MATLAB编程处理大地电场变化特征及异常的研究

查 楠，张志宏

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

二十世纪七十年代后，国际上很多国家研究学者把地电场应用到地震和火山监测等地质灾害预警中。我国自1966年3月22日邢台7.2级地震后就对地电场开始观测了，并记录到了不少震前异常变化（如1976年唐山7.8、松潘7.2级地震）。受希腊“VAN”地震预报方法以及观测技术进步的影响我国在“九五”期间，又重新开始了地电场的观测研究工作。目前为止，对地震前地电场异常信息的研究国内外已有了很多积累。近十几年来，“九五”计划开始实施以来，我国建成了为世界之最的数字化地电场观测网，由80个台站组成。

场量前兆和物质电性两类参数前兆在地震预测研究中是地震地电学关注的重要参数。自然电场前兆属于场量前兆。大地电场是提取出地球介质的物性前兆方法之一。通过辽宁及邻区大地电场的静日、扰日变化以及它们的频谱特性等分析，初步探讨主要谱成分的产生机理；对地电场观测资料的长、短极距的比值计算，有效排除地电场观测资料的太阳黑子活动、电离层、对流层、磁暴、磁层的电流系等来自空间场源在地球内部中感应而产生的电场变化；对大地电场观测的映震能力做出评估，为该观测在地震预报中的应用提供理论依据。

1 数据来源

收集、整理辽宁省大地电场观测数据（图1），观测时段为2007年至2017年；数据选取时段根据为中国科学院国家天文台的太阳活动预报中心公布的地磁报告中地磁平静日、扰动日和磁情指数k＜5的日期。数据样本长度分别为一天的分钟值或一个月的小时值时间序列。同时关注每个台站的台址条件等；因为辽宁新城子台环境干扰较多,分析中只对重点干扰形态进行分析，以期在未来工作中有所借鉴。

图1 辽宁地区大地电场台站分布图Fig.1 Distribution map of geoelectric field stations in Liaoning Province

2 地电场观测干扰分析

地电场观测与地磁场观测是地球物理场观测中的重要组成部分，并且为相互关联的最密切的两个分支。因地电场观测需要埋地电极，作为信号接收器，接地条件与接地电极技术的要求较高，所以地电场观测资料会出现很多不同因素引起的干扰。

2.1 布极区金属管线／网等永久性干扰

2015年10月以来新城子地震观测站地电场受沈飞626所场地施工干扰造成数据资料信度低；尤其金属围栏的搭建以及工程用电对监测有明显干扰，北南测向和北东测向地电阻率值受干扰严重，其中小时值相对均方差大于3%的数据做删除数据处理，电阻率均方差东西向变化幅度为0.59、电阻率均方差北东方向变化幅度为0.1，自然电位差北南向变化幅度为8.4、自然电位差东西向变化幅度为8.1、自然电位差北东向变化幅度为7.3（图2）。

图2 新城子地震观测站场地电场受沈飞626所施工干扰数据形态Fig.2 The disturbed data of the electric field of Xinchengzi Seismic Observatory by the construction of Shenfei 626 Institute

2.2 地电阻率观测供电的定时干扰

地电场观测一般都采用工频交流电源供电，其电源电压的幅值和频率的变化都会给地电场观测带来电源性干扰噪声。当地电阻率观测时会引起电源电压的频率波动，虽然其波动范围有限，但对地电场观测精度影响较大。其干扰形态如图3所示。

图3 锦州义县地电阻率供电干扰地电场观测数据形态示意图Fig.3 The carves of the geoelectric field observation data disturbed by the geoelectrical power supply in Jinzhou Yixian County

2.3 超高压直流输电干扰

我国是电能的生产和使用大国，将清洁的电能广泛应用各行各业，满足我国经济快速发展的需求。地震台站的观测资料也会受到超高压直流输电干扰。全国超高压直流输电影响台站分布如图4所示。

图4 全国超高压直流输电影响台站分布图（2016年版）Fig.4 Distribution map of UHVDC transmission stations in China（2016）

