查 楠，張志宏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

二十世紀(jì)七十年代后，國際上很多國家研究學(xué)者把地電場應(yīng)用到地震和火山監(jiān)測等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)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(yù)報(bào)方法以及觀測技術(shù)進(jìn)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(nèi)外已有了很多積累。近十幾年來，“九五”計(jì)劃開始實(shí)施以來，我國建成了為世界之最的數(shù)字化地電場觀測網(wǎng)，由80個(gè)臺站組成。

場量前兆和物質(zhì)電性兩類參數(shù)前兆在地震預(yù)測研究中是地震地電學(xué)關(guān)注的重要參數(shù)。自然電場前兆屬于場量前兆。大地電場是提取出地球介質(zhì)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(chǎn)生機(jī)理；對地電場觀測資料的長、短極距的比值計(jì)算，有效排除地電場觀測資料的太陽黑子活動(dòng)、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(nèi)部中感應(yīng)而產(chǎn)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(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

收集、整理遼寧省大地電場觀測數(shù)據(jù)（圖1），觀測時(shí)段為2007年至2017年；數(shù)據(jù)選取時(shí)段根據(jù)為中國科學(xué)院國家天文臺的太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心公布的地磁報(bào)告中地磁平靜日、擾動(dòng)日和磁情指數(shù)k＜5的日期。數(shù)據(jù)樣本長度分別為一天的分鐘值或一個(gè)月的小時(shí)值時(shí)間序列。同時(shí)關(guān)注每個(gè)臺站的臺址條件等；因?yàn)檫|寧新城子臺環(huán)境干擾較多,分析中只對重點(diǎn)干擾形態(tài)進(jìn)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(guān)聯(lián)的最密切的兩個(gè)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(shù)的要求較高，所以地電場觀測資料會(huì)出現(xiàn)很多不同因素引起的干擾。

2.1 布極區(qū)金屬管線／網(wǎng)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(shù)據(jù)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(yán)重，其中小時(shí)值相對均方差大于3%的數(shù)據(jù)做刪除數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shí)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(huì)給地電場觀測帶來電源性干擾噪聲。當(dāng)?shù)仉娮杪视^測時(shí)會(huì)引起電源電壓的頻率波動(dòng)，雖然其波動(dòng)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(shù)據(jù)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(chǎn)和使用大國，將清潔的電能廣泛應(yīng)用各行各業(yè)，滿足我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求。地震臺站的觀測資料也會(huì)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(yùn)行改變了周圍的電場環(huán)境。同時(shí)直流輸電線路的運(yùn)行空間環(huán)境中電場強(qiáng)度會(huì)有所增加，在電場力的作用下導(dǎo)電產(chǎn)生的空間電荷向極間區(qū)運(yùn)移從而形成了離子流。因此，直流輸電線路導(dǎo)線周圍產(chǎn)生：一是導(dǎo)線上離子電荷直接產(chǎn)生的電場；二是空間離子電荷在電場的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成離子流。離子流場與導(dǎo)線本身產(chǎn)生的靜電場疊加形成合成電場。因此超高壓直流會(huì)對地電場觀測資料料產(chǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)一性，相互獨(dú)立同時(shí)相互影響，形成一種場電變化體系。地電場是一個(gè)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(shí)地球表面還是一個(gè)無限大的非均勻的各項(xiàng)異性導(dǎo)體表面，在這個(gè)導(dǎo)體表面上，各種不同的土壤電導(dǎo)率決定了地電場與地物間斷放電的擊穿強(qiáng)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(dǎo)率界面形成帶電粒子和自由離子的積累，構(gòu)成了形式各異的尖端放電場強(qiáng)，因而引起電場畸變現(xiàn)象（圖6）。

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

2.5 漏電干擾

當(dāng)測量區(qū)域出現(xiàn)漏電問題時(shí)，大地電場觀測曲線也會(huì)出現(xiàn)臺階、突跳等變化，從圖7可以清晰看出，阜新哈達(dá)戶稍觀測站由于工廠漏電觀測數(shù)據(jù)明顯出現(xiàn)干擾。

圖7 地漏電干擾數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)

3.1 大地電場頻譜特征分析及機(jī)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(shù)據(jù)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(qiáng)成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同時(shí)還存在周期成分強(qiáng)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(guān)工作結(jié)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(shí)現(xiàn)一維時(shí)間序列的最大熵譜分析比傳統(tǒng)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(qiáng)的抗噪性能，能夠估算淹沒在噪聲中的信號的功率譜。機(jī)理淺析：日變化頻譜中的12 h的半日波成分最強(qiáng)，并在不同年份和不同月份及經(jīng)緯度差異大的臺站上出現(xiàn)。這顯然是大地電場日變化中的普遍性特征。因?yàn)?2 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(shí)18 h的全球大地電流分布圖中，北半球存在8個(gè)電流渦旋場。由于白天存在兩個(gè)強(qiáng)電流渦旋場、同時(shí)夜間存在兩個(gè)弱電流渦旋場而引起地電場經(jīng)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(fēng)、太陰活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)帶來的地面電流體系強(qiáng)度發(fā)生的晝夜交替變化引起的。特點(diǎn)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(qiáng)成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同時(shí)還存在周期成分強(qiáng)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(guān)工作結(jié)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(dá)到靜日的數(shù)倍以上。同一臺站長、短極距地電場相關(guān)性好，而兩臺地電場數(shù)據(jù)在相同方向上也有一定的相關(guān)性。擾日或磁暴日的相關(guān)系數(shù)明顯高于靜日，體現(xiàn)了外空場對地電場的影響。

3.3 長短極距比值法的計(jì)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(gè)固定數(shù)值上的變化（圖9）。應(yīng)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(nèi)部來自空間場源（磁暴、太陽黑子活動(dòng)、磁層、電離層、對流層的電流系等）感應(yīng)而產(chǎn)生的電場變化，減小遠(yuǎn)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(jì)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(qiáng)地震，重點(diǎn)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(dá)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(dá)戶稍地電場長極距方位角（NS/NW）Fig.12 Long polar azimuth（NS/NW） of Hadahushao

5 結(jié)論

通過對遼寧及鄰近地區(qū)2007年至今ML≥4.5級中強(qiáng)地震的總結(jié)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(dāng)有震兆異常夾雜在大地電場的正常背景變化中時(shí)，日變形態(tài)就會(huì)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(diǎn)是曲線突升—突降，或者突降—突升，持續(xù)時(shí)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(shí)異常點(diǎn)就會(huì)在旋轉(zhuǎn)后的縱軸上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常變化范圍，從而達(dá)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(gè)固定的數(shù)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(jù)此評價(jià)一個(gè)臺站的觀測質(zhì)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(zhì)量不佳的臺站。同時(shí)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(guān)系數(shù)較高的測向計(jì)算遼寧地區(qū)地電場長極距方位角，結(jié)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。