江苏地区地电场变化特征与差异性分析

张秀霞,殷 翔,郭建芳,李 飞

(1.江苏省地震局,南京 210014;

2.南京基准地震台,南京 210014;

3.河北省秦皇岛中心地震台,秦皇岛 066611;

4.江苏省新沂地震台,新沂 221400)

江苏地区地电场变化特征与差异性分析

张秀霞1,殷 翔2,郭建芳3,李 飞4

(1.江苏省地震局,南京 210014;

2.南京基准地震台,南京 210014;

3.河北省秦皇岛中心地震台,秦皇岛 066611;

4.江苏省新沂地震台,新沂 221400)

处理、分析了江苏省4个台的地电场日变化资料,结合地磁场水平分量 H、线应变理论固体潮,研究了地电场日变化特征和差异,得到:(1)4个台地电场日变化明显,主要以12小时的半日波成分最强,8小时周期和全日波成分次之;(2)地电场日变化存在地磁场和固体潮影响。靠近海边及湖泊的台站,受固体潮的影响较为明显,各方向还具有明显的固体潮半月波,但没有像固体潮一样大小的波;而远离江、海、湖的一些台站观测到的地电场日变与地磁水平分量比较相关,其差异性与台站的位置、电性结构有关系。

地电场;日变形态;固体潮

0 引言

地电场分为大地电场和自然电场[1]。大地电场是指地球外部的变化磁场在地球内部感应产生的电场,它的变化可分为平静变化和干扰变化。这种随时间变化的、大尺度的大地电场最主要的部分同变化磁场的起源基本上是一致的,所以两者的谐波分析可以对应,它分布于整个地表和广大地区,在一个相当大的空间范围内有很好的同步性。自然电场是指由地球表层内矿体、地下水和各种水系产生的电场,它主要包含接触扩散电场、电化学电场和过滤电场等,自然电场仅分布于局部地区,具有较大的水平和垂直变化梯度,与区域地下电性结构有较大关系,它具有区域性、局部性。

随着“九五”和“十五”的建设,数字地电场观测在全国得到了很大的发展,已经积累了很多数字化观测资料,目前江苏省共有南京、新沂、海安和高邮4个台站的数字地电场观测。正确认识和掌握这些资料的变化特征,对前兆台网中心正确处理这些资料、预报人员正确应用这些资料有现实意义。

1 台站基本概况

江苏省的4个地电场观测台站均为十五新建,观测仪器采用ZD9AⅡ型地电场仪系统,其测量频段为0～0.005Hz,资料产出为1组/分钟。4个台站的电极布设均采用L型观测装置,长极距均为400m,高邮台及海安台的短极距为250m,新沂台为200m,其中南京台第3道及第6道为100m NS向和EW向多极距观测。

台站分布均匀,台站分布图见图1、电极布设图见图2。各台站场地布极区均在开阔平坦地区,构造相对稳定,靠近或处在断裂带上,只是台址条件不同。具体台站台址条件见表1。观测系统的建设及布极区的环境状况、观测室条件均符合观测规范[2]要求。台站仪器运行正常。

图1 台站分布图

图2 电极布设图

2 数据的选取及处理方法

由于大地电场具有广域性特征[3],在(小)区域内应能够记录到比较一致的变化形态,这种区域性特征可以通过时域相关性和频域特性进行分析,获得对(小)区域地电场的变化规律性(时空相关性、频谱特性等)的认识。同时,由于地电场受雷电干扰、磁暴、降雨影响以及电阻率测量、场地干扰、线路和仪器故障、门限问题、数据阶跃和长期漂移等问题的影响[3],所以尽可能选取排除各类干扰造成资料非正常变化后的数据时段。本文主要利用地电场的NS和EW长极距测道的观测数据、结合地磁场 H分量与固体潮进行讨论;在处理过程中同时剔除明显不合理的数据,较好地体现出地电场的背景场变化。

