关于大地电流的研究, 一类是使用模型计算大地电流和根据数据还原大地电流场。随着电子计算机的广泛应用, 数值模拟成为大地电流研究的重要方向, Boteler等^[40]使用固定和移动点源模型计算在导体中的大地电流, 同时得到相应的计算公式。Egbert^[41]建立了断层电性差异的模型, 计算关于断层大地电流幅度变化。Johnston等^[28]根据美国地质调查局在圣安德烈斯断裂附近的观测结果, 给出了长周期的谐波估计及其来源与地月潮汐相关的结论。另外, 还包括大量的关于构造、海洋大地电流的研究^{[14, 15, 23, 28]}。

另一类是计算地磁暴时大地电流, 并使用实测大地电流值验证, 在计算中也较多地考虑大地电导模型以及电磁平面波的传播理论。Albertson等^{[42, 43]}较早地关注了地磁暴发的影响, 深入探讨了地磁场和地电场的源, 认为是空间某种电磁扰动在地表面感应产生地电场。为了衡量地磁感应电场(Geomagnetic Induced Electric, GIE)和GIC, Prijola^[44]提出电磁同源的平面波理论方法, 使用地磁场的观测数据来计算地球表层感应电流。Pulkkinen等^[45]的研究表明, 同一磁情条件下, 介质电阻率越大, 则引起的感应地电场越大, 感应大地电流越小。Kappenman^[46]和Cooper等^[47]建立了太阳活动— 地球磁场的影响模型, 计算地磁暴对地球的能量输送, 探讨地磁暴与太阳活动及电离层扰动的关联性。当前的主要研究思路为:通过建立模型计算和模拟GIC的影响^{[48, 49]}, 在该理论的基础上提出的水平层状介质模型和海岸模型, 应用于分析电网附加感应电流和输油管道的腐蚀^[49~51]。国内关于这一现象的研究成果也颇多, 在资料利用、模型方法改进方面做了很大贡献^{[52, 53]}。

大地电流曾被认为完全是空间电磁的感应, 系空间Sq电流变化在地球导电体内的感应产生, 具有比较固定的日变化和季节变化, 与地磁场H分量具有相位关联。大地电场的变化分为平静变化和干扰变化。地电场平静变化的特点是连续出现并且有确定的周期性, 其中最重要的一种是静日变化。地电场扰动变化主要分为以下几类^{[8, 30]}:①高频地电变化, 周期为10^-4~1 s; ②地电脉动, 周期一般为0.2~1 000 s, 分为Pc和Pi两种类型; ③地电湾扰, 持续时间为1~3 h, 无周期性; ④扰日地电变化, 周期为1 d; ⑤地电暴, 持续时间为1~3 d, 具有独特形态。

若大地电流场既是有散场, 也是涡旋场, 则可以由安培定律^[17~19] 表示。

∇×E=-∂B∂t (1)∇×H=j+∂D∂t2

式中:j为感应电流, B为磁场强度, E为电场强度。D/t表示位移电流部分, 由于地电场台网的观测为直流— 准直流频段观测, 在该频段内, 可以忽略位移电流影响。大地电流的本质来源是空间电磁感应, 由于地电场的观测方式, 大地电流通过在近地表观测的电位差得到, 该电位差是大地电流在流动过程中对介质极化造成的势差所产生(图1), 在观测值中已经具有地下介质的导电信息。

