海南翁田臺地電場數據質量及頻譜分析

[摘要]" " 地電場觀測系統的觀測對象是地電場強度矢量，其目的是通過觀測地表的地電場強度，探索地震前地電場的變化，獲得地下電性結構及其變化規律，開展孕震過程中大地電場的變化特征研究 。本文對翁田臺地電場自建臺以來的數據進行了詳細的梳理，通過計算差值和相關系數來分析數據自運行以來的質量情況，總結數據質量較好的原因，并對下一步如何提高數據質量給出一些建議。翁田臺地電場觀測數據曲線存在明顯1峰1谷的日變形態，對其進行頻譜分析，優勢周期為24、12、6 h，以24 h為主。運用優勢方位角的方法計算發現，2017—2018年優勢方位角存在收窄和偏轉現象，對該異常進行了分析與探討。

[關鍵詞] 大地電場; 日變; 周期; 方位角; 電性結構

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-045

0" 引言

地電場E（geoelectrical field）包括大地電場Et （terrestrial electric field）和自然電場Esp（spontaneous electric field）及局部干擾Er（regional electric field）[1]。大地電場為地球表面存在的天然變化電場，是由地球外部的各種電流體系與地球介質相互作用，產生的分布于地下的感應電場。自然電場是地球表面分布的天然穩定電場，它是由礦體、地下水和各種水系產生的分布于局部地區的傳導電場[2]。在電磁環境和觀測系統較理想時，局部性相對穩定變化的電場，Er在較小范圍內隨機波動。

地電場觀測主要由觀測場地和地電場觀測系統兩部分組成（圖1）。其中地電場觀測系統是由測量儀器、觀測裝置和校驗系統組成。校檢系統主要是用來檢測測量儀器的運行情況。

地電場采用多極距測量，布設采用“L”型，在南北和東西向布設電極距長短不同的電極對，組成地電場測量系統。通過分析同一方向上不同極距測值的大小、形態，提取地電場數據畸變[3]，分析影響因素，為數據分析應用做好保障。

在實際應用中，一般采用“多方向、多極距”的觀測方法，即采用正交的南北和東西向進行測量，每個測向布設長短不同的極距進行測量。通過對同一測向長短極距測量值進行相關系數分析，差值檢測來判定數據的可靠性，驗證觀測數據的內在質量。

1" 臺站情況介紹

海南省地震局在“十一五”地震背景場項目中新建2個地電場觀測臺站，分別為瓊中臺和文昌翁田臺（圖2）。

文昌翁田臺位于海南文昌市翁田鎮抱虎嶺東南腳下（19.96°N，110.87°E），高程約50 m，距海域約4 km。周邊人員稀少，多為農田和荒地。該臺為無人值守臺站，儀器于2012年底進行安裝，2014年試運行，2015年通過驗收接入觀測參與評比。布極采用“L”型（圖3），NS長123 m，EW長109 m，NE長172 m，NS短105 m，EW短99 m，NE短144 m，基本符合地電場建設要求。

2" 數據內在質量分析

文昌翁田臺儀器于2015年納入觀測運行至今，整體運行情況較好，主要受不極化電極不穩、臺風暴雨天氣的影響導致數據有時出現大的階躍突跳。本文對觀測數據進行內在質量及影響因素分析（評價數據內在質量的指標是差值與相關系數），并對數據質量進行評估與總結。

2.1" 差值

因為地電場在某一局部地區是基本穩定，從理論及VAN法分析[4]，同一方向長短極距觀測數據的變化幅度應該是一致的。用歸零差值可以判斷同一方向的觀測數據變化幅度是否一致，是否存在漂移現象。歸零差值的計算方法：首先去掉地電場數據中的背景值（濾去自然電場），將所有觀測數據與該測道的00∶00數據（或第一個測量數據）相減，得到該測道的歸零日變化數據；然后計算同方向兩個測道歸零數據的差值序列（電場強度的差值）；最后求出差值序列的算術絕對平均值，得到歸零差值。

海南省雨量充沛，年降水量在1000～2600 mm之間，年平均降水量為1639 mm，有明顯的多雨季和少雨季。每年5—10月是多雨季，總降水量達1500 mm左右，占全年總降水量的70%～90%，每年11月至翌年4月為少雨季，僅占全年降水量的10%～30%。

據2015—2022年翁田臺的數據差值曲線（圖4）可見：2018年差值曲線最小，除個別時間外，大部分時間段差值都小于10 mV/km；其他年份因海南臺風暴雨較多，由暴雨導致地電場測量值背景噪聲偏大，數據內在質量較差。

2.2" 相關系數分析

由于自然地電場在同一區域是基本穩定的，因此同一測向長短極距數據變化規律也應該是一致的。用相關系數[5]來衡量在同一方向上的長短極距變化趨勢，若趨勢一致，則說明數據可信度較高；若趨勢不一致，則需要考慮觀測系統是否正常工作，測區內是否存在干擾等。相關系數的計算方法：將每小時60個分鐘值數據分別參與計算，然后采用去極值的方法計算其算術平均值，得到該天數據的相關系數。