表1 江苏地区地电场基本概况表

2.1 相关性分析

对同台不同方向、不同台同一方向上的地电场观测结果进行 R值对比分析。计算过程利用MAPSIS软件的相关分析功能完成,其计算公式如下:

xi和yi分别表示不同测道的数据序列,i=0,1,2,…,59;

n表示参与计算的数据个数,不大于60。

2.2 最大熵谱分析

最大熵谱分析方法(MEM)是J.P.Burg(1967)提出的一种现代谱分析法,其基本思想就是选择这样一种谱,它对应于随机的或最不可预测的时间序列,将其自相关函数根据“使过程熵最大的原则”进行外推,这种谱即为最大熵功率谱,亦称为Burg谱。用这种方法可以预测观测区以外的数据,以便填补出一个长得多的时区。该分析利用MAPSIS软件的谱分析功能完成,可以同时计算得到每组数据的FFT均方谱和FFT对数均方谱等。其计算公式如下:

对于观测数据序列{x(i)},i=0,1,1,…,N

其最大熵功率谱为

式中 pm为m阶预报误差滤波器的平均输出功率;am

i为预报误差滤波器系数。

3 日变特征分析

地电场的日变化通常是指大地电场的日变化,主要以半日波(12h)、全日波(24～25h)及8h周期为中心[3],这些周期成分是我国大陆电场普遍存在的主要周期成分,其中半日波成分最强,其次是全日波和8h周期成分,另外还有一些短周期成分,但比前3种周期的强度要弱得多。日变化的主要周期成分是由地球自转、太阳风、太阴活动对地面产生的电流体系强度发生昼夜交替变化而引起的。这就是我们通常看到的地电场观测图形有两峰两谷的形态特性,通常11时左右的低谷较为明显。这种日变化周期可以用最大商谱方法进行分析。

3.1 静日地电场日变化特征

图3为4个台站NS向、EW向长极距及新沂台水平分量 H、理论固体潮2009年9月6—7日的分钟值曲线图,按地磁报告,这2天为磁静日。

从图3分析,各台NS向电场基本都为两峰两谷的日变形态,只是海安台两峰两谷极为明显,更接近于固体潮形态,但与固体潮相比,其峰谷时间不同步;变化的时间似固体潮与地磁场的合成。而其它三台的日变化形态也似固体潮与地磁场的合成,含有固体潮的成分自上而下递减,而含有地磁场的成分自上而下递增,特别是新沂台,其变化形态和地磁场更趋于同步;同时新沂台的高频成分更多。此外,电场每日的极小值时间均比地磁 H分量的最小值早,同样新沂台的高频成分更多。各台EW向电场形态几乎一致,为比较典型的两峰两谷的日变形态,其变化形态、同步性与固体潮变化形态极其相近,与地磁H分量成较明显的负相关。

从NS向和EW向电场的日变形态分析,各台的NS向变化差异性较大,而 EW向有明显的一致性。两个方向极小时间均比地磁场最小值时间滞后,存在一定的相位差。总体显示4个台站的日变形态并不完全一致,海安台、高邮台地电场变化接近于固体潮形态,南京台和新沂台电场变化与地磁 H分量形态接近。

3.2 地电场的周期特征分析

图3 地电场、地磁水平分量 H及固体潮对比曲线图

资料选取南京台、高邮台及新沂台2008年1月,海安台2009年1月(因海安台2008年数据受干扰,数据不可用)各测道的整点值进行最大熵谱计算,图4为4个台站NS向及 EW向长极距最大熵谱分析结果图,图中横坐标为频率值,范围为0.04～0.16Hz,即周期为25～6.25h,4个台站总体表现为频率0.08105Hz(周期为12.34h)的周期成分最为发育,4个台站8个测道中12小时周期成分为最大的测道共有8个,尤其是海安台12h的周期成分相当于8h和24h谱值的5倍;其次是8h和24h的周期成分较为活跃。这与叶青的结果[3]相一致。

3.3 地电场与固体潮的关系分析

一般认为地电场的日变形态主要由大地电场部分组成,但从实际的观测来看,可能存在很大的区别。很多台的地电场日变形态的形成不仅与大地电场有关,与自然电场也有很大的关系。自然电场的影响不仅体现在测区周围的电场分布,还体现在来自较远的潮汐影响,这些靠近海的台站完全被潮汐所掩盖。图3反映了固体潮与各台地电场相关测向的2天的对应,为了揭示固体潮是否与地电场具有更长周期对应性与普遍性,现对与固体潮对应性最强的海安台地电场做如下分析。

