引言

地电场可分为大地电场和自然电场(孙正江等,1984)。其中,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,其变化可分为平静变化和干扰变化;而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,主要包含接触扩散电场、电化学电场和过滤电场等。

随着“九五”和“十五”规划的实施,数字地电场观测在全国和甘肃省得到了很大的发展,并积累了丰富的资料。目前,在甘肃省共有14个地电场观测台站,分别是“九五”期间建成的嘉峪关台、兰州台,和“十五”期间建成的瓜州台、高台台、山丹台、武威台、武都台、平凉台,以及“十五”期间建成的5个试验台阵:红沙湾、松山、黄羊川、寺滩、古丰等,还有通过其他项目建成的天水台。由于地电场观测容易受区域电磁环境以及气候等干扰因素的影响,所以在观测数据中必须首先去除掉各种干扰,才能有效地使用观测数据。为此,许多学者在这方面进行了深入的研究,例如张秀霞等(2009)对新沂地电场资料进行相关分析后认为,在观测中主要存在的干扰因素有雷电干扰、降雨影响、电阻率测量干扰、场地固定干扰、线路和仪器故障、门限问题、数据阶跃、数据的长期飘移等。同时,对于区域台站的日变化、频域的分布特征等,杜学彬等(2007)、张颖等(2008)、张秀霞等(2011)、史红军等(2011)、崔腾发等(2013)都进行了不同程度的分析。此外,叶青等(2007)、谭大诚等(2010)、李飞等(2011)、孙雷等(2013)还结合地磁场、体应变等资料,对观测谱的成份进行了对比分析,并对其形成机理、差异性等进行了研究。

由于自然电场具有较大的水平和垂直变化梯度,其与区域地下电性结构有较大关系,所以对于不同区域的地电场日变化、频谱规律等众多学者都有不同的认识和分析。为此,笔者分析了甘肃省平凉、松山、古丰、山丹、高台、嘉峪关、瓜州7个台站地电场观测资料的日变化、周期及日变幅等方面的特征,并结合地磁H分量、应变(固体潮)观测数据的变化特征以及它们之间的关系和差异性进行了探讨,以期对正确利用和处理观测资料提供参考。

1 台站基本概况

笔者选取甘肃省地理位置从东到西且近年来一直运行良好的平凉、松山、古丰、山丹、高台、嘉峪关、瓜州7个台站的观测资料。其中,嘉峪关台是“九五”期间建成的,其余均为“十五”新建台,松山、古丰为试验台阵。这些台站使用的地电场观测仪器为ZD9A(嘉峪关台)和ZD9A-Ⅱ型(其他6个台站);仪器测量频段为0—0.005Hz,资料产出为1组/分钟。台站分布及布极情况如图1所示。各台站场地布极区均在开阔平坦地区,构造相对稳定,并靠近或处在断裂带上,只有台址地质条件的区别,具体如表1所示。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(中国地震局科技监测司,2001)的要求。

图 1 甘肃地电场台站分布及布极方式 Fig. 1Distribution of stations and electrode arrangement of geoelectric field in Gansu province
表1 甘肃省地电场台站概况 Table 1 General information of geoelectric field in Gansu province

同时,在资料选取上应尽量选取已经排除了各类干扰造成的资料非正常变化的时段数据(如雷电干扰、降雨影响、电阻率测量干扰、场地固定干扰、线路和仪器故障、门限问题、数据阶跃、数据的长期飘移等);根据观测条件的现状,主要利用地电场的NS向和EW向长极距,并结合地磁场H分量与分量应变(固体潮)进行论述;在处理过程中同时剔除数据中因缺测等原因产生的明显不合理的数据,从而较好地体现出资料的背景场变化。

