地球表面的地电场是由地球外部的各种电流系在地球表面感应产生的,它分布于整个地表,这种天然的全球性或区域性的变化电场,称为大地电场。天然的稳定电场主要由矿体、地下水和各种水系产生,分布于局部地区,这种天然的地方性的稳定电场,称为自然电场。以上两种电场总称为地电场(孙正江,王华俊,1984)。“九五”期间,我国陆续建成了20多个地电场观测台站,杜学彬等(2007)对其静日日变化进行过研究:地电场的日变化不仅与纬度有关,而且与季节有关。叶青等(2007)运用最大熵谱方法对部分地电场台站的大地电场日变化、地电暴等的谱成分进行过研究,结果表明:大地电场日变化主要是12 h的半日波成分最强,24～25 h的全日波和8h周期成分次之。到“十五”末期,全国共建成100多个地电场台站,谭大诚等(2010)将地电场台站的潮汐地电场分成近正弦的TGF-A和近梯形的TGF-B型,并对其形成机理进行相关研究。

新沂地震台于2007年1月正式架设地电场观测仪器,地电场观测本身容易受区域电磁环境以及气候等因素的干扰。张秀霞等(2009)认为新沂地电场观测中的干扰因素主要有:雷电干扰、降雨影响、电阻率测量干扰,场地固定干扰、线路和仪器故障、门限问题、数据阶跃、数据的长期漂移等。

笔者通过对新沂台地电场平静变化时段分钟值数据的处理和分析,同时运用地磁场H分量、连云港台体应变数据与地电场进行对比分析,再结合频谱分析的结果,提取静日的日变化特征,进而认识其产生的变化机制。

新沂地震台位于苏、鲁交界的郯庐断裂带中南段,东距黄海100 km左右。台站基岩主要是红色砂岩,第四纪覆盖深浅不一。在测区内,其变化为东薄西厚,变化范围在4～40 m之间; 南北向覆盖层变化范围较小,在4 m左右。观测仪器采用ZD9A-Ⅱ型大地电场仪,其测量频段为0～0.005 Hz,资料产出为1组/min。共布设NS向、EW 向和北偏东45° 3个方向,电极为Pb-PbCl2不极化电极,电极埋深为3.5 m,外线路采用埋地方式,观测系统的建设及布极区的环境状况均符合观测规范(中国地震局科技监测司,2001)要求。连云港地震台位于扬子与华北断块之间的苏北—鲁南地体内,在新沂台正东向约90 km,台址基岩属前寒武系云台山组的中段,岩性为花岗片麻岩。台站于1998年5月1日正式开始观测,仪器型号为 TJ-2B体积式应变仪,多年来体应变资料连续可靠。

傅立叶变换的理论与方法在“数理方程”、“线性系统分析”、“信号处理与仿真”等很多学科领域都有着广泛的应用,采用傅立叶级数分解可以知道信号中含有哪种频率成分,振幅有多大。与直接计算相比,用快速傅立叶变换算法可大大减少运算次数,提高工作效率,为此,笔者利用基于MATLAB的快速傅立叶变换(万永革,2007)对以上各月地电场NS向和EW向、地磁场H分量、体应变进行频谱对比分析,其显著周期、谱值大小等情况见图7。

从显著周期的表现形式来看,地电场NS向6 h、8 h、12 h、24 h、48 h的显著周期基本都有体现,各月具体情况又有所差异,最大显著周期各不相同,总体来讲以12 h、24 h、8 h的周期为主。对于地电场EW向,虽然6 h、8 h、12 h、24 h、48 h的显著周期基本都有体现,但最大显著周期仅为12 h。对于地磁场H分量,6 h、8 h、12 h、24 h、48 h的显著周期基本都有体现,最大显著周期以12 h、24 h、8 h为主。对于体应变,

