新沂臺(tái)地電場(chǎng)頻譜特征的分析與研究

孫 雷， 李 飛， 楊馮威

(1. 連云港地震臺(tái)， 江蘇 連云港 222061 ； 2. 新沂地震臺(tái)， 江蘇 新沂 221400）

0 前言

地球表面的地電場(chǎng)是由地球外部的各種電流系在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的， 分布于整個(gè)地表的廣大地區(qū)， 這種天然的全球性或區(qū)域性的變化電場(chǎng)， 稱為大地電場(chǎng)。 天然的穩(wěn)定電場(chǎng)主要由礦體、 地下水和各種水系產(chǎn)生的， 分布于局部地區(qū)， 這種天然的地方性的穩(wěn)定電場(chǎng)，稱為自然電場(chǎng)。 以上二種電場(chǎng)總稱為地電場(chǎng)[1]。

在我國， 小波變換理論在地球物理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2～6]。 同時(shí)運(yùn)用功率譜、 最大熵譜、 傅里葉變換等頻譜方法對(duì)前兆資料進(jìn)行頻譜分析[7～10]也得到越來越多的運(yùn)用。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 小波分析與快速傅立葉變換越來越多的在前兆資料處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 宋治平等[11]探討了將小波變換理論應(yīng)用于數(shù)字化前兆資料分析的可行性； 吳立辛等[12]運(yùn)用小波分析對(duì)寧夏短水準(zhǔn)資料進(jìn)行了研究； 邱穎等[13]運(yùn)用小波方法在地電場(chǎng)的干擾進(jìn)行了分析研究； 顧申宜等[14]采用傅立葉變換和小波分解方法對(duì)海南水位儀的高采樣率數(shù)字化水震波進(jìn)行了頻譜分析， 都說明數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在地震前兆數(shù)字處理領(lǐng)域具有很好的運(yùn)用前景。

由于地電場(chǎng)觀測(cè)過程中受到多種因素干擾， 為此張秀霞等[15]對(duì)新沂地電場(chǎng)的各類影響因素進(jìn)行過相關(guān)研究， 新沂地電場(chǎng)的影響因素主要為： 雷電干擾、 降雨影響、 電阻率測(cè)量干擾、 場(chǎng)地固定干擾、 線路和儀器故障、 門限問題、 數(shù)據(jù)階躍、 數(shù)據(jù)的長期飄移問題。 由于受到這些因素的影響， 在資料的選取過程中存在一定程度的局限性。

本文基于波動(dòng)理論和振動(dòng)理論， 剔除以上各類影響因素對(duì)新沂臺(tái)地電場(chǎng)的干擾， 選取了新沂臺(tái)不同月份地電場(chǎng)NS 與EW 向平穩(wěn)變化時(shí)段的分鐘值、 小時(shí)值數(shù)據(jù)， 結(jié)合地磁場(chǎng)H分量、 體應(yīng)變數(shù)據(jù)， 運(yùn)用快速傅里葉變換將各觀測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)周期分解而出， 進(jìn)而運(yùn)用小波分析分解為不同頻率范圍內(nèi)的時(shí)間信號(hào)序列， 然后利用最小二乘法對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行求解， 以期得到各物理量之間的相互關(guān)系； 進(jìn)而認(rèn)識(shí)其產(chǎn)生的背景變化。

1 臺(tái)站簡介與資料基本情況

新沂地震臺(tái)位于蘇魯交界的郯廬斷裂帶中南段， 東距黃海100 km 左右。 臺(tái)站基巖主要是紅色砂巖， 第四紀(jì)覆蓋深淺不一。 在測(cè)區(qū)內(nèi)， 其變化為東薄西厚， 變化范圍在4～40 m 之間； 南北向覆蓋層變化范圍較小， 維持在4 m 左右。 觀測(cè)儀器采用ZD9A－Ⅱ型地電場(chǎng)儀，測(cè)量頻段為0～0.005 Hz， 資料產(chǎn)出為1 組/分鐘。 共布NS 向、 EW 向和N45°E 向三個(gè)方向，每個(gè)方向又布長、 短二種極距， 其中NS 向、 EW 向長極距為400 m， 短極距為200 m；N45°E 向長極距為566 m， 短極距為283 m。 電極為Pb-PbCl2 不極化電極， 電極埋深為3.5 m， 外線路采用埋地方式， 觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)及布極區(qū)的環(huán)境狀況均符合觀測(cè)規(guī)范[16]。 連云港地震臺(tái)位于新沂臺(tái)正東約90 km， 其體應(yīng)變資料連續(xù)可靠。

