蒙城臺地電場與地磁場觀測數(shù)據(jù)對比分析

張明明 謝石文 薛志明 曾憲軍 汪繼林 劉紅飛

摘 要：通過對蒙城臺2015年地電場與地磁場數(shù)據(jù)對比分析，研究磁場擾動期間磁場變化與地電場的關(guān)系，通過對比我們發(fā)現(xiàn)地磁H分量的數(shù)據(jù)變化與地電場受磁場擾動產(chǎn)生的變化相關(guān)性較高。通過對原始地電場和地磁場觀測數(shù)據(jù)的對比分析，總結(jié)同臺站電場、磁場隨時間變化的規(guī)律，變化電場與變化磁場在同時段不同K指數(shù)情況下的相關(guān)性與差異性。從而依據(jù)一定的數(shù)據(jù)變化形態(tài)和特點(diǎn)，及時識別數(shù)據(jù)的正常與非正常變化，以便為地震預(yù)報(bào)提供及時、可靠的觀測數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：地電場 地磁場 觀測數(shù)據(jù)

中圖分類號：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0074-03

地磁場是時間和空間變化的矢量場，它隨時間的變化既有長期變化，也有短期變化。地磁日變化是一種短期變化，分為磁靜日變化和磁擾日變化。靜日變化起源于電離層中的電流體系，表現(xiàn)為連續(xù)出現(xiàn)的周期性變化。干擾變化主要起源于由太陽噴射出來的帶電離子流，在電離層及其以外的外部空間所產(chǎn)生的多種短暫電流體系，表現(xiàn)為偶然出現(xiàn)的各種復(fù)雜的短期變化，是疊加在平靜變化之上的一種突然變化[1]。通過對一個測點(diǎn)地磁場要素的長期連續(xù)的觀測，就有可能掌握該測點(diǎn)所在區(qū)域磁場長期變化和短期變化特征，進(jìn)而提取出干擾變化[2]。

1 觀測系統(tǒng)簡介

蒙城地震臺，屬于國家基本臺。臺站位于皖西北蒙城縣境內(nèi)的黃柏山上，臺基巖性為震旦紀(jì)砂巖及第四紀(jì)覆蓋層，周圍地區(qū)覆蓋層厚度大概都在200～300m左右，地處郯廬斷裂的西側(cè)，北部有隱伏的北西向板橋集斷層通過，西部數(shù)十公里有北北東向口孜集斷裂和王老人集斷裂通過，位于秦嶺-大別斷褶帶上。

蒙城臺大地電場觀測系統(tǒng)于1999年12月份建成，并于2000年1月1日進(jìn)行正式觀測記錄。觀測系統(tǒng)采用中國地震局分析預(yù)測研究所研制的自動化、智能化、數(shù)字化ZD9A-Ⅱ型地電場儀，儀器采樣率為每分鐘1次，布極方法采用共用電極長短極距法（圖1），有三個分向，其分別為：NS向長、短極距，EW向長、短極距，長極距為226m，短極距為113m，斜長極距為320m，斜短極距為160m。線路采用架空方式，電極埋深為1.8m。ZD9A-Ⅱ型地電場儀與ZD8M地電儀同場觀測。測區(qū)內(nèi)地形較平坦（農(nóng)田），觀測環(huán)境較好，無較大、明顯的干擾，觀測系統(tǒng)的建設(shè)及布極區(qū)的環(huán)境狀況均符合規(guī)范要求，觀測質(zhì)量較好，能觀測到較明顯的日變化。

蒙城臺地磁觀測開始于1978年，為地磁國家二類臺。該手段在我臺開展的項(xiàng)目比較齊全，目前正在運(yùn)行的項(xiàng)目有三個：絕對觀測、相對記錄和定點(diǎn)核旋觀測。我臺絕對觀測采用的是國際通用的觀測組合，即對D、I、F組合，每周二、五進(jìn)行；相對記錄現(xiàn)有模擬、數(shù)字化兩套正在并行運(yùn)作；每晚21點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)核旋觀測。我們臺站觀測環(huán)境得天獨(dú)厚，無任何大型干擾源，背景噪聲小，觀測室附近磁場分布均勻。經(jīng)過臺站人員對背景噪聲水平、絕對觀測室和相對記錄室周圍30m及觀測場地200m×200m，100m×100m磁場梯度分別進(jìn)行了量算，計(jì)算出我臺背景噪聲不大于0.10nT，磁場梯度為1nT/m。符合“電磁觀測技術(shù)規(guī)范”要求，非常適合于開展地磁觀測。

