安徽省數(shù)字化地電場FFT頻譜分析研究

何 康，洪德全，李軍輝，鄭海剛，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

安徽省數(shù)字化地電場FFT頻譜分析研究

何 康，洪德全，李軍輝，鄭海剛，方 震

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

采用傅里葉變換方法對(duì)安徽省地電場進(jìn)行功率譜分析。結(jié)果顯示，地電場在磁靜日和磁擾日的顯著周期不同，靜日以24 h、12 h、8 h和6 h最為顯著，擾日則以4.8 h、4 h顯著；一個(gè)月的地電場中最顯著的周期為12 h和12 h附近。不同臺(tái)站相同方向的地電場數(shù)據(jù)具有相似的頻譜，可以根據(jù)地電場的頻譜來判斷地電場數(shù)據(jù)的可靠性。

地電場；功率譜；顯著周期

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一，在地震前兆觀測中主要是觀測地電場的地表分量及其時(shí)空變化，很早就有國內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)地震與地電場之間的關(guān)系進(jìn)行研究，但總體而言利用地電場進(jìn)行地震預(yù)報(bào)還處于摸索和探討的階段［1-4］。葉青等［5-7］為了給地震預(yù)測提供地電場背景變化，對(duì)地電場的頻譜特征進(jìn)行了探索性的分析，取得了較好的結(jié)果。安徽省蒙城臺(tái)和嘉山臺(tái)的地電場觀測已經(jīng)持續(xù)了較長時(shí)間，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。本文采用傅里葉變換對(duì)安徽省地電場數(shù)據(jù)的頻譜成分進(jìn)行分析，以加深對(duì)安徽省地電場背景的認(rèn)識(shí)。

1 觀測概況

安徽省現(xiàn)有蒙城和嘉山兩個(gè)地電場觀測臺(tái)（圖1），蒙城臺(tái)于2000年1月1日正式投入觀測，嘉山臺(tái)于2007年1月1日正式投入觀測。觀測儀器均采用中國地震局地震預(yù)測研究所研制的ZD9 A-Ⅱ數(shù)字化大地電場儀，觀測間隔為1分鐘。兩臺(tái)地電場觀測均采用三角形布極法，共有NS、EW和N45°W三個(gè)方向，每個(gè)方向又分長、短兩種極距。其中蒙城臺(tái)NS向、EW向長、短極距分別為226 m、113 m，N45°W向長、短極距分別為320 m、160 m；嘉山臺(tái)NS向、EW向長、短極距分別為240 m、160 m，N45°W向長、短極距分別為339 m、226 m。兩臺(tái)線路均采用架空的方式，電極均為蘭州地震研究所研制生產(chǎn)的固體不極化電極，其中蒙城臺(tái)電極埋深為 1.8 m，嘉山臺(tái)為2.5 m。

圖1 安徽地電場臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of Geo-electr ic Field Stations in Anhui

由于場地原因，兩個(gè)臺(tái)的地電場和地電阻率均在同一個(gè)布極區(qū)觀測。蒙城臺(tái)位于皖西北蒙城縣境內(nèi)的黃柏山上，毗鄰郯廬斷裂帶和秦嶺大別山構(gòu)造帶，臺(tái)基主要是震旦系沙巖及第四紀(jì)覆蓋層，周圍地區(qū)覆蓋大都在100～300 m左右。測區(qū)內(nèi)地形較平坦（為農(nóng)田），觀測環(huán)境較好，無明顯干擾。嘉山臺(tái)屬下?lián)P子地塊，是郯廬斷裂帶東側(cè)離斷裂帶最近的地震臺(tái)之一，該區(qū)受西側(cè)郯廬斷裂影響有強(qiáng)烈變形，新生代該區(qū)仍表現(xiàn)上升，臺(tái)基巖性為玄武巖。布極區(qū)內(nèi)地形開闊平坦，無鐵、磁管線和其他鐵、磁物體，區(qū)內(nèi)及其附近無較大的河流、水渠和積水坑，無產(chǎn)生工業(yè)游散電流和其他電磁信號(hào)的干擾源［8-10］。

2 頻譜分析

2.1 單日數(shù)據(jù)分析

選取兩臺(tái)地電場靜日和擾日的數(shù)據(jù)利用傅里葉變換進(jìn)行FFT運(yùn)算［11］得到功率譜，發(fā)現(xiàn)靜日變化，兩個(gè)臺(tái)地電場的頻譜以8 h、12 h、6 h為主導(dǎo)。一些研究認(rèn)為，地電場日變化的頻譜應(yīng)以8 h為主［4］，但蒙城和嘉山臺(tái)8 h的周期成分并不總是最顯著的，有的靜日里8 h的譜值最大，但另一些靜日里12 h最大。同一方向的地電場長、短極距的譜成分應(yīng)該是相同的，但在現(xiàn)實(shí)觀測中，如果同一方向的長、短極距數(shù)據(jù)本身一致性差，那么譜分析的結(jié)果也必然一致性差。2009年10月1日是外空?qǐng)龌顒?dòng)較弱的一天，蒙城臺(tái)EW方向長、短極距的曲線一致性較好，而且雙峰的形態(tài)也很清晰，它們的譜分析結(jié)果是一致的，都是8 h最顯著，其次是12 h、6 h（圖2）。

