查 楠，張志宏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

二十世紀(jì)七十年代后，國(guó)際上很多國(guó)家研究學(xué)者把地電場(chǎng)應(yīng)用到地震和火山監(jiān)測(cè)等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中。我國(guó)自1966年3月22日邢臺(tái)7.2級(jí)地震后就對(duì)地電場(chǎng)開(kāi)始觀測(cè)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(jí)地震）。受希臘“VAN”地震預(yù)報(bào)方法以及觀測(cè)技術(shù)進(jìn)步的影響我國(guó)在“九五”期間，又重新開(kāi)始了地電場(chǎng)的觀測(cè)研究工作。目前為止，對(duì)地震前地電場(chǎng)異常信息的研究國(guó)內(nèi)外已有了很多積累。近十幾年來(lái)，“九五”計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施以來(lái)，我國(guó)建成了為世界之最的數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)，由80個(gè)臺(tái)站組成。

場(chǎng)量前兆和物質(zhì)電性兩類參數(shù)前兆在地震預(yù)測(cè)研究中是地震地電學(xué)關(guān)注的重要參數(shù)。自然電場(chǎng)前兆屬于場(chǎng)量前兆。大地電場(chǎng)是提取出地球介質(zhì)的物性前兆方法之一。通過(guò)遼寧及鄰區(qū)大地電場(chǎng)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(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)資料的長(zhǎng)、短極距的比值計(jì)算，有效排除地電場(chǎng)觀測(cè)資料的太陽(yáng)黑子活動(dòng)、電離層、對(duì)流層、磁暴、磁層的電流系等來(lái)自空間場(chǎng)源在地球內(nèi)部中感應(yīng)而產(chǎn)生的電場(chǎng)變化；對(duì)大地電場(chǎng)觀測(cè)的映震能力做出評(píng)估，為該觀測(cè)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(lái)源

收集、整理遼寧省大地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖1），觀測(cè)時(shí)段為2007年至2017年；數(shù)據(jù)選取時(shí)段根據(jù)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的太陽(yáng)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(zhǎng)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(tái)站的臺(tái)址條件等；因?yàn)檫|寧新城子臺(tái)環(huán)境干擾較多,分析中只對(duì)重點(diǎn)干擾形態(tài)進(jìn)行分析，以期在未來(lái)工作中有所借鑒。

圖1 遼寧地區(qū)大地電場(chǎng)臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution map of geoelectric field stations in Liaoning Province

2 地電場(chǎng)觀測(cè)干擾分析

地電場(chǎng)觀測(cè)與地磁場(chǎng)觀測(cè)是地球物理場(chǎng)觀測(cè)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(chǎng)觀測(cè)需要埋地電極，作為信號(hào)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(chǎng)觀測(cè)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(lái)新城子地震觀測(cè)站地電場(chǎng)受沈飛626所場(chǎng)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(duì)監(jiān)測(cè)有明顯干擾，北南測(cè)向和北東測(cè)向地電阻率值受干擾嚴(yán)重，其中小時(shí)值相對(duì)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(cè)站場(chǎng)地電場(chǎng)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(cè)供電的定時(shí)干擾

地電場(chǎng)觀測(cè)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(chǎng)觀測(cè)帶來(lái)電源性干擾噪聲。當(dāng)?shù)仉娮杪视^測(cè)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(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)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(chǎng)觀測(cè)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(guó)是電能的生產(chǎn)和使用大國(guó)，將清潔的電能廣泛應(yīng)用各行各業(yè)，滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求。地震臺(tái)站的觀測(cè)資料也會(huì)受到超高壓直流輸電干擾。全國(guó)超高壓直流輸電影響臺(tái)站分布如圖4所示。

圖4 全國(guó)超高壓直流輸電影響臺(tái)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(chǎng)環(huán)境。同時(shí)直流輸電線路的運(yùn)行空間環(huán)境中電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有所增加，在電場(chǎng)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(chǎng)；二是空間離子電荷在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成離子流。離子流場(chǎng)與導(dǎo)線本身產(chǎn)生的靜電場(chǎng)疊加形成合成電場(chǎng)。因此超高壓直流會(huì)對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)資料料產(chǎn)生影響，干擾基本為突跳、臺(tái)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(chǎng)電物理變化現(xiàn)象，放電形式及量度均取決于雷暴云電場(chǎng)。大地電場(chǎng)和地電場(chǎng)具有對(duì)立統(tǒng)一性，相互獨(dú)立同時(shí)相互影響，形成一種場(chǎng)電變化體系。地電場(chǎng)是一個(gè)靜態(tài)電場(chǎng)，有一定的自身變化規(guī)律。比大氣電場(chǎng)中的雷暴云梯度要小得多。同時(shí)地球表面還是一個(gè)無(wú)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(chǎng)與地物間斷放電的擊穿強(qiáng)弱程度，其在外部場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)，因而引起電場(chǎng)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(cè)量區(qū)域出現(xiàn)漏電問(wèn)題時(shí)，大地電場(chǎng)觀測(cè)曲線也會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階、突跳等變化，從圖7可以清晰看出，阜新哈達(dá)戶稍觀測(cè)站由于工廠漏電觀測(cè)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(chǎng)資料分析利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)

