堪察加强震的低频电磁场前兆

在地震预报中,很多地方都在使用电磁学方法,该方法以研究地球的天然电磁场作为基础,这一天然电磁场不仅可能与地球外源有联系,也可能与地球内源有联系,在高空电离层和磁层发生的电化过程就属于外源。由于感应在地球上产生了不同频率和强度的大地电磁场(MT),在地表观测它,就可以监测出介质电导率随时间     

长偶极大功率可控源电磁波响应特征研究

地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是地球半空间模型.然而,对于几十公里的有限长电缆源（长偶极源）,远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响,它是一个全空间问题.关于包含电离层、空气层和地球介质（我们称“地-电离层”模式）的电磁波场特征的研究在国外较少,国内几乎是空白.本文采用全空间积分方程法首先对小尺度的可控源电磁波场特征进行了研究,由于此时电离层的影响可忽略,它应该和半空间成熟的CSAMT模拟结果一致,对比结果表明,二者是一致的,验证了全空间模拟方法的可靠性和有效性.随后进行了50 km长电缆电离层和空气层高度都为100 km的“地-电离层”模式大尺度电磁波场模拟,以探讨大尺度可控源电磁波场的特征.给定频率的“地-电离层”模式电磁场的衰减曲线表明长电缆远距离电磁波场由于受电离层的作用存在衰减逐渐变小的过渡场和衰减变小的波导场.为了探讨复杂介质“地-电离层”模式电磁波特征,对“地-电离层”模式的典型地盾和地台多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度50 km、电流200A、收发距离远达1600 km和2500 km的合理的电磁场结果.最后,对一简单含油储层结构模型进行了长偶极、大功率、远距离电磁波场响应计算.储层横向不均匀复杂结构模拟的结果表明,考虑电离层和大气层的“地-电离层”模式大尺度深层复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应.     

地面VLF波穿透电离层的能量衰减变化

地面VLF人工源可以导致辐射带高能粒子沉降.为研究辐射带粒子加速和沉降机制,乃至实现对辐射带电子"人工控制"的设想,需要在精确计算得到VLF人工源在电离层激发电磁场能量分布的基础上,计算哨声波对辐射带电子的调制作用.以往计算VLF人工源在电离层中激发的电磁场能量分布多基于Cary给出的波导中VLF波衰减率和Helliwell提出的经典电离层吸收曲线,但近期研究表明,这些模型结果存在较为明显的误差.本研究建立了地面VLF信号穿透电离层传播的全波计算模型,将计算结果与DEMETER卫星记录的NWC通讯台激发的电磁响应进行对比.虽然模型没有考虑电离层参数水平不均匀性,但模型计算结果与卫星观测值也有较好的一致性.利用经过验证的全波模型计算了不同地磁参数、电离层参数情况下,不同辐射特性的地面VLF辐射在波导中的衰减和穿透电离层时D/E区的吸收值,探讨了上述参数对电磁波能量在波导和D/E区中衰减的影响规律.     

电磁监测台站观测的舒曼谐振背景变化

舒曼谐振是由闪电激发的电离层与地面之间的全球电磁震荡,在地球与电离层空腔中传播,由于共振作用,其电磁波能量明显高于其他频率电磁波能量.舒曼谐振具有稳定的频域参数和频谱结构,近几年的研究发现,地震发生前会使这些固有参数发生扰动,因此利用舒曼谐振异常来进行地震短临监测可能是一种行之有效的手段.要判断舒曼谐振地震电磁异常,了解舒曼谐振电磁场背景变化规律是前提.本文利用极低频电磁台站观测的天然电磁场数据,处理和分析了各台站观测的舒曼谐振频率电磁场功率谱随时间的变化,得到了舒曼谐振随季节和纬度的背景变化规律.并提出将舒曼谐振背景变化规律应用到地震短临监测预报中,能够为今后辨别地震监测中的舒曼谐振异常提供物理依据.     

