倪曉寅

（福建省地震局，福建 福州 350003）

泉州臺地電場數(shù)據(jù)分析

倪曉寅

（福建省地震局，福建 福州 350003）

通過對泉州地磁臺地電場資料進(jìn)行處理和分析，認(rèn)識地電場無震時(shí)的變化特征，分析觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，判別各類干擾因素，以此作為識別地震前兆異常的基礎(chǔ)認(rèn)識，為進(jìn)一步提高地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和開展地電場數(shù)據(jù)應(yīng)用研究提供依據(jù)。

地電場；干擾；磁暴；小波分析

0 引言

地球表面的天然變化電場是由地球外部的各種電流體系在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的，分布于整個地表的廣大地區(qū)，這種天然的的全球性或區(qū)域性的變化電場，稱為大地電場。天然的穩(wěn)定電場主要由礦體、地下水和各種水系產(chǎn)生，分布于局部地區(qū)，這種地方性的天然穩(wěn)定電場，稱為自然電場。大地電場和自然電場統(tǒng)稱為地電場[1]。自然電場是局部地區(qū)由各種物理化學(xué)作用產(chǎn)生的地表電場，成因復(fù)雜，規(guī)律性差。大地電場起源于地球外部空間電流體系，與地磁場的變化有密切的聯(lián)系，因而和地磁場一樣具有較強(qiáng)的規(guī)律性和周期性[2]。大地電場的觀測與研究已由100多年的歷史，在我國自行研制了ZD9A大地電場儀以后，近幾年大地電場的觀測和地震預(yù)報(bào)應(yīng)用研究才較為普遍的開展起來。但由于開展觀測的時(shí)間較短，積累的經(jīng)驗(yàn)不多，對大地電場的的數(shù)據(jù)分析和處理研究仍處于初步階段。

本文試通過對泉州臺大地電場分鐘值觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，認(rèn)識在無震時(shí)大地電場各參量的變化特征，分析觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，判別各類干擾因素，以此作為識別地震前兆異常的基礎(chǔ)認(rèn)識，為進(jìn)一步提高大地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和開展大地電場數(shù)據(jù)應(yīng)用研究提供依據(jù)。

1 泉州臺大地電場觀測概況

泉州南安地磁臺地電場觀測場地位于泉州南安市洪籟鎮(zhèn)厝斗村泉州地磁臺內(nèi)及周邊水田中。2007年9月安裝ZD9A-Ⅱ型地電場儀進(jìn)行大地電場觀測。電場觀測采用三角形共用中心的布極方式（圖1，O為中心NS向和EW向長短極距共用電極），共有NS向、EW向和NE向三個方向，每個方向又分長、短二種極距。其中長極距（圖1中AO和BO）277m，短極距185m（A′O和B′O；電極埋深3.5m。觀測系統(tǒng)的建設(shè)和布極區(qū)的環(huán)境狀況均符合觀測規(guī)范要求，場地及附近沒有高壓線盒任何大型電磁干擾源，坡度小于5%，地形較為平坦。

2 資料處理

為了認(rèn)識地電場的變化特征，我們以泉州臺地電場分鐘值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析。通過繪制每道測線的每日分鐘值曲線，可以了解地電場在各種情況下（磁靜日、磁暴、雷擊等）的變化特征，據(jù)此辨別地電場地震前兆變化。同時(shí)地電場是一個矢量，該矢量的方位角可以由電場的南北向分量ESN和EWE東西向分量計(jì)算求得α=tg-1EWE45°/ESN45°，并繪制方位角變化曲線分析其動態(tài)變化。理論上ESN和EWE在北東方向的投影量值應(yīng)該與北東向觀測值ENE相同，由于實(shí)際觀測系統(tǒng)中的各種因素會引起誤差，該誤差Err=ESNcos45°+EWEcos135°-ENE。同時(shí)由于大地電場與起源于天電，則同一方向的長短極距日變化應(yīng)該是相關(guān)的，計(jì)算每日長短極距分鐘值的相關(guān)系數(shù)，可以增加了解觀測系統(tǒng)的觀測質(zhì)量。最后利用小波分析手段了解地電場的周期特征。

