MATLAB編程處理大地電場變化特征及異常的研究

查 楠，張志宏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

二十世紀七十年代后，國際上很多國家研究學者把地電場應用到地震和火山監(jiān)測等地質災害預警中。我國自1966年3月22日邢臺7.2級地震后就對地電場開始觀測了，并記錄到了不少震前異常變化（如1976年唐山7.8、松潘7.2級地震）。受希臘“VAN”地震預報方法以及觀測技術進步的影響我國在“九五”期間，又重新開始了地電場的觀測研究工作。目前為止，對地震前地電場異常信息的研究國內外已有了很多積累。近十幾年來，“九五”計劃開始實施以來，我國建成了為世界之最的數字化地電場觀測網，由80個臺站組成。

場量前兆和物質電性兩類參數前兆在地震預測研究中是地震地電學關注的重要參數。自然電場前兆屬于場量前兆。大地電場是提取出地球介質的物性前兆方法之一。通過遼寧及鄰區(qū)大地電場的靜日、擾日變化以及它們的頻譜特性等分析，初步探討主要譜成分的產生機理；對地電場觀測資料的長、短極距的比值計算，有效排除地電場觀測資料的太陽黑子活動、電離層、對流層、磁暴、磁層的電流系等來自空間場源在地球內部中感應而產生的電場變化；對大地電場觀測的映震能力做出評估，為該觀測在地震預報中的應用提供理論依據。

1 數據來源

收集、整理遼寧省大地電場觀測數據（圖1），觀測時段為2007年至2017年；數據選取時段根據為中國科學院國家天文臺的太陽活動預報中心公布的地磁報告中地磁平靜日、擾動日和磁情指數k＜5的日期。數據樣本長度分別為一天的分鐘值或一個月的小時值時間序列。同時關注每個臺站的臺址條件等；因為遼寧新城子臺環(huán)境干擾較多,分析中只對重點干擾形態(tài)進行分析，以期在未來工作中有所借鑒。

圖1 遼寧地區(qū)大地電場臺站分布圖Fig.1 Distribution map of geoelectric field stations in Liaoning Province

2 地電場觀測干擾分析

地電場觀測與地磁場觀測是地球物理場觀測中的重要組成部分，并且為相互關聯的最密切的兩個分支。因地電場觀測需要埋地電極，作為信號接收器，接地條件與接地電極技術的要求較高，所以地電場觀測資料會出現很多不同因素引起的干擾。

2.1 布極區(qū)金屬管線／網等永久性干擾

2015年10月以來新城子地震觀測站地電場受沈飛626所場地施工干擾造成數據資料信度低；尤其金屬圍欄的搭建以及工程用電對監(jiān)測有明顯干擾，北南測向和北東測向地電阻率值受干擾嚴重，其中小時值相對均方差大于3%的數據做刪除數據處理，電阻率均方差東西向變化幅度為0.59、電阻率均方差北東方向變化幅度為0.1，自然電位差北南向變化幅度為8.4、自然電位差東西向變化幅度為8.1、自然電位差北東向變化幅度為7.3（圖2）。

圖2 新城子地震觀測站場地電場受沈飛626所施工干擾數據形態(tài)Fig.2 The disturbed data of the electric field of Xinchengzi Seismic Observatory by the construction of Shenfei 626 Institute

2.2 地電阻率觀測供電的定時干擾

地電場觀測一般都采用工頻交流電源供電，其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給地電場觀測帶來電源性干擾噪聲。當地電阻率觀測時會引起電源電壓的頻率波動，雖然其波動范圍有限，但對地電場觀測精度影響較大。其干擾形態(tài)如圖3所示。

圖3 錦州義縣地電阻率供電干擾地電場觀測數據形態(tài)示意圖Fig.3 The carves of the geoelectric field observation data disturbed by the geoelectrical power supply in Jinzhou Yixian County

2.3 超高壓直流輸電干擾

我國是電能的生產和使用大國，將清潔的電能廣泛應用各行各業(yè)，滿足我國經濟快速發(fā)展的需求。地震臺站的觀測資料也會受到超高壓直流輸電干擾。全國超高壓直流輸電影響臺站分布如圖4所示。

圖4 全國超高壓直流輸電影響臺站分布圖（2016年版）Fig.4 Distribution map of UHVDC transmission stations in China（2016）

