大地电流是固体地球上天然存在的一种电流,起源于空间电流体系扰动、地下流体活动、地球深部物质运移等引起的地壳物质差异造成的电位分布。一般认为地电流场由大地电流和局部电流两部分组成,大空间尺度电流来源于地球外部空间电流体系,局部电流来源于地壳各种电位过程,而大地电流变化是两者变化的综合响应。因此,大地电流与地球变化磁场密切相关,两者的场源都是来自地球外部的各种电流体系在地球内部的感应,或地球深部物质运移产生的电流向地表传导,因此两者具有相似的成分和变化形态。近年来,大地电流的研究涉及了地震预报、自然电场机理、高压输电损耗计算及其它基础性的研究。然而,上述研究都较少考虑大地电流与构造活动、水文地质、电磁扰动及地球深部结构的联系。随着观测资料的积累和相关研究的深入,这些问题都需要进一步的考量和解决。本文从微分欧姆定理出发,使用地电台站观测数据和浅层电阻率计算得到大地电流矢量,该矢量具有平面正交的2分量。使用矢量插值法绘制大地电流流线图和矢量图,通过大地电流矢量场得到其涡度和散度,可以用来表征的大地电流分布和随时间变化情况。另外,大地电流的时变性与地磁场相关,基于部分台站的秒采样(1 Hz)数据考虑了地电、磁场的频谱范围;进一步基于电磁场传播的平面波理论和电阻率测深资料,计算了地磁感应电流(GIC)的大小,并与实测大地电流对比,分析其空间分布状态。本研究从以下5个方面展开讨论:(1)使用平面波模型由变化地磁场计算得出的地磁感应电流(GIC)与原始观测有较强相关性,地电暴主相前后地电场与地磁感应电场(GIE)存在一些幅度差,其相位具有很好的一致性。考虑到地电暴是大区域电磁扰动,其场源具有某种均衡性和同步性。因此,采用地电暴的最大幅度获取大地电流具有特殊的意义,地电暴时大地电流涡旋中心北漂明显。通过1 Hz采样的地电场频谱与地磁场频谱对比,对前人总结的电磁频谱进行了补充,拓展了地电脉动部分的频率,明确了4.8 h和12 h等频率成分。(2)大地电流时空分布与构造活动和近地表的水文环境有关。华北地区郯庐断裂带对于大地电流流向具有明显的分异作用,断裂带两侧大地电流的方向显示为不相关甚至相反方向,在断裂带被错断处,大地电流具有局部的延续性。在川滇地区,大断裂带对流线显示为汇集作用,沿断裂带走向,大地电流的流线束状发散或汇聚。因此在该分布状态改变时,可能意味着断裂带的活动、地震的萌发,因此考虑将该方法应用于监测地震活动。(3)在中国大陆东部沿海,大地电流方向一般指向海洋,个别站点(即台站)电流方向随季节改变明显。在海南岛和崇明岛,大地电流的方向与周边水流的水文条件相关,冬季和夏季的洋流受季风影响,在北部湾和海南岛形成不同方向的环流,进而影响海岛大地电流的方向,而崇明岛大地电流方向主要受长江不同方向沉积的局部电流控制。(4)我国大陆具有4个相对完整的似电流涡旋场,分别分布在东北、华北、西南和西北地区,涡旋中心处于30°N(2个)和38°N(1个)附近,另一个涡旋中心处于东北地区的榆树附近。为了更好地解释大地电流的涡旋现象,本文建立了涡旋电流模型。涡流的源是某种空间等效环电流产生的垂直于地面的变化磁场,尽管这种涡流的电流比较小,但高导电地质块体的存在能使等效电流环的感应磁场在地面引起涡流。(5)通过推导涡流对于导体块加热的计算公式,讨论了涡旋电流分布区域的加热效应,模拟涡旋电流对于地层的加热效果和对局部热流的响应。涡旋电流具有一系列的附带效应,涡流导致的导电块体中心热值较周围为大,这可能形成局部区域的地质块体地层加热,涡旋附近的地磁Z分量应大于周围非涡旋地区,该现象能够通过其他的地球物理观测数据予以证实。在大地电流涡旋的分布区域,由于特殊的导电结构,在近地表存在导电块体,从而具有良好的电流通道,这些都是产生涡流的必要条件。在文中提出了一些新的研究方法,这很大程度地扩展了地球物理观测资料的应用,比如用流场来表征大地电流。另外,数据处理方面使用相对变化值而不是测值的均值,这在很大程度上规避了电极漂移、观测系统不稳定以及其他偶然因素造成的基准值差异,使大范围内的观测值具有可比性,同时也是研究大尺度大地电流流向和涡旋现象的基础。该研究工作虽是初步的,仍具有一定程度的创新和意义,但由于观测台站稀少、数据质量不高和基础理论较为模糊的现状,本研究尚需深入。因此,在文末展望了数据处理新方法和研究新理论,期望能对开展该方面的后续研究提供思路。