何 康，洪德全，李軍輝，鄭海剛，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

安徽省數(shù)字化地電場FFT頻譜分析研究

何 康，洪德全，李軍輝，鄭海剛，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

采用傅里葉變換方法對安徽省地電場進行功率譜分析。結果顯示，地電場在磁靜日和磁擾日的顯著周期不同，靜日以24 h、12 h、8 h和6 h最為顯著，擾日則以4.8 h、4 h顯著；一個月的地電場中最顯著的周期為12 h和12 h附近。不同臺站相同方向的地電場數(shù)據(jù)具有相似的頻譜，可以根據(jù)地電場的頻譜來判斷地電場數(shù)據(jù)的可靠性。

地電場；功率譜；顯著周期

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一，在地震前兆觀測中主要是觀測地電場的地表分量及其時空變化，很早就有國內外的專家學者對地震與地電場之間的關系進行研究，但總體而言利用地電場進行地震預報還處于摸索和探討的階段［1-4］。葉青等［5-7］為了給地震預測提供地電場背景變化，對地電場的頻譜特征進行了探索性的分析，取得了較好的結果。安徽省蒙城臺和嘉山臺的地電場觀測已經(jīng)持續(xù)了較長時間，數(shù)據(jù)質量較好。本文采用傅里葉變換對安徽省地電場數(shù)據(jù)的頻譜成分進行分析，以加深對安徽省地電場背景的認識。

1 觀測概況

安徽省現(xiàn)有蒙城和嘉山兩個地電場觀測臺（圖1），蒙城臺于2000年1月1日正式投入觀測，嘉山臺于2007年1月1日正式投入觀測。觀測儀器均采用中國地震局地震預測研究所研制的ZD9 A-Ⅱ數(shù)字化大地電場儀，觀測間隔為1分鐘。兩臺地電場觀測均采用三角形布極法，共有NS、EW和N45°W三個方向，每個方向又分長、短兩種極距。其中蒙城臺NS向、EW向長、短極距分別為226 m、113 m，N45°W向長、短極距分別為320 m、160 m；嘉山臺NS向、EW向長、短極距分別為240 m、160 m，N45°W向長、短極距分別為339 m、226 m。兩臺線路均采用架空的方式，電極均為蘭州地震研究所研制生產(chǎn)的固體不極化電極，其中蒙城臺電極埋深為 1.8 m，嘉山臺為2.5 m。

圖1 安徽地電場臺站分布圖Fig.1 Distribution of Geo-electr ic Field Stations in Anhui

由于場地原因，兩個臺的地電場和地電阻率均在同一個布極區(qū)觀測。蒙城臺位于皖西北蒙城縣境內的黃柏山上，毗鄰郯廬斷裂帶和秦嶺大別山構造帶，臺基主要是震旦系沙巖及第四紀覆蓋層，周圍地區(qū)覆蓋大都在100～300 m左右。測區(qū)內地形較平坦（為農田），觀測環(huán)境較好，無明顯干擾。嘉山臺屬下?lián)P子地塊，是郯廬斷裂帶東側離斷裂帶最近的地震臺之一，該區(qū)受西側郯廬斷裂影響有強烈變形，新生代該區(qū)仍表現(xiàn)上升，臺基巖性為玄武巖。布極區(qū)內地形開闊平坦，無鐵、磁管線和其他鐵、磁物體，區(qū)內及其附近無較大的河流、水渠和積水坑，無產(chǎn)生工業(yè)游散電流和其他電磁信號的干擾源［8-10］。