3.1 大地電場(chǎng)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(guò)對(duì)遼寧及鄰區(qū)地電臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析得出大地電場(chǎng)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(guó)大陸大地電場(chǎng)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(tái)為例見(jiàn)圖8）。

圖8 義縣臺(tái)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(méi)在噪聲中的信號(hào)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(tái)站上出現(xiàn)。這顯然是大地電場(chǎng)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(chǎng)。由于白天存在兩個(gè)強(qiáng)電流渦旋場(chǎng)、同時(shí)夜間存在兩個(gè)弱電流渦旋場(chǎng)而引起地電場(chǎng)經(jīng)歷兩次起伏，所以大地電場(chǎng)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(yáng)風(fēng)、太陰活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)帶來(lái)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(chǎng)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(guó)大陸大地電場(chǎng)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(chǎng)在靜日的日變形態(tài)和變幅都較為穩(wěn)定，典型的地電場(chǎng)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(tái)站長(zhǎng)、短極距地電場(chǎng)相關(guān)性好，而兩臺(tái)地電場(chǎng)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?qǐng)鰧?duì)地電場(chǎng)的影響。

3.3 長(zhǎng)短極距比值法的計(jì)算

同一臺(tái)站同一測(cè)向的長(zhǎng)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(shí)別并提取出地震前兆信息，排除地電場(chǎng)觀測(cè)資料中在地球內(nèi)部來(lái)自空間場(chǎng)源（磁暴、太陽(yáng)黑子活動(dòng)、磁層、電離層、對(duì)流層的電流系等）感應(yīng)而產(chǎn)生的電場(chǎng)變化，減小遠(yuǎn)源自然電場(chǎng)在觀測(cè)中的影響。

圖9 義縣大地電場(chǎng)長(zhǎng)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(guò)對(duì)遼寧地區(qū) （110～130°E，38～44°N）及鄰區(qū)2007年至今M≥4.5級(jí)中強(qiáng)地震，重點(diǎn)分析2013年01月23日燈塔M5.1級(jí)地震，震源深度7 km；2013年04月22日，通遼M5.3級(jí)地震，震源深度10 km；2013年10月31日前郭M5.7級(jí)地震，震源深度6 km。

新城子地電場(chǎng)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(chǎng)臺(tái)站2012—2014年外界干擾較少，從圖10可以看到：燈塔地震前長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)極距方位角（NS/EW）Fig.10 Long polar azimuth of electric field in Xinchengzi（NS/EW）

義縣地電場(chǎng)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(chǎng)臺(tái)站場(chǎng)地環(huán)境干擾較少。從圖11可以看到：燈塔地震前長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)臺(tái)站場(chǎng)地環(huán)境干擾較少。從圖12可以看到：長(zhǎng)極距方位角（NS/NW）呈集中狀態(tài)。

圖12 哈達(dá)戶稍地電場(chǎng)長(zhǎng)極距方位角（NS/NW）Fig.12 Long polar azimuth（NS/NW） of Hadahushao

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)遼寧及鄰近地區(qū)2007年至今ML≥4.5級(jí)中強(qiáng)地震的總結(jié)分析得出具有較好提取大地電場(chǎng)的異常方法主要有：

（1） 日變形態(tài)畸變：大地電場(chǎng)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(chǎng)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(shí)別異常信號(hào)的目的；

（4） 長(zhǎng)短極距比值法：同一臺(tái)站同一測(cè)向的長(zhǎng)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(shí)別并提取出地震前兆信息。通過(guò)對(duì)地電場(chǎng)頻譜特征、電場(chǎng)極化法、日變化幅度、同一臺(tái)站長(zhǎng)、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(chǎng)在具有較普遍的相似變化后，可以據(jù)此評(píng)價(jià)一個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)質(zhì)量，特別是通過(guò)磁暴期間不同臺(tái)站的對(duì)比，能夠清晰地分辨出觀測(cè)質(zhì)量不佳的臺(tái)站。同時(shí)通過(guò)各臺(tái)在相同大背景下的明顯不一致提取地震前兆異常；

（5） 長(zhǎng)極距方位角分析：通過(guò)選取諧相關(guān)系數(shù)較高的測(cè)向計(jì)算遼寧地區(qū)地電場(chǎng)長(zhǎng)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。