3 地電場變化特征

3.1 磁靜日時(shí)的地電場

圖2是泉州臺2008年3月12日地電場NS向長極距、NS向短極距、EW向長極距、EW向短極距、NE向長極距和NE向短極距分鐘值曲線圖。3月12日是磁靜日。六道測線的日變幅均小于39.4mV/km，有明顯的波峰波谷形態(tài)；NS向、EW向和NW向的相關(guān)系數(shù)分別是0.92、0.94和0.91，長短極距觀測到的變化一致性較好，但各測項(xiàng)長短極距的絕對值差異較大；白天的地電場變化幅度明顯大于夜晚；11時(shí)-18時(shí)的變化幅度最大；極值出現(xiàn)在11時(shí)和15時(shí)左右。地電場的日變化主要受太陽輻射影響，所以太陽輻射強(qiáng)的白天變化較大，同時(shí)，地電場每天的極值也出現(xiàn)在太陽輻射最強(qiáng)的午間，夜晚太陽輻射較弱的時(shí)間段，地電場則處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 是同一天泉州臺長短極距的地電場方位角和誤差曲線圖。方位角α的變化幅度不大（不到6°），其日變形態(tài)與電場日變一致。誤差曲線顯示，長極距誤差幅度主要在11.8mV/km上下波動，誤差最大達(dá)到21.5mV/km。短極距誤差主要在21.1mV/km上下波動，誤差最大達(dá)到29.8mV/km。誤差在正午時(shí)分達(dá)到最大。

日變形態(tài)清晰和長短極距日變幅相當(dāng)是泉州臺地電場的主要特征。

3.2 磁暴時(shí)的地電場

由于地電場中的一部分場的起源是由外空電流在地球內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場引起的，因此磁暴等外空磁場環(huán)境的改變會引起大地電場的改變。磁暴發(fā)生時(shí)，地電場同樣會發(fā)生劇烈的變化，這種在磁暴期間記錄到的地電場劇烈變化稱為地電暴。圖4分別是泉州臺2010年4月5日地電場六測道分鐘值曲線（方框?yàn)榇疟┌l(fā)生時(shí)的地電場）。2010年4月5日北京時(shí)間下午16時(shí)開始發(fā)生了一次中等強(qiáng)度的磁暴（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心數(shù)據(jù)）。從圖中可以看出，磁暴發(fā)生后地電場6測道同步記錄到持續(xù)的高頻大幅脈沖信號，磁暴發(fā)生后NS向長極距最大變化幅度達(dá)到了72.2mV/km，是磁靜日時(shí)30mV/km日變幅的兩倍以上。

3.3 雷擊

一般情況下地電場高頻變化的場源是對流層中的雷電，主要是雷電改變了區(qū)域的電場分布環(huán)境[3]。特別是在出現(xiàn)雷雨天氣的情況下，雷電通常離得較近，在放電的瞬間，引起數(shù)據(jù)變化幅度也較大，持續(xù)時(shí)間也相對較長。圖5是泉州臺地電場2010年5月19日分鐘值曲線，經(jīng)落實(shí)21時(shí)左右開始有雷雨。從圖中可以看出，雷電期間地電場的變化特征是：地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速的大幅度的脈沖變化，數(shù)據(jù)離散度很大，出現(xiàn)很明顯的畸變，最大變化幅度可達(dá)正常地電場日變幅度的數(shù)倍。

4 受干擾下的地電場變化

4.1 電極極化

電極是地電場影響觀測質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素之一。目前地電場觀測使用的固體不極化電極在埋設(shè)不好或者老化的情況下會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，具體表現(xiàn)主要為數(shù)據(jù)出現(xiàn)長期的漂移現(xiàn)象。如圖6所示，泉州臺的中心電極（NS向和EW向測道公用電極）極化后，短極距EW數(shù)據(jù)出現(xiàn)長時(shí)間的漂移現(xiàn)象。

4.2 電極滲水

圖7為泉州臺中心電極滲水后的長極距NS向和EW向地電場觀測數(shù)據(jù)曲線圖。由圖中可以看出，電極滲水后地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)一個突降臺階，下降幅度接近200mV/km，經(jīng)過一段時(shí)間后有緩慢回升至正常水平。以上現(xiàn)象的具體原因是水滲到電極處，使電極產(chǎn)生一個極化電位差導(dǎo)致的。而隨著時(shí)間的推移，該極化電位差慢慢消失，數(shù)據(jù)恢復(fù)到原始水平。