电离层-空气层-地球介质耦合下大尺度大功率可控源电磁波响应特征研究

电离层-空气层-地球介质（我们称为“地-电离层”模式）耦合下大功率可控源电磁波的研究在国内外较少.近年来,有学者做了相关的数值模拟,但没有考虑空气中位移电流的影响.我们根据研究对象和问题建立地质模型和相应的数学模型,采用R函数法进行“地-电离层”模式水平电缆接地偶极源的电磁波场强公式推导,同时考虑电离层和空气中位移电流的影响.在验证方法可靠的前提下,进行了数值计算.探讨了“地-电离层”模式大功率可控源电磁波的响应特征.数值计算结果表明,由于电离层和空气层中位移电流的影响,“地-电离层”模式大功率可控源电磁波的特征与地球半空间可控源电磁波的特征有很大的不同,体现在前者除了有近场、远场外,还存在由于电离层影响下场强衰减变小的波导场.并随着收发距增大和频率的增高,出现了电场和磁场方向图的变化.     

汶川地震SAR形变场电离层影响校正与断层地表破裂线自动提取

针对汶川地震PALSAR观测的方位向形变场存在严重电离层影响,导致准确提取断层地表破裂线困难的问题,本文使用一种基于频率域的电离层影响校正方法,从方位向形变场频域数据中提取电离层信号对应的频域信息,通过建模获得空间域电离层信号,并与原始形变场进行差分运算完成电离层影响的校正,还原了汶川地震断层近场沿SAR方位向的真实地表形变场.以校正后的方位向形变场作为数据源,采用非极大值抑制二维梯度算法,准确提取汶川地震北川—映秀断层和灌县—江油断层的地表破裂线.为验证提取结果的可靠性,引入野外地质调查数据进行对比分析,定量计算两条破裂线间的距离差异,结果表明基于SAR形变场自动提取的断层破裂线与野外地质调查数据具有较高的一致性,利用SAR观测形变场可作为调查地震断层地表破裂的重要补充手段.     

大功率长偶极与环状电流源电磁波响应特征对比

为了在深部第二成矿带找矿,需要进一步提高电磁法可控源的强度,因此,一种新的大功率固定发射源的电磁法正在孕育之中.该方法采用长偶极源或者环状电流源,为了提高发射源的强度,偶极长度L或者环状源半径R需要非常大.然而,电磁场信号的强度不仅仅依赖于发射源,当L或者R为数十公里时,接收点的位置远离发射源,电离层对电磁场的影响不可以忽略.电离层的影响既可能是增强信号,也可能是削弱信号,这依赖于不同类型源产生的电磁波.本文利用三维积分方程法对包含电离层、空气层、固体地球层(简称地-电离层模型)的线状和环状大功率电流源电磁波响应进行了三维数值模拟,对两种源的电磁波的响应特征进行了对比研究.研究表明虽然磁性源的发射效率高于电性源,但是由于发射源在波导区产生的直达波经电离层的反射波要产生相长相消干涉,波导区的场特征既和发射源的特征有关,也和电离层有关.对比研究发现对于x方向的水平长偶极源电离层对电磁场 E_x 和 H_y 的影响是使场的幅值增强,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是减缓的.而对于水平环状电流源,电离层对水平方向的电磁场的影响是使场的幅值减弱,即波导场的 E_x 和 H_y 的衰减是增大的.为此,认为采用大功率固定源在波导场工作时应该采用线状电流源.     

Weimer电场模式在地球磁层内的特征

地球磁层中的电场是研究磁层物理的重要参数,目前常用的对流电场有均匀晨昏电场和投影电场.电离层电场可以看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影,本文选取的电离层电场模型为Weimer(2001模式)电场.利用T96磁场模式,沿磁力线将电离层电场投影到磁层空间,得到一个新的磁层电场模式,并讨论了磁暴、行星际磁场(IMF)、太阳风参数和亚暴等对磁层电场的影响.利用该模型计算的电场结果与卫星探测结果相符.     