根据William^[54]的研究和总结, 大地电流来源于空间电流体系扰动在地球介质的感应, 在地球上不同纬度(经度)具有不同的响应, 日变化和高频脉动等会出现不同的形态^{[6, 54, 55]}; 同时由于观测点电性结构的差异, 地电观测的基准值、日变化幅度和长周期变化各异。为了解释地面的电磁现象, 众多学者设计了相关模型。Gilbert^[56]建立了海陆导电性差异的GIC模型, 其目的在于计算和推测海洋与陆地大地电流的连续性。Acero等^[57]以绕行的线圈模拟计算环电流, 并可与实测值进行对比。Kuvshinov等^[38]根据海洋潮汐建立电磁潮汐模型, 其计算值可与测值进行对比。Lavrand等^[58]也建立了赤道电流环因受冷、热发生电磁扰动, 从而影响地面观测的模型, 模拟得出的数据与实际测值能够较好对应。Wadhwa等^[59]基于微小电流环和自旋矩的模型, 给出了层状电导率的介质, 从而解答关于电磁场的法拉第方程和泊松方程问题, 计算模型内产生的感应电流强度。另外, Zheng等^[50]提出了计算和解释GIC的线状空间电流, 以及Pü the等^[60]参照大地电磁观测得到的电导率, 建立了较为复杂的三维电导模型, 然后计算GIC。

图1

Fig.1

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	图1 大地电流测量与流线图示 (a)大地电流测量(据参考文献 [54]修改); (b)表征在某平面上大地电流流向低阻Fig.1 The illustrations of telluric current measurement and streamline (a) The principle of telluric current measurement(modified after reference[54]); (b) Characterization of current flows in a plane

根据电磁感应定理^[19]:电荷引起的电场为有散场, 变化磁场激励的电场为涡旋场。若要产生地面涡旋电流, 空间磁场的传播应具有特殊的形式, 从而产生变化磁场的电流也具有特殊的分布形式, 即等效为环状电流。

等效电流环模型假设地球磁层高度附近分布环状等效电流, 近似平行于地面。 那么其磁感应强度B可以由毕奥萨法尔定理^{[17, 19]}给出:

Bx=μ04π∮Idl×r→r33

式中:r为电流环等效半径, dl为环电流元, I为电流强度。磁场强度H1=B/μ , μ 为磁导率, 接近于真空磁导率μ ₀。若地表存在导电层, 且导电层具有水平各向同性电性分布, 导电层内受到空间感应磁场的B(x)激励。

电磁感应原理^{[17, 19]}指出, 感应电流产生的磁场方向与原磁场反向, 有抵消原磁场的趋势。假设中纬度研究区上空有一较大等效电流环平行于地面, 根据右手螺旋, 该等效电流在垂直于地面的方向上激励产生强磁场H1(图2a)。由大地电磁测深的反演结果^{[61, 62]}, 可以假设地下存在导电性较好的低阻层, 则H1在该导电层感应电流产生的二次磁场H2, 与H1方向相反, 感应的电流近似为涡旋电流。空间电流体系的尺度远远大于导电地层的厚度, 故可以认为感应磁场垂直于地层表面。当地球导电层相对于表面为倾斜层时, 空间感应磁场在该层面上感应出正涡旋电流场; 而在地面检测时, 距离导电层越远, 其电阻越大, 接收到的大地电流信号越小, 其涡旋线也越稀; 反之与导电层之间距离越小, 电阻越小而接收到的电流越大, 电流线密集, 从而形成近表面的偏心涡旋(图2b)。

图2

Fig.2

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	图2 等效环电流模型示意图 (a)电磁感应产生的正涡旋; (b)导电层倾斜的一种偏心涡旋Fig.2 The illustration of equivalent ring current (a) Eddy current generated by electromagnetic induction; (b) Eccentric eddy due to the inclination of the conductive layer

大地电流的应用研究主要体现在4个方面:

(1) 早期使用的大地电流勘探方法以及近期发展的自然电场法。20世纪30年代后期由顾功叙等引入大地电流勘探方法, 应用在既有矿山附近寻找盲矿; 此后, 大地电流法作为一种低成本的勘探手段, 广泛应用于物探普查工作中^{[2, 20, 22]}。另外, 大地电流法也被应用于研究断层的性质和追寻地下流体流向。随着仪器制造技术的进步, 现代使用自然电场法代替了原来的大地电流法, 根据区域地质状况和大地电流资料, 自然电场法普遍应用于物探找水等工作中^[63]。