圖1 2009年5月1日至31日新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變曲線Fig.1 The curves of geoelectric field, geomagnetic vector H, volume strain in Xinyi station from May 1 to 31,2009

圖1 為2009年5月1日至31日地電場(chǎng)NS 向和EW 向、 地磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變小時(shí)值的曲線， 其中體應(yīng)變因存在漂移現(xiàn)象， 故進(jìn)行相關(guān)處理。 從曲線上可以看出： 地電場(chǎng)NS向和EW 向存在明顯的潮汐波現(xiàn)象， 其中NS 向的日變化主要是呈現(xiàn)出雙峰單谷的特點(diǎn)，EW 向排除資料存在干擾的天數(shù)外（如5月3、 14日）， 呈現(xiàn)出雙峰雙谷的特點(diǎn)。 地磁場(chǎng)H分量日變化形態(tài)為雙峰單谷形態(tài)； 體應(yīng)變的雙峰雙谷日變形態(tài)比較清晰。 圖2 為2009-09-19～2009-10-17（陰歷8月1日至30日）天文大潮前后的各測(cè)向小時(shí)值對(duì)比曲線， 地電場(chǎng)NS向的日變化主要是呈現(xiàn)出以雙峰單谷為主， 但夾雜著雙峰雙谷的特點(diǎn)， EW 向主要呈現(xiàn)出雙峰雙谷的特點(diǎn)。 地磁場(chǎng)H 分量日變化形態(tài)為雙峰單谷形態(tài)； 體應(yīng)變的雙峰雙谷日變形態(tài)比較清晰。 圖3 為2012年6月17日發(fā)生磁暴（k=6）前后各測(cè)向的分鐘值對(duì)比曲線， 地電場(chǎng)NS 和EW 向的日變化受到電暴影響十分明顯， 由于布極方式的問題， 兩者呈現(xiàn)反向?qū)?yīng)變化， 與地磁場(chǎng)H 分量對(duì)應(yīng)性十分明顯； 體應(yīng)變沒有受到電（磁）暴的任何影響， 呈現(xiàn)出清晰的雙峰雙谷日變形態(tài)。

圖2 2009-09-19～2009-10-17日新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變曲線Fig.2 The curves of geoelectric field,geomagnetic vector H,volume strain in Xinyi station from Sep 19,2009 to Oct 17，2009

圖3 2012年6月17日新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變曲線Fig.3 The curves of geoelectric field, geomagnetic vector H, volume strain in Xinyi station on Jun 17, 2012

譚大誠等[17]將潮汐地電場(chǎng)分成近正弦TGF-A 型（雙峰雙谷型）和近梯形的TGF-B 型（雙峰單谷型）， 并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究： TGF-A 型地電場(chǎng)與固體潮汐密切關(guān)聯(lián)， 基本分布在大面積水域附近， 并與附近水域面積和距離、 巖性結(jié)構(gòu)、 構(gòu)造活動(dòng)等因素有關(guān)； TGFB 型地電場(chǎng)與氣潮作用產(chǎn)生的空間Sq 電流關(guān)系密切， 并與巖石飽和度、 滲透率等有關(guān)。 按照此理論新沂臺(tái)地電場(chǎng)NS 向?yàn)門GF-B 型， EW 向?yàn)門GF-A 型。 與地磁場(chǎng)H 分量的日變形態(tài)相比， 地電場(chǎng)NS 向基本與其類似， 其峰谷變化十分對(duì)應(yīng)； 地電場(chǎng)EW 向與地磁場(chǎng)H 分量對(duì)應(yīng)性較差， 按照地電場(chǎng)EW 向布極方式， 其峰谷變化與地磁場(chǎng)H 分量應(yīng)存在反向?qū)?yīng)關(guān)系； 但2009年5月6、 25、 27日其谷值變化又存在類似關(guān)系。 與體應(yīng)變的日變形態(tài)相比， 地電場(chǎng)NS 向峰谷變化與其對(duì)應(yīng)性很差， 而地電場(chǎng)EW 向的峰谷變化與之對(duì)應(yīng)性較強(qiáng)。對(duì)于新沂臺(tái)地電場(chǎng)為何呈現(xiàn)出如此的日變形態(tài)， 以及與地磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變的存在何種對(duì)應(yīng)關(guān)系， 為此進(jìn)行如下分析。