2 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(12小时)、全日波(24—25小时)及8小时周期为主(杜学彬等,2007)。这些周期成分是我国大陆大地电场普遍存在的主要周期成分,其中,尤以半日波最强,其次是全日波和8小时波。另外,还有一些短周期成分,但与前三种相比其强度要弱得多。就大地电场与地磁场变化之间的关系而言,大地电场与地磁场的快变化部分有相同的场源,因此,它们也具有类似的变化;就日变化而言,大地电场南北向分量应与地磁场东向分量的形态一致(中国地震局科技监测司,1995a;1995b;1995c)。甘肃省的大地电场变化是否也存在上述差异,为此,笔者分别进行了以下对比分析。

2.1 磁静日地电场日变化特征

图2分别为7个台站NS向、EW向长极距、嘉峪关台H分量及高台分量应变2012年5月26—27日的分钟值曲线图,按地磁报告的时间这2天应为磁静日。从图中可以看出:①各地电场台无论是NS向还是EW向的日变十分明显,并呈现出明显的“双峰”和“单谷”形态;同台之间两测向的变化形态十分相似;同时,地电场记录的高频成分较地磁场偏多,即地电场受到的干扰较地磁场多。其中,地电场高频成份记录最多的是嘉峪关台,其次是瓜州台。②各地电场台无论是NS向还是EW向都与地磁H分量呈现出非常明显的反向相关;但又有所不同,按照地理位置来讲,位置越偏东的台站,“谷变化”出现的时间越早;越往西,“谷变化”出现的时间越晚。但由图1可知,最东的平凉台距离最西的瓜州台在经度上相差约10°多,地方时相差约40min,这与2个台站地电场出现“谷变化”的时间差相同,说明地电场的变化与地方时相符。③通过各地电场台与分量应变对比,各地电场台的每日“第二峰值”变化与分量应变的对应关系十分密切。④同一台站地电场NS向与EW向变化存在不同之处:从变化形态来讲,平凉、松山、古丰、山丹4个台站的地电场两测向变化形态十分相似;而高台、嘉峪关、瓜州3个台站的地电场即使排除了趋势变化后,两测向的变化形态也有所不同,特别是在5月27日11h—13h前后的变化尤为突出。从日变幅来讲,各地电场台呈现出了各向异性,如:山丹台NS向日变幅明显小于EW向;古丰、山丹、高台3个台的NS向日变幅明显大于EW向;而松山、嘉峪关、瓜州3个台的NS向与EW向日变幅变化不大。⑤通过嘉峪关台地电场与地磁场H分量的对比后发现,两者存在反向相关,地电场和地磁场的日变一致性较好,但在相位上两者略有差别,其中地电场变化滞后于地磁场变化。

图 2 2012年5月26—27日甘肃地电场、地磁场H分量、体应变分钟值曲线 Fig. 2Minute-value curves of geoelectric field, H component of geomagnetic field and volume strain in Gansu Province from May 26th to 27th, 2012

图3为2012年3月8—9日各地电场台与地磁H分量的对比曲线,按地磁报告的时间这2天为磁暴日(k=7)。从图中可以看出:各地电场台在磁暴日的变化具有时间同步性和变化形态基本一致的特点,这反映出了广域性的变化特征;各地电场台出现变化的时间与地磁场的磁暴日变化具有比较好的同步性(主要反映在地电场形态与地磁场H分量反向)。

图 3 2012年3月8—9日甘肃省各地电场、地磁场H分量分钟值曲线 Fig. 3Minute-value curves of geoelectric field and H component of geomagnetic field in Gansu Province from March 8th to 9th, 2012
2.2 地电场与固体潮的关系

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,可能存在很大区别。已有研究表明,很多台站记录到的地电场日变形态不仅与大地电场有关,还与自然电场有关。自然电场的影响不仅体现在测区周围的电场分布,甚至有些还与潮汐影响有关。为了揭示地电场是否具有明显的周期性、连续性、稳定性的日变化形态,以及固体潮是否与地电场具有更长周期的对应性与普遍性,笔者采用2012年3月1—31日各地电场台站的小时值资料进行对比分析(受资料所限,仅此月资料能进行对比分析)。

