營口臺極低頻觀測數(shù)據(jù)初步分析

孫素梅

（遼寧省地震局， 遼寧 沈陽110034）

0 引言

近幾年來，許多事實(shí)證明，地震之前的電磁效應(yīng)是確實(shí)存在的。根據(jù)國際電聯(lián)定義，超低頻（SLF）和極低頻（Extremely Low Frequency，ELF）的頻率范圍分別為300～30Hz和30～3Hz。法國2004年6月29日發(fā)射了世界上第一顆專門用于監(jiān)測地震和火山等自然災(zāi)害活動的電磁衛(wèi)星DEMETER。我國與俄羅斯合作，利用發(fā)射臺發(fā)射的電磁波信號，在距發(fā)射臺數(shù)千、上萬公里的范圍內(nèi)高精度地觀測電磁場變化，并通過模擬天然地震的試驗(yàn)，研究電場、磁場和大地電阻率的異常特點(diǎn)等一系列研究并取得了大量成果［1］。2018年2月2 日15時51分，我國也成功發(fā)射電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號”，為地震機(jī)理研究、空間環(huán)境監(jiān)測和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供新的技術(shù)手段。

極低頻電磁數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。特別有利于識別和捕捉地震等誘發(fā)的電磁異常現(xiàn)象，在地震預(yù)測監(jiān)測中具有很大的研究應(yīng)用潛力［2-4］。天然電磁場的分布與地理位置和季節(jié)等有關(guān)，但我國尚未系統(tǒng)進(jìn)行極低頻頻段的天然電磁場測量。

本研究主要是營口臺極低頻電磁波觀測的基本情況。對2014—2017年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖查看，分析數(shù)據(jù)的變化形態(tài)，找出規(guī)律，夏季電磁場譜密度通常約是冬季的1.5倍，夏季的變化要明顯一些，推測是由于夏季雷電活動較多的緣故。對比每天不同時段的電磁場譜分布特點(diǎn)，得出營口臺電磁場功率譜密度的時間分布特征。為進(jìn)一步的電磁異常提取奠定穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 觀測臺站和儀器簡介

1.1 觀測臺站概況

國家重大科學(xué)技術(shù)設(shè)施工程項(xiàng)目“極低頻探地工程”地震預(yù)測分系統(tǒng)在首都圈地區(qū)布設(shè)了15個極低頻電磁監(jiān)測臺站，遼寧省內(nèi)布設(shè)了營口、大連兩個臺站，臺站同時記錄天然源與人工源信號。

營口臺臺基穩(wěn)固、觀測環(huán)境優(yōu)良，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊等干擾源，使得營口臺極低頻電磁場記錄數(shù)據(jù)較為完整且數(shù)據(jù)質(zhì)量高。營口臺站基本信息如表1所示。

表1 營口臺極低頻電磁基本信息表

1.2 觀測儀器指標(biāo)

營口臺站已完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和儀器、服務(wù)器安裝調(diào)試，儀器可以按照設(shè)定采集方式完成天然源、人工源數(shù)據(jù)采集，服務(wù)器可以按時完成數(shù)據(jù)處理。臺站數(shù)據(jù)每天定時按照臺站服務(wù)器—省局中心—臺網(wǎng)中心服務(wù)器—學(xué)科中心服務(wù)器方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)本臺網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、數(shù)據(jù)自動傳輸、系統(tǒng)監(jiān)控等功能，運(yùn)行期間，營口臺站儀器、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

臺站所用儀器為德國ADU-07e大地電磁探測儀器，儀器記錄的電磁場原始時間序列由服務(wù)器中安裝的軟件ProcMT 自動完成處理，得到包含功率譜及阻抗等信息的文件。然而隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，天然源電磁場的觀測面臨著日益嚴(yán)重的干擾，由于受到臺站環(huán)境的影響，自動處理得到的結(jié)果在干擾強(qiáng)的頻段總得不到最優(yōu)的結(jié)果。為了解決該問題，總結(jié)臺站數(shù)據(jù)干擾特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)自動處理軟件中找到最適合本臺站環(huán)境的處理參數(shù)，以得到最優(yōu)的自動處理結(jié)果，為進(jìn)一步的電磁異常提取奠定穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)分析