2 快速傅里葉變換分析

2.1 快速傅里葉變換原理

傅里葉變換的理論與方法在 “數(shù)理方程”、 “線性系統(tǒng)分析”、 “信號(hào)處理、 仿真” 等很多學(xué)科領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用， 采用傅里葉級(jí)數(shù)分解得到信號(hào)中含有哪種頻率成分， 振幅多少； 由于計(jì)算機(jī)只能處理有限長度的離散的序列， 所以真正在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算的是一種離散傅里葉變換。 與直接計(jì)算相比， 用快速傅里葉變換算法可大大減少運(yùn)算次數(shù)， 提高工作效率， 其濾波原理是對(duì)時(shí)間序列X(n)(長度為L)， 通過一個(gè)FIR 線性相位濾波器h(n)(節(jié)數(shù)為M， 長度為M+1)的計(jì)算過程。 其調(diào)用格式為：

式中x 是序列， 可以是一向量或矩陣， y 是序列x 的快速傅里葉變換的結(jié)果， 反應(yīng)的是頻率變化， 并且與x 具有相同的長度， N 為正整數(shù)。

利用基于MATLAB 的快速傅里葉變換[18]對(duì)地磁場(chǎng)H 分量、 地電場(chǎng)NS 向和EW 向、 體應(yīng)變固體潮2009-05-23～2009-05-27、 2009-09-06～2009-09-10、 2010-01-06～2010-01-10的分鐘值資料與2009-05-01～2009-05-31、 2011-01-01～2011-01-31、 2009-09-19～2009-10-17 小時(shí)值資料進(jìn)行傅氏變換， 把時(shí)間域的數(shù)據(jù)變成頻率域的幅頻值； 通過對(duì)信號(hào)的頻譜特征分析， 確定數(shù)據(jù)的周期構(gòu)成； 選擇適當(dāng)?shù)闹芷陬l段進(jìn)行濾波， 經(jīng)過傅氏逆變換得到濾波后曲線； 對(duì)各濾波曲線進(jìn)行頻譜對(duì)比分析； 總結(jié)不同曲線的頻率構(gòu)成與變化特征。 在資料的選取過程中， 首先選取各分量的平穩(wěn)變化時(shí)段的資料， 同時(shí)盡可能排除各類干擾造成資料非正常變化的數(shù)據(jù)。

2.2 不同月份分鐘值頻譜分析

圖4 為各物理量連續(xù)5 天分鐘值頻譜曲線。 對(duì)于地電場(chǎng)NS 向： 優(yōu)勢(shì)周期較為豐富， 6 h、 8 h、 12 h、 24 h 周期都存在， 且各月表現(xiàn)不同， 譜值也不同； 從1月到9月， 12 h 優(yōu)勢(shì)周期越來越明顯， 譜值也逐漸增大。 對(duì)于地電場(chǎng)EW 向： 優(yōu)勢(shì)周期以12h 為主， 從1月到9月， 譜值逐月增大； 其它周期如8 h、 24 h， 由于12 h 周期過于明顯， 不是十分顯著。對(duì)于地磁場(chǎng)H 分量： 優(yōu)勢(shì)周期較為豐富， 8 h、 12 h、 24 h 周期都存在， 各月表現(xiàn)不同， 譜值也不同； 從1月到9月， 12 h、 24 h 優(yōu)勢(shì)周期越來越明顯， 譜值也逐漸增大。 對(duì)于體應(yīng)變： 優(yōu)勢(shì)周期為12 h、 24 h， 同樣各月表現(xiàn)不同， 譜值也不同； 其它周期如6 h、 8 h、 24 h不是十分顯著。 總體上， 各月的優(yōu)勢(shì)周期多少不盡相同， 表現(xiàn)為冬少夏多， 譜值大小變化也不同， 表現(xiàn)為冬低夏高。

圖4 新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變頻譜分析曲線Fig.4 The spectrum curves of geoelectric field, geomagnetic vector H, volume strain in Xinyi station.