直流输电线路运行改变了周围的电场环境。同时直流输电线路的运行空间环境中电场强度会有所增加，在电场力的作用下导电产生的空间电荷向极间区运移从而形成了离子流。因此，直流输电线路导线周围产生：一是导线上离子电荷直接产生的电场；二是空间离子电荷在电场的作用下定向运动形成离子流。离子流场与导线本身产生的静电场叠加形成合成电场。因此超高压直流会对地电场观测资料料产生影响，干扰基本为突跳、台阶形态（图5）。

图5 超高压直流干扰数据形态示意图Fig.5 Data form diagram of UHV DC interference

2.4 雷电干扰

雷电干扰是一种场电物理变化现象，放电形式及量度均取决于雷暴云电场。大地电场和地电场具有对立统一性，相互独立同时相互影响，形成一种场电变化体系。地电场是一个静态电场，有一定的自身变化规律。比大气电场中的雷暴云梯度要小得多。同时地球表面还是一个无限大的非均匀的各项异性导体表面，在这个导体表面上，各种不同的土壤电导率决定了地电场与地物间断放电的击穿强弱程度，其在外部场电变化干扰下，两种及两种以上的土壤电导率界面形成带电粒子和自由离子的积累，构成了形式各异的尖端放电场强，因而引起电场畸变现象（图6）。

图6 雷电干扰数据形态示意图Fig.6 Schematic diagram of lightning interference data

2.5 漏电干扰

当测量区域出现漏电问题时，大地电场观测曲线也会出现台阶、突跳等变化，从图7可以清晰看出，阜新哈达户稍观测站由于工厂漏电观测数据明显出现干扰。

图7 地漏电干扰数据形态示意图Fig.7 Data form diagram of ground leakage electric interference

3 大地电场资料分析利用MATLAB编程实现

3.1 大地电场频谱特征分析及机理浅析

采用最大熵谱法［6］，利用MATLAB编写谱分析软件。通过对辽宁及邻区地电台站观测数据的分析得出大地电场日变化主要周期成分为：12 h、24～25 h和8 h的中心周期。这些周期成分为我国大陆大地电场中普遍存在的主要周期成分。其中12h的半日波成分为最强成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同时还存在周期成分强度弱的短周期成分。与许康生、叶青、张素欣和赵明等做的谱分析的相关工作结果相类似（以义县台为例见图8）。

图8 义县台频谱分析Fig.8 The spectrum analysis of Yixian Seismic Station

用MATLAB实现一维时间序列的最大熵谱分析比传统谱分析方法具有较高的分辨率。最大熵谱法克服了傅里叶等方法的不足；比较适合短记录资料的频谱分析，具有较强的抗噪性能，能够估算淹没在噪声中的信号的功率谱。机理浅析：日变化频谱中的12 h的半日波成分最强，并在不同年份和不同月份及经纬度差异大的台站上出现。这显然是大地电场日变化中的普遍性特征。因为12 h的周期成分为日变化2峰2谷波形的谱特征。在1936年O.Gish编制的世界时18 h的全球大地电流分布图中，北半球存在8个电流涡旋场。由于白天存在两个强电流涡旋场、同时夜间存在两个弱电流涡旋场而引起地电场经历两次起伏，所以大地电场的日变化具有显著半日波周期成分。日变化主要周期成分是由太阳风、太阴活动、地球自转带来的地面电流体系强度发生的昼夜交替变化引起的。特点分析：大地电场日变化主要周期成分为12h、24～25 h和8 h的中心周期。这些周期成分为我国大陆大地电场中普遍存在的主要周期成分。其中12 h的半日波成分为最强成分，其次是24～25 h的全日波及8 h周期成分。同时还存在周期成分强度弱的短周期成分。（与许康生、叶青、张素欣和赵明等做的谱分析的相关工作结果相类似）

