营口台极低频观测数据初步分析

孙素梅

（辽宁省地震局， 辽宁 沈阳110034）

0 引言

近几年来，许多事实证明，地震之前的电磁效应是确实存在的。根据国际电联定义，超低频（SLF）和极低频（Extremely Low Frequency，ELF）的频率范围分别为300～30Hz和30～3Hz。法国2004年6月29日发射了世界上第一颗专门用于监测地震和火山等自然灾害活动的电磁卫星DEMETER。我国与俄罗斯合作，利用发射台发射的电磁波信号，在距发射台数千、上万公里的范围内高精度地观测电磁场变化，并通过模拟天然地震的试验，研究电场、磁场和大地电阻率的异常特点等一系列研究并取得了大量成果［1］。2018年2月2 日15时51分，我国也成功发射电磁监测试验卫星“张衡一号”，为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供新的技术手段。

极低频电磁数据具有很强的抗干扰能力。特别有利于识别和捕捉地震等诱发的电磁异常现象，在地震预测监测中具有很大的研究应用潜力［2-4］。天然电磁场的分布与地理位置和季节等有关，但我国尚未系统进行极低频频段的天然电磁场测量。

本研究主要是营口台极低频电磁波观测的基本情况。对2014—2017年的观测数据进行绘图查看，分析数据的变化形态，找出规律，夏季电磁场谱密度通常约是冬季的1.5倍，夏季的变化要明显一些，推测是由于夏季雷电活动较多的缘故。对比每天不同时段的电磁场谱分布特点，得出营口台电磁场功率谱密度的时间分布特征。为进一步的电磁异常提取奠定稳定的数据基础。

1 观测台站和仪器简介

1.1 观测台站概况

国家重大科学技术设施工程项目“极低频探地工程”地震预测分系统在首都圈地区布设了15个极低频电磁监测台站，辽宁省内布设了营口、大连两个台站，台站同时记录天然源与人工源信号。

营口台台基稳固、观测环境优良，远离城镇和村庄等干扰源，使得营口台极低频电磁场记录数据较为完整且数据质量高。营口台站基本信息如表1所示。

表1 营口台极低频电磁基本信息表

1.2 观测仪器指标

营口台站已完成基础设施建设和仪器、服务器安装调试，仪器可以按照设定采集方式完成天然源、人工源数据采集，服务器可以按时完成数据处理。台站数据每天定时按照台站服务器—省局中心—台网中心服务器—学科中心服务器方式进行数据传输，能够实现本台网独立运行；实现数据的自动采集、数据自动传输、系统监控等功能，运行期间，营口台站仪器、服务器、网络、数据传输系统运行稳定。

台站所用仪器为德国ADU-07e大地电磁探测仪器，仪器记录的电磁场原始时间序列由服务器中安装的软件ProcMT 自动完成处理，得到包含功率谱及阻抗等信息的文件。然而随着经济社会的发展，天然源电磁场的观测面临着日益严重的干扰，由于受到台站环境的影响，自动处理得到的结果在干扰强的频段总得不到最优的结果。为了解决该问题，总结台站数据干扰特点，在数据自动处理软件中找到最适合本台站环境的处理参数，以得到最优的自动处理结果，为进一步的电磁异常提取奠定稳定的数据基础。

2 数据分析

极低频方法原理和现有电磁法原理一致，利用大地电磁法（MT）的观测和处理方法原理，但是有极大的改进，表现在：（1）人工源辐射电磁场强度比一般的人工源要高万倍，电磁波传播远，有效的提高了信噪比；（2）固定发射源，为实时监测提供了便利，工作效率高；（3）应用范围广，在远距离通信、地震监测预警、资源勘探等方面都有广泛应用［8-10］。

大地电磁数据处理的主要流程包括：人工选图—去噪声、加时窗函数—各道信号的谱分析—估算谱矩阵（全叠加法，中值法等）—结果图形显示（图1）。其中每个过程中都有相应的参数进行控制。

图1 大地电磁数据处理主要流程Fig.1Main processof magnetotelluricdata processing

营口台极低频安装在新建成的电磁观测站，场地周围干扰极少，数据质量相对较好，信噪比高，仪器安装后，运行稳定，数据的连续率高。通过数据处理后可得长期连续的数据曲线图（图2）。

图2 营口台极低频电磁仪器观测视电阻率和阻抗相位Fig.2 Observedbyextremely low frequency electromagneticinstrument at YingkouSeismicStationto observeapparent resistivityandimpedancephase

3 数据处理方法应用效果分析

Metronix 公司开发的资料处理软件Procmt，提供三种数据处理方式：中值处理法、全叠加（stackall）和相关度阈值法（Coherency Threshold）、中值法（Median Processing）。

（1）全叠加法

顾名思义，全叠加法就是在谱张量、阻抗张量等叠加时选取其平均值作为最后的估算值。大部分情况下，这种方法作为另外一些方法的参考，因为它可以给出数据最整体的情况，让我们清晰的了解到记录到的所有数据质量，指示出数据好的频段范围。然而有时候全叠加方法在死频段或者高频部分会给出令人惊奇的好结果。这些谱估算方法（全叠加法、中值法、相关性阈值法）都会在估算前剔除一些肯定是错误的飞点，因为当你计算在过程中，将相关性剔除这个功能打开的时候，谱的全叠加也不是真正意义上的全叠加，而是选取了所有正确的数据进行的全叠加。其中均值的计算公式为：