從各分量優(yōu)勢(shì)周期的對(duì)應(yīng)性來講， 地電場(chǎng)NS 向同地磁場(chǎng)H 分量對(duì)應(yīng)性最強(qiáng)， 與體應(yīng)變的12h 優(yōu)勢(shì)周期有著一定的對(duì)應(yīng)性； 而地電場(chǎng)EW 向的12h 優(yōu)勢(shì)周期及譜值大小的變化與地磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變有著一定的對(duì)應(yīng)性。 對(duì)于24h 優(yōu)勢(shì)周期， 地電場(chǎng)NS、 EW 向如同地磁場(chǎng)H 分量與體應(yīng)變疊加的結(jié)果， 只是地電場(chǎng)NS 向含有地磁場(chǎng)H 分量的成分要高于體應(yīng)變的成分； 而地電場(chǎng)EW 向更趨向于地磁場(chǎng)H 分量與體應(yīng)變疊加抵充的結(jié)果， 這與地電場(chǎng)NS 向、 EW 向布極方式有關(guān)。 此外， 地電場(chǎng)EW 向的8h 優(yōu)勢(shì)周期與地磁場(chǎng)H 分量對(duì)應(yīng)性較強(qiáng)（1、 9月份）。

2.3 不同月份小時(shí)值頻譜分析

為了體現(xiàn)更長時(shí)間段的頻譜對(duì)應(yīng)性， 選取2009-05-01～2009-05-31、 2011-01-01～2011-01-31 以及2009-09-19～2009-10-17 天文大潮時(shí)的各物理量的小時(shí)值進(jìn)行頻譜分析，其結(jié)果如圖5 所示。

從優(yōu)勢(shì)周期的對(duì)應(yīng)性來講， 地電場(chǎng)NS 向同地磁場(chǎng)H 分量對(duì)應(yīng)性最強(qiáng)， 與體應(yīng)變的12h優(yōu)勢(shì)周期有著一定的對(duì)應(yīng)性。 而地電場(chǎng)EW 向的12h 優(yōu)勢(shì)周期與地磁場(chǎng)H 分量有著良好的對(duì)應(yīng)性， 與體應(yīng)變12h 周期對(duì)應(yīng)性也很好。 對(duì)于體應(yīng)變的24h 優(yōu)勢(shì)周期， 主要是由于其日變形態(tài)呈現(xiàn)出大、 小潮變化的結(jié)果。 而地電場(chǎng)EW 向呈現(xiàn)出類似正弦波的變化（見圖1）。對(duì)于體應(yīng)變出現(xiàn)的半月波周期， 地電場(chǎng)EW 向的對(duì)應(yīng)性要高于地電場(chǎng)NS 向。 從譜值大小變化來看， 1月份較5月份、 9月份最大優(yōu)勢(shì)周期的譜值都低， 5月份、 9月份最大優(yōu)勢(shì)周期的譜值基本相當(dāng)， 從而驗(yàn)證了季節(jié)變化是存在的。

對(duì)于天文大潮時(shí)的各物理量的頻譜結(jié)果來看， 地電場(chǎng)NS 向的優(yōu)勢(shì)周期與1、 5月份的優(yōu)勢(shì)周期基本相同； 地電場(chǎng)EW 向的優(yōu)勢(shì)周期與1、 5月份的優(yōu)勢(shì)周期不盡相同， 12h 與半月波十分明顯； 而體應(yīng)變的優(yōu)勢(shì)周期與1、 5月份的優(yōu)勢(shì)周期基本類似， 只不過12h 周期較為突出； 地磁場(chǎng)H 分量的地電場(chǎng)NS 向的優(yōu)勢(shì)周期與1、 5月份的優(yōu)勢(shì)周期基本相同。

圖5 新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變頻譜分析曲線Fig.5 The spectrum curves of geoelectric field, geomagnetic vector H, volume strain in Xinyi station.

通過以上分鐘值頻譜曲線、 小時(shí)值頻譜曲線對(duì)比來看， 地電場(chǎng)NS 向與地磁場(chǎng)H 分量的各優(yōu)勢(shì)周期基本未發(fā)生變化， 只是最大優(yōu)勢(shì)周期略有不同： 地電場(chǎng)EW 向的12 h 優(yōu)勢(shì)周期都很明顯， 體應(yīng)變的12 h、 24 h 優(yōu)勢(shì)周期依然明顯； 總體上地電場(chǎng)NS 向和EW 向的最大優(yōu)勢(shì)周期以12 h 為主， 地電場(chǎng)NS 向24 h、 8 h、 6 h 的優(yōu)勢(shì)周期較EW 向明顯； 出現(xiàn)天文大潮時(shí)， 各物理量的優(yōu)勢(shì)周期變化不大， 對(duì)地電場(chǎng)EW 測(cè)向的影響相對(duì)而言偏大一點(diǎn)。此外， 不同年份、 不同月份各分量的優(yōu)勢(shì)周期不盡相同； 對(duì)于地電場(chǎng)12 h 以上的周期， 似地磁場(chǎng)H 分量與體應(yīng)變疊加的效果， 其中地電場(chǎng)EW 向的對(duì)應(yīng)性要高于地電場(chǎng)NS 向的對(duì)應(yīng)性； 對(duì)于12 h 以下周期， 地電場(chǎng)NS 向與EW 向基本對(duì)應(yīng)地磁場(chǎng)H 分量的周期， 其中地電場(chǎng)NS 向的對(duì)應(yīng)性要高于地電場(chǎng)EW 向的對(duì)應(yīng)性。