2 頻譜分析

2.1 單日數(shù)據(jù)分析

選取兩臺地電場靜日和擾日的數(shù)據(jù)利用傅里葉變換進行FFT運算［11］得到功率譜，發(fā)現(xiàn)靜日變化，兩個臺地電場的頻譜以8 h、12 h、6 h為主導。一些研究認為，地電場日變化的頻譜應以8 h為主［4］，但蒙城和嘉山臺8 h的周期成分并不總是最顯著的，有的靜日里8 h的譜值最大，但另一些靜日里12 h最大。同一方向的地電場長、短極距的譜成分應該是相同的，但在現(xiàn)實觀測中，如果同一方向的長、短極距數(shù)據(jù)本身一致性差，那么譜分析的結果也必然一致性差。2009年10月1日是外空場活動較弱的一天，蒙城臺EW方向長、短極距的曲線一致性較好，而且雙峰的形態(tài)也很清晰，它們的譜分析結果是一致的，都是8 h最顯著，其次是12 h、6 h（圖2）。

圖2 蒙城臺地電場EW方向分鐘值數(shù)據(jù)及譜分析結果Fig.2 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at M engcheng Station of Geo-electric Field in EW Direction

擾日里，地電場的頻譜發(fā)生了較大的變化，優(yōu)勢周期集中在5 h以下，特別是以4.8 h、4 h最為顯著。由于地電場記錄的是區(qū)域性乃至全球性的變化，同一臺站的NS和EW方向的主要譜成分應該是一致的，但實際觀測中存在著各種干擾，兩方向可能并不完全一致。因此，如果臺站的某一方向數(shù)據(jù)的譜成分和別的方向存在明顯的差異，應仔細檢查數(shù)據(jù)來源。又由于NW方向所記錄的數(shù)據(jù)是NS和EW方向的矢量和，NW方向應該包含NS和EW方向的全部頻譜成分。

2.2 一月數(shù)據(jù)分析

由于單日的數(shù)據(jù)時間有限，對較長周期的分析較差，下面對嘉山臺和蒙城臺一個月或更長時間段的地電場曲線進行傅里葉分析。結果顯示，一個月的地電場曲線的優(yōu)勢周期較為一致，以12 h和12 h附近的周期為主，其次是8 h和24 h。圖3是2009年10月和2010年5月嘉山臺NW方向長、短極距的原始曲線和譜分析結果。可以看出，嘉山臺NW方向長、短極距在這兩個月的譜成分中最顯著的周期都是12.4 h和12 h，24 h也較明顯，稍有不同的是2010年5月的8 h周期比較明顯，而2009年10月則不明顯。這表明地電場的優(yōu)勢周期比較固定，即12 h和12 h附近的周期，其中12 h是固定的，但12 h附近的周期成分在變化，目前得出的有12.4 h、12.48 h、12.456 h、12.615 h等。前人研究認為，中低緯度的4個電流渦旋場產(chǎn)生了12 h的地電場半日變化［4］，然而不同的優(yōu)勢周期是否代表了不同的電流渦旋場值得進一步探討。

圖3 嘉山臺NW方向分鐘值數(shù)據(jù)及譜分析結果Fig.3 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at Jiashan Station of Geo-electric Field in NW Direction

圖4 20080401—20080511蒙城、嘉山臺地電場功率譜分析結果Fig.4 Pow er Spectrum analysis results of Geo-electric Field at M engcheng and Jiashan Stations from Ap r 1 to M ay 11，2008

如果地電場數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的階躍或跳數(shù)，那么不同臺站、相同方向的地電場的主要周期成分應該相似（圖4）。因此，可以通過對地電場的頻譜分析確認地電場數(shù)據(jù)的可靠性。例如，2010年1月下旬開始，蒙城臺地電場NS長方向的數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)階躍下降，經(jīng)過仔細排查后確認為電極故障，更換電極后沒有再次出現(xiàn)階躍下降（圖5），這些數(shù)據(jù)的變化在頻譜上也得到了充分體現(xiàn)。圖6是蒙城臺NS長方向在2010年5月和8月的頻譜分析結果，可以看出，5月份最顯著的周期并不在12 h和12 h附近，而是在21 h、18 h附近，這與地電場的正常頻譜不同。在更換電極后的8月，頻譜中最顯著的幾個周期就是12 h、24 h和8 h，這表明蒙城臺NS方向的數(shù)據(jù)恢復到了正常水平。

