東部沿海地區(qū)地電場半日波變化特征研究

范瑩瑩 解滔 安張輝 王建軍 李飛 張騫

1）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路450號 730000

2）甘肅省地震局，蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路450號 730000

3）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

4）江蘇省新沂地震臺，江蘇新沂 221400

5）江蘇省高郵地震臺，江蘇高郵 225601

0 引言

國際上十分重視地電、地磁場在地震與火山監(jiān)測中的應(yīng)用，1975年，俄羅斯學(xué)者Sobolev發(fā)表了1973年后的Kamchatka大地電流場震前異常的研究成果（Sobolev，1975）；希臘的3位物理學(xué)家提出從連續(xù)地電場觀測資料提取SES信號預(yù)測地震的VAN法（Varotsos et al，1986）。我國自1976年邢臺地震后，開展了大規(guī)模、規(guī)范化的定點(diǎn)地電觀測，目前，中國大陸已建成100多個地電場觀測臺站，其中部分臺站持續(xù)觀測時間已超過10年以上。在對地電場的分析研究中，相對于地震監(jiān)測預(yù)報而言，地電場時空變化規(guī)律方面相對薄弱。

地球表面存在著天然的變化電場和穩(wěn)定電場。各種天然的全球性或區(qū)域性的變化電場稱為大地電場，而各種天然的地方性的穩(wěn)定電場則稱為自然電場，這2種電場構(gòu)成地電場。譚大誠等（2010）基于中國大陸100個地電場臺站的數(shù)據(jù)，將潮汐地電場分為近正弦形和近梯形2種，近正弦形地電場大多分布在大面積水域附近，與固體潮汐密切關(guān)聯(lián)；近梯形地電場則與氣潮作用產(chǎn)生的空間Sq電流關(guān)系密切。崔騰發(fā)等（2013）應(yīng)用中國大陸2條經(jīng)度鏈和2條緯度鏈上共37個地電場臺站的觀測數(shù)據(jù)，研究地電場日變化的時／頻特征。本文以半日波為研究對象，研究中國大陸東部沿海地區(qū)地電場半日波日變幅，分析地電場半日波日變幅變化的時空分布規(guī)律，以期對此現(xiàn)象的產(chǎn)生原因獲得初步認(rèn)識。

1 臺站基本情況及計算方法

中國大陸地電場觀測是定點(diǎn)大地電場測量，水平布設(shè)NS、EW和斜測向長短共6測道，長短極距比在1.5左右，長極距多在300～400m（杜學(xué)彬等，2006），測量頻段在0～0.005Hz，采樣率為1次／min，儀器分辨率為10μV，24h連續(xù)觀測。全國現(xiàn)運(yùn)行地電場臺站100多個，存在東部地區(qū)密集、西部地區(qū)稀疏，斷裂帶附近密集、非斷裂帶附近稀疏，北部地區(qū)建臺較多、南部地區(qū)臺站分布較少等特點(diǎn)。本文主要研究中國大陸東部沿海地區(qū)地電場月周期變化特征，在選取臺站時，以臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高、臺站分布范圍盡量大、距離海岸較近為原則，選取高郵、新沂、陵陽、昌黎等4個地電場臺站。上述4臺同處于119°E線附近，以地電場臺站每天連續(xù)觀測1440個分鐘值數(shù)據(jù)為單位，利用小波變換法進(jìn)行計算，提取其中12h周期成分（即半日波），臺站具體位置分布見圖1。為了與內(nèi)陸地區(qū)地電場半日波變化特征進(jìn)行對比，隨機(jī)選取位于內(nèi)陸地區(qū)觀測質(zhì)量高的山西大同、寧夏石嘴山、甘肅古豐3臺地電場觀測數(shù)據(jù)，計算方法同上。時間上選擇地震較為平靜的2011年為研究時段。

圖1 地電場觀測臺站分布

小波變換是空間（時間）與頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。因其可通過伸縮和平移等運(yùn)算技術(shù)對函數(shù)或信號進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，解決了傅里葉變換不能解決的許多問題，故在地球物理、地震勘探等各項研究中得到廣泛的應(yīng)用（范瑩瑩等，2014；呂品姬等，2011；解滔等，2013；鄭兆苾等，2007；張元生等，2010）。本文將不同臺站同一月份以及同一臺站不同月份地電場半日波日變化進(jìn)行對比，研究東部沿海地區(qū)半日波日變化特征，期望得到沿海地區(qū)半日波日變幅的周期性變化原因及其分布規(guī)律等。

