地球電磁感應指的是地球內部和外部的變化電磁場在地球內部所產生的電磁感應。
基本介紹
- 中文名：地球電磁感應
- 外文名：Electromagnetic induction of the earth
- 相關：地磁、同導體幾何結構、電磁性質
簡介,研究簡史,理論基礎,
簡介
地球電磁感應指的是地球內部和外部的變化電磁場在地球內部所產生的電磁感應。在地球表面實測到的變化磁場或電場是源電磁場和感應電磁場的總和。感應電磁場除同源場有關外，還同導體的幾何結構（形狀、線度）和電磁性質（電導率σ、磁導率μ）有關。地球的磁導率接近於1電磁單位(emu),可視為常數，故感應電磁場僅同地球電性有關。因此，根據地球電磁感應理論可由地球表面磁場和電場的實測資料研究地球內部電導率的分布。套用地球電磁感應理論探測地球內部電導率的方法又分為地磁測深和大地電磁測深兩種。前者測量地磁場3個分量,如北向分量Hx,東向分量Hy,垂直分量Hz；後者則測量地磁場分量Hx、Hy和地電場的北向分量Ex、東向分量Ey。
地球磁場
地球磁場研究簡史
1883年，蘭姆(H.Lamb)對周期性外源場在均勻導體球中的電磁感應的研究是地球電磁感應理論最早期的工作。 1889年，舒斯特(A.Schuster)套用蘭姆的結果討論了電磁日變化的內、外源場的關係。
1919年，S.查普曼又將拉姆和舒斯特的結果用於實際地球模型和地磁靜日變化的分析，首次獲得了地球內部電導率的分布參數。
1931年，查普曼和普賴斯 (A.T.Price)又研究了非周期源場問題，並套用磁暴時的變化再次求得地球內部電導率的分布參數，但結果與磁靜日變化的結果不同。
1939年，拉希里(B.N.Lahiri)和普賴斯進一步修改了上述均勻地球模型，研究了電導率隨半徑呈冪指數分布的周期和非周期源場的電磁感應理論。直到50年代前，地球電磁感應都以地球整體為研究對象，稱為球體問題。
1950年，普賴斯研究了平面電磁感應理論。
1953年，卡尼亞爾(L.Cagniard)建立了電磁測深理論。卡尼亞爾和普賴斯的工作奠定了利用局部和單個測點的電磁場變化研究地球內部電性結構的理論基礎，這是地球電磁感應理論的一個重要發展階段。
在50年代，地球電磁感應理論仍局限於電導率只隨深度變化的一維模型。
60年代，執行國際上地幔計畫以來,隨著觀測技術的發展,地磁測深和大地電磁測深的觀測和研究取得了豐碩的成果。全球各地發現了許多同局部電磁場異常相聯繫的地殼和上地幔的電性結構異常，如日本中部異常、德國北部異常、北美西北部異常、蘇聯貝加爾裂谷帶異常等。
中國渤海地區和從寧夏到雲南的南北地震帶已觀測到了局部電性結構異常。特別有意義的是這些電性結構異常多同構造活動和地震帶相對應。隨著近代計算技術的發展，地球電磁感應理論也發展到更高階段，主要表現在源場效應的研究和二維、三維模型的建立。
早期的局部電磁感應和大地電磁測深方法都是假定源場均勻分布，1962年普賴斯首先研究了源場非均勻分布對測深結果的影響。在此期間除提出了特殊二維構造（例如無限長圓柱體）的解析理論外，還發展了研究一般局部構造的二維和三維數值方法和反演理論，使分析結果更加符合實際。
理論基礎
地球電磁感應的理論基礎是分別求解地球內外電磁場所滿足的方程。地球電磁場變化一般很緩慢，地球內部的位移電流很小，因此電磁場主要是由較強的區域向較弱的區域擴散，而不是以波動形式向外傳播。地球內部介質是導體，電磁場滿足擴散方程；地球外部介質可以看成絕緣體，磁場是保守場，磁勢滿足拉普拉斯方程。
源場以及同全球電導率分布相應的感應場都是全球性的，這時所研究的問題是球體問題，必須根據球形導體地球內、外電磁場方程的解才能得到地面上感應場同源場，以及全球電導率分布的關係。根據這種關係，利用地面電磁場觀測結果可以求得地球內部電導率的分布。對於局部的電導率分布，相應的感應場也局限於局部地區。這時可以把地球視為平面，所研究的問題是平面問題。對於頻率為ω的周期性源場和地下電導率σ 均勻分布的平面地球模型，電磁場的分量在地面上滿足
式中v 除以 2π即為源場在水平面內的波數。v =0表示均勻源場。公式表明,在地面上測量電磁場的水平分量,就可以確定地下電導率，這就是早期大地電磁測深方法的基礎。測量地磁場的垂直分量和水平分量，同樣可以確定電導率，這就是地磁測深方法的理論基礎。