长偶极大功率可控源激励下目标体电性参数的频率响应

利用三维（3D）全空间积分方程准线性解作为数值模拟手段,对包含电离层、大气层和地球介质层的“地-电离层”典型异常目标体多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度100 km、电流200 A、收发距离远达1600 km的合理的异常电性目标体的电阻率-频率响应结果.通过对不同埋深异常目标体的电阻率-频率特征的讨论,认为当考虑电离层和大气层的“地-电离层”大尺度深层横向不均匀复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应,但当异常体电阻率及同一电阻率的岩石埋深不同时,其电阻率-频率的响应特征有很大不同,这正反映了不同岩石物性参数的电阻率-频率响应特征.文中结果表明从长偶极大功率源（WEM）激励的电磁场观测资料区分岩石的电阻率参数是可能的,这为利用WEM观测资料建立电性参数和岩石/地层参数经验关系奠定了基础.     

电离层人工调制在水平分层电离层中所激发的ELF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波能有效地扰动低电离层,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,用来辐射ELF/VLF波,所辐射出的低频信号可以进入中性大气层形成地球-电离层波导.本文基于调制加热模型,采用全波有限元算法计算由人工调制电离层所形成的电偶极矩所辐射出的ELF波在水平分层电离层中的波场,计算结果将与地面观测结果进行比较.模拟结果表明,所辐射出的ELF波在电离层中形成一个窄的准直波束,海面所能接收到的ELF信号强度为pT量级,并且频率越低,海面所接收到的场强就越小,与HAARP实验数据一致.结果还表明,低纬电离层对低频信号的传播衰减较大,并且所能透射出电离层的角度小,因此高纬地区更适合地球-电离层波导的激发.     

A mathematical structure for a theory of electromagnetic induction in the Earth in low latitude

Summary In low latitude the spatial distribution functions of the source field over the surface and the dimensions of the source, are important in any theory of electromagnetic induction developed for studying the conductivity structure of the Earth. The author has built up a mathematical structure for a theory of electromagnetic induction in anyn-layered earth model in low latitude. No simple solution is assumed for the horizontal distribution function of the source field and no assumption is made about the horizontal gradients of the source. The mathematical structure involves the concept of downward continuity of the field equations inside then-layered earth model. The resulting mathematical functions derived for anyn-layered earth model are complex. Hence a new matrix algebra of complex numbers is introduced by the author and this is built into the theory. From the upward continuity of the field equations, an inequality equation is derived in order to determine the heighth ₀ at which the induction field of the earth becomes negligible compared with the source field. The comparison of such heights at two or more stations under the same influence of the source field can be used for the resolution of the lateral distribution of the earch conductivity structure at these stations. The application of the theory will follow in a subsequent paper.     

时间域航空电磁数据的反演

本文用广义逆矩阵理论讨论了时间域航空电磁数据的反演方法.以水平二层大地和球体模型为例进行了计算,结果表明这种方法对时间域电磁数据的反演是行之有效的.对于理论数据,一般仅需迭代数次即可稳定地收敛到真值.通过奇异值分析,可以确定一个模型中的相对重要参数和无关紧要参数;对于求解某一特定参数,可确定哪些数据起决定性的作用.由奇异值分解而得出的信息密度矩阵、模型分辨矩阵,分别给出了模型响应拟合数据和模型参数分辨率的度量.这些信息对于时间域航空电磁系统的设计、野外测量和资料解释都具有重要的参考价值.最后给出了实例.     

地球主磁场电磁转矩导致的地球差异旋转

为探索驱动地球系统差异旋转的力源,选择整个地球作为研究对象,应用经典电磁学理论,分析地球固体介质中的电荷在地球主磁场中的运动特点,发现存在一个与地球自转方向相反的切向洛伦兹力.通过电荷与介质间的相互作用,切向洛伦兹力传递至介质迫使介质西漂.为探索地球差异旋转的规律,建立了地球薄圆筒圈层模型.应用经典物理学理论和方法推导出了地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度公式.研究得到四点主要结论:1)作用于半径不同的地球薄圆筒圈层的地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度绝对值不同:地轴及赤道附近圈层的小,其自转相对较快;半径等于3～(1/2)倍地球半径的薄圆筒圈层及其相邻圈层的大,其自转相对较慢.2)同一薄圆筒圈层中的差异旋转缘于介质的介电常数、阻力系数及质量密度的差异.3)地球差异旋转缘于地球的自转、正负电荷的非对等分布及介质的介电常数、阻力系数、质量密度的差异.4)地球差异旋转导致地壳运动,孕育地震,地球主磁场是地球差异旋转和地震孕育的敏感因子.     

