰因素以及大地电场的正常场和异常信息。结果表明,典型的干扰主要有降雨、共用电极和地磁暴,其中大磁暴干扰一般会出现在高频信号中并破坏正常的日变形态,其主要表现为多个台站同时出现异常信号。在观测系统和环境因素正常的情况下,只有绥化台、德都台、肇东台、通河台、林甸台、望奎台的大地电场观测曲线有明显的日变化形态,其与地磁日变化形态相似,而密山台由于受到严重的干扰,大地电场观测曲线没有出现较好的日变形态。另外,笔者对一些可能与地震相关的异常现象进行了初步的分析探讨。     

磁化率对大地电磁响应的影响研究

本文推导了物质的磁化率大于自由空间的情况下的二维大地电磁(MT)正演计算公式. 利用有限差分法实现了其正演计算,获得了电磁场的分布. 详细地讨论了磁化率对MT响应的影响,证实了磁化率主要影响磁场信号的同相分量,而对磁场信号的异相分量和电场信号的影响比较弱. 当磁化率κ≥001时,在某些低频点的视电阻率值可以增加5Ωｍ左右,并且随着磁化率增加,这种增加的幅度显著增大;而对阻抗相位的影响则非常小. 新的认识为高磁化率物质存在的地区观测到的MT数据解释提供一种新的研究思路.     

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(一)——阻抗张量分解与构造维性分析

本文对大地电磁观测阻抗实施一种数学变换--"共轭阻抗变换",发现转换后的观测阻抗和区域阻抗之间存在特定的关系,这种特定关系不受电场局部畸变的影响,而且同样不需要关于地下区域结构维性的假设,在区域结构是三维的情况下也是成立的.对转换后的观测阻抗采用已有的Swift旋转方法即可求得区域主轴方位角,然后采用最优化方法求取区域阻抗相位、振幅以及畸变因子.同时根据转换后的观测阻抗重新定义了不受电场局部畸变影响的构造维性参数.采用合成理论数据验证了新算法的正确性,和Swift、Bahr、GB、相位张量、WAL方法进行了对比分析,并将新方法应用于实测资料的解释,发展了一套消除局部畸变和进行构造维性分析的MT精细资料处理技术.进一步的工作是将新算法推广到多点多频,并采用最优化技术分解,发展一种稳定性好、多测点多频点的阻抗张量分解技术.     

网式大地电磁阻抗张量及其影响因素分析

网式大地电磁（Network-MT,N-MT）法采用长数公里至数十公里的电话线为电极线测量电场,很难形成两条笔直且相互垂直的电极线,因此阻抗张量的计算不如大地电磁法中直接.本文依据阻抗张量的旋转规则提出了一种计算N-MT阻抗张量的简便算法.依据该算法计算了中国东北地区5个N-MT测站的阻抗张量,获得了基于阻抗张量的视电阻率、相位曲线和最佳主轴方位角分布图像,为我国东北N-MT资料的进一步处理和解释提供了基础性数据.此外,本文对比分析了朝阳测站中6条N-MT观测电极线上阻抗张量旋转值与观测值之间的差异,重点讨论了产生这种系统性偏差的各种因素,提出其主要因素可能来自“电场等效各向异性”效应,即测站附近的地壳内部存在与观测电极线尺度相比拟的横向非均匀构造,而测站各电极线沿不同方向跨越不均匀构造,此时各电极线上的电场分量不遵循同一电场矢量的分解准则,导致地表观测三角形内阻抗分量不满足统一的阻抗张量旋转规则.     