極低頻方法原理和現(xiàn)有電磁法原理一致，利用大地電磁法（MT）的觀測和處理方法原理，但是有極大的改進(jìn)，表現(xiàn)在：（1）人工源輻射電磁場強(qiáng)度比一般的人工源要高萬倍，電磁波傳播遠(yuǎn)，有效的提高了信噪比；（2）固定發(fā)射源，為實(shí)時監(jiān)測提供了便利，工作效率高；（3）應(yīng)用范圍廣，在遠(yuǎn)距離通信、地震監(jiān)測預(yù)警、資源勘探等方面都有廣泛應(yīng)用［8-10］。

大地電磁數(shù)據(jù)處理的主要流程包括：人工選圖—去噪聲、加時窗函數(shù)—各道信號的譜分析—估算譜矩陣（全疊加法，中值法等）—結(jié)果圖形顯示（圖1）。其中每個過程中都有相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行控制。

圖1 大地電磁數(shù)據(jù)處理主要流程Fig.1Main processof magnetotelluricdata processing

營口臺極低頻安裝在新建成的電磁觀測站，場地周圍干擾極少，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較好，信噪比高，儀器安裝后，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的連續(xù)率高。通過數(shù)據(jù)處理后可得長期連續(xù)的數(shù)據(jù)曲線圖（圖2）。

圖2 營口臺極低頻電磁儀器觀測視電阻率和阻抗相位Fig.2 Observedbyextremely low frequency electromagneticinstrument at YingkouSeismicStationto observeapparent resistivityandimpedancephase

3 數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用效果分析

Metronix 公司開發(fā)的資料處理軟件Procmt，提供三種數(shù)據(jù)處理方式：中值處理法、全疊加（stackall）和相關(guān)度閾值法（Coherency Threshold）、中值法（Median Processing）。

（1）全疊加法

顧名思義，全疊加法就是在譜張量、阻抗張量等疊加時選取其平均值作為最后的估算值。大部分情況下，這種方法作為另外一些方法的參考，因?yàn)樗梢越o出數(shù)據(jù)最整體的情況，讓我們清晰的了解到記錄到的所有數(shù)據(jù)質(zhì)量，指示出數(shù)據(jù)好的頻段范圍。然而有時候全疊加方法在死頻段或者高頻部分會給出令人驚奇的好結(jié)果。這些譜估算方法（全疊加法、中值法、相關(guān)性閾值法）都會在估算前剔除一些肯定是錯誤的飛點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)你計算在過程中，將相關(guān)性剔除這個功能打開的時候，譜的全疊加也不是真正意義上的全疊加，而是選取了所有正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行的全疊加。其中均值的計算公式為：

標(biāo)準(zhǔn)差的計算公式為：

（2）相干度閾值法（Coherency Threshold）

相干度閾值方法，是譜疊加中最經(jīng)典的一種方法，它計算Ex 和Hy、Ey 和Hx 的相干度，設(shè)置相干度閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選。在數(shù)據(jù)量比較大的時候，我們可以選取較大的閾值，例如0.8或者更大，這樣可以得到更高品質(zhì)的數(shù)據(jù)，但是閾值也不能選取的太大，否則會因?yàn)檫x取條件太過苛刻，選不到相應(yīng)的值。但是相干度閾值法也有很大的限制，當(dāng)測點(diǎn)處近場干擾較強(qiáng)的時候，其相干度值也很大，但是得到的結(jié)果也很差。

（3）中值法

中值法是通過計算阻抗張量的中值來估算Zxy 和Zyx，即將阻抗張量進(jìn)行排序然后選取第N/2個值。這是一種穩(wěn)定估算方法，可以有效剔除飛點(diǎn)值。但是如果疊加次數(shù)不夠，中值和平均值的計算都是沒有意義的。對比三種譜估算的方法，發(fā)現(xiàn)對于存在一定干擾的測點(diǎn)，中值法比相干度閾值法和全疊加法能得到更加穩(wěn)定的結(jié)果。如圖3所示，以三種處理方法得到的視電阻率和相位曲線為例，中值法的視電阻率曲線更加圓滑連續(xù)，而相干度閾值法和全疊加法在小于10Hz 的頻帶曲線不圓滑，頻點(diǎn)散亂。