圖2 蒙城臺(tái)地電場EW方向分鐘值數(shù)據(jù)及譜分析結(jié)果Fig.2 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at M engcheng Station of Geo-electric Field in EW Direction

擾日里，地電場的頻譜發(fā)生了較大的變化，優(yōu)勢周期集中在5 h以下，特別是以4.8 h、4 h最為顯著。由于地電場記錄的是區(qū)域性乃至全球性的變化，同一臺(tái)站的NS和EW方向的主要譜成分應(yīng)該是一致的，但實(shí)際觀測中存在著各種干擾，兩方向可能并不完全一致。因此，如果臺(tái)站的某一方向數(shù)據(jù)的譜成分和別的方向存在明顯的差異，應(yīng)仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)來源。又由于NW方向所記錄的數(shù)據(jù)是NS和EW方向的矢量和，NW方向應(yīng)該包含NS和EW方向的全部頻譜成分。

2.2 一月數(shù)據(jù)分析

由于單日的數(shù)據(jù)時(shí)間有限，對(duì)較長周期的分析較差，下面對(duì)嘉山臺(tái)和蒙城臺(tái)一個(gè)月或更長時(shí)間段的地電場曲線進(jìn)行傅里葉分析。結(jié)果顯示，一個(gè)月的地電場曲線的優(yōu)勢周期較為一致，以12 h和12 h附近的周期為主，其次是8 h和24 h。圖3是2009年10月和2010年5月嘉山臺(tái)NW方向長、短極距的原始曲線和譜分析結(jié)果?？梢钥闯?，嘉山臺(tái)NW方向長、短極距在這兩個(gè)月的譜成分中最顯著的周期都是12.4 h和12 h，24 h也較明顯，稍有不同的是2010年5月的8 h周期比較明顯，而2009年10月則不明顯。這表明地電場的優(yōu)勢周期比較固定，即12 h和12 h附近的周期，其中12 h是固定的，但12 h附近的周期成分在變化，目前得出的有12.4 h、12.48 h、12.456 h、12.615 h等。前人研究認(rèn)為，中低緯度的4個(gè)電流渦旋場產(chǎn)生了12 h的地電場半日變化［4］，然而不同的優(yōu)勢周期是否代表了不同的電流渦旋場值得進(jìn)一步探討。

圖3 嘉山臺(tái)NW方向分鐘值數(shù)據(jù)及譜分析結(jié)果Fig.3 The M inute Value Data and Spectrum analysis resu lts at Jiashan Station of Geo-electric Field in NW Direction

圖4 20080401—20080511蒙城、嘉山臺(tái)地電場功率譜分析結(jié)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

如果地電場數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的階躍或跳數(shù)，那么不同臺(tái)站、相同方向的地電場的主要周期成分應(yīng)該相似（圖4）。因此，可以通過對(duì)地電場的頻譜分析確認(rèn)地電場數(shù)據(jù)的可靠性。例如，2010年1月下旬開始，蒙城臺(tái)地電場NS長方向的數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)階躍下降，經(jīng)過仔細(xì)排查后確認(rèn)為電極故障，更換電極后沒有再次出現(xiàn)階躍下降（圖5），這些數(shù)據(jù)的變化在頻譜上也得到了充分體現(xiàn)。圖6是蒙城臺(tái)NS長方向在2010年5月和8月的頻譜分析結(jié)果，可以看出，5月份最顯著的周期并不在12 h和12 h附近，而是在21 h、18 h附近，這與地電場的正常頻譜不同。在更換電極后的8月，頻譜中最顯著的幾個(gè)周期就是12 h、24 h和8 h，這表明蒙城臺(tái)NS方向的數(shù)據(jù)恢復(fù)到了正常水平。

圖5 2010年1月至8月蒙城臺(tái)地電場NS方向長極距小時(shí)值曲線Fig.5 The Hours Value Data of Geo-electric Field in NS Direction at M engcheng Station from Jan 1 to Aug 31，2010

圖6 蒙城臺(tái)地電場NS長極距在2010年5月和8月的頻譜分析結(jié)果Fig.6 Power Spectrum analysis results of Geo-electric Field in NSDirection at M engcheng Station in M ay and Aug，2010

3 結(jié)論

綜上，蒙城臺(tái)和嘉山臺(tái)地電場的頻譜分析結(jié)果顯示，地電場在靜日和擾日的主要周期成分不相同，靜日里以12 h、8 h、6 h和24 h顯著，擾日里以4.8 h、4 h顯著；1月或稍長時(shí)間地電場的最顯著的周期為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；不同臺(tái)站相同方向的地電場數(shù)據(jù)應(yīng)該具有相似的頻譜，可以根據(jù)地電場的頻譜來判斷地電場數(shù)據(jù)的可靠性。

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FFT Analysis on Digital Geo-electric Field in Anhui Province

He Kang，Hong Dequan，Li Junhui，Zheng Haigang，F(xiàn)ang 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，碩士，工程師，主要從事地震電磁學(xué)和地震預(yù)報(bào)的研究。