图4 各台NS及EW向长极距最大熵谱图

图5为海安台该台点处的NS向、EW向一个月的理论固体潮、原始曲线及原始数据经小波包消噪后的整点值曲线,从观测曲线中可以看出,NS和EW向曲线形态和固体潮形态相近,有半个月左右的半月潮周期,但不像固体潮有日变大小潮,而是依正弦波的形态出现,日变幅度约为10mV/km,相对于这一日变幅度而言,地电场的其它变化要小的多,所以地电场NS向和EW向观测的曲线基本上就和固体潮周期特征一致了。总之,不仅仅是海潮,江潮、湖潮也都有可能对地电场的观测造成影响[5]。从图1可以看出,虽然高邮台距离黄海较南京台、新沂台差别不大,但其距离全国第5大淡水湖—高邮湖只是几公里,其地电场受固体潮的影响就明显高于其它2台(图3),但较海安台又偏弱。

4 相关性分析

对于一个不大的区域,如果地势平坦,无明显的电磁干扰源,那么用不同极距观测到的地电场应完全相同,有较高的相关性,这种相关性可以用来检测地电场是否有局部干扰,如电极干扰等,同时可以利用不同台站同测向的相关性大小,检验之间的关联性。

选取观测台较为平稳的2008年1月的分钟值数据计算出每日相关结果的月均值(海安台此月有严重干扰,选用2009年1月观测数据),分别计算长短极距的相关性,由于南京台布极方式不同,为了便于对比分析,采用长短一致的测向进行分析。

表2分别计算了各台同方向不同极距的相关系数。由于资料选取较长,而地电场容易受到各类影响因素的干扰,特别是电极容易产生极化电位,所以在选取的资料中或多或少存在小台阶,即漂移现象,影响了其相关性。在排除干扰数据后,同一台站相同方向不同极距的相关性都有所提高(括号中数据)。从表3分析:在排除干扰数据后,同一台站相同方向不同极距具有较好的相关性,通常为0.95以上。

表2 各台同测道之间的相关结果表

图5 海安台地电场整点值观测曲线及理论固体潮曲线图

表3 各台不同测道之间的相关结果表

表3分别计算了同一台站不同方向相同极距的相关系数,表中南京台、新沂台的相关系数为负相关,是由于布极方式的原因。从表3分析:同一台站不同方向南京台、新沂台各自具有一定的相关性,相关系数在0.7左右;而海安台、高邮台各自几乎不相关,仅为0.2左右。

表4分别计算了各台之间同方向同极距的相关系数。从表4分析:不同台站相同方向时,NS向相关较差,相关系数为0.3左右;EW向相关较好,相关系数达0.7～0.8。

表4 各台同测道之间的相关结果表

5 同异性原因分析

从以上分析可以看出:4个台站均可以清晰地记录到真实大地电场的正常日变化。在太阳活动平静期间,大地电场有较规则的日变化,一般表现为双峰双谷。同一方向的长、短极距,虽然极距不同,但它们的日变形态都是一致的,相位也一样,相关性较好。其变化受地磁场与固体潮的共同作用,但其作用存在差异性,EW向更遵从于固体潮的变化,NS向遵从地磁场变化偏多。

5.1 同性解释

变化磁场最主要的平静变化有太阳静日变化Sq和太阴日变化L,其变化周期分别是1个太阳日(24h)和一个太阴日(24h 50min)。在中低纬地区,在静日变化时,可以清楚f分辨出占优势的 Sq变化。Sq变化依赖地方时,白天变化大,夜间较平稳;同时具有明显的逐日变化。对于太阴日变化L,具有半日波占优势和与月相有关两大特点。因此平静变化具有潮汐变化[6]。地电场与地磁场的急始变化部分有相同的场源,因而地电场与地磁场很容易表现出上述的共同性。

固体潮是固体地球部分发生的周期性变形,和海(湖)潮一样,是由于天体对地球的引潮力所引起的,其中月亮的影响为太阳的2.17倍,其表现过程为随天体对地心的引力与地面的引力差的改变而改变;其表现结果为与天体的连线拉长、垂向压扁。其变化周期主要有 12h、24～25h、15d、30d 等[7]。因而地电场与固体潮也具有关联性。

