安徽省数字化地电场FFT频谱分析研究

何 康，洪德全，李军辉，郑海刚，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

安徽省数字化地电场FFT频谱分析研究

何 康，洪德全，李军辉，郑海刚，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

采用傅里叶变换方法对安徽省地电场进行功率谱分析。结果显示，地电场在磁静日和磁扰日的显著周期不同，静日以24 h、12 h、8 h和6 h最为显著，扰日则以4.8 h、4 h显著；一个月的地电场中最显著的周期为12 h和12 h附近。不同台站相同方向的地电场数据具有相似的频谱，可以根据地电场的频谱来判断地电场数据的可靠性。

地电场；功率谱；显著周期

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一，在地震前兆观测中主要是观测地电场的地表分量及其时空变化，很早就有国内外的专家学者对地震与地电场之间的关系进行研究，但总体而言利用地电场进行地震预报还处于摸索和探讨的阶段［1-4］。叶青等［5-7］为了给地震预测提供地电场背景变化，对地电场的频谱特征进行了探索性的分析，取得了较好的结果。安徽省蒙城台和嘉山台的地电场观测已经持续了较长时间，数据质量较好。本文采用傅里叶变换对安徽省地电场数据的频谱成分进行分析，以加深对安徽省地电场背景的认识。

1 观测概况

安徽省现有蒙城和嘉山两个地电场观测台（图1），蒙城台于2000年1月1日正式投入观测，嘉山台于2007年1月1日正式投入观测。观测仪器均采用中国地震局地震预测研究所研制的ZD9 A-Ⅱ数字化大地电场仪，观测间隔为1分钟。两台地电场观测均采用三角形布极法，共有NS、EW和N45°W三个方向，每个方向又分长、短两种极距。其中蒙城台NS向、EW向长、短极距分别为226 m、113 m，N45°W向长、短极距分别为320 m、160 m；嘉山台NS向、EW向长、短极距分别为240 m、160 m，N45°W向长、短极距分别为339 m、226 m。两台线路均采用架空的方式，电极均为兰州地震研究所研制生产的固体不极化电极，其中蒙城台电极埋深为 1.8 m，嘉山台为2.5 m。

图1 安徽地电场台站分布图Fig.1 Distribution of Geo-electr ic Field Stations in Anhui

由于场地原因，两个台的地电场和地电阻率均在同一个布极区观测。蒙城台位于皖西北蒙城县境内的黄柏山上，毗邻郯庐断裂带和秦岭大别山构造带，台基主要是震旦系沙岩及第四纪覆盖层，周围地区覆盖大都在100～300 m左右。测区内地形较平坦（为农田），观测环境较好，无明显干扰。嘉山台属下扬子地块，是郯庐断裂带东侧离断裂带最近的地震台之一，该区受西侧郯庐断裂影响有强烈变形，新生代该区仍表现上升，台基岩性为玄武岩。布极区内地形开阔平坦，无铁、磁管线和其他铁、磁物体，区内及其附近无较大的河流、水渠和积水坑，无产生工业游散电流和其他电磁信号的干扰源［8-10］。

2 频谱分析

2.1 单日数据分析

选取两台地电场静日和扰日的数据利用傅里叶变换进行FFT运算［11］得到功率谱，发现静日变化，两个台地电场的频谱以8 h、12 h、6 h为主导。一些研究认为，地电场日变化的频谱应以8 h为主［4］，但蒙城和嘉山台8 h的周期成分并不总是最显著的，有的静日里8 h的谱值最大，但另一些静日里12 h最大。同一方向的地电场长、短极距的谱成分应该是相同的，但在现实观测中，如果同一方向的长、短极距数据本身一致性差，那么谱分析的结果也必然一致性差。2009年10月1日是外空场活动较弱的一天，蒙城台EW方向长、短极距的曲线一致性较好，而且双峰的形态也很清晰，它们的谱分析结果是一致的，都是8 h最显著，其次是12 h、6 h（图2）。

图2 蒙城台地电场EW方向分钟值数据及谱分析结果Fig.2 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at M engcheng Station of Geo-electric Field in EW Direction

扰日里，地电场的频谱发生了较大的变化，优势周期集中在5 h以下，特别是以4.8 h、4 h最为显著。由于地电场记录的是区域性乃至全球性的变化，同一台站的NS和EW方向的主要谱成分应该是一致的，但实际观测中存在着各种干扰，两方向可能并不完全一致。因此，如果台站的某一方向数据的谱成分和别的方向存在明显的差异，应仔细检查数据来源。又由于NW方向所记录的数据是NS和EW方向的矢量和，NW方向应该包含NS和EW方向的全部频谱成分。

