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地球內部的電場。由大地電場和自然電場所組成。前者主要是地球高層大氣中的各種電流體系在地球內部所產生的感應電場;後者是地殼中的某些物理、化學作用引起的電場。

1簡介

地電場geoelectric field):地球內部的電場,由大地電場和自然電場所組成。前者主要是大氣層中的各種電流體系在地球內部所產生的感應電場;後者是地殼中的某些物理、化學作用引起的電場。
1830年,英國福克斯(P.Fox)首先在黃銅礦上觀察到了自然電場。由於當時科學水平的限制,他未能認識這種電場的本質。1847年,巴洛(W.H.Barlow)從英國的電話線中最先發現了大地電流。1859年伴隨大磁暴發生了強烈的極光和地電流,地電流破壞了許多通信工作,從此,地電流觀測被通信部門所重視。1865年,在英國的格林威治天文台上,建立了第一個地電觀測點,在東西和南北兩個方向布極,極距約15公里。1889年,舒斯特(A.Schuster)首先嘗試用地球電磁場的日變化來確定地球深部的電性。20世紀20年代,地電場被用於勘探有用礦床。1936年,吉什(O.H.Gish)和魯尼(W.J.Rooney)在總結長期觀測資料的基礎上,繪製出第一幅世界時18時的全球電流渦旋線分布圖。圖中表明位於赤道南北的 8個電流環的中心在南北回歸線附近,而位於北極區的 4個電流環中心位於北極圈附近。1950年蘇聯的吉洪諾夫(А.Н.Тихонов)提出了利用單點測量大地電磁場的方法探測地球內部物質電性的初步設想。1953年法國的卡尼亞爾(L.Cagniard)推導出大地電磁測深的視電阻率公式。60年代以後,利用地球的交變電磁場探測地球電性的工作越來越多。也有人企圖用地電方法預測地震。

2大地電場

隨時間變化的、大尺度的大地電場的最主要部分同變化磁場的起源基本上是一致的,所以前者的諧波成分同後者幾乎可以一一對應。同地磁場一樣,在這些諧波成分中,研究最為詳細的是日變化。起源於地磁變化的大地電場按一定形式分佈於廣大地區,有其區域特徵,稱為區域電場。觀測表明 ,地表的平均電流密度為 2 安培/平方千米。大陸的平均電場強度約為20毫伏/千米,海洋的平均電場強度約為0.4毫伏/千米。
日變化
關於日變化的形成過程,可用吉什和魯尼的渦旋電流線分布圖(圖1)說明:圖中的全部渦旋相對於太陽中心至地球中心的連線的位置是固定的,從而當地球自轉一周時,各個渦旋將依次通過地面上的每一條固定的子午線;或者,在地面上的某一固定的觀測點將依次穿過同緯度上的各個電流線。因此地電場有周期為一天的諧波成分。由圖1還可以看出渦旋電流的分佈同緯度有關,4個位於北極地帶,4個位於北半球的溫帶和赤道地區;同樣,還有8個渦旋位於南半球(圖中只給出4個)。由此可見,地電場的日變化還與緯度有關。圖2是埃布羅台的地電場同地磁場日變化對照圖。由圖可以看出:東西向的電場與南北向的磁場日變化曲線相似,但電場與磁場之間有相位上的差別。由圖2還可以看出:日變曲線並不是簡單正弦波,這說明其中包含著多種諧波成分。傅里葉分析表明,其中主要含以24、12、8和6小時為周期的諧波。從振幅上看,24和12小時周期波佔主要成分。
不僅大地電場的幅度隨時間變化,它的方向也不斷地改變。在一天里,如果把各個時刻的矢量端點都連在一起,便得出一條矢量端點軌跡(圖3)。此軌跡大致構成一條直線的稱為線性偏振,該直線的方向稱為偏振方向。矢量端點軌跡不構成一條直線的稱為非線性偏振。用類似的方法也可以作出地磁場的偏振圖形。觀測得出:偏振圖形所包圍的面積隨時間變化,其周期為11年、1年、27天。由圖4可以看出:上述偏振圖形的面積同太陽黑子數的相關性很好,相關係數達0.88。
大地電場的短周期變化頻譜幾乎連續分佈在 10-4~104赫之間。在1赫左右,電場同磁場的幅度均出現極小值。由雷電引起的高頻電磁波的頻率為1~104赫。Pc和Pi型地電磁脈動分佈於103~1赫之間。這兩類脈動,按周期的長短又可分為Pc1~Pc5和Pi1、Pi2等。地電灣擾和地電暴的頻率為10-4~10-3赫。這兩種波的幅度大,特別是地電暴的場強在極區可達10伏/公里。

3自然電場

電化學電場
岩石的電化學活動性形成的電場,主要是氧化還原電場。其形成過程如下:
如果地面下有一個電子導電的礦體,其上部位於潛水面以上,下部位於潛水面以下。潛水面以上的水分散於盛滿空氣的岩石孔隙中,同空氣的接觸面積較大,含氧量大,氧化能力強,所以潛水面以上至地面稱為氧化帶,位於氧化帶的一部分礦體被氧化而失去電子,帶正電,而周圍溶液則帶負電。潛水面以下的水連成一片與空氣接觸面小,含氧量少,氧化能力差。因此自潛水面以下稱為還原帶,位於這一帶的部分礦體被還原,得到電子而帶負電,周圍溶液則帶正電。於是,在圍岩中形成了自下而上的電化學電場。在礦體的上部電位取極小值(圖6)。這類電場常出現於黃鐵礦、大多數的多金屬礦、硫鎳礦、磁性礦、石墨、無煙煤和頁岩等分布區,是自然電場中最強的一種,其最大幅度可達800~900毫伏。
其他電場
除上述電場外,生物電場和在應力作用下由岩石的壓電效應和震電效應所形成的電場等,也都是地電場的一部分。由於地層的溫度和濕度都在不斷的變化,所以上述自然電場也有年度變化和日變化,不過其規律性遠不及大地電場。

4地電觀測

分台站觀測和野外觀測兩種。台站觀測的主要目的是研究地電場隨時間變化的特徵。為消除干擾,台址應選擇在地勢平坦、地下構造均勻、遠離工礦區和河流湖泊的地段。測量電極一般由鉛、氧化鐵或鍍鎘的鐵製成。電極的埋深為1~2米,電極間的距離由幾百米到幾公里。布極方向通常取東西和南北兩個方向。電極間的電位差可以用配有光放大系統的高靈敏度檢流計自動拍照下來,也可以用高輸入阻抗的電子電位差計自動記錄。利用測得的資料算出時均值和日均值,以供研究地電場的日變化和長期變化用。
野外觀察的目的是研究地電場空間分佈特徵,以供繪製地質圖或找礦用。
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