2 地電場半日波月變化

圖2 高郵臺2011年1～12月地電場半日波

圖2～5分別為位于沿海地區(qū)的高郵（119.26°E，32.67°N）、新沂（118.39°E，34.38°N）、陵陽（118.90°E，35.54°N）、昌黎（119.05°E，39.72°N）4個地電場臺站2011年1～12月地電半日波變化圖，圖中橫坐標(biāo)表示日期，縱坐標(biāo)表示半日波強(qiáng)度。高郵臺2011年12個月里均發(fā)生半日波日變幅每月2次周期性增大、減少的現(xiàn)象，每月2次半日波日變幅最小發(fā)生時間差為13～16天左右，平均每月最小日變幅發(fā)生時間提前約19h（圖2）；新沂臺在2011年12個月中有7個月發(fā)生半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，主要集中在5～7月，時間差為13～16天，平均每月提前約14h（圖3）；陵陽臺在2011年共有5個月份發(fā)生半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，集中在5～9月份，每月2次最小日變幅之間的時間差為14～17天，平均每月提前約18h（圖4）；昌黎臺在2011年共有6個月發(fā)生半日波日變幅周期性變化，主要集中在4～9月份，2次半日波最小日變幅之間的時間差為13～17天，平均每月提前約13h（圖5）。仔細(xì)觀察、對比圖2～5可發(fā)現(xiàn)，半日波日變幅存在夏季比冬季大的特點(diǎn)（部分月份存在因受到干擾等造成半日波日變幅突然大幅度增大、減少等無規(guī)律性變化的現(xiàn)象）。接下來與位于內(nèi)陸地區(qū)的地電場臺站進(jìn)行對比。以大同（113.24°E，40.13°N）、石嘴山（106.66°E，39.38°N）、古豐（102.83°E，37.43°N）地電場臺站為例（圖6～8），這3個臺站的地電場半日波日變幅偶有增大、減少現(xiàn)象，但整體變化相對平穩(wěn)，半日波日變幅增大、減少現(xiàn)象的發(fā)生不具有規(guī)律性，所以認(rèn)為位于內(nèi)陸地區(qū)的地電場臺站未觀測到半日波日變幅周期性增大減少的現(xiàn)象，但這些內(nèi)陸地區(qū)的臺站同樣存在半日波日變幅夏季比冬季大的特點(diǎn)。

圖3 新沂臺2011年1～12月地電場半日波

圖4 陵陽臺2011年1～12月地電場半日波

為了更加清晰、直觀地總結(jié)高郵等4臺每月日變幅周期性變化的規(guī)律，匯總4臺站每月半日波日變幅最小發(fā)生日期在表1，表1中括弧內(nèi)為每月最小日變幅對應(yīng)的陰歷日期。比對高郵臺2011年12個月半日波最小日變幅發(fā)生時間，發(fā)現(xiàn)其半日波最小日變幅發(fā)生在陰歷每月初七、二十二左右；新沂臺該變幅發(fā)生在陰歷初十～十六、二十六～下個月初二左右；陵陽臺該變幅發(fā)生在陰歷每月十四、二十八左右；昌黎臺該變幅發(fā)生在陰歷每月初八、二十三左右。上述4臺每月2次半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象主要集中發(fā)生在5～9月份，東部沿海地區(qū)降雨主要集中在夏秋季節(jié)，因此基本可以排除降雨對半日波周期性變化的影響?？疾?011年地磁Kp指數(shù)和Dst指數(shù)，一般當(dāng)∑Kp＞30，則認(rèn)為當(dāng)天的地磁活動強(qiáng)烈，Dst≤－30nT并持續(xù)兩小時以上，則認(rèn)為當(dāng)天有磁暴發(fā)生（曾中超等，2009），半日波每月趨勢性減少、增大的現(xiàn)象與磁暴的發(fā)生在時間上無對應(yīng)關(guān)系。Kp指數(shù)參照http：／／www-app3.gfz-potsdam.de／obs／niemegk／monrep／index.html，Dst指數(shù)參照http：／／wde.kugi.kyoto-u.ac.jp／dst＿realtime／。