2 資料選取

根據(jù)地球電磁感應(yīng)的理論，當(dāng)研究區(qū)域遠(yuǎn)小于源場尺度時，源場可以近似的看作是均勻的、無限的平面電磁波[3]。因此，對于定點(diǎn)臺站，所研究的問題是平面問題。由此，即地電場的南北向分量對應(yīng)于地磁場東向分量的時間變化；地電

場的東西向分量對應(yīng)于地磁場北向分量的時間變化[4]。

選取2015年7月4日至7月5日磁暴期間蒙城臺地磁H分量分?jǐn)?shù)據(jù)，地電場EW方向長極距數(shù)據(jù)（圖1、圖2）。

通過對比我們發(fā)現(xiàn)磁暴期間，地磁H分量變化幅度在110nT左右，地電場日差值變化在70mV/左右，地磁場和地電場數(shù)據(jù)變化都非常明顯，且波動變化的時間較一致。

3 磁場擾動與地電場的相關(guān)性分析

為了更好地研究磁擾與地電場數(shù)據(jù)變化相關(guān)性，我們選取2015年7月一整月的地磁與地電場數(shù)據(jù)，首先對地磁H分量的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波擬合生成H-SR曲線（圖3）。

由于磁擾對電場的數(shù)據(jù)影響主要集中在高頻，因此我們對地電場數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波處理。在窗函數(shù)的選擇方面，窗函數(shù)有很多種，最常用的有矩形窗、三角窗、傅立葉核窗、漢明窗、冪窗、高斯窗等。每種窗函數(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如矩形窗，其優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是有負(fù)的邊瓣，帶進(jìn)高頻干擾和漏能，而漢寧窗和漢明窗可以很好地消除負(fù)的邊瓣，消去高頻干擾和漏能，其缺點(diǎn)是主瓣太寬。由于我們希望了解磁擾數(shù)據(jù)變化及地電場的頻譜結(jié)構(gòu)特征，這就要求所選窗函數(shù)的邊瓣盡量小，要求沒有負(fù)的邊瓣，能給出整個頻段的波譜結(jié)構(gòu)。因此，我們采用的窗函數(shù)為漢明（hamming）窗。

通過對比圖3、圖4、圖5，我們發(fā)現(xiàn)蒙城臺地磁H分量預(yù)處理數(shù)據(jù)的H-SR曲線和地電場東西向的濾波后的曲線的形態(tài)比較一致，即地磁場磁場變化率大的時刻（K指數(shù)大的時候），地電場擾動變化大，地磁場磁場變化率小的時刻，地電場擾動變化小。同時，二者的幅度值、周期也具有一定的相關(guān)性。

4 結(jié)語

通過對蒙城臺H分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)H-SR曲線與地電場濾波后曲線的對比，得出二者無論在形態(tài)上、幅度上還是在周期成分上都有很好的相關(guān)性，因此可以綜合利用地磁和地電場觀測數(shù)據(jù)開展研究工作。

由于磁擾對于地電場影響相對較大，因此正確地識別磁擾對地電場數(shù)據(jù)的影響，對于異常核實(shí)工作尤為重要，通過地磁數(shù)據(jù)與地電場數(shù)據(jù)的對比，可以較為準(zhǔn)確地識別磁擾信號。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊仲華，劉運(yùn)生.地震觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社，1997.

[2] 曹志磊，周瓊.蒙城地震臺地磁Z分量日變化特征分析[J].地震地磁觀測與研究，2008，29（5）：48-51.

[3] 徐文耀.地磁學(xué)[M].北京：地震出版社，2003.

[4] 張素琴，楊冬梅.磁暴時磁場變化率與地電場相關(guān)性研究[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（3）：7-12.

[5] 杜學(xué)彬，葉青，李寧.地電場日變化研究[J].地震，2007，29（S1）：121-129.