圖5 2010年1月至8月蒙城臺地電場NS方向長極距小時值曲線Fig.5 The Hours Value Data of Geo-electric Field in NS Direction at M engcheng Station from Jan 1 to Aug 31，2010

圖6 蒙城臺地電場NS長極距在2010年5月和8月的頻譜分析結果Fig.6 Power Spectrum analysis results of Geo-electric Field in NSDirection at M engcheng Station in M ay and Aug，2010

3 結論

綜上，蒙城臺和嘉山臺地電場的頻譜分析結果顯示，地電場在靜日和擾日的主要周期成分不相同，靜日里以12 h、8 h、6 h和24 h顯著，擾日里以4.8 h、4 h顯著；1月或稍長時間地電場的最顯著的周期為12 h和12 h附近，其中12 h是固定的，12 h附近周期并不固定；不同臺站相同方向的地電場數(shù)據(jù)應該具有相似的頻譜，可以根據(jù)地電場的頻譜來判斷地電場數(shù)據(jù)的可靠性。

［1］ 關曉明，李哲，紀延輝，等.“十五”地電場觀測的震兆異常特征分析［J］.防災減災學報，2012，28（4）：31-39.

［2］ 毛桐恩，席繼樓，王燕瓊，等.地震過程中的大地電場變化特征［J］.地球物理學報，1999，42（4）：520-528.

［3］ 沈紅會，馮志生，燕明芝，等.地電場震前變化的探討［J］.西北地震學報，2006，28（1）：74-77.

［4］ 褚金學，李朝明，張平.地電場電極深埋試驗研究［J］.防災科技學院學報，2012，14（1）：35-38.

［5］ 葉青，杜學彬，周克昌，等.大地電場變化的頻譜特征［J］.地震學報，2007，29（4）：382-390.

［6］ 張彩艷，李飛，張秀霞，等.新沂地電場日變化特征及頻譜分析［J］.地震地磁觀測與研究，2011，32（5）：72-77.

［7］ 李東生，馮紅武，劉淑娟.HHT方法在山丹地電場數(shù)據(jù)處理中的應用［J］.防災科技學院學報，2013，15（3）：61-66.

［8］ 薛志明，胡蓮之，李雪華.蒙城大地電場觀測資料的初探［J］.地震地磁觀測與研究，2004，25（2）：62-67.

［9］ 程鑫，何康，趙桂寶，等.嘉山地震臺大地電場資料真實性分析［J］.地震地磁觀測與研究，2011，32（3）：72-77.

［10］ 曾憲軍，陳俊，宋馳，等.蒙城臺地磁“低點位移”異常特征及與華東及其臨近地區(qū)地震關系初探［J］.防災科技學院學報，2009，11（3）：65-71.

［11］ 王海鷗.快速Fourier變換算法及Matlab程序實現(xiàn)［J］.通化師范學院學報，2006，27（4）：13-15.

FFT Analysis on Digital Geo-electric Field in Anhui Province

He Kang，Hong Dequan，Li Junhui，Zheng Haigang，F(xiàn)ang Zhen

（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

The FFT（Fast Fourier Transform）method has been adapted to analysis the power spectrum of geo-electric field in Anhui.The results show that the significant periods of geo-electric field on magnetically quiet and disturbed days are different：the periods of 24 h，12 h，8 h and 6 h are themost significant on quiet days，while the periods of 4.8 h and 4 h are themost significant on disturbed days.The significant periods of onemonth's geo-electric field are 12 h and near 12h.Geoelectric fields in the same direction at different stations have similar spectrum，we can judge the data's reliability by spectrum of geo-electric field.

geoelectric field；power spectrum；significant period

P315.72

A

1673-8047（2014）02-0063-05

2014-03-31

何康（1982—），男，碩士，工程師，主要從事地震電磁學和地震預報的研究。