2.2 一月数据分析

由于单日的数据时间有限，对较长周期的分析较差，下面对嘉山台和蒙城台一个月或更长时间段的地电场曲线进行傅里叶分析。结果显示，一个月的地电场曲线的优势周期较为一致，以12 h和12 h附近的周期为主，其次是8 h和24 h。图3是2009年10月和2010年5月嘉山台NW方向长、短极距的原始曲线和谱分析结果。可以看出，嘉山台NW方向长、短极距在这两个月的谱成分中最显著的周期都是12.4 h和12 h，24 h也较明显，稍有不同的是2010年5月的8 h周期比较明显，而2009年10月则不明显。这表明地电场的优势周期比较固定，即12 h和12 h附近的周期，其中12 h是固定的，但12 h附近的周期成分在变化，目前得出的有12.4 h、12.48 h、12.456 h、12.615 h等。前人研究认为，中低纬度的4个电流涡旋场产生了12 h的地电场半日变化［4］，然而不同的优势周期是否代表了不同的电流涡旋场值得进一步探讨。

图3 嘉山台NW方向分钟值数据及谱分析结果Fig.3 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at Jiashan Station of Geo-electric Field in NW Direction

图4 20080401—20080511蒙城、嘉山台地电场功率谱分析结果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

如果地电场数据较为稳定，没有出现大的阶跃或跳数，那么不同台站、相同方向的地电场的主要周期成分应该相似（图4）。因此，可以通过对地电场的频谱分析确认地电场数据的可靠性。例如，2010年1月下旬开始，蒙城台地电场NS长方向的数据多次出现阶跃下降，经过仔细排查后确认为电极故障，更换电极后没有再次出现阶跃下降（图5），这些数据的变化在频谱上也得到了充分体现。图6是蒙城台NS长方向在2010年5月和8月的频谱分析结果，可以看出，5月份最显著的周期并不在12 h和12 h附近，而是在21 h、18 h附近，这与地电场的正常频谱不同。在更换电极后的8月，频谱中最显著的几个周期就是12 h、24 h和8 h，这表明蒙城台NS方向的数据恢复到了正常水平。

图5 2010年1月至8月蒙城台地电场NS方向长极距小时值曲线Fig.5 The Hours Value Data of Geo-electric Field in NS Direction at M engcheng Station from Jan 1 to Aug 31，2010

图6 蒙城台地电场NS长极距在2010年5月和8月的频谱分析结果Fig.6 Power Spectrum analysis results of Geo-electric Field in NSDirection at M engcheng Station in M ay and Aug，2010

3 结论

综上，蒙城台和嘉山台地电场的频谱分析结果显示，地电场在静日和扰日的主要周期成分不相同，静日里以12 h、8 h、6 h和24 h显著，扰日里以4.8 h、4 h显著；1月或稍长时间地电场的最显著的周期为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；不同台站相同方向的地电场数据应该具有相似的频谱，可以根据地电场的频谱来判断地电场数据的可靠性。

［1］ 关晓明，李哲，纪延辉，等.“十五”地电场观测的震兆异常特征分析［J］.防灾减灾学报，2012，28（4）：31-39.

［2］ 毛桐恩，席继楼，王燕琼，等.地震过程中的大地电场变化特征［J］.地球物理学报，1999，42（4）：520-528.

［3］ 沈红会，冯志生，燕明芝，等.地电场震前变化的探讨［J］.西北地震学报，2006，28（1）：74-77.

［4］ 褚金学，李朝明，张平.地电场电极深埋试验研究［J］.防灾科技学院学报，2012，14（1）：35-38.

［5］ 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.

［6］ 张彩艳，李飞，张秀霞，等.新沂地电场日变化特征及频谱分析［J］.地震地磁观测与研究，2011，32（5）：72-77.

［7］ 李东生，冯红武，刘淑娟.HHT方法在山丹地电场数据处理中的应用［J］.防灾科技学院学报，2013，15（3）：61-66.

［8］ 薛志明，胡莲之，李雪华.蒙城大地电场观测资料的初探［J］.地震地磁观测与研究，2004，25（2）：62-67.

［9］ 程鑫，何康，赵桂宝，等.嘉山地震台大地电场资料真实性分析［J］.地震地磁观测与研究，2011，32（3）：72-77.

［10］ 曾宪军，陈俊，宋驰，等.蒙城台地磁“低点位移”异常特征及与华东及其临近地区地震关系初探［J］.防灾科技学院学报，2009，11（3）：65-71.

［11］ 王海鸥.快速Fourier变换算法及Matlab程序实现［J］.通化师范学院学报，2006，27（4）：13-15.

FFT Analysis on Digital Geo-electric Field in Anhui Province

He Kang，Hong Dequan，Li Junhui，Zheng Haigang，Fang 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，硕士，工程师，主要从事地震电磁学和地震预报的研究。