圖5 昌黎臺2011年1～12月地電場半日波

3 分析討論

高郵臺2011年每月均發(fā)生2次半日波日變幅周期性增大、減少的現(xiàn)象，新沂臺在2011年有7個月發(fā)生此現(xiàn)象，陵陽臺為5個月，昌黎臺為6個月。高郵臺海拔4m，緊鄰京杭大運(yùn)河，測區(qū)周圍水系發(fā)達(dá)，臺站使用電極為固體不極化電極，電極埋深2.5m，距離最近海岸約150km；新沂臺地處郯廬斷裂帶上，海拔35m，靠近京杭大運(yùn)河，固體不極化電極埋深5m，距離最近海岸約90km；陵陽臺地處沂沭斷裂帶昌邑-大唐斷裂中南部，地勢較平坦，海拔145m，固體不極化電極埋深3m，距離最近海岸約60km；昌黎臺海拔18.4m，使用鉛電極，電極埋深3m，地質(zhì)構(gòu)造位于昌-寧斷裂北側(cè)，燕山山前沖積平原上，含水層發(fā)育，地下水位15m，距離最近海岸約30km。仔細(xì)觀察圖1可發(fā)現(xiàn)，高郵臺測區(qū)周圍河流、湖泊分布最多，新沂臺距離京杭大運(yùn)河較近，而昌黎臺距離海岸只有30km，地下水位較高，對比分析認(rèn)為：臺站測區(qū)周圍河流、湖泊等分布越為密集，距離大型水系越近，位于沿海地區(qū)的臺站越容易觀測到半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象。表2列出了高郵、新沂、陵陽、昌黎地電場臺站地磁經(jīng)緯度。由表2可見，高郵等4臺地磁緯度相差較大，而地磁經(jīng)度相差較小，特別是高郵臺與昌黎臺，二者只相差0.005°，新沂臺與陵陽臺地磁經(jīng)度相差0.528°。由表1可知，高郵、昌黎臺每月最小日變幅發(fā)生時間幾乎一致，而新沂、陵陽臺每月最小日變幅發(fā)生時間相差2天左右，初步分析認(rèn)為半日波周期性增大減小現(xiàn)象的發(fā)生時間可能與臺站所在位置的地磁經(jīng)度有關(guān)。

圖6 大同臺2011年1～12月地電場半日波

月球和太陽對地球的天體引力（即起潮力）使地球產(chǎn)生了潮汐形變，即所謂地球的固體潮。起潮力同時也使海水產(chǎn)生潮汐，還使地球外的大氣層產(chǎn)生大氣潮汐。海洋潮汐影響水位的變化幅度，隨距海岸的距離增大而呈指數(shù)衰減（張昭棟，1989）。月球自西向東繞地球公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)1圈為27.32天，公轉(zhuǎn)軌道相對地球赤道傾斜10°左右。當(dāng)月球與地球上某質(zhì)點(diǎn)接近的過程中，根據(jù)固體潮理論，垂直流管壁面向上的引潮力逐漸增加，并導(dǎo)致地面微升，表層巖石裂隙在該過程中膨脹，相對無裂隙部分更為明顯，巖石裂隙即為內(nèi)部水的流管。這一過程中各流管連通狀態(tài)逐漸變好、流管膨脹，有助于水形成穩(wěn)定的定向滲流，滲流層中電場變強(qiáng)，地表地電場也變強(qiáng)，當(dāng)月球遠(yuǎn)離地球上某質(zhì)點(diǎn)的過程中，引潮力逐漸減少，巖石裂隙疏通性變差，裂隙內(nèi)含水量降低，地電場變?nèi)酰ㄗT大誠等，2010）。故此，可分析認(rèn)為沿海地區(qū)地電場半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象可能是由于海洋潮汐對地電場的作用引起的。

表1高郵、新沂、陵陽、昌黎臺2011年1～12月每月半日波日變幅最小發(fā)生時間

表2 高郵、新沂、陵陽、昌黎地電場臺站磁經(jīng)緯度

4 結(jié)論

本文分析研究了位于中國大陸東部沿海地區(qū)的高郵、新沂、陵陽、昌黎4臺以及對比分析位于內(nèi)陸地區(qū)大同、石嘴山、古豐3臺2011年地電場半日波日變幅，研究發(fā)現(xiàn)：

（1）高郵臺2011年全年12個月地電場均發(fā)生每月2次半日波日變幅周期性變化的現(xiàn)象，其發(fā)生2次最小半日波日變幅之間的時間差為14天左右，新沂、陵陽、昌黎臺部分月份發(fā)生此現(xiàn)象，位于內(nèi)陸地區(qū)的大同等3臺站未觀測到此現(xiàn)象。

圖7 石嘴山臺2011年1～12月地電場半日波

（2）位于沿海以及內(nèi)陸地區(qū)的高郵等7臺均發(fā)生夏季地電場半日波日變幅大于冬季的現(xiàn)象（除部分月份由于受到干擾等原因形成半日波日變幅突然大幅度增大、減少等無規(guī)律性變化的月份）。

（3）通過考查臺站測區(qū)及周圍環(huán)境，初步分析認(rèn)為位于東部沿海地區(qū)的臺站是否發(fā)生每月半日波日變幅周期性增大、減少的現(xiàn)象的原因可能與測區(qū)周圍是否緊鄰海洋、湖泊、河流等大型水系有關(guān)。

（4）同一臺站不同月份半日波日變幅最小發(fā)生時間（陰歷日期）幾乎一致；不同臺站同一月份半日波日變幅最小發(fā)生時間不同，此現(xiàn)象的發(fā)生可能與臺站地磁經(jīng)度有關(guān)。

（5）沿海地區(qū)地電場半日波日變幅每月發(fā)生2次周期性增大、減少的現(xiàn)象，分析研究認(rèn)為，此現(xiàn)象的發(fā)生可能是受到海洋潮汐的影響。

圖8 古豐臺2011年1～12月地電場半日波