兴济地震台大地电场方位变化特征

根据地电场成分分类取空间电磁环境较为平静且地电场观测数据日变形态较为稳定的时段对兴济台大地电场E_T进行提取,然后利用正交向两测道大地电场合成总的大地电场E_T总。对总大地电场方位变化进行对比发现,兴济台午前午后大地电场方位角图像较平凉、大柏舍数据离散度高,无午前午后3个阶段的稳定形态变化特征;通过谐波分析及F检验发现,兴济台大地电场前10阶谐波拟合程度相对较低、高阶谐波成分显著,说明兴济台地电场成分复杂,可能是造成一天中大地电场方位角数据离散的原因。     

乌鲁木齐地磁台地磁场变化特征

根据乌鲁木齐地磁台有史以来的地磁观测资料,对该地区地磁场的长期变,短期变及其磁暴活动规律进行了总结分析,这对进一步认识乌鲁木齐地磁台地磁场各要素的变化规律及征,为地震震预报提供有实用价值的第一手资料都是十分有意义的。     

Wavelet analysis of geomagnetic field data

Variations in geomagnetic field data at different spectral frequencies and with different periods are observed during increased geomagnetic activity. The formed local structures depend on the field disturbance and contain information on the magnetic storm intensity and character of development. Numerical solutions and algorithms based on wavelet transforms, which make it possible to “automatically” detect periods of increased geomagnetic activity and identify and analyze the structures forming this process, have been proposed in order to study the time characteristics of geomagnetic field variations, using the H component as an example. The separated components, characterizing disturbances, make it possible to estimate variations in the field energy characteristics. An analysis of the constructed wavelet images makes it possible to trace the dynamics of variations in the H component the day before and during a magnetic storm.     

电网磁暴灾害风险影响因素研究综述

磁暴是源自太阳磁场剧烈变化的地球空间效应,随着电网规模的增大和电压等级的增高,磁暴灾害已经成为诱发电网故障风险的威胁之一.研究电力系统磁暴灾害风险的影响因素可为预防与控制其引发的电网事故提供重要参考.在分析历史典型磁暴事件的基础上,剖析了磁暴诱发电力系统故障的机理,阐述了故障传播与电力系统响应的过程,总结了近年来关于影响电力系统的地磁感应电流水平及其产生的变压器无功损耗方面的研究成果,从磁暴本身的特点和电力系统的参数与结构两方面将影响因素分类.以GIC标准模型,通过改变磁暴扰动环境和电力系统参数,说明了各因素对电网磁暴灾害风险的影响程度,并比较了不同因素影响后果的差异,最后指出了尚未解决的问题和可能的研究方向.     

Planetary distribution of geomagnetic pulsations during a geomagnetic storm at solar minimum

We investigate the features of the planetary distribution of wave phenomena (geomagnetic pulsations) in the Earth’s magnetic shell (the magnetosphere) during a strong geomagnetic storm on December 14–15, 2006, which is untypical of the minimum phase of solar activity. The storm was caused by the approach of the interplanetary magnetic cloud towards the Earth’s magnetosphere. The study is based on the analysis of 1-min data of global digital geomagnetic observations at a few latitudinal profiles of the global network of ground-based magnetic stations. The analysis is focused on the Pc5 geomagnetic pulsations, whose frequencies fall in the band of 1.5–7 mHz (T ～ 2–10 min), on the fluctuations in the interplanetary magnetic field (IMF) and in the solar wind density in this frequency band. It is shown that during the initial phase of the storm with positive IMF Bz, most intense geomagnetic pulsations were recorded in the dayside polar regions. It was supposed that these pulsations could probably be caused by the injection of the fluctuating streams of solar wind into the Earth’s ionosphere in the dayside polar cusp region. The fluctuations arising in the ionospheric electric currents due to this process are recorded as the geomagnetic pulsations by the ground-based magnetometers. Under negative IMF Bz, substorms develop in the nightside magnetosphere, and the enhancement of geomagnetic pulsations was observed in this latitudinal region on the Earth’s surface. The generation of these pulsations is probably caused by the fluctuations in the field-aligned magnetospheric electric currents flowing along the geomagnetic field lines from the substorm source region. These geomagnetic pulsations are not related to the fluctuations in the interplanetary medium. During the main phase of the magnetic storm, when fluctuations in the interplanetary medium are almost absent, the most intense geomagnetic pulsations were observed in the dawn sector in the region corresponding to the closed magnetosphere. The generation of these pulsations is likely to be associated with the resonance of the geomagnetic field lines. Thus, it is shown that the Pc5 pulsations observed on the ground during the magnetic storm have a different origin and a different planetary distribution.     

