泉州台地电场数据分析

【摘 要】通过对泉州地磁台地电场资料进行处理和分析，认识地电场无震时的变化特征，分析观测系统的工作状态，判别各类干扰因素，以此作为识别地震前兆异常的基础认识，为进一步提高地电场观测数据质量和开展地电场数据应用研究提供依据。

【关键词】地电场；干扰；磁暴；小波分析

0 引言

地球表面的天然变化电场是由地球外部的各种电流体系在地球表面感应产生的，分布于整个地表的广大地区，这种天然的的全球性或区域性的变化电场，称为大地电场。天然的稳定电场主要由矿体、地下水和各种水系产生，分布于局部地区，这种地方性的天然稳定电场，称为自然电场。大地电场和自然电场统称为地电场[1]。自然电场是局部地区由各种物理化学作用产生的地表电场，成因复杂，规律性差。大地电场起源于地球外部空间电流体系，与地磁场的变化有密切的联系，因而和地磁场一样具有较强的规律性和周期性[2]。大地电场的观测与研究已由100多年的历史，在我国自行研制了ZD9A大地电场仪以后，近几年大地电场的观测和地震预报应用研究才较为普遍的开展起来。但由于开展观测的时间较短，积累的经验不多，对大地电场的的数据分析和处理研究仍处于初步阶段。

本文试通过对泉州台大地电场分钟值观测数据进行处理和分析，认识在无震时大地电场各参量的变化特征，分析观测系统的工作状态，判别各类干扰因素，以此作为识别地震前兆异常的基础认识，为进一步提高大地电场观测数据质量和开展大地电场数据应用研究提供依据。

1 泉州台大地电场观测概况

泉州南安地磁台地电场观测场地位于泉州南安市洪籁镇厝斗村泉州地磁台内及周边水田中。2007年9月安装ZD9A-Ⅱ型地电场仪进行大地电场观测。电场观测采用三角形共用中心的布极方式（图1，O为中心NS向和EW向长短极距共用电极），共有NS向、EW向和NE向三个方向，每个方向又分长、短二种极距。其中长极距（图1中 AO和BO）277m，短极距185m（A′O和B′O；电极埋深3.5m。观测系统的建设和布极区的环境状况均符合观测规范要求，场地及附近没有高压线盒任何大型电磁干扰源，坡度小于5%，地形较为平坦。

2 资料处理

为了认识地电场的变化特征，我们以泉州台地电场分钟值数据为基础，进行分析。通过绘制每道测线的每日分钟值曲线，可以了解地电场在各种情况下（磁静日、磁暴、雷击等）的变化特征，据此辨别地电场地震前兆变化。同时地电场是一个矢量，该矢量的方位角可以由电场的南北向分量ESN和EWE东西向分量计算求得α=tg-1EWE45°/ESN45°，并绘制方位角变化曲线分析其动态变化。理论上ESN和EWE在北东方向的投影量值应该与北东向观测值ENE相同，由于实际观测系统中的各种因素会引起误差，该误差Err=ESNcos45°+EWEcos135°-ENE。同时由于大地电场与起源于天电，则同一方向的长短极距日变化应该是相关的，计算每日长短极距分钟值的相关系数，可以增加了解观测系统的观测质量。最后利用小波分析手段了解地电场的周期特征。

3 地电场变化特征

3.1 磁静日时的地电场

图2是泉州台2008年3月12日地电场NS向长极距、NS向短极距、EW向长极距、EW向短极距、NE向长极距和NE向短极距分钟值曲线图。3月12日是磁静日。六道测线的日变幅均小于39.4mV/km，有明显的波峰波谷形态；NS向、EW向和NW向的相关系数分别是0.92、0.94和0.91，长短极距观测到的变化一致性较好，但各测项长短极距的绝对值差异较大；白天的地电场变化幅度明显大于夜晚；11时-18时的变化幅度最大；极值出现在11时和15时左右。地电场的日变化主要受太阳辐射影响，所以太阳辐射强的白天变化较大，同时，地电场每天的极值也出现在太阳辐射最强的午间，夜晚太阳辐射较弱的时间段，地电场则处于平稳状态。

图3是同一天泉州台长短极距的地电场方位角和误差曲线图。方位角α的变化幅度不大（不到6°），其日变形态与电场日变一致。误差曲线显示，长极距误差幅度主要在11.8mV/km上下波动，误差最大达到21.5mV/km。短极距误差主要在21.1mV/km上下波动，误差最大达到29.8mV/km。误差在正午时分达到最大。