5 地電場的周期成分

通過小波趨勢分析發(fā)現(xiàn)（圖8），1階和2階小波分析下的半日波非常明顯；3階和4階能發(fā)現(xiàn)比較明顯全日波；5階和6階出現(xiàn)較長周期的半月波。

根據(jù)0.Gish編制的1936年世界時(shí)18h全球大地電流分布圖，北半球有8個電流渦旋場，中低緯度的4個渦旋中心在30附近，高緯度的4個中心接近70°附近。這些渦旋電流場基本上按地理經(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，各渦旋電流場的電流強(qiáng)、弱交替一次，白天兩個強(qiáng)電流渦旋場、夜間兩個弱電流渦旋場引起地電場經(jīng)歷兩次起伏，所以產(chǎn)生大地電場日變化的顯著半日波周期成分[1]。同時(shí)大地電場起源于地球外部的電流體系，這些電流體系的產(chǎn)生則源于太陽活動。太陽風(fēng)到達(dá)地球外部空間時(shí)，壓縮向陽的地球磁層，而另一面的磁層則向背陽的方向拓展，伴隨著地球的24小時(shí)自轉(zhuǎn)周期，引起了大地電場的24小時(shí)周期變化，即全日波變化。

大量的觀測表明，月球的潮汐引力變化同樣會引起大地電場的變化。靠近海邊及湖泊的臺站，受固體潮的影響較為明顯。泉州臺屬于沿海臺站，其記錄到的地電場半月周期成分應(yīng)源于月球引力引起的固體潮。

6 結(jié)論

地電場記錄的資料極為豐富，通過原始曲線和小波分析可以看出，臺站不只記錄到外空場的日變特征，其成分中還包含有固體潮引發(fā)的成分。除了外空場和固體潮引起的正常變化，還受到了電極極化和滲水、磁暴和雷電等其他因素的干擾，這些干擾信息形態(tài)各異，但都具備各自獨(dú)有的形態(tài)特征：如磁暴多為持續(xù)的大幅度高頻脈沖信號，雷電則表現(xiàn)為瞬時(shí)的大幅變化。這些干擾信息的特征在觀測曲線上可以清晰的識別。由于臺站使用的是多極距觀測，所以在識別異常和干擾方面帶來極大的方便，也為分析可能與地震有關(guān)的異常信號打下了比較好的基礎(chǔ)。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，共用電極的布極方式雖然節(jié)約了成本，但一旦公用電極出現(xiàn)問題，則會造成多測道數(shù)據(jù)的同時(shí)干擾變化。為了更好的記錄到地電場變化，應(yīng)在單臺增加更多極距觀測。

對泉州臺處理分析，我們發(fā)現(xiàn)，泉州臺的地電場觀測數(shù)據(jù)可以清晰的記錄到真實(shí)大地電場的正常日變化，周邊環(huán)境基本無干擾，但中心電極在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)極化和滲水，其NS向和EW向數(shù)據(jù)受到影響失真，給前兆分析造成了困難。

本文對泉州臺的地電場數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算，使我們臺站的地電場變化特征、觀測狀況和數(shù)據(jù)可信度有了一個基礎(chǔ)的認(rèn)識，為識別未來可能出現(xiàn)的地震前兆異常提供的依據(jù)。同時(shí)本文對大地電場特征認(rèn)識的研究還不夠深入，有待未來開展進(jìn)一步的研究工作。

［1］孫正江，王華俊.地電概論[M].北京：地震出版社，1984，3-95．

［2］鄭兆苾，汪雪泉.蒙城臺地電場資料分析[J].地震，2005，25(2)：41-47．

［3］林向東，徐平，等.地電場觀測中幾種常見干擾[J].華北地震科學(xué)，2007，25(1)，16-22．

［責(zé)任編輯：李書培］

倪曉寅（1981—），男，工程師，主要從事地磁地電數(shù)據(jù)分析研究工作。