《地 电 学》 主讲：李貅 地球探测与信息工程系,,课程类型：地球物理学本科生限选课,成绩评定： 考试（70%），作业（15%）, 研究性内容（15%）学时学分：52学时，3学分,先修要求：场论，数学物理方程,基本目的： 1.掌握大地电磁场的基本知识、成因和分布特点 2.掌握地电学的基本理论、研究方法内容提要： 1．大地电场的测量方法及分类 2．自然电场的成因和类型 3．直流点源场分布特点和规律及有源直流电法勘探 4．电磁场的基本方程及结构特点，电磁测深的基本理论课程简介,绪 论,一、什么是地电学及它的产生 二、地电学（地球物理）在社会发展中的地位 三、地电学（地球物理）在经济建设中的地位 四、发展的历史背景 五、进展与学科前沿,一、什么是地电学及它的产生,1、定义,地电学是研究大气、海洋和固体地球内部电性及电场分布的一门学科,2、所属学科领域,大气物理空间物理海洋物理固体地球物理,3、研究内容,大地电场自然电场直流电场频域和时域电磁场,4、应用领域,用一句话概括：“上穹碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”意思是：从天上到地下，无限宽广，寻不到边上至研究日地关系、磁层、高空大气、电离层和星际空间,Living With a Star,也做一个追星族,Space Weather Effects / 空间天气,几千年前，我们的祖先，生活在围绕宇宙中的一个普通螺旋星系里的一个中等恒星的行星-地球上，仰望着天空，遐想着他们在地球和空间中的位置，他们和21世纪的人们都会问着同样的问题宇宙是怎么开始和演化的？ 我们是怎么来的？我们的将来会是什么样的？ 我们是不是孤独的？今天，只是宇宙时间的一瞬间，我们可以开始尝试回答这些问题。
在过去的40年里，空间探测和空间观测在我们的发现和探索过程中起着非常重要的作用这些问题的探索涉及到天文学，太阳系，太阳及其和地球的相互作用所涉及的科学包含了从地球的中层大气到十几亿光年之外宇宙边缘的所有东西太空物理学的范畴是从地球的中层大气到太阳的光球层太阳 耀斑,日冕物 质抛射,冕洞 太阳羽状物,太阳周,太阳 黑子,太阳风,太阳各种形式的输出，光，太阳风，高能粒子随时间和空间都是变化的这些变化称为太阳活动，它们可以反映太阳表层以下的变化科学家门可以研究这些输出及其变化从而了解太阳太阳的能量输出主要有两种形式：电磁辐射和带电粒子发射携带部分太阳能量的带电粒子包括相对低能量的太阳风等离子体和被加速到接近光速的高能粒子空间天气指的就是影响地球的太阳活动太阳活动,太阳黑子,太阳里的电流，会产生磁场作为太阳光球层中随时间变化的一种扰动，太阳黑子是太阳磁场最明显的表示 太阳黑子的温度低于周围的区域，当磁力线（磁场）从太阳内部浮现出来形成太阳表面上扩张的环形结构时，将产生太阳黑子 太阳黑子以小而不规则的形状呈现，在几天到几周的时间增长到它们的满尺度，并持续数周到数月，太阳黑子经常分解成更小的黑子并最终消失。
太阳周,和地球一样，太阳也存在着季节变化，它存在着11年的周期太阳黑子数目在这11年的周期里增多减少，我们称之为太阳周日珥,日珥又称红焰，为悬在日冕中的低温高密度物质停在日冕中的日珥突然上升并向外喷发，称为日珥爆发太阳风,太阳不断向外喷出速度为数百公里每秒的超声速等离子体流，称为太阳风；它携带着太阳磁场，冲向地球，将地球控制区局限在一个水滴状的区域，称为磁层地球磁层,空间天气学,空间天气学探讨太阳活动所引起的太阳等离子体和高能粒子的变化对地球的影响 空间天气学能影响高层大气和长期的天气变化趋势在地球高纬地区观测到的极光,太阳风暴引起地球磁层剧烈扰动并产生极光,主要来源 日冕物质抛射 耀斑所引发的高能粒子,Cluster和双星计划,双星计划包括两个小卫星：近地赤道卫星，轨道高度550 – 60000公里；近地极区卫星，轨道高度700 – 40000公里赤道卫星将探测近地磁尾区的磁层空间暴过程及向阳面磁层顶区太阳风能量向磁层中的传输过程；极区卫星将探测太阳风能量和近地磁尾区能量向极区电离层和高层大气的传输以及电离层粒子向磁层中的传输过程极光和磁暴,CME磁云从太阳出发后两到三天的时间里到达地球附近，它和地球磁层前段相撞，压缩磁层的向日面，拉申被日面，像一个巨大的宇宙粒子加速器，激发俘获在地球周围的等离子体，将它们射入高层大气，进而引起极光和磁暴。
