江蘇地區(qū)地電場(chǎng)變化特征與差異性分析

張秀霞,殷 翔,郭建芳,李 飛

(1.江蘇省地震局,南京 210014;

2.南京基準(zhǔn)地震臺(tái),南京 210014;

3.河北省秦皇島中心地震臺(tái),秦皇島 066611;

4.江蘇省新沂地震臺(tái),新沂 221400)

江蘇地區(qū)地電場(chǎng)變化特征與差異性分析

張秀霞1,殷 翔2,郭建芳3,李 飛4

(1.江蘇省地震局,南京 210014;

2.南京基準(zhǔn)地震臺(tái),南京 210014;

3.河北省秦皇島中心地震臺(tái),秦皇島 066611;

4.江蘇省新沂地震臺(tái),新沂 221400)

處理、分析了江蘇省4個(gè)臺(tái)的地電場(chǎng)日變化資料,結(jié)合地磁場(chǎng)水平分量 H、線應(yīng)變理論固體潮,研究了地電場(chǎng)日變化特征和差異,得到:(1)4個(gè)臺(tái)地電場(chǎng)日變化明顯,主要以12小時(shí)的半日波成分最強(qiáng),8小時(shí)周期和全日波成分次之;(2)地電場(chǎng)日變化存在地磁場(chǎng)和固體潮影響。靠近海邊及湖泊的臺(tái)站,受固體潮的影響較為明顯,各方向還具有明顯的固體潮半月波,但沒(méi)有像固體潮一樣大小的波;而遠(yuǎn)離江、海、湖的一些臺(tái)站觀測(cè)到的地電場(chǎng)日變與地磁水平分量比較相關(guān),其差異性與臺(tái)站的位置、電性結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

地電場(chǎng);日變形態(tài);固體潮

0 引言

地電場(chǎng)分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)[1]。大地電場(chǎng)是指地球外部的變化磁場(chǎng)在地球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng),它的變化可分為平靜變化和干擾變化。這種隨時(shí)間變化的、大尺度的大地電場(chǎng)最主要的部分同變化磁場(chǎng)的起源基本上是一致的,所以兩者的諧波分析可以對(duì)應(yīng),它分布于整個(gè)地表和廣大地區(qū),在一個(gè)相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)有很好的同步性。自然電場(chǎng)是指由地球表層內(nèi)礦體、地下水和各種水系產(chǎn)生的電場(chǎng),它主要包含接觸擴(kuò)散電場(chǎng)、電化學(xué)電場(chǎng)和過(guò)濾電場(chǎng)等,自然電場(chǎng)僅分布于局部地區(qū),具有較大的水平和垂直變化梯度,與區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系,它具有區(qū)域性、局部性。

隨著“九五”和“十五”的建設(shè),數(shù)字地電場(chǎng)觀測(cè)在全國(guó)得到了很大的發(fā)展,已經(jīng)積累了很多數(shù)字化觀測(cè)資料,目前江蘇省共有南京、新沂、海安和高郵4個(gè)臺(tái)站的數(shù)字地電場(chǎng)觀測(cè)。正確認(rèn)識(shí)和掌握這些資料的變化特征,對(duì)前兆臺(tái)網(wǎng)中心正確處理這些資料、預(yù)報(bào)人員正確應(yīng)用這些資料有現(xiàn)實(shí)意義。

1 臺(tái)站基本概況

江蘇省的4個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站均為十五新建,觀測(cè)儀器采用ZD9AⅡ型地電場(chǎng)儀系統(tǒng),其測(cè)量頻段為0～0.005Hz,資料產(chǎn)出為1組/分鐘。4個(gè)臺(tái)站的電極布設(shè)均采用L型觀測(cè)裝置,長(zhǎng)極距均為400m,高郵臺(tái)及海安臺(tái)的短極距為250m,新沂臺(tái)為200m,其中南京臺(tái)第3道及第6道為100m NS向和EW向多極距觀測(cè)。