标准差的计算公式为：

（2）相干度阈值法（Coherency Threshold）

相干度阈值方法，是谱叠加中最经典的一种方法，它计算Ex 和Hy、Ey 和Hx 的相干度，设置相干度阈值对数据进行挑选。在数据量比较大的时候，我们可以选取较大的阈值，例如0.8或者更大，这样可以得到更高品质的数据，但是阈值也不能选取的太大，否则会因为选取条件太过苛刻，选不到相应的值。但是相干度阈值法也有很大的限制，当测点处近场干扰较强的时候，其相干度值也很大，但是得到的结果也很差。

（3）中值法

中值法是通过计算阻抗张量的中值来估算Zxy 和Zyx，即将阻抗张量进行排序然后选取第N/2个值。这是一种稳定估算方法，可以有效剔除飞点值。但是如果叠加次数不够，中值和平均值的计算都是没有意义的。对比三种谱估算的方法，发现对于存在一定干扰的测点，中值法比相干度阈值法和全叠加法能得到更加稳定的结果。如图3所示，以三种处理方法得到的视电阻率和相位曲线为例，中值法的视电阻率曲线更加圆滑连续，而相干度阈值法和全叠加法在小于10Hz 的频带曲线不圆滑，频点散乱。

图3 使用三种处理方式的视电阻率和相位曲线Fig.3Apparent resistivity andphase curvesby using three treatments

使用三种谱估算法进行视电阻率和相位曲线计算，FFT 长度和Parzen 半径这两个参数对处理结果影响很大。短的FFT 长度会使得目标频率分辨率下降，但相邻频段会变得光滑，对于低能量的谱线，短的FFT 长度及大的Parzen半径是有利的；存在一定干扰的时序曲线，增大FFT 长度，降低Parzen 半径， 会减少尖峰对目标频率的影响， 从而提高资料的信噪比。然而如果窗口长度过大，将降低时间序列的可能叠加次数，这样统计错误就会增加，而如果时序非常短，短的窗口长度也会导致一个容许的统计错误。为此，在资料处理过程中需要找出参数的最佳组合以期得到理想的结果［5-7］。

4 谱密度随时间的变化特征分析

地震前可以在地面观测到电磁场的变化（电磁辐射），这已经被大量的试验和实际观测所证明，卫星资料也显示在地震前会有电磁场异常。异常电磁场的源可以归因于三个方面：（1）来自于地震震源区；（2）地表（或范围更大为地壳）破裂所引起的；（3）电离层的电流扰动，它还能改变电磁波的传播条件。一般来说，地震前所能观测的电磁异常与震源深度、地质条件、震中距以及电离层的情况都可能有关系。但是，由于观测的台站多为有人值守的台站，台站周边的电磁环境复杂，且当前电磁观测仪器多种多样，数据处理的方法也不尽相同［11］。处理后得出天然源南北向电场（Ex）、东西向电场（Ey）、南北向磁场（Hx）、东西向磁场（Hy）、垂直向磁场（Hz）、视电阻率（Rxy）、相位图。

（1）谱密度日变化特征

从图4 营口台电磁场谱日变的特征可以看出：4 条点线从下至上表示时间为：22：00—次日2：00（晚上）；次日2：00—8：00（凌晨）；10：00—14：00（早上），14：00—20：00（中午）。凌晨的电磁场谱变化最稳定，可能由于该时段电磁干扰小的缘故；电磁场谱值的大小与台站、频率以及季节有关，甚至与电磁场分量有关。

图4 营口台电磁场谱与视电阻率、相位曲线形态Fig.4 Electromagneticfieldspectrum，visual TV resistivity andphase curveformof YingkouSeismicStation

（2）谱密度分时段变化特征

由图5可以看出。营口台数据从2017年4月开始至2017年12月观测期间，在低频段视电阻率总体夏冬两季稳定相差情况，明显看出夏季的干扰较大。电磁场谱值夏季明显高于冬季电磁场谱值，且夏季的起伏比冬季更加明显。粗浅分析得出，视电阻率、电磁场谱夏季比冬季变化大，可能由于夏季雷电活动比冬季剧烈的原因。

5 结论和建议

对比每天不同时段的电磁场谱分布特点，得出营口台电磁场功率谱密度的时间分布特征。得出电场谱值在10-2量级上，磁场谱值在10-4量级上，夏季电磁场谱值冬季谱值的1.5倍左右；夏季电磁场谱变化起伏大，冬季电磁场谱变化较稳定；视电阻率和相位总体较稳定，但外因也可能引起一定变化；凌晨的电磁场谱变化最稳定，可能由于该时段电磁干扰小的缘故。

营口极低频观测台站及其附近的电磁环境较好，是一个较理想的观测场所。极低频台站众多，每个台站的干扰信号也不一致，强弱不同，因此需要加强对数据处理方法的研究，以便能得到真实处理结果，为后续的解释提供有力的支撑，为进一步的电磁异常提取奠定稳定的数据基础。