图4为2012年3月1—31日甘肃省各地电场、地磁场H分量及固体潮整点值曲线。从图中可以看出:①在磁静日,各地电场台NS向和EW向都具有明显的“双峰”和“单谷”变化,其中EW向“双峰”和“单谷”变化较NS向更为明显。②在磁静日,地磁场H分量变化同样具有明显的“双峰”和“单谷”变化;同时,固体潮也具有明显的“双峰”和“单谷”变化。③地磁场H分量与各地电场台NS向和EW向形态似有相同,但地电场NS向和EW向的变化更似是地磁场H分量与固体潮相叠加的效应(3月19日之后的磁静日较明显,尤以3月24—25日、3月30—31日更为明显)。

图 4 2012年3月1—31日甘肃省各地电场、地磁场H分量及固体潮整点值曲线 Fig. 4Hour-value curves of geoelectric field, H component of geomagnetic field and earth tide in Gansu Province from March 1st to 31st, 2012
2.3 地电场的周期特征

为了对各物理量的周期构成进行对比分析,笔者利用基于MATLAB的快速傅里叶变换(万永革,2007)对2012年3月1—31日地磁场H分量、地电场NS向、体应变固体潮的整点值进行了频谱对比分析,图5为各物理量的小时频谱曲线。从图中可以看出:①各地电场台优势周期的表现有所不同,如平凉、山丹、古丰、高台4个台最为相似,最大优势周期为12h,其次为8h;松山台在去除了高频变化后,其优势周期与上述4个台相同;嘉峪关、瓜州2个台存在很明显的高频成分,在去除了高频变化后,其优势周期也相同,从大到小依次为12h、8h、24h。地磁场H分量因存在磁暴影响,故高频变化较多,在去除了磁暴影响后,其优势周期从大到小依次为24h、12h、8h。对于体应变,最大优势周期为8h,其次为12h。②从各地电场台的谱值来看,古丰、高台2个台最大且基本相同,其次为嘉峪关台,再次为瓜州、平凉2个台,这2个台的谱值基本相同;而山丹台地电场的谱值又较上述各台明显偏小,其中松山台优势周期最小;古丰、高台2个台的最大谱值与松山台的最大谱值相差约20倍。③各地电场台最大优势周期的谱值与第二优势周期的谱值相差不大,且比例基本相同。④从优势周期的对应性来看,地电场与固体潮的最大优势周期对应最明显,地电场出现在8h,这与地磁场相对应(而固体潮未见此周期)。⑤嘉峪关、瓜州2个台在24h的地电场和地磁场H分量,与固体潮对应最为明显;当然我们知道2个12h周期就是1个24h周期,其它5个地电场台的频谱曲线24h周期不明显,也不能说就不存在24h的周期,只不过由于12h、8h周期过于突出,掩盖了24h周期的变化。

图 5 甘肃省各地电场、地磁场H分量及固体潮小时值频谱曲线 Fig. 5Frequency-spectrum curves of hour-value of geoelectric field, H component of geomagnetic field and earth tide in Gansu province
2.4 日变化幅度对比分析

孙雷等(2013)对新沂台地电场进行的相关研究表明,新沂台地电场日变化呈明显的夏高、冬低特征。为了验证甘肃省各地电场台是否也存在类似的季节性变化及其间的差异性,笔者选取了2012年春季(3月)、夏季(6月)、秋季(9月)、冬季(12月)的磁静日(k<4)时段获取的NS测向与EW测向的资料,进行了各地电场台日变幅的对比分析,结果如表2和表3所示。

表2 甘肃省各地电场台NS测向磁静日变化幅度统计结果(单位:mV/km) Table 2 Statistical results of amplitude range of quiet day changes in NS direction of geoelectric field in Gansu province
表3 甘肃省各地电场台EW测向磁静日变化幅度统计结果(单位:mV/km) Table 3 Statistical results of amplitude range of quiet day changes in EW direction of geoelectric field in Gansu province