臺(tái)站分布均勻,臺(tái)站分布圖見(jiàn)圖1、電極布設(shè)圖見(jiàn)圖2。各臺(tái)站場(chǎng)地布極區(qū)均在開(kāi)闊平坦地區(qū),構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定,靠近或處在斷裂帶上,只是臺(tái)址條件不同。具體臺(tái)站臺(tái)址條件見(jiàn)表1。觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)及布極區(qū)的環(huán)境狀況、觀測(cè)室條件均符合觀測(cè)規(guī)范[2]要求。臺(tái)站儀器運(yùn)行正常。

圖1 臺(tái)站分布圖

圖2 電極布設(shè)圖

2 數(shù)據(jù)的選取及處理方法

由于大地電場(chǎng)具有廣域性特征[3],在(小)區(qū)域內(nèi)應(yīng)能夠記錄到比較一致的變化形態(tài),這種區(qū)域性特征可以通過(guò)時(shí)域相關(guān)性和頻域特性進(jìn)行分析,獲得對(duì)(小)區(qū)域地電場(chǎng)的變化規(guī)律性(時(shí)空相關(guān)性、頻譜特性等)的認(rèn)識(shí)。同時(shí),由于地電場(chǎng)受雷電干擾、磁暴、降雨影響以及電阻率測(cè)量、場(chǎng)地干擾、線路和儀器故障、門(mén)限問(wèn)題、數(shù)據(jù)階躍和長(zhǎng)期漂移等問(wèn)題的影響[3],所以盡可能選取排除各類(lèi)干擾造成資料非正常變化后的數(shù)據(jù)時(shí)段。本文主要利用地電場(chǎng)的NS和EW長(zhǎng)極距測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)合地磁場(chǎng) H分量與固體潮進(jìn)行討論;在處理過(guò)程中同時(shí)剔除明顯不合理的數(shù)據(jù),較好地體現(xiàn)出地電場(chǎng)的背景場(chǎng)變化。

表1 江蘇地區(qū)地電場(chǎng)基本概況表

2.1 相關(guān)性分析

對(duì)同臺(tái)不同方向、不同臺(tái)同一方向上的地電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行 R值對(duì)比分析。計(jì)算過(guò)程利用MAPSIS軟件的相關(guān)分析功能完成,其計(jì)算公式如下:

xi和yi分別表示不同測(cè)道的數(shù)據(jù)序列,i=0,1,2,…,59;

n表示參與計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),不大于60。

2.2 最大熵譜分析

最大熵譜分析方法(MEM)是J.P.Burg(1967)提出的一種現(xiàn)代譜分析法,其基本思想就是選擇這樣一種譜,它對(duì)應(yīng)于隨機(jī)的或最不可預(yù)測(cè)的時(shí)間序列,將其自相關(guān)函數(shù)根據(jù)“使過(guò)程熵最大的原則”進(jìn)行外推,這種譜即為最大熵功率譜,亦稱為Burg譜。用這種方法可以預(yù)測(cè)觀測(cè)區(qū)以外的數(shù)據(jù),以便填補(bǔ)出一個(gè)長(zhǎng)得多的時(shí)區(qū)。該分析利用MAPSIS軟件的譜分析功能完成,可以同時(shí)計(jì)算得到每組數(shù)據(jù)的FFT均方譜和FFT對(duì)數(shù)均方譜等。其計(jì)算公式如下:

對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)序列{x(i)},i=0,1,1,…,N

其最大熵功率譜為

式中 pm為m階預(yù)報(bào)誤差濾波器的平均輸出功率;am

i為預(yù)報(bào)誤差濾波器系數(shù)。

3 日變特征分析

地電場(chǎng)的日變化通常是指大地電場(chǎng)的日變化,主要以半日波(12h)、全日波(24～25h)及8h周期為中心[3],這些周期成分是我國(guó)大陸電場(chǎng)普遍存在的主要周期成分,其中半日波成分最強(qiáng),其次是全日波和8h周期成分,另外還有一些短周期成分,但比前3種周期的強(qiáng)度要弱得多。日變化的主要周期成分是由地球自轉(zhuǎn)、太陽(yáng)風(fēng)、太陰活動(dòng)對(duì)地面產(chǎn)生的電流體系強(qiáng)度發(fā)生晝夜交替變化而引起的。這就是我們通?？吹降牡仉妶?chǎng)觀測(cè)圖形有兩峰兩谷的形態(tài)特性,通常11時(shí)左右的低谷較為明顯。這種日變化周期可以用最大商譜方法進(jìn)行分析。

3.1 靜日地電場(chǎng)日變化特征

圖3為4個(gè)臺(tái)站NS向、EW向長(zhǎng)極距及新沂臺(tái)水平分量 H、理論固體潮2009年9月6—7日的分鐘值曲線圖,按地磁報(bào)告,這2天為磁靜日。

從圖3分析,各臺(tái)NS向電場(chǎng)基本都為兩峰兩谷的日變形態(tài),只是海安臺(tái)兩峰兩谷極為明顯,更接近于固體潮形態(tài),但與固體潮相比,其峰谷時(shí)間不同步;變化的時(shí)間似固體潮與地磁場(chǎng)的合成。而其它三臺(tái)的日變化形態(tài)也似固體潮與地磁場(chǎng)的合成,含有固體潮的成分自上而下遞減,而含有地磁場(chǎng)的成分自上而下遞增,特別是新沂臺(tái),其變化形態(tài)和地磁場(chǎng)更趨于同步;同時(shí)新沂臺(tái)的高頻成分更多。此外,電場(chǎng)每日的極小值時(shí)間均比地磁 H分量的最小值早,同樣新沂臺(tái)的高頻成分更多。各臺(tái)EW向電場(chǎng)形態(tài)幾乎一致,為比較典型的兩峰兩谷的日變形態(tài),其變化形態(tài)、同步性與固體潮變化形態(tài)極其相近,與地磁H分量成較明顯的負(fù)相關(guān)。

從NS向和EW向電場(chǎng)的日變形態(tài)分析,各臺(tái)的NS向變化差異性較大,而 EW向有明顯的一致性。兩個(gè)方向極小時(shí)間均比地磁場(chǎng)最小值時(shí)間滯后,存在一定的相位差。總體顯示4個(gè)臺(tái)站的日變形態(tài)并不完全一致,海安臺(tái)、高郵臺(tái)地電場(chǎng)變化接近于固體潮形態(tài),南京臺(tái)和新沂臺(tái)電場(chǎng)變化與地磁 H分量形態(tài)接近。

3.2 地電場(chǎng)的周期特征分析

圖3 地電場(chǎng)、地磁水平分量 H及固體潮對(duì)比曲線圖

資料選取南京臺(tái)、高郵臺(tái)及新沂臺(tái)2008年1月,海安臺(tái)2009年1月(因海安臺(tái)2008年數(shù)據(jù)受干擾,數(shù)據(jù)不可用)各測(cè)道的整點(diǎn)值進(jìn)行最大熵譜計(jì)算,圖4為4個(gè)臺(tái)站NS向及 EW向長(zhǎng)極距最大熵譜分析結(jié)果圖,圖中橫坐標(biāo)為頻率值,范圍為0.04～0.16Hz,即周期為25～6.25h,4個(gè)臺(tái)站總體表現(xiàn)為頻率0.08105Hz(周期為12.34h)的周期成分最為發(fā)育,4個(gè)臺(tái)站8個(gè)測(cè)道中12小時(shí)周期成分為最大的測(cè)道共有8個(gè),尤其是海安臺(tái)12h的周期成分相當(dāng)于8h和24h譜值的5倍;其次是8h和24h的周期成分較為活躍。這與葉青的結(jié)果[3]相一致。