圖5是2015—2022年翁田臺數據相關系數曲線。2018年相關系數曲線最好，大部分時間段相關系數接近于0.99以上，可能原因是由于2017年11月臺站更換了6個電極。其次是2015年曲線相關系數較好，大部分在0.8以上。其他年份每年的5—10月份因海南臺風暴雨較多，導致地電場測量值背景噪聲偏大，電極不穩定，需及時更換電極；另外，因降雨較多，線纜接觸不良，外線路絕緣度不夠，造成數據質量較差[6]。

3" 數據應用

3.1" 優勢方位角計算

巖體裂隙結構會因地下介質的應力積累變化而變化，掌握大地電場優勢方位角變化的正常狀態，分析甄別其異常形態，應用地電場優勢方位角方法，可為探索地下巖體結構發育提供一定判據，并為海南開展地震預測預報提供新判據[7-8]。

地殼中巖體內存在含水裂隙，基于大地電場潮汐機理，這些裂隙水或水中電荷在以日為周期沿裂隙往返滲流或移動，因此，巖體裂隙結構的優勢方位基本就是大地電場的優勢方位α。計算公式如下：

基于不同測向之間計算相關系數，選擇相關系數較高的NS、NW測項計算優勢方位角，A_（（NW），i）、A_（（NS），i）表示Et的峰谷（在潮汐波峰、谷前后，潮汐電場強度最大，穩定性相對好）。Ai是第i階潮汐諧波振幅。前10階潮汐諧波周期穩定，日變波形幅度主要取決于潮汐諧波的前5階幅度。

根據公式（1）計算翁田臺的優勢方位角（圖6），發現2017—2018年優勢方位角存在異常（紅色方框）：NS/EW、NS/NE突跳范圍收窄，EW/NE有偏轉現象。這可能與2019年10月12日北流5.2級地震有關，需繼續積累相應的震例來進行回溯并對該異常進行研判。因海南只有翁田臺數據質量可靠，無法進行多個臺站的準同步變化對比，海南在“十四五”規劃中將再建2個地電臺站，一起對之后出現的異常進行對比分析，提高異?？尚哦?。

3.2" 頻譜分析

中國地電場觀測數據曲線主要有峰谷型、近直線型、無序型和混合型[1]，其中峰谷型又有TGF-A型和 TGF-B型（Tidal Geoelectrical Field）2種形態。TGF-A型地電場與潮汐相關，尤其是固體潮，分布一般靠近水域；TGF-B型則主要是在電離層中形成的各種電流體系，尤其是Sq電流，通過固體地球導電圈層產生感應電場，并與巖石飽和度、滲透率等有關[9]。電場的變化受測點地理位置條件、地下電性結構、電極布設、裝置系統等多種因素有關。導致其變化形態呈多樣化、復雜性的特點。因文昌臺靠近海邊，從數據曲線（圖7）可知，是近正弦形態的TGF-A型。數據日變形態呈1峰1谷的形態，選取7天的數據曲線對其進行頻譜分析，優勢周期為24、12、6 h。

4" 結論

（1）分析2015—2022年文昌翁田臺儀器自運行以來的數據內在質量，2018年最好，經詳實調查分析得知2017年11月臺站更換過6個電極，可知電極對數據的內在質量影響較大。

（2）翁田優勢方位角計算發現，2017—2018年優勢方位角存在異常：NS/EW、NS/NE是突跳范圍收窄；EW/NE有偏轉現象，這可能與2019年10月12日北流5.2級地震有關，需繼續積累相應的震例來進行研判。

（3）文昌翁田臺地電場是TGF-A型。數據日變形態呈1峰1谷的形態，從頻譜分析來看，其優勢周期為24、12、6 h。

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Data quality and spectrum analysis of geoelectric field at Wengtian station in Hainan

Guo Mingrui*， Wang Xijiao， Lu Qiming， Li Dongya， Pang Xuehua， Guo Yuqin， Xie Xiaojing

Hainan Earthquake Agency， Hainan Haikou 570203

[Abstract]" " "The observation object of the geoelectric field observation system is the geoelectric field intensity vector. Its purpose is to explore the change of the geoelectric field before earthquake， to obtain the electrical structure and its change law of underground and rock layer， and to develop the change characteristics of the geoelectric field in the process of seismogenesis by observing the intensity of geo electric field on the surface. The data of Wengtian geoelectric station since its establishment are sorted out in detail， and the quality of the data since its operation is analyzed by calculating the difference and correlation， the reasons for the good data quality are summarized， and some suggestions on how to improve the data quality in the next step are given. The curve of geoelectric field observation data at Wengtian station has an obvious daily variation form of one peak and one valley. The spectrum analysis shows that the dominant periods are 24， 12 and 6 hours， with 24 hours as the main period. By using the method of dominant azimuth angle， it is found that the dominant azimuth angle is narrowed and deflected from 2017 to 2018， and the anomaly is analyzed and discussed.

[Keywords] terrestrial electric field; daily variation; period; azimuth; electrical structure

*通訊作者： 郭明瑞（1983-），女，工程師，從事地震火山監測預報。E-mail：545113937@qq.com