从表2可以看出,在NS测向,平凉、松山、山丹、高台、瓜州5个台的同季节日变幅总体较小,基本遵从夏高、冬低的趋势;其中古丰台在春、夏季的日变幅较大,存在夏高、冬低的现象;而嘉峪关台在同季节的日变幅总体不仅较大,特别是在冬季日变幅总体最大,而且不遵从夏高、冬低的变化趋势,尤其是在冬季。

从表3可以看出,在EW测向,松山、山丹、高台3个台的同季节日变幅总体变化较小,基本遵从夏高、冬低的趋势;其中平凉、古丰、瓜州3个台在各个季节的日变幅度不一,似存在夏高、冬低的现象;而嘉峪关台的日变幅变化特点与NS测向相同。

从同一台不同测向之间的对比发现,松山台无论是NS测向还是EW测向,其日变幅都较小,而且相近;嘉峪关、瓜州2个台虽然不同测向日变幅大体相同,但在1个月内变化幅度较大;平凉、山丹、高台3个台的EW测向日变幅明显高于NS测向,同一季节两测向最大日变幅相差近5倍左右(古丰台地电场);古丰台NS测向日变幅又明显高于EW测向。此外还存在一个现象,即冬季各台日变幅波动较大,其中嘉峪关、瓜州2个台日变幅的相对变化量与绝对变化量的综合效应最大。

综上所述,甘肃省各地电场台的日变幅呈现出明显的各向异性。

3 相关性分析

大地电场的场源来自于一个不大的区域,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完全相同,应有较高的相关性。利用这种相关性可以检测地电场是否存在局部干扰(如电极干扰等),同时还可以利用不同台站同测向的相关性大小,检验它们之间的关联性。

笔者选取甘肃省各台站地电场观测较为平稳的1个月,即2012年3月小时值数据分别计算出了长、短极距及EW长与NS长的相关性,具体如表4所示。从表中可以看出,各台站同测向之间的相关系数都很高,绝大多数维持在0.85以上;并且不同测向之间(NS向与EW向之间)的相关系数也很高,这表明NS向与EW向的变化形态相同。

表4 甘肃省各台站自相关结果 Table 4 Auto-correlation coefficients of each station

同时,笔者还分别计算了各台站之间NS长测向、EW长测向的相关系数,如表5和表6所示。从表5可以看出,嘉峪关台与其它台的相关系数为负,出现负相关可能是由于布极方式所造成的。同时,对比表5、表6后发现,多数台站同测向的相关系数维持在0.75以上,最高超过0.95。因此从总体上看,各台站之间EW向的相关性略好于NS向;但高台台与其余几个台的相关性略微偏低,且呈各向异性,也就是说既存在NS向相关系数高的现象,又存在EW向相关系数高的现象。此外,平凉台与瓜州台对比,无论是NS向还是EW向,两者之间的相关性均偏低,这可能是2个台站相距较远的缘故。

表5 甘肃省各台站同测向之间(NS测向)的相关对比结果 Table 5 Auto-correlation coefficients in the NS observation direction of each station
表6 甘肃省各台站同测向之间(EW测向)的相关对比结果 Table 6 Auto-correlation coefficients in the EW observation direction of each station
4 相同性和差异性的原因

通过以上对各台站之间的日变化特征分析以及同测向、不同测向之间的相互关系可以看出,在7个台站均可以清晰地记录到真实的大地电场的正常日变化,但相互之间却存在明显的各向异性。