直流輸電線路運行改變了周圍的電場環(huán)境。同時直流輸電線路的運行空間環(huán)境中電場強度會有所增加，在電場力的作用下導電產生的空間電荷向極間區(qū)運移從而形成了離子流。因此，直流輸電線路導線周圍產生：一是導線上離子電荷直接產生的電場；二是空間離子電荷在電場的作用下定向運動形成離子流。離子流場與導線本身產生的靜電場疊加形成合成電場。因此超高壓直流會對地電場觀測資料料產生影響，干擾基本為突跳、臺階形態(tài)（圖5）。

圖5 超高壓直流干擾數據形態(tài)示意圖Fig.5 Data form diagram of UHV DC interference

2.4 雷電干擾

雷電干擾是一種場電物理變化現象，放電形式及量度均取決于雷暴云電場。大地電場和地電場具有對立統一性，相互獨立同時相互影響，形成一種場電變化體系。地電場是一個靜態(tài)電場，有一定的自身變化規(guī)律。比大氣電場中的雷暴云梯度要小得多。同時地球表面還是一個無限大的非均勻的各項異性導體表面，在這個導體表面上，各種不同的土壤電導率決定了地電場與地物間斷放電的擊穿強弱程度，其在外部場電變化干擾下，兩種及兩種以上的土壤電導率界面形成帶電粒子和自由離子的積累，構成了形式各異的尖端放電場強，因而引起電場畸變現象（圖6）。

圖6 雷電干擾數據形態(tài)示意圖Fig.6 Schematic diagram of lightning interference data

2.5 漏電干擾

當測量區(qū)域出現漏電問題時，大地電場觀測曲線也會出現臺階、突跳等變化，從圖7可以清晰看出，阜新哈達戶稍觀測站由于工廠漏電觀測數據明顯出現干擾。

圖7 地漏電干擾數據形態(tài)示意圖Fig.7 Data form diagram of ground leakage electric interference

3 大地電場資料分析利用MATLAB編程實現

3.1 大地電場頻譜特征分析及機理淺析

采用最大熵譜法［6］，利用MATLAB編寫譜分析軟件。通過對遼寧及鄰區(qū)地電臺站觀測數據的分析得出大地電場日變化主要周期成分為：12 h、24～25 h和8 h的中心周期。這些周期成分為我國大陸大地電場中普遍存在的主要周期成分。其中12h的半日波成分為最強成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同時還存在周期成分強度弱的短周期成分。與許康生、葉青、張素欣和趙明等做的譜分析的相關工作結果相類似（以義縣臺為例見圖8）。

圖8 義縣臺頻譜分析Fig.8 The spectrum analysis of Yixian Seismic Station

用MATLAB實現一維時間序列的最大熵譜分析比傳統譜分析方法具有較高的分辨率。最大熵譜法克服了傅里葉等方法的不足；比較適合短記錄資料的頻譜分析，具有較強的抗噪性能，能夠估算淹沒在噪聲中的信號的功率譜。機理淺析：日變化頻譜中的12 h的半日波成分最強，并在不同年份和不同月份及經緯度差異大的臺站上出現。這顯然是大地電場日變化中的普遍性特征。因為12 h的周期成分為日變化2峰2谷波形的譜特征。在1936年O.Gish編制的世界時18 h的全球大地電流分布圖中，北半球存在8個電流渦旋場。由于白天存在兩個強電流渦旋場、同時夜間存在兩個弱電流渦旋場而引起地電場經歷兩次起伏，所以大地電場的日變化具有顯著半日波周期成分。日變化主要周期成分是由太陽風、太陰活動、地球自轉帶來的地面電流體系強度發(fā)生的晝夜交替變化引起的。特點分析：大地電場日變化主要周期成分為12h、24～25 h和8 h的中心周期。這些周期成分為我國大陸大地電場中普遍存在的主要周期成分。其中12 h的半日波成分為最強成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同時還存在周期成分強度弱的短周期成分。（與許康生、葉青、張素欣和趙明等做的譜分析的相關工作結果相類似）