圖3 使用三種處理方式的視電阻率和相位曲線Fig.3Apparent resistivity andphase curvesby using three treatments

使用三種譜估算法進(jìn)行視電阻率和相位曲線計算，F(xiàn)FT 長度和Parzen 半徑這兩個參數(shù)對處理結(jié)果影響很大。短的FFT 長度會使得目標(biāo)頻率分辨率下降，但相鄰頻段會變得光滑，對于低能量的譜線，短的FFT 長度及大的Parzen半徑是有利的；存在一定干擾的時序曲線，增大FFT 長度，降低Parzen 半徑， 會減少尖峰對目標(biāo)頻率的影響， 從而提高資料的信噪比。然而如果窗口長度過大，將降低時間序列的可能疊加次數(shù)，這樣統(tǒng)計錯誤就會增加，而如果時序非常短，短的窗口長度也會導(dǎo)致一個容許的統(tǒng)計錯誤。為此，在資料處理過程中需要找出參數(shù)的最佳組合以期得到理想的結(jié)果［5-7］。

4 譜密度隨時間的變化特征分析

地震前可以在地面觀測到電磁場的變化（電磁輻射），這已經(jīng)被大量的試驗(yàn)和實(shí)際觀測所證明，衛(wèi)星資料也顯示在地震前會有電磁場異常。異常電磁場的源可以歸因于三個方面：（1）來自于地震震源區(qū)；（2）地表（或范圍更大為地殼）破裂所引起的；（3）電離層的電流擾動，它還能改變電磁波的傳播條件。一般來說，地震前所能觀測的電磁異常與震源深度、地質(zhì)條件、震中距以及電離層的情況都可能有關(guān)系。但是，由于觀測的臺站多為有人值守的臺站，臺站周邊的電磁環(huán)境復(fù)雜，且當(dāng)前電磁觀測儀器多種多樣，數(shù)據(jù)處理的方法也不盡相同［11］。處理后得出天然源南北向電場（Ex）、東西向電場（Ey）、南北向磁場（Hx）、東西向磁場（Hy）、垂直向磁場（Hz）、視電阻率（Rxy）、相位圖。

（1）譜密度日變化特征

從圖4 營口臺電磁場譜日變的特征可以看出：4 條點(diǎn)線從下至上表示時間為：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）。凌晨的電磁場譜變化最穩(wěn)定，可能由于該時段電磁干擾小的緣故；電磁場譜值的大小與臺站、頻率以及季節(jié)有關(guān)，甚至與電磁場分量有關(guān)。

圖4 營口臺電磁場譜與視電阻率、相位曲線形態(tài)Fig.4 Electromagneticfieldspectrum，visual TV resistivity andphase curveformof YingkouSeismicStation

（2）譜密度分時段變化特征

由圖5可以看出。營口臺數(shù)據(jù)從2017年4月開始至2017年12月觀測期間，在低頻段視電阻率總體夏冬兩季穩(wěn)定相差情況，明顯看出夏季的干擾較大。電磁場譜值夏季明顯高于冬季電磁場譜值，且夏季的起伏比冬季更加明顯。粗淺分析得出，視電阻率、電磁場譜夏季比冬季變化大，可能由于夏季雷電活動比冬季劇烈的原因。

5 結(jié)論和建議

對比每天不同時段的電磁場譜分布特點(diǎn)，得出營口臺電磁場功率譜密度的時間分布特征。得出電場譜值在10-2量級上，磁場譜值在10-4量級上，夏季電磁場譜值冬季譜值的1.5倍左右；夏季電磁場譜變化起伏大，冬季電磁場譜變化較穩(wěn)定；視電阻率和相位總體較穩(wěn)定，但外因也可能引起一定變化；凌晨的電磁場譜變化最穩(wěn)定，可能由于該時段電磁干擾小的緣故。

營口極低頻觀測臺站及其附近的電磁環(huán)境較好，是一個較理想的觀測場所。極低頻臺站眾多，每個臺站的干擾信號也不一致，強(qiáng)弱不同，因此需要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)處理方法的研究，以便能得到真實(shí)處理結(jié)果，為后續(xù)的解釋提供有力的支撐，為進(jìn)一步的電磁異常提取奠定穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。