(1)相同性。磁场变化的平静变化主要包括太阳静日变化Sq和太阴日变化L,其变化周期分别是1个太阳日(24h)和1个太阴日(24h50m)。在中低纬度地区,太阴日变化L具有半日波占优势并与月相相关的两大特点,因此,其平静变化具有潮汐现象(徐文耀,2009a;2009b)。固体潮是固体地球部分发生的周期性变形,是由天体对地球的引潮力引起的。其中,月亮对地球的引潮力影响为太阳的2.17倍,具体表现为天体对地心的引力和地面引力差的改变,其造成的结果就是固体地球与天体的连线被拉长且垂向被压扁。固体潮变化周期主要有12h、24—25h、15d、30d等(中国地震局科技监测司,1995a;1995b;1995c)。而地电场与地磁场的快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相同性。通过甘肃省各台站的频谱分析可以发现,各台站都存在12h和8h变化周期,所以地电场的变化周期与固体潮的影响周期具有关联性。正是由于各台站同时存在与地磁场、固体潮变化的共性,所以造成了NS测向与EW测向的变化形态十分相似,同时,这也是它们之间相关系数较高的原因。

(2)差异性。在太阳活动平静期间,可以清楚地分辨出占优势的太阳静日变化Sq;而Sq的变化与地方时有关,白天变化大,夜间变化较平稳,其具有明显的逐日变化规律;同时Sq的变化幅度存在显著的季节性,呈现出夏季变幅大、冬季变幅小的特点(徐文耀,2009a;2009b)。而地电场与地磁场的快变化部分有相同的场源,所以地电场与地磁场很容易表现出季节性变化和潮汐现象,这就造成了各台站的各测向分量在静日变化中存在时域差,同时日变幅在不同季节也不尽相同,这也是它们之间存在一定季节差的原因。

此外,由于地表结构对地电场的影响比对地磁场的影响要大(中国地震局科技监测司,1995a;1995b;1995c),结合表1列出的甘肃省各台站的场址条件可以看出,在表层100m以内,电阻率从小到大的顺序依次为:松山台、高台台、山丹台、瓜州台、古丰台、平凉台、嘉峪关台,而日变幅从小到大的变化顺序亦如此。同时,通过表1还可以看出,NS向和EW向电阻率各向异性的绝对量从小到大的顺序依次为:松山台、嘉峪关台、瓜州台、山丹台、高台台、平凉台、古丰台,而各台站NS向和EW向日变幅各向异性的绝对量从小到大的变化顺序亦如此。

5 结论

(1)甘肃省的7个台站均可以清晰地记录到真实的大地电场的正常日变化。在太阳活动平静期间,地电场有较规则的日变化,一般表现为“双峰”和“单谷”形。在同一台站,无论是同一方向还是不同方向,虽然极距不同,但它们的日变形态都是一致的,相位也一样;特别是发生电暴时,各台站的观测曲线几乎完全相同。其变化周期受地磁场和固体潮的共同影响,但影响存在一定的差异性,总体上看,地磁场的影响成份要高于固体潮的影响成份。地电场和地磁场的日变化一致性较好,相位上两者略有差别,一般表现为地电场滞后于地磁场。同时,各台站之间的峰、谷变化遵从与地方时,存在时域差异,最大相差40min左右。

(2)对各台站的频谱分析表明,其主要优势周期是12h和8h,但存在差异性。具体表现为各台站的优势周期的频谱值相差较大,最大相差10倍,其中,嘉峪关和瓜州台不仅存在明显的高频干扰,且24h的优势周期比较明显。

(3)对各台站的不同季节静日的日变幅分析表明,各台站NS向与EW向的日变幅大小既存在相差较小的情况,也存在相差很大的情况;既存在符合夏高、冬低的情况,也存在不符合夏高、冬低的情况;同一台站NS向与EW向的静日变幅也不尽相同,有的能够相差4倍左右;有的台站日变幅季节性变化较为明显,有的台站季节变化不明显,即使是同一月份,同一测向的日变幅相差也较大。

(4)虽然各台站NS向和EW向以及相互之间呈现各种不同的变化,但通过相关性分析可以得出,各台站的自相关系数基本在0.85;同时不同台站之间同测向的相关性也很高,基本在0.75以上。这表明甘肃地区的地电场还是存在很大的相同性变化。

(5)由于甘肃省各台站的地质构造、电性结构、浅层电阻率的差异性较大,也是造成甘肃省各台站的观测资料出现各向差异性的重要原因。

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