3.3 地電場(chǎng)與固體潮的關(guān)系分析

一般認(rèn)為地電場(chǎng)的日變形態(tài)主要由大地電場(chǎng)部分組成,但從實(shí)際的觀測(cè)來(lái)看,可能存在很大的區(qū)別。很多臺(tái)的地電場(chǎng)日變形態(tài)的形成不僅與大地電場(chǎng)有關(guān),與自然電場(chǎng)也有很大的關(guān)系。自然電場(chǎng)的影響不僅體現(xiàn)在測(cè)區(qū)周?chē)碾妶?chǎng)分布,還體現(xiàn)在來(lái)自較遠(yuǎn)的潮汐影響,這些靠近海的臺(tái)站完全被潮汐所掩蓋。圖3反映了固體潮與各臺(tái)地電場(chǎng)相關(guān)測(cè)向的2天的對(duì)應(yīng),為了揭示固體潮是否與地電場(chǎng)具有更長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng)性與普遍性,現(xiàn)對(duì)與固體潮對(duì)應(yīng)性最強(qiáng)的海安臺(tái)地電場(chǎng)做如下分析。

圖4 各臺(tái)NS及EW向長(zhǎng)極距最大熵譜圖

圖5為海安臺(tái)該臺(tái)點(diǎn)處的NS向、EW向一個(gè)月的理論固體潮、原始曲線及原始數(shù)據(jù)經(jīng)小波包消噪后的整點(diǎn)值曲線,從觀測(cè)曲線中可以看出,NS和EW向曲線形態(tài)和固體潮形態(tài)相近,有半個(gè)月左右的半月潮周期,但不像固體潮有日變大小潮,而是依正弦波的形態(tài)出現(xiàn),日變幅度約為10mV/km,相對(duì)于這一日變幅度而言,地電場(chǎng)的其它變化要小的多,所以地電場(chǎng)NS向和EW向觀測(cè)的曲線基本上就和固體潮周期特征一致了。總之,不僅僅是海潮,江潮、湖潮也都有可能對(duì)地電場(chǎng)的觀測(cè)造成影響[5]。從圖1可以看出,雖然高郵臺(tái)距離黃海較南京臺(tái)、新沂臺(tái)差別不大,但其距離全國(guó)第5大淡水湖—高郵湖只是幾公里,其地電場(chǎng)受固體潮的影響就明顯高于其它2臺(tái)(圖3),但較海安臺(tái)又偏弱。

4 相關(guān)性分析

對(duì)于一個(gè)不大的區(qū)域,如果地勢(shì)平坦,無(wú)明顯的電磁干擾源,那么用不同極距觀測(cè)到的地電場(chǎng)應(yīng)完全相同,有較高的相關(guān)性,這種相關(guān)性可以用來(lái)檢測(cè)地電場(chǎng)是否有局部干擾,如電極干擾等,同時(shí)可以利用不同臺(tái)站同測(cè)向的相關(guān)性大小,檢驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)性。

選取觀測(cè)臺(tái)較為平穩(wěn)的2008年1月的分鐘值數(shù)據(jù)計(jì)算出每日相關(guān)結(jié)果的月均值(海安臺(tái)此月有嚴(yán)重干擾,選用2009年1月觀測(cè)數(shù)據(jù)),分別計(jì)算長(zhǎng)短極距的相關(guān)性,由于南京臺(tái)布極方式不同,為了便于對(duì)比分析,采用長(zhǎng)短一致的測(cè)向進(jìn)行分析。

表2分別計(jì)算了各臺(tái)同方向不同極距的相關(guān)系數(shù)。由于資料選取較長(zhǎng),而地電場(chǎng)容易受到各類(lèi)影響因素的干擾,特別是電極容易產(chǎn)生極化電位,所以在選取的資料中或多或少存在小臺(tái)階,即漂移現(xiàn)象,影響了其相關(guān)性。在排除干擾數(shù)據(jù)后,同一臺(tái)站相同方向不同極距的相關(guān)性都有所提高(括號(hào)中數(shù)據(jù))。從表3分析:在排除干擾數(shù)據(jù)后,同一臺(tái)站相同方向不同極距具有較好的相關(guān)性,通常為0.95以上。