除了太阳光以外，极光是将太阳和地球联系在一起的唯一可以看到的证据空间天气：对航天器的影响,卫星是太阳爆发首当其冲的牺牲品 辐射和磁暴能改变地球大气状态，混淆卫星和地面站之间的通讯 高层大气增加的摩擦会阻碍正常轨道上运转的卫星 卫星或飞船的寿命降低和维持费用的增加空间天气学：对卫星上探测设备的影响,耀斑和日冕物质抛射可以将粒子加速到接近光速，这些高能粒子（质子）轰炸到卫星上的相机并使得粒子探测器达到饱和而失灵，导致一些卫星临时关闭或定向错误高能粒子可能烧毁太阳能板或射穿卫星外壳，造成短路和伪操作空间天气学：对宇航员的影响,没有了地球大气层的保护，人类在空间中的旅行存在着一定的风险太阳辐射对细胞会造成伤害，这就是为什么要宇航员要穿厚重的宇航服在太阳爆发剧烈的时候，宇航服也不能起作用，这时宇航员就需要躲在航天飞机或空间站中特别的保护舱里，以避免放射性疾病，癌症甚至死亡太空物理学,太空物理学是伴随人造卫星成功发射而形成并迅速发展的新兴交叉学科，主要研究广阔的太阳大气和行星际空间、地球和行星的磁层、电离层和中高层大气中的基本物理过程及其演化规律，探讨空间环境的监测、诊断、预报及其在航天、国防、通讯、导航等方面的应用。
等离子体；磁场；辐射；高能粒子 磁流体动力学；等离子体物理,不稳 定性,磁冻结， 磁场重联,动力论,波， 非线性， 激波,中间是研究地球表面的大气圈、水圈、岩石圈,Plate Boundary Observatory (PBO),Drillable window: Water ≤ 2.5 km + Plate Interface ≤ 7000 m subbottom,Phased Drilling Plan: Progressive Access to an Evolving Fault System,Ongoing: Geophysical/Geologic Characterization Phase I: Reference drilling: Incoming section and crust Phase II: Splay fault mechanics and slip history (to ~ 3500 m) Phase III: Plate interface drilling and instrumentation (to ~ 6000 m),,,,,极地冰山融化,臭氧层被破坏造成地球紫外线增加，使人类产生皮肤病变，并增加白內障的发生机会。
海洋中的浮游生物受致命的影响，农作减产并加强温室效应地壳,地幔,外地核（液）,内地核（固）,下至研究地壳分界面、地幔和地核,地壳范围的动力驱动 下地壳拆离,上地幔范围的动力驱动 存在一定程度的俯冲,东亚构造格局,5、地电学（地球物理学）的产生 人类文明进程的发展阶段,在农业文明的后期，由于人口增长，人类对物质的需求提高，人类开始寻找资源----开始萌发地球物理在工业文明后，生产力提高，人口激增，工业打鬼么发展，资源开发利用加剧----诞生地球物理学，同时环境遭到破坏，全球性灾难到来，要求发展地球物理学人类在后工业文明阶段，可持续发展要求深入发展地球物理学结 论,地球物理学科是随着人类文明进程发展的需要而产生的,二、地电学（地球物理）在社会发展中的地位,1、 在解决人类社会发展的共同问题中，起到了重要作用如：能源、环境、灾害、水资源、全球气候变 化、粮食、人口等，这些人类社会发展面临的共同 问题上发挥了重要作用 2、 在减轻自然灾害方面，进行了有效的预防预 测 3、 在军事地球物理和国防方面显示出了良好的发 展前景,应有的结论： 人口的增长要求粮食安全，粮食安全要求增加产量和提高质量，而产量的增加和质量的提高又受到土地面积减少，特别是人均耕地面积减少的制约。