图7 新沂台日地电场、地磁场H分量和连云港台体应变频谱分析曲线
(a)、(b)、(c):2009年2月9～13日;(d)、(e)、(f):2009年5月23～27日;
(g)、(h)、(i):2009年9月6～10日;(j)、(k)、(l):2009年11月3～7日;
(m)、(n)、(o):2008年11月18～22日
Fig.7 Curves of minute-value of geoelectric field,geomagnetic field H in Xinyi station,and volume strain in Lianyungang station(a),(b),(c): February 9 to 13,2009;(d),(e),(f):May 23 to 27,2009;(g),(h),(i):September 6 to 10,2009;(j),(k),(l)Novermber 3 to 7,2009;(m),(n),(o):Novermber 18 to 22,2008

12 h、24 h、48 h的周期基本都有体现,最大显著周期是12 h和24 h。除以上各周期外,其它周期(如4 h)也有一定反应。

总体上从相互间的对应关系来看,地电场NS向与地磁场H分量的显著周期对应性较好,都是以12 h、24 h、8 h的显著周期为主,只不过各个月的表现形式或排序有所不同; 地电场EW向与体应变的显著周期对应性较好,都是以12 h的显著周期为主。此外还存在如下特点:对于12 h以上的显著周期,地电场NS向与体应变的对应性要明显高于12 h以下的周期; 而地电场EW向波形更像是地磁场H分量与体应变波形叠加(抵消)形成的一样(2009年5月23～27日尤为明显)。

从各月的最大显著周期的谱值结果可以看出:① 地电场EW向各月的最大显著周期都为12 h,其谱值十分突出; 地电场NS向各月的最大显著周期不唯一,且谱值的表现也不尽相同,即使在同月,其最大显著周期与次级甚至是第三显著周期相比,还存在谱值相差不大的现象。这就是地电场EW向与NS向的日变形态不尽相同的原因。② 地电场NS和EW向最大显著周期都在9月,其次是5月,最小为2月和11月。地磁场H分量和体应变的最大显著周期的谱值特点与地电场略有不同,其总体上是5月、9月大,2月、11月小。③ 2008年11月与2009年11月地电场NS向之间的最大显著周期的谱值相差不大,而EW向相差近1倍; 同期,地磁场H分量的最大显著周期的谱值变化不大,而体应变的最大显著周期的谱值也相差一倍。④ 2009年2月地电场的最大显著周期的谱值较2008年11月明显偏大。笔者通过对比注意到,体应变在此2个月的最大显著周期谱值变化不大,但地磁场H分量最大显著周期的谱值变化却十分明显,并且地磁场H分量和体应变曲线在此2个月的最大显著周期都是不同的,前者由24 h周期变成12 h周期,后者由24 h周期变成12 h周期。

磁场主要的平静变化有太阳静日变化Sq和太阴日变化L,其变化周期分别是1个太阳日(24 h)和一个太阴日(24 h 50 m)。在中低纬地区,在静日变化时,可以清楚地分辨出占优势的Sq变化。Sq变化依赖地方时,白天变化大,夜间较平稳,同时具有明显的逐日变化; 太阴日变化L具有半日波占优势和与月相有关两大特点,因此其平静变化具有潮汐现象。同时,太阳静日变化Sq的幅度存在显著的季节变化——夏季变化大而冬季变幅小(徐元耀,2009)。而地电场与地磁场的快变化部分具有相同的场源,所以地电场与地磁场很容易表现出季节性变化及潮汐现象,这就使得新沂台地电场各分量的日变幅在不同季节不尽相同,存在季节差异。此外由于地表结构对电场的影响比对磁场影响要大(中国地震局科技监测司,1995),新沂台地电场的场地存在各向异性,NS向表层电阻率要高于EW向表层电阻率。这是造成地电场NS向和EW向呈现出不同变化的另一个原因。

固体潮是固体地球部分发生的周期性变形,和海(湖)潮一样,是由于天体对地球的引潮力所引起的,其中月亮的影响约为太阳的2.17倍。其表现过程为在引潮力的作用下,地球固体部分与天体的连线拉长、垂向压扁,并随着天体运动、地球与日、月等天体方位的