表2 各臺(tái)同測(cè)道之間的相關(guān)結(jié)果表

圖5 海安臺(tái)地電場(chǎng)整點(diǎn)值觀測(cè)曲線及理論固體潮曲線圖

表3 各臺(tái)不同測(cè)道之間的相關(guān)結(jié)果表

表3分別計(jì)算了同一臺(tái)站不同方向相同極距的相關(guān)系數(shù),表中南京臺(tái)、新沂臺(tái)的相關(guān)系數(shù)為負(fù)相關(guān),是由于布極方式的原因。從表3分析:同一臺(tái)站不同方向南京臺(tái)、新沂臺(tái)各自具有一定的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)在0.7左右;而海安臺(tái)、高郵臺(tái)各自幾乎不相關(guān),僅為0.2左右。

表4分別計(jì)算了各臺(tái)之間同方向同極距的相關(guān)系數(shù)。從表4分析:不同臺(tái)站相同方向時(shí),NS向相關(guān)較差,相關(guān)系數(shù)為0.3左右;EW向相關(guān)較好,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7～0.8。

表4 各臺(tái)同測(cè)道之間的相關(guān)結(jié)果表

5 同異性原因分析

從以上分析可以看出:4個(gè)臺(tái)站均可以清晰地記錄到真實(shí)大地電場(chǎng)的正常日變化。在太陽(yáng)活動(dòng)平靜期間,大地電場(chǎng)有較規(guī)則的日變化,一般表現(xiàn)為雙峰雙谷。同一方向的長(zhǎng)、短極距,雖然極距不同,但它們的日變形態(tài)都是一致的,相位也一樣,相關(guān)性較好。其變化受地磁場(chǎng)與固體潮的共同作用,但其作用存在差異性,EW向更遵從于固體潮的變化,NS向遵從地磁場(chǎng)變化偏多。

5.1 同性解釋

變化磁場(chǎng)最主要的平靜變化有太陽(yáng)靜日變化Sq和太陰日變化L,其變化周期分別是1個(gè)太陽(yáng)日(24h)和一個(gè)太陰日(24h 50min)。在中低緯地區(qū),在靜日變化時(shí),可以清楚f分辨出占優(yōu)勢(shì)的 Sq變化。Sq變化依賴地方時(shí),白天變化大,夜間較平穩(wěn);同時(shí)具有明顯的逐日變化。對(duì)于太陰日變化L,具有半日波占優(yōu)勢(shì)和與月相有關(guān)兩大特點(diǎn)。因此平靜變化具有潮汐變化[6]。地電場(chǎng)與地磁場(chǎng)的急始變化部分有相同的場(chǎng)源,因而地電場(chǎng)與地磁場(chǎng)很容易表現(xiàn)出上述的共同性。

固體潮是固體地球部分發(fā)生的周期性變形,和海(湖)潮一樣,是由于天體對(duì)地球的引潮力所引起的,其中月亮的影響為太陽(yáng)的2.17倍,其表現(xiàn)過(guò)程為隨天體對(duì)地心的引力與地面的引力差的改變而改變;其表現(xiàn)結(jié)果為與天體的連線拉長(zhǎng)、垂向壓扁。其變化周期主要有 12h、24～25h、15d、30d 等[7]。因而地電場(chǎng)與固體潮也具有關(guān)聯(lián)性。

5.2 差異性解釋

同一臺(tái)站不同方向相同極距的相關(guān)情況視觀測(cè)區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)而定,若為高阻觀測(cè)區(qū),則具有一定的相關(guān)性,如南京臺(tái)和新沂臺(tái),其相關(guān)系數(shù)最高在0.7,并且電阻率越高相關(guān)性越好。新沂臺(tái) EW向電阻率較NS向高25Ω·m左右,其EW向的相關(guān)性要高于NS向。若為低阻觀測(cè)區(qū),則兩方向幾乎不相關(guān),僅為0.2左右,如海安臺(tái)和高郵臺(tái)。