Spatial and temporal spectra of the geomagnetic field and their scaling properties

Many natural phenomena show a relationship between their spatial and temporal Fourier spectra. This paper discusses such a connection for the geomagnetic field, when some assumptions are made about the (exponential or power-law) behaviour of the spatial power spectrum of the field itself and that of its time derivative (the spatial spectrum of the secular variation) as estimated from global geomagnetic field models. It is shown that, under either assumption, the temporal spectrum of the geomagnetic field computed at the core–mantle boundary (CMB) would have a power-law behaviour with a negative spectral exponent of about 0.5. At the Earth’s surface, although the temporal spectrum obtained from the power-law spatial model assumes a slightly more complicated form, it can be practically approximated with a power law with a negative exponent of about 3.6. Analysis of magnetic observatory data confirms these results and that the starting hypotheses are reasonable, especially in view of the possibly chaotic state of the dynamical processes underlying the generation and maintenance of the geomagnetic field.     

Crustal geomagnetic field: two-dimensional intermediate-wavelength spatial power spectra

Two-dimensional Fourier spatial power spectra of equivalent magnetization values are presented for a region that includes a large portion of the western United States. The magnetization values were determined by inversion of POGO satellite data, assuming a magnetic crust 40 km thick, and were located on an 11 × 10 array with 300 km grid spacing. The spectra appear to be in good agreement with values of the crustal geomagnetic field spatial power spectra given by McLeod and Coleman (1980) and with the crustal field model given by Serson and Hannaford (1957). The spectra show evidence of noise at low frequencies in the direction along the satellite orbital track (N-S), indicating that for this particular data set additional filtering would probably be desirable. These findings illustrate the value of two-dimensional spatial power spectra both for describing the geomagnetic field statistically and as a guide for diagnosing possible noise sources.     

全球电离层VLF电场功率谱特征

分析2006年3月至2009年2月DEMETER卫星VLF电场功率谱数据发现,卫星高度上全球电离层电场功率谱有以下特征:高纬度区域电场辐射强度平均高于低纬度区域,几个地磁场异常区相应的电场辐射增强;全球电场功率谱,向阳侧强于夜侧,大陆强于海洋,夏季强于分点季,冬季最弱;不同频段的电场功率谱特征有显著差异,某些频段的功率...     

磁线圈对地磁场的物理模拟及对地磁导航研究的意义

利用磁线圈对地球基本磁场开展动态模拟,将地磁场随空间的变化转化为在实验室中随时间的变化,能够为地磁导航系统的匹配试验提供物理仿真的地磁场环境。本项研究依照虚拟仪器技术思路,对磁线圈、恒流电源、磁通门磁力仪(或Overhauser磁力仪)和工控机进行数字化连接,并采用LabVIEW编程进行驱动控制,通过自动调节线圈绕组中的电流大小来实现对磁场的物理模拟并进行实时监测,尝试组建了地磁场动态模拟系统,并分别开展了对地磁场总强度和三分量信号的动态模拟实验。模拟系统可以实现天然地磁场和人工编制两种动态信号的输出模拟,且拟合效果良好。地磁场动态模拟系统的初步建立为今后地磁匹配试验等研究提供了仿真磁场环境。     

江苏地区地电暴特征及差异性

利用FFT方法对江苏区域地电场、地磁以及有关台站的钻孔应变数据进行处理,提取频谱特征,对该区各地电台站的地电暴特征进行分析,研究结果表明：①江苏区域地电场各测项地电暴数据与地磁H分量变化趋势接近,但各台地电场不同测项的突跳方向存在各向异性,4个地电台站EW向数据具有一致同向现象,NS向数据有差异性;②由各分量优势周期对应性可知,江苏地区地电场NS向含有的地磁场H分量高于体应变成分,地电场EW向倾向于地磁场H分量与体应变叠加抵消的结果;③当磁暴发生时,地磁H分量变化幅度相同的台站,地电场变化幅度不同,地电台站的地电暴变化特征与其地下结构有关,地下深层阻抗越大,感应电场越大,地电场日变化幅度越大。