瞬变电磁场的直接时域数值分析

为了深入了解瞬变电磁场的勘探原理,直接在时间域对负阶跃脉冲激发的二维瞬态场进行了数值分析.采用的方法是从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,源作为初始条件加入,利用准静态近似处理空中边界,然后进行时间的逐步递推,由此展现瞬变电磁场在地下扩散随时间发展的全过程.通过模拟计算不同时刻瞬态电场在地下的分布形态及地面上感生电动势相应的变化,揭示了低阻异常体对感应涡流的聚集作用,低阻覆盖层对瞬变场扩散的减速作用,及瞬变场的延时效应.因此,瞬变电磁法对低阻体是敏感的,有上覆低阻层时探测同样的深度需要较长的时间,而延时效应瞬变场的晚期时段可反映埋藏较浅的异常体.     

磁性层状介质的CSAMT电场分量响应特征

在传统的勘探电磁学理论中,往往把岩层磁导率近似看成空气中的磁导率,从而得到简化后的电磁场响应式,主要用于指导非磁性介质情况下的电磁探测.本文开展了磁性介质的电磁响应理论、数值模拟和特征分析等研究,以便实现对磁性矿体的电磁精细探测.首先推导出磁性层情况下的电磁响应表达式;然后,计算了几种典型磁性介质地质断面的响应曲线,并对其响应特征进行了分析;研究结果表明:当磁性层位于地表时,当表层相对磁导率μr1.2,磁性层对电磁测深曲线具体明显的影响;当岩层为中间层时,只要μr1.2,对H型、A型曲线中段会有影响.对H型曲线,主要表现在使极小值处的曲线抬高、变宽,以致使曲线形态发生变化;当磁性层处于最后一层时,不论岩层的磁导率是多少,对各类二、三层曲线来讲,不会影响曲线的形态,只是使渐近线前第一个极值点的位置右移,极值点至渐近线之间的线段变得较为陡峭.     

Generalised relative and cumulative response functions for electromagnetic induction conductivity meters operating at low induction numbers

Relative and cumulative analytical response functions have been widely used as a powerful tool for forward modelling and interpretation of measurements obtained by electromagnetic induction conductivity meters operating at low induction numbers for one‐dimensional layered earth models. These well‐known functions were derived and should be used for the instruments laid on the surface of the earth. In this paper, we extended the response functions and obtained new generalised analytical expressions, which can be used for instruments carried at any height from the surface. The proposed new equations were compared with numerically constructed functions, obtained using the full solution of Maxwell's equations, and proved to be in very good agreement at low induction numbers. Quantitative analyses of the behaviour of the relative response and the depth of investigation of electromagnetic induction instruments, when raised from the ground, could also be done using the generalised functions.     

The sub-surface magnetic fields produced by a line current source on a non-flat earth

Summary A simple cylindrical model is employed to estimate the effect of non-flatness of the ground on the sub-surface electromagnetic field from a current-carrying cable on the surface. It is shown that, if the surface curvature is sufficiently small, the fields in the cylinder model are very similar to those for the conducting half-space model of the earth employed earlier. The results can be used to provide estimates of expected errors in electromagnetic direction-finding of a buried receiving terminal.The research reported here was supported in part by the Mine Safety Center, U.S. Bureau of Mines.     

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件，将上半空间（空气）和下半空间（地下介质）两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中，假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算，每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程，这些线性方程组成了对角占优的线性方程组，可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.