(2) 大地电流与地震的联系。雅典大学3位学者提出了VAN (Varotsos, Alexopoulos and Nomicos)法^{[10, 11]}, 该方法通过分析SES与地震发生的关系, 给出了根据SES定位地震的经验方法, 在近几十年来地震多发却尚无可靠的预测方法的背景下, 引起了积极的反响^{[12, 13]}。该理论也引发了对于地震电信号新方法的广泛讨论和新的尝试, 包括Vallianatos等^[64]提出的地震电信号前兆与地震震级的规律。

(3) 大地电流时空分布研究。使用大地电流研究断裂带等构造的报道较少, 尤其在我国几乎见不到应用地电场观测数据研究区域性大地电流场空间分布和电性结构的成果报道。因此, 可以引入流体力学中对于流体速度描绘的思路, 使用固定台站的地电场观测数据以及对台址电阻率测深结果^[65], 研究大地电流场流线在特定区域内的流向、涡旋、汇集, 讨论其分布特点, 并与区域构造、水文地质条件^{[66, 67]}、气候环境等因素联系, 分析研究大地电流场流线空间分布状况、随时间的变化及其物理机制(图3)。

图3根据南北地震带邻区的38个地电场台站及其电阻率测深的数据, 根据微分欧姆定理J=σ E得到大地电流矢量(E为电场测值的幅值, σ 为电导率, 计算时采用了AB/2为5 m的电阻率值的倒数), 进而通过矢量插值绘制了大地电流空间分布图。地电场台站的观测装置布设为NS和EW 2个正交方向以及一个斜道(NW或NE), 每个方向布长、短2个极距测道, 且规定NS测道电场向北为正, EW测道向东为正; 测量仪器分辨率为10 μ V、测量频带为DC~0.005 Hz。

图3

Fig.3

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	图3 南北地震带邻区流线分布和地块构造划分 (a)南北地震带大地电流流线分布[65]; (b) 海原断裂邻区矢量图[65]; (c) 南北地震带两侧地块划分Fig.3 The streamlines distribution and the block structure of north-south seismic belt area (a)The streamlines distribution of North-South seismic belt region[65]; (b) Telluric current vector distribution of Haiyuan fault area[65]; (c) The block structure of north-south seismic belt area

南北地震带及其邻区在地理上跨越了我国西南和西北地区, 由一系列断裂带组成, 是青藏块体和扬子块体之间的重要挤压缝合带, 大地电磁等方法证实了南北地震带具有比较复杂的电性、磁性结构^[68], 其重磁特征特殊^[69], 断裂带和构造地块等的电磁差异可能影响该区域大地电流的分布。在南北地震带附近的构造块体边界, 大地电流的响应表现为向缝合带两侧汇集或由缝合带附近向两侧发散。在一定程度上, 大地电流能反映构造地块的运动方向, 青藏高原东北缘岩石圈向东推挤, 阿拉善块体向西逃逸, 反映在大地电流流线为北东走向转换为北西走向。此外, 西秦岭断裂及海原断裂附近也出现了相应的地电流线汇集或方向转换, 川滇地区的流线分布与地块边界缝合带吻合, 尤其在鲜水河断裂和龙门山断裂带附近大地电流响应明显(图3a, c)。

(4) GIC的计算和分析。GIC主要应用于远程高压直流输电的影响分析, 讨论不同地质条件下大地电流对高压直流输电影响, 通过对地电场台站密集区域的大地电流分析, GIC的研究可以对管道腐蚀和高压直流输电的场地选择提供参考, 而且可以依此分析地电场及大地电流对于输油管道的地埋管道的腐蚀情况。同时, 探讨地电暴期间地电场的扰动, 分析GIC和观测地电场的对应关系, 并进一步延伸到磁暴期间地电流的分布和根据磁暴计算涡旋大地电流分布。该项研究可以推动地磁观测与地电观测的相互校正, 认识地电暴对大地电流时空分布的影响。