日变形态清晰和长短极距日变幅相当是泉州台地电场的主要特征。

3.2 磁暴时的地电场

由于地电场中的一部分场的起源是由外空电流在地球内部产生感应电场引起的，因此磁暴等外空磁场环境的改变会引起大地电场的改变。磁暴发生时，地电场同样会发生剧烈的变化，这种在磁暴期间记录到的地电场剧烈变化称为地电暴。图4分别是泉州台2010年4月5日地电场六测道分钟值曲线（方框为磁暴发生时的地电场）。2010年4月5日北京时间下午16时开始发生了一次中等强度的磁暴（国家空间天气监测预警中心数据）。从图中可以看出，磁暴发生后地电场6测道同步记录到持续的高频大幅脉冲信号，磁暴发生后NS向长极距最大变化幅度达到了72.2mV/km，是磁静日时30mV/km日变幅的两倍以上。

3.3 雷击

一般情况下地电场高频变化的场源是对流层中的雷电，主要是雷电改变了区域的电场分布环境[3]。特别是在出现雷雨天气的情况下，雷电通常离得较近，在放电的瞬间，引起数据变化幅度也较大，持续时间也相对较长。图5是泉州台地电场2010年5月19日分钟值曲线，经落实21时左右开始有雷雨。从图中可以看出，雷电期间地电场的变化特征是：地电场观测数据出现快速的大幅度的脉冲变化，数据离散度很大，出现很明显的畸变，最大变化幅度可达正常地电场日变幅度的数倍。

4 受干扰下的地电场变化

4.1 电极极化

电极是地电场影响观测质量稳定的重要因素之一。目前地电场观测使用的固体不极化电极在埋设不好或者老化的情况下会出现极化现象，具体表现主要为数据出现长期的漂移现象。如图6所示，泉州台的中心电极（NS向和EW向测道公用电极）极化后，短极距EW数据出现长时间的漂移现象。

4.2 电极渗水

图7为泉州台中心电极渗水后的长极距NS向和EW向地电场观测数据曲线图。由图中可以看出，电极渗水后地电场观测数据出现一个突降台阶，下降幅度接近200mV/km，经过一段时间后有缓慢回升至正常水平。以上现象的具体原因是水渗到电极处，使电极产生一个极化电位差导致的。而随着时间的推移，该极化电位差慢慢消失，数据恢复到原始水平。

5 地电场的周期成分

根据0.Gish编制的1936年世界时18h全球大地电流分布图，北半球有8个电流涡旋场，中低纬度的4个涡旋中心在30附近，高纬度的4个中心接近70°附近。这些涡旋电流场基本上按地理经度等间隔分布。涡旋电流系的位置固定，白天电流强、夜间电流弱，地球自转一周，各涡旋电流场的电流强、弱交替一次，白天两个强电流涡旋场、夜间两个弱电流涡旋场引起地电场经历两次起伏，所以产生大地电场日变化的显著半日波周期成分[1]。同时大地电场起源于地球外部的电流体系，这些电流体系的产生则源于太阳活动。太阳风到达地球外部空间时，压缩向阳的地球磁层，而另一面的磁层则向背阳的方向拓展，伴随着地球的24小时自转周期，引起了大地电场的24小时周期变化，即全日波变化。

大量的观测表明，月球的潮汐引力变化同样会引起大地电场的变化。靠近海边及湖泊的台站，受固体潮的影响较为明显。泉州台属于沿海台站，其记录到的地电场半月周期成分应源于月球引力引起的固体潮。

6 结论

地电场记录的资料极为丰富，通过原始曲线和小波分析可以看出，台站不只记录到外空场的日变特征，其成分中还包含有固体潮引发的成分。除了外空场和固体潮引起的正常变化，还受到了电极极化和渗水、磁暴和雷电等其他因素的干扰，这些干扰信息形态各异，但都具备各自独有的形态特征：如磁暴多为持续的大幅度高频脉冲信号，雷电则表现为瞬时的大幅变化。这些干扰信息的特征在观测曲线上可以清晰的识别。由于台站使用的是多极距观测，所以在识别异常和干扰方面带来极大的方便，也为分析可能与地震有关的异常信号打下了比较好的基础。同时我们也发现，共用电极的布极方式虽然节约了成本，但一旦公用电极出现问题，则会造成多测道数据的同时干扰变化。为了更好的记录到地电场变化，应在单台增加更多极距观测。

对泉州台处理分析，我们发现，泉州台的地电场观测数据可以清晰的记录到真实大地电场的正常日变化，周边环境基本无干扰，但中心电极在使用一段时间后出现极化和渗水，其NS向和EW向数据受到影响失真，给前兆分析造成了困难。

本文对泉州台的地电场数据进行了分析计算，使我们台站的地电场变化特征、观测状况和数据可信度有了一个基础的认识，为识别未来可能出现的地震前兆异常提供的依据。同时本文对大地电场特征认识的研究还不够深入，有待未来开展进一步的研究工作。

【参考文献】

[1]孙正江，王华俊.地电概论[M].北京：地震出版社，1984，3-95.

[2]郑兆，汪雪泉.蒙城台地电场资料分析[J].地震，2005，25（2）：41-47.

[3]林向东，徐平，等.地电场观测中几种常见干扰[J].华北地震科学，2007，25（1），16-22.