5.2 差异性解释

同一台站不同方向相同极距的相关情况视观测区的地下电性结构而定,若为高阻观测区,则具有一定的相关性,如南京台和新沂台,其相关系数最高在0.7,并且电阻率越高相关性越好。新沂台 EW向电阻率较NS向高25Ω·m左右,其EW向的相关性要高于NS向。若为低阻观测区,则两方向几乎不相关,仅为0.2左右,如海安台和高邮台。

不同台站EW向相关性高于NS向。首先是场源不尽相同,从以上分析可知,各台 EW向都与固体潮具有明显的关联性,在图2中,各台地电场表现出明显的一致性,说明固体潮的变化是其主要场源,地磁场较弱;二则表层构造具有均匀性(不均匀的高,均匀的低),NS向是固体潮与地磁场的合成。而海安与高邮的高实际是构造类似,覆盖层更厚,更利于固体潮的影响,不像新沂、南京具有的特性。

此外,新沂、南京、高邮、海安斜道8小时周期的发育从大到小,与其地质差异大小相吻合,与台站电阻率大小相一致。

6 结论

(1)4个台站均可以清晰地记录到大地电场的正常日变化、电磁暴。在太阳活动平静期间,大地电场有较规则的日变化,一般表现为双峰双谷。同一方向的长、短极距,虽然极距不同,但它们的日变形态都是一致的,相关性较好;若为高阻观测区,NS向和 EW向则具有一定的相关性,若为低阻观测区,则两方向几乎不相关。地电场和地磁场的日变一致性较好,相位上两者略有差别,一般地电场滞后于地磁场。

(2)靠近海边及湖泊的台站,NS向和 EW向电场都具有明显的固体潮半月波,而EW向潮汐影响较大,其它的一些变化很可能会被掩盖其中。对于受潮汐影响的电场观测,其日变形态与理论固体潮形态不一致,电场无大小潮。

(3)造成固体潮对EW向影响大、而NS向影响小的原因,认为与各台站的地质构造、电性结构有关,具体的传播路径、影响量有待进一步分析。

[1] 国家地震局科技监测司.电磁观测技术[M].北京:地震出版社,1995:39-41.

[2] DB/T 36-2009《地震地电观测方法地电观测网》[S].北京:地震出版社,2010.

[3] 叶青,杜学彬,周克昌,等.大地电场变化的频谱特征[J].地震学报,2007,29(4):382-390.

[4] 张秀霞,李飞,苏泽云,等.新沂地震台新建地电场观测资料分析[J].华北地震科学,2009,27(4):41-45.

[5] 谭大成,赵家骝,席继楼,等.潮汐地电场特征及机理研究[J].地球物理学报,2010,53(3):544-555.

[6] 徐元耀.地球电磁现象物理学[M].合肥:中国科技大学出版社,2009:286-321.

[7] 中国地震局科技监测司.地震地形变观测技术[M].北京:地震出版社,1995:25.

Analysis on Variation and Difference of Electric Field in Jiangsu Province

ZHAN G Xiu-xia1,YING Xiang2,GUO Jian-fang3,LI Fei4
(1.Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China;
2.Nanjing Seismic Station,Jiangsu Province 210014,China;
3.Qinhuangdao Seismic Station,Hebei qinhuangdao 066611China;
4.Earthquake Station of Xinyi Jiiangsu Xinyi 221400,China)

Based on diurnal electric field data of four stations of Jiangsu Province,combined with horizontal component of geomagnetic field and line tidal strain theory,this paper studies the characteristic of the diurnal variation and differences of the electric field.The result shows that:(1)the amplitude of semi daily wave is the biggest followed by the 1/4daily wave;(2)Diurnal variation of electric field is affected by magnetic field and tidal.The electric field of the stations near the sea and lake are obviously affected by earth tide while the electric field of the stations away from the river,sea and lake are more related to the horizontal component of the geomagnetic daily variation,the differences between them are affected by the location of stations and the electrical structures.

geoelectric field;daily variation;earth tide

P315.72

A

1003-1375(2011)01-0024-06

2010-09-26

2009年中国地震局三结合课题(2009102)

张秀霞(1971-),女(汉族),江苏南京人,江苏省地震局工程师,现从事地震监测预报工作.E-mail:x555555@163.com.