不同臺(tái)站EW向相關(guān)性高于NS向。首先是場(chǎng)源不盡相同,從以上分析可知,各臺(tái) EW向都與固體潮具有明顯的關(guān)聯(lián)性,在圖2中,各臺(tái)地電場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的一致性,說(shuō)明固體潮的變化是其主要場(chǎng)源,地磁場(chǎng)較弱;二則表層構(gòu)造具有均勻性(不均勻的高,均勻的低),NS向是固體潮與地磁場(chǎng)的合成。而海安與高郵的高實(shí)際是構(gòu)造類(lèi)似,覆蓋層更厚,更利于固體潮的影響,不像新沂、南京具有的特性。

此外,新沂、南京、高郵、海安斜道8小時(shí)周期的發(fā)育從大到小,與其地質(zhì)差異大小相吻合,與臺(tái)站電阻率大小相一致。

6 結(jié)論

(1)4個(gè)臺(tái)站均可以清晰地記錄到大地電場(chǎng)的正常日變化、電磁暴。在太陽(yáng)活動(dòng)平靜期間,大地電場(chǎng)有較規(guī)則的日變化,一般表現(xiàn)為雙峰雙谷。同一方向的長(zhǎng)、短極距,雖然極距不同,但它們的日變形態(tài)都是一致的,相關(guān)性較好;若為高阻觀測(cè)區(qū),NS向和 EW向則具有一定的相關(guān)性,若為低阻觀測(cè)區(qū),則兩方向幾乎不相關(guān)。地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)的日變一致性較好,相位上兩者略有差別,一般地電場(chǎng)滯后于地磁場(chǎng)。

(2)靠近海邊及湖泊的臺(tái)站,NS向和 EW向電場(chǎng)都具有明顯的固體潮半月波,而EW向潮汐影響較大,其它的一些變化很可能會(huì)被掩蓋其中。對(duì)于受潮汐影響的電場(chǎng)觀測(cè),其日變形態(tài)與理論固體潮形態(tài)不一致,電場(chǎng)無(wú)大小潮。

(3)造成固體潮對(duì)EW向影響大、而NS向影響小的原因,認(rèn)為與各臺(tái)站的地質(zhì)構(gòu)造、電性結(jié)構(gòu)有關(guān),具體的傳播路徑、影響量有待進(jìn)一步分析。

[1] 國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司.電磁觀測(cè)技術(shù)[M].北京:地震出版社,1995:39-41.

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Analysis on Variation and Difference of Electric Field in Jiangsu Province

ZHAN G Xiu-xia1,YING Xiang2,GUO Jian-fang3,LI Fei4
(1.Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China;
2.Nanjing Seismic Station,Jiangsu Province 210014,China;
3.Qinhuangdao Seismic Station,Hebei qinhuangdao 066611China;
4.Earthquake Station of Xinyi Jiiangsu Xinyi 221400,China)

Based on diurnal electric field data of four stations of Jiangsu Province,combined with horizontal component of geomagnetic field and line tidal strain theory,this paper studies the characteristic of the diurnal variation and differences of the electric field.The result shows that:(1)the amplitude of semi daily wave is the biggest followed by the 1/4daily wave;(2)Diurnal variation of electric field is affected by magnetic field and tidal.The electric field of the stations near the sea and lake are obviously affected by earth tide while the electric field of the stations away from the river,sea and lake are more related to the horizontal component of the geomagnetic daily variation,the differences between them are affected by the location of stations and the electrical structures.

geoelectric field;daily variation;earth tide

P315.72

A

1003-1375(2011)01-0024-06

2010-09-26

2009年中國(guó)地震局三結(jié)合課題(2009102)

張秀霞(1971-),女(漢族),江蘇南京人,江蘇省地震局工程師,現(xiàn)從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作.E-mail:x555555@163.com.