3.2 日变形态畸变异常的提取

地电场在静日的日变形态和变幅都较为稳定，典型的地电场日变形态为“2峰2谷”、“2峰1谷”，在扰日或磁暴期间则有明显变化，变幅甚至能够达到静日的数倍以上。同一台站长、短极距地电场相关性好，而两台地电场数据在相同方向上也有一定的相关性。扰日或磁暴日的相关系数明显高于静日，体现了外空场对地电场的影响。

3.3 长短极距比值法的计算

同一台站同一测向的长短极距的比值比较稳定，基本为在一个固定数值上的变化（图9）。应用这一特征就可以从中识别并提取出地震前兆信息，排除地电场观测资料中在地球内部来自空间场源（磁暴、太阳黑子活动、磁层、电离层、对流层的电流系等）感应而产生的电场变化，减小远源自然电场在观测中的影响。

图9 义县大地电场长短极距比值法的计算Fig.9 The calculation of the distance ratio method of the length and short distance of the electric field in Yixian

4 辽宁及邻区显著地震事件分析

通过对辽宁地区 （110～130°E，38～44°N）及邻区2007年至今M≥4.5级中强地震，重点分析2013年01月23日灯塔M5.1级地震，震源深度7 km；2013年04月22日，通辽M5.3级地震，震源深度10 km；2013年10月31日前郭M5.7级地震，震源深度6 km。

新城子地电场距离灯塔M5.1震中约67 km，距离通辽M5.3震中约135 km，距离前郭M5.7震中约292 km。新城子大地电场台站2012—2014年外界干扰较少，从图10可以看到：灯塔地震前长极距NS/EW方位角较离散。通辽M5.3及前郭M5.7地震前方位角较集中。

图10 新城子地电场长极距方位角（NS/EW）Fig.10 Long polar azimuth of electric field in Xinchengzi（NS/EW）

义县地电场距离灯塔M5.1震中约158 km，距离通辽M5.3震中约178 km，距离前郭M5.7震中约415 km。义县大地电场台站场地环境干扰较少。从图11可以看到：灯塔地震前长极距方位角（NS/NE）呈离散状态。通辽M5.3及前郭M5.7地震前方位角较集中。

图11 义县地电场长极距方位角(NS/NE)Fig.11 Long polar azimuth of electric field in Yixian（NS/NE）

阜新哈达户稍大地电场台站场地环境干扰较少。从图12可以看到：长极距方位角（NS/NW）呈集中状态。

图12 哈达户稍地电场长极距方位角（NS/NW）Fig.12 Long polar azimuth（NS/NW） of Hadahushao

5 结论

通过对辽宁及邻近地区2007年至今ML≥4.5级中强地震的总结分析得出具有较好提取大地电场的异常方法主要有：

（1） 日变形态畸变：大地电场正常变化一般是双峰双谷，当有震兆异常夹杂在大地电场的正常背景变化中时，日变形态就会发生畸变，以此判断异常的存在；

（2） 阶变异常：阶变异常的特点是曲线突升—突降，或者突降—突升，持续时间较短；

（3） 垂直极化投影法：如果有震兆异常，则未必遵守原极化规律，这时异常点就会在旋转后的纵轴上远远超出正常变化范围，从而达到识别异常信号的目的；

（4） 长短极距比值法：同一台站同一测向的长短极距比值通常基本稳定在一个固定的数值上变化，可以利用这一特征，从中识别并提取出地震前兆信息。通过对地电场频谱特征、电场极化法、日变化幅度、同一台站长、短极距比值法以及在静日、扰日还是地电暴日的变化分析；了解了地电场在具有较普遍的相似变化后，可以据此评价一个台站的观测质量，特别是通过磁暴期间不同台站的对比，能够清晰地分辨出观测质量不佳的台站。同时通过各台在相同大背景下的明显不一致提取地震前兆异常；

（5） 长极距方位角分析：通过选取谐相关系数较高的测向计算辽宁地区地电场长极距方位角，结果表明方位角异常属于短临前兆异常，主要是以角度离散为前兆异常，震中距与方位角离散程度成正比。