3.2 日變形態(tài)畸變異常的提取

地電場在靜日的日變形態(tài)和變幅都較為穩(wěn)定，典型的地電場日變形態(tài)為“2峰2谷”、“2峰1谷”，在擾日或磁暴期間則有明顯變化，變幅甚至能夠達到靜日的數倍以上。同一臺站長、短極距地電場相關性好，而兩臺地電場數據在相同方向上也有一定的相關性。擾日或磁暴日的相關系數明顯高于靜日，體現了外空場對地電場的影響。

3.3 長短極距比值法的計算

同一臺站同一測向的長短極距的比值比較穩(wěn)定，基本為在一個固定數值上的變化（圖9）。應用這一特征就可以從中識別并提取出地震前兆信息，排除地電場觀測資料中在地球內部來自空間場源（磁暴、太陽黑子活動、磁層、電離層、對流層的電流系等）感應而產生的電場變化，減小遠源自然電場在觀測中的影響。

圖9 義縣大地電場長短極距比值法的計算Fig.9 The calculation of the distance ratio method of the length and short distance of the electric field in Yixian

4 遼寧及鄰區(qū)顯著地震事件分析

通過對遼寧地區(qū) （110～130°E，38～44°N）及鄰區(qū)2007年至今M≥4.5級中強地震，重點分析2013年01月23日燈塔M5.1級地震，震源深度7 km；2013年04月22日，通遼M5.3級地震，震源深度10 km；2013年10月31日前郭M5.7級地震，震源深度6 km。

新城子地電場距離燈塔M5.1震中約67 km，距離通遼M5.3震中約135 km，距離前郭M5.7震中約292 km。新城子大地電場臺站2012—2014年外界干擾較少，從圖10可以看到：燈塔地震前長極距NS/EW方位角較離散。通遼M5.3及前郭M5.7地震前方位角較集中。

圖10 新城子地電場長極距方位角（NS/EW）Fig.10 Long polar azimuth of electric field in Xinchengzi（NS/EW）

義縣地電場距離燈塔M5.1震中約158 km，距離通遼M5.3震中約178 km，距離前郭M5.7震中約415 km。義縣大地電場臺站場地環(huán)境干擾較少。從圖11可以看到：燈塔地震前長極距方位角（NS/NE）呈離散狀態(tài)。通遼M5.3及前郭M5.7地震前方位角較集中。

圖11 義縣地電場長極距方位角(NS/NE)Fig.11 Long polar azimuth of electric field in Yixian（NS/NE）

阜新哈達戶稍大地電場臺站場地環(huán)境干擾較少。從圖12可以看到：長極距方位角（NS/NW）呈集中狀態(tài)。

圖12 哈達戶稍地電場長極距方位角（NS/NW）Fig.12 Long polar azimuth（NS/NW） of Hadahushao

5 結論

通過對遼寧及鄰近地區(qū)2007年至今ML≥4.5級中強地震的總結分析得出具有較好提取大地電場的異常方法主要有：

（1） 日變形態(tài)畸變：大地電場正常變化一般是雙峰雙谷，當有震兆異常夾雜在大地電場的正常背景變化中時，日變形態(tài)就會發(fā)生畸變，以此判斷異常的存在；

（2） 階變異常：階變異常的特點是曲線突升—突降，或者突降—突升，持續(xù)時間較短；

（3） 垂直極化投影法：如果有震兆異常，則未必遵守原極化規(guī)律，這時異常點就會在旋轉后的縱軸上遠遠超出正常變化范圍，從而達到識別異常信號的目的；

（4） 長短極距比值法：同一臺站同一測向的長短極距比值通?；痉€(wěn)定在一個固定的數值上變化，可以利用這一特征，從中識別并提取出地震前兆信息。通過對地電場頻譜特征、電場極化法、日變化幅度、同一臺站長、短極距比值法以及在靜日、擾日還是地電暴日的變化分析；了解了地電場在具有較普遍的相似變化后，可以據此評價一個臺站的觀測質量，特別是通過磁暴期間不同臺站的對比，能夠清晰地分辨出觀測質量不佳的臺站。同時通過各臺在相同大背景下的明顯不一致提取地震前兆異常；

（5） 長極距方位角分析：通過選取諧相關系數較高的測向計算遼寧地區(qū)地電場長極距方位角，結果表明方位角異常屬于短臨前兆異常，主要是以角度離散為前兆異常，震中距與方位角離散程度成正比。