人均耕地面积的减少要求提高单产，要求发展必要数量的灌溉面积，并使灌溉地得到适量的水源保证然而我国水资源日感紧缺，工业、农业和生活用水之间的争水日趋尖锐，人们在呼吁占用水量70%以上的农业灌溉挤出一部分水量接济工业和生活用水，而灌溉地的发展又要求增加水源，但水源不但紧缺，而且遭受着日益严重的污染……这种连环套式的矛盾是不易解决的，没有现成的灵丹妙药，只有通过科技工作者发挥自己的聪明才智，多学科联合攻关，经过较长期的不懈努力才会成功在新形势下，水科学对地球物理科 学有着殷切的期盼,建国以来，我国的地球物理科学在基础理论与技术方法的研究方面；在寻找地下水解决环境与工程地质问题方面多发挥了重要作用取得了显著成绩，可以说我国的大部分油田，80%以上的铁矿，都是主要依靠物探方法发现的并为农业和工业多快好省的找到更多的水源地随着科学技术的进步，地球物理方法将会在水资源与环境领域发挥更大的作用已如前述，上世纪末党中央发出了“西部大开发”的伟大号召，江泽民同志又在1997年提出了“再造山川秀美”西北地区的宏伟目标最近中央又提出了解决三农问题和保证粮食安全的艰巨任务，这便为西北地区，也为地球物理方法的应用，迎得了难得的机遇。
特别是在农业水土工程和再造山川秀美领域，更有着殷切的期盼1976年7月28日唐山7.8级强烈地中死亡24.24万人,重伤16.46万人.,1995年1月17日日本神户地震造成5100人死亡！,山崩,B2轰炸机正在投掷B61-11核钻地弹,钻地弹,位于阿拉斯加的HAARP设置的高频天线,阿拉斯加半岛加科纳附近有一个美国海军和空军资助的HAARP（高频有源极光研究计划）研究基地，能够利用大功率高频波使地球电离层变热，进而设法在某些地点改变电离层的结构高频无线电发射器的功率越大，其呼风唤雨、改变气候的潜在威力也越恐怖三、地电学（地球物理） 在经济建设中的地位,1、在一次性资源的勘探开发中具有举足轻重的地位 2、在重大工程建设和环境监测方面显示了能力 3、在城市建设、隧道开挖、古墓和文物探查等方面起到了重要作用,四、发展的历史背景,早在十九世纪20年代，P.佛克斯（法国）在康瓦尔铜矿上测得了有硫化物产生的自然电场 20世纪初，西方国家工业发展十分迅速，对矿产资源的需求迫切，电法勘探进入了应用阶段 1936年，丁毅等在安徽当涂贴矿上，进行了电法实验工作 1934—1945年，顾功叙等分别在云南会泽铅锌矿和汤丹铜矿、贵州观音山铁矿和赫章县铁矿上进行过电法工作。
1951年，克拉耶夫著《地电学原理》一书，标志着地电学的诞生 20世纪50年代，吉洪诺夫和卡尼亚提出了电磁勘探理论，为电磁测深奠定了基础 20世纪80年代---现在，地电学发展非常迅速五、进展与学科前沿,1、电阻率成像,Shima和Sakayama(日本）首次采用了电阻率层析成像（Resistivity Tomography)一词提出了反演方法电阻率层析成像的主要原理是：应用所谓电阻率反投影技，由测得的测区周围在各个不同方向产生电位差重构探测区内电阻率分布 在我国，白登海研究了浅层电阻率成像的理论和方法；王兴泰等研究了电阻率成像重建的佐迪（Zohdy)反演方法 庄浩基于积分方程的正演算法，对Ｂｏｒｎ迭代成像方法进行改进，保留了计算速度快和对机器内存要求低的优点，且由于正演时未用到Ｂｏｒｎ近似，反演效果有一定提高.庄浩提出的另一种电流密度成像方法将成像目标由单元电阻率变为单元边界上的归一化电流密度，求得地下电流密度分布以反映地下电阻率图像底青云等类比地震学走时射线追踪技术提出电流线追踪电位的电阻率成像方法[29],二维数值模拟表明,该方法计算速度快、内存需求少,成像的精度也高,是一种较新颖的成像方法,拓展到三维应极具应用潜力.目前尚需解决三维电流线追踪的正问题, Ｔａｒａｎｔｏｌａ反演方法，近年来在地电反演中,有不少是基于概率分布的Ｔａｒａｎｔｏｌａ反演方法.如Ｍａｃｋｉｅ反演大地电磁测深(ＭＴ)数据和Ｚｈａｎｇ反演直流电法数据均是用Ｔａｒａｎｔｏｌａ反演方法.,。