“地-电离层”模式极低频源球坐标系下三维电磁场特征研究

The Wireless Electromagnetic Method (WEM) is an innovative method for the effective detection of resources within 10 km depth, the prediction of natural short and imminent earthquakes, and the study on ionosphere and space weather. At present, it has been only applied in China mainland. There is still a huge potential demand in the country and area along the Belt and Road Initiative. However, the present researches are based on the horizontal layered earth in Cartesian coordinate system. As a result, it is difficult to reliably be applied to the area whose distance from the WEM transmitter is greater than the radius of the earth. Therefore, this project intends to carry out the study on the three-dimensional characteristics of the electromagnetic field generated by the extremely low frequency source in the lithosphere-atmosphere-ionosphere spherical full-space ("earth-ionosphere") mode under the complex model circumstance. The integral solution can be obtained by generalizing the whole space horizontal layered model to the complex spherical model, studying the scattering field solution of planned electromagnetic waves spreading spherical earth model. We plan to develop the corresponding numerical simulation software and construct spherical models that cover the countries and areas along the Belt and Road Initiative. Finally, the effective detection range of WEM and the quantized conditions for extending it to a certain range can be determined. The research above will promote the application of WEM in practice.

极低频电磁法（简称WEM法）是进行10公里深度范围内资源探测、天然短临地震预测与电离层及空间天气研究的创新手段，目前仅在我国领土范围内应用，但事实上在“一带一路”沿线国家、地区有着巨大的潜在需求。现有基于直角坐标系下水平层状模型的研究，仅适用于收发距小于地球半径的区域，如果考虑以往忽略的地球曲率，将有效地增大WEM法的应用范围。为此，本项目拟开展岩石层、大气层、电离层的球形全空间（“地-电离层”）模式极低频源球坐标系下三维电磁场特征研究。通过推广全空间水平层状模型至球坐标系下复杂模型、研究平面电磁波入射球形地球模型的散射场求解方法，推导“地-电离层”模型下的有源电磁波方程积分解，研发复杂模型数值模拟软件。建立“一带一路”沿线范围内，“地-电离层”模型。确定不同参数下极低频电磁法的有效探测范围。量化扩展其至某一范围的参数条件。通过上述研究，推动极低频电磁法的实用化进程。

极低频电磁波是在电离层-大气层-岩石层（“地-电离层”）全空间以“天波”耦合方式（波导形式）传播，使得收发距由常规10公里拓展到 3000 公里以上，可以实现全国领土及邻海范围内地下10公里目标体的电磁探测，同时也为天然地震预测提供一种新手段。随着研究区域范围的逐渐扩大（收发距大于6000公里），地球曲率产生的影响难以忽略。在球形模型中，空气层-电离层-岩石层构成球形封闭波导，不同路径电磁波叠加并在波导中绕地球传播直到衰减殆尽。现有的水平层状模型中天波的传播机制同球形模型不同，因此研究更加真实的球形全空间“地-电离层”模式下极低频电磁探测方法具有重要意义。.本研究开展了球形全空间“地-电离层”模式下电磁法研究，在严格考虑位移电流、地下介质的极化性质和导电性的情况下，采用电磁场强边界条件—电磁场切向连续，重新推导了水平偶极子激发的电磁场在球形全空间中的精确解析解。为解决球Bessel函数存在数值溢出以及收敛速度慢等数值计算问题，采用了函数结合对、“加减项”、帕德近似等多种数值手段，从公式以及数值计算两方面同时改进，得到模拟结果并使得收敛速度提高1000倍。.本研究实现了全球尺度的WEM法三维积分方程正演计算，通过与现有结果比较以及实测数据检验充分验证了解析解公式以及数值结果的正确性。典型模型的研究结果表明，与传统水平模型相比，电磁场不再随收发距的增大而单调减小。在地球-空气层-电离层组成的球腔结构中，电磁波经短大圆路径和过对极点的长大圆路径传播相互叠加，产生“干涉”现象，出现震荡。在此基础上，进一步开展了球坐标系下三维积分方程正演模拟，得到了超大尺度“地-电离层”典型模型的模拟结果。本研究的各项成果可大幅增加WEM法的应用区域范围，可有效推动极低频电磁法的实用化进程，为WEM方法在全国范围及“一带一路”沿线范围内推广应用奠定了基础。