3 小波分析

由于傅里葉變換是將信號(hào)分解成正弦或余弦函數(shù)的疊加， 是從頻率軸來分析該信號(hào)是由哪些頻率的波組成的， 它只是將這些信息鋪開到整個(gè)頻率軸上。 而通過小波分析， 非穩(wěn)定信號(hào)可以分解為小波的線性組合， 小波分析方法是一種時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化的分析方法， 即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率， 在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率， 所以， 小波變換被稱為數(shù)學(xué)的 “顯微鏡”。正是這種特性， 使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。 小波分析優(yōu)于傅立葉變換的地方是，它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)[19、20]。 為此運(yùn)用小波分析對(duì)地電場(chǎng)、 電磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變資料進(jìn)行相關(guān)分析。

3.1 小波分析理論

其理論公式描述如下： 對(duì)于任意的一個(gè)函數(shù)f∈L2(R)，L2(R)為在R 上平方可積； 且基本小波ψ∈L2(R)，那么f 的連續(xù)小波變換可定義為：

其中， α 為伸縮因子， 也稱尺度因子， 它反映的是連續(xù)小波的尺度， 改變?chǔ)?可使連續(xù)小波在橫坐標(biāo)上伸展或壓縮， 即改變連續(xù)小波的形狀； b 為平移因子， 改變b 可使連續(xù)小波在橫坐標(biāo)軸上移動(dòng)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用db4 小波對(duì)2009年5月小時(shí)值（圖6a）、 2011年1月小時(shí)值（圖6b）各物理量的數(shù)據(jù)進(jìn)行6 階分解。 根據(jù)以上FFT 頻譜分析可知， 各物理量的優(yōu)勢(shì)周期基本在8h 以上， 由于1～2 階的細(xì)節(jié)變化反映的是數(shù)據(jù)8h 周期以下的信息變化， 體現(xiàn)的是觀測(cè)資料短周期的變化， 無法體現(xiàn)各物理量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系； 故利用3-4 階的細(xì)節(jié)變化進(jìn)行對(duì)比分析， 結(jié)果如圖4 所示。 對(duì)于8～16h 周期的細(xì)節(jié)3： 無論是2009年5月還是2011年1月， 地電場(chǎng)EW 向與體應(yīng)變的半月波非常明顯， 其周期性變化對(duì)應(yīng)性很強(qiáng)， 且相位差很小。 對(duì)于地電場(chǎng)NS 向與地磁場(chǎng)H 分量， 2009年5月兩者的半月波比較明顯， 但兩者的相位差很大； 而2011年1月兩者的半月波不太明顯， 其中地磁場(chǎng)H 分量的半月波略微明顯； 此外， 對(duì)于地電場(chǎng)NS向， 其波形變化如同是地磁場(chǎng)H 分量與體應(yīng)變波形相互疊加的結(jié)果。

圖6 新沂臺(tái)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)H 分量、體應(yīng)變小波分析曲線Fig.6 The wavelet analysis curves of geoelectric field, geomagnetic vector H, volume strain in Xinyi station

對(duì)于16～32h 周期的細(xì)節(jié)4： 地電場(chǎng)NS 向和EW 向與地磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變的周期性變化對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯低于細(xì)節(jié)3 的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 只是地電場(chǎng)NS 向的變化與地磁場(chǎng)H 分量相似度高些， 當(dāng)然之間也似疊雜一定程度的體應(yīng)變波形。 由此說明對(duì)于地電場(chǎng)16～32h 以上周期至半月周期的變化存在未明影響因素或關(guān)聯(lián)因素。

4 各物理量日變幅對(duì)比分析

表1 為以上所選資料各物理量日變幅對(duì)比結(jié)果， 從中可以看出：

（1）地電場(chǎng)日變化呈現(xiàn)出明顯季節(jié)變化： 1月與5月的日變幅偏低， 9月的日變幅偏高； 且5月的日變幅總體高于1月。

（2）1月與5月比較： 地電場(chǎng)NS 向的日變幅較EW 向高， 同時(shí)地磁場(chǎng)H 分量的日變幅總體同步， 體應(yīng)變的日變幅的變化更加明顯。

（3）在發(fā)生黃斑潮、 天文大潮前后， 雖然體應(yīng)變的日變幅較其他時(shí)段沒有突出變化，但在日變中， 其大小潮的變化十分弱化（見圖2）； 而地電場(chǎng)EW 向的日變幅的變化量較其他時(shí)段都有明顯的變化， 且日變幅也明顯高于地電場(chǎng)NS 向的日變幅。 對(duì)于9月份地電場(chǎng)EW 向的日變幅比地電場(chǎng)NS 向的日變幅總體要高， 與天文大潮的來臨有很大關(guān)系。

表1 各物理量日變幅對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison results of the daily variation amplitude of physical quantities

（4）在發(fā)生電（磁）暴時(shí)， 地電場(chǎng)無論NS 向還是EW 向，日變幅的變化與地磁場(chǎng)H 分量的日變幅的變化量都十分明顯， 且地電場(chǎng)的兩個(gè)測(cè)向的變化量的相差比例不大（與平穩(wěn)時(shí)段相比）， 同期體應(yīng)變的日變幅看不出特別的變化。

（5）無論哪個(gè)月份， 對(duì)于地磁場(chǎng)H 分量的日變幅的大小不同時(shí)而體應(yīng)變的日變幅基本相同時(shí)， 地電場(chǎng)NS 向的日變幅與地磁場(chǎng)H 分量準(zhǔn)同步對(duì)應(yīng)。 同樣， 對(duì)于體應(yīng)變的日變幅的大小不同時(shí)， 而地磁場(chǎng)H 分量的日變幅基本相同時(shí)， 地電場(chǎng)EW 向的日變幅與地磁場(chǎng)H 分量準(zhǔn)同步對(duì)應(yīng)。 當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)H 分量與體應(yīng)變的日變幅都大時(shí)， 地電場(chǎng)NS 與EW 向都同步變化。

5 討論與分析

由于地電場(chǎng)與地磁場(chǎng)的快變化部分有相同的場(chǎng)源， 變化磁場(chǎng)最主要的平穩(wěn)變化有太陽靜日變化Sq 和太陰日變化L， 其變化周期分別是1個(gè)太陽日（24 h）和一個(gè)太陰日（24 h50 m）。 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)。 因此平穩(wěn)變化具有潮汐變化[18]。 大地電場(chǎng)譜成分中24～25 h 周期也是普遍存在的強(qiáng)周期成分， 這說 明24～25 h 的周期成分與大陽、 太陰周期活動(dòng)有關(guān)。

根據(jù)孫正江等[21]研究， 北半球有8個(gè)電流渦旋場(chǎng)， 中低緯度的4個(gè)渦旋中心在30°附近， 這些渦旋電流場(chǎng)基本上按地理經(jīng)度等間隔分布。 渦旋電流系的位置固定， 白天電流強(qiáng)、夜間電流弱。 地球自轉(zhuǎn)一周， 各渦旋電流場(chǎng)的電流強(qiáng)、 弱交替一次， 白天兩個(gè)強(qiáng)電流渦旋場(chǎng)、 夜間兩個(gè)弱電流渦旋場(chǎng)引起地電場(chǎng)經(jīng)歷兩次起伏， 所以產(chǎn)生大地電場(chǎng)的顯著半日波周期成分。

對(duì)于地球產(chǎn)生的潮汐引力作用， 太陰活動(dòng)引起的海潮、 固體潮已被精確記錄到， 而地電場(chǎng)12 h 的優(yōu)勢(shì)周期成分正是日變化為2 峰2 谷波形的譜特征。 這種太陰活動(dòng)引起的地球潮汐現(xiàn)象可能引起大地電場(chǎng)日變化。

太陽靜日變化Sq 的幅度存在顯著的季節(jié)變化， 都呈現(xiàn)出夏季變化大而冬季變幅小的特點(diǎn)[22]。 從而驗(yàn)證了地電場(chǎng)各分量的優(yōu)勢(shì)周期在不同季節(jié)不盡相同， 其幅值也呈現(xiàn)出夏高冬低的現(xiàn)象。 進(jìn)而說明了地電場(chǎng)的變化和地磁場(chǎng)的變化密切相關(guān)。

通過表1 的2012年6月17日發(fā)生電（磁）暴（k=6）各物理量的日變幅變化可以看到， 地電場(chǎng)NS 向最大變化約64 mV/km， 地電場(chǎng)EW 向最大變化約59 mV/km。 由于發(fā)生電暴（磁暴）時(shí)， 引起地磁場(chǎng)與地電場(chǎng)的變化屬于“同源”， 地電場(chǎng)NS 和EW 向都可以記錄到與地磁場(chǎng)同步的明顯影響。 說明這是地電場(chǎng)NS 向和EW 向表現(xiàn)出不同優(yōu)勢(shì)周期的一個(gè)原因。 而在200年發(fā)生天文大潮（陽歷10月6日、農(nóng)歷8月18日前后）與黃斑潮（陽歷9月21日、農(nóng)歷8月3日）時(shí)， 體應(yīng)變基本看不出存在大、 小潮變化， 而地電場(chǎng)NS 和EW 向都呈現(xiàn)出雙峰雙谷的形態(tài)， 說明體應(yīng)變的變化與地電場(chǎng)NS 向也存在一定的關(guān)聯(lián)性。

由于地表結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)的影響對(duì)磁場(chǎng)影響要大[23]， 通過場(chǎng)地介紹可知， 新沂臺(tái)地電場(chǎng)的場(chǎng)地存在各向異性： NS 向巖石埋深基本在4 m 左右， 而EW 向巖石埋深為4～40 m 左右； 即NS 向表層電阻率要高于EW 向表層電阻率。 從同場(chǎng)地的電阻率觀測(cè)結(jié)果來看： NS 向電阻率維持在78 Ω.m 左右， EW 向電阻率維持在95 Ω.m 左右； 這是地電場(chǎng)NS 向和EW 向表現(xiàn)出不同優(yōu)勢(shì)周期的另一個(gè)原因。

在小波分析中， 8～16 h 周期的地電場(chǎng)EW 向和體應(yīng)變， 其波形具有很高的一致性， 略有相位差； 而在16～32 h 周期的地電場(chǎng)EW 向和體應(yīng)變， 可以說其波形完全對(duì)不上， 這是為何？ 由于新沂臺(tái)地電場(chǎng)EW 向和和地磁場(chǎng)H 分量呈現(xiàn)反相位相關(guān)變化（與布極方式有關(guān)），在圖6 中， 未將波形變化反向， 如果將圖6 中4 階的地磁場(chǎng)H 分量波形反向， 提取其Y 方向上變化， 再與體應(yīng)變相疊加， 其變化形態(tài)與地電場(chǎng)EW 方向上的形態(tài)應(yīng)有很大程度的吻合。 對(duì)于3 階變化中， 地電場(chǎng)NS 向的波形變化， 也是不同分量相互疊加的結(jié)果。 其結(jié)果顯示地電場(chǎng)各分量都可以記錄到地磁場(chǎng)和固體潮變化， 只是疊加的量不同， 最終表現(xiàn)出較大的差異。

6 結(jié)論

（1）在穩(wěn)定的背景場(chǎng)下， 通過對(duì)資料進(jìn)行的FFT 頻譜分析， EW 向優(yōu)勢(shì)周期只有12h的周期。 而NS 向就不盡相同： 其優(yōu)勢(shì)周期依次12h、 8h、 24h； 并且在不同年份、 不同季節(jié)其優(yōu)勢(shì)周期也不盡相同； 其總體變化遵從地磁場(chǎng)的變化。 通過小波變化分析， 地電場(chǎng)EW向具有較明顯的半月波， 而地電場(chǎng)NS 向的半月波不如EW 向明顯。

（2）同地磁場(chǎng)H 分量的優(yōu)勢(shì)周期相比， 新沂臺(tái)地電場(chǎng)NS 向與其的同步性要高于地電場(chǎng)EW 向； 與體應(yīng)變的固體潮的優(yōu)勢(shì)周期對(duì)比， 新沂臺(tái)地電場(chǎng)EW 向與其的同步性要高于地電場(chǎng)NS 向。 尤其明顯的是12h 以下周期兩者基本遵從地磁場(chǎng)H 分量的周期， 說明其場(chǎng)源主要是地磁場(chǎng)； 其中， NS 向的變化更受地磁場(chǎng)的變化影響。 而太陰活動(dòng)引起的海潮、 固體潮已被精確記錄到， 說明固體潮的變化應(yīng)是新沂臺(tái)地電場(chǎng)產(chǎn)生變化的另一個(gè)場(chǎng)源， 從優(yōu)勢(shì)周期的對(duì)應(yīng)性來看， 地電場(chǎng)EW 向的變化更受固體潮的變化影響。 地電場(chǎng)對(duì)于12h 以上周期， 似地磁場(chǎng)H 分量、 體應(yīng)變的固體潮波形相互疊加、 抵消后造成的， 從而進(jìn)一步說明了新沂臺(tái)地電場(chǎng)是變化磁場(chǎng)和固體潮共同作用的結(jié)果。

（3）地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)周期的譜值也不盡相同， 總體呈現(xiàn)出夏高冬低的現(xiàn)象。 地電場(chǎng)的譜值大小與觀測(cè)臺(tái)臺(tái)址的淺層電阻率有關(guān)， 電阻率越高， 大地電場(chǎng)各種周期成分譜值越大。

[1] 孫正江， 王華俊. 地電概論[M]. 北京： 地震出版社， 1984.

[2] 章珂， 劉貴忠. 二進(jìn)小波變換方法的地震信號(hào)分時(shí)分頻去噪處理[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 1996， 39 (2)： 265-271.

[3] 侯遵澤， 楊文采. 中國重力異常的小波變換與多尺度分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 1997， 40 (1)： 85-95.

[4] 楊文采， 施志群， 侯遵澤， 等. 離散小波變換與重力異常多重分解[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 2001， 44 (4)：534-541.

[5] 岳文正， 陶果. 小波變換在識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 2003， 46 (6)： 863-869.

[6] 樓海， 王椿鏞. 川滇地區(qū)重力異常的小波分解與解釋[J]. 地震學(xué)報(bào)， 2005， 27 (5)： 515-523.

[7] 葉青， 杜學(xué)彬， 周克昌， 等. 大地電場(chǎng)變化的頻譜特征.地震學(xué)報(bào)[J]. 2007， 29 (4)： 382-390.

[8] 張燕， 吳云， 劉永啟， 等. 小波分析在地殼形變資料處理中的應(yīng)用[J]. 地震學(xué)報(bào)， 2004， 26 (增刊)：103-109.

[9] 朱濤. DEMETER 衛(wèi)星觀測(cè)的LF/MF 電場(chǎng)頻譜特征初步研究[J]. 地震學(xué)報(bào)， 2010， 32 (4)： 476-489.

[10] 范瑩瑩， 杜學(xué)彬， Jacques Zlotnicki 等. 汶川MS8.0 大震前的電磁現(xiàn)象[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 2010， 53(12)： 2887-2898.

[11] 宋治平， 武安緒， 王梅， 等. 波變換在前兆觀測(cè)資料中的應(yīng)用[J]. 中國地震， 2004， 20 (1)： 31-38.

[12] 吳立辛， 衛(wèi)定軍， 李國斌， 等. 小波分析方法在寧夏短水準(zhǔn)資料分析中的應(yīng)用[J]. 地震研究， 2007， 30(1)： 49-53.

[13] 邱穎， 席繼樓. 小波方法在地電場(chǎng)干擾處理中分析研究[J]. 地震， 2009， 29 (2)： 57-63.

[14] 顧申宜， 李志雄， 張慧. 海南地區(qū)5 口井水位對(duì)汶川地震的同震響應(yīng)及其頻譜分析 [J]. 地震研究，2010， 33 (1）： 35-42.

[15] 張秀霞， 李飛， 蘇澤云， 等.新沂地震臺(tái)新建地電場(chǎng)資料分析[J].華北地震科學(xué)， 2009， 27 (4)： 41-45.

[16] 中國地震局科技監(jiān)測(cè)司. 地震地磁觀測(cè)技術(shù)[M]. 北京： 地震出版社， 1995.

[17] 譚大誠， 趙家騮， 席繼樓， 等. 潮汐地電場(chǎng)特征及機(jī)理研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 2010， 53 (3)： 544-555.

[18] 萬永革. 數(shù)字信號(hào)處理的Matlab 實(shí)現(xiàn)[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2007.

[19] 高靜懷， 汪文秉， 朱光明， 等. 地震資料處理中小波函數(shù)的選取研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 1996， 39 (3)：392-400.

[20] 蔣駿,李勝樂,張雁濱等.地震前兆信息處理與軟件系統(tǒng)(EIS2000)[M]. 北京： 地震出版社， 2000.

[21] 孫正江， 王華俊. 地電概論[M]. 北京： 地震出版社， 1984.

[22] 徐文耀. 地球電磁現(xiàn)象物理學(xué)[M]. 合肥： 中國科技大學(xué)出版社。 2009.

[23] 中國地震局科技監(jiān)測(cè)司. 地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范（電場(chǎng)觀測(cè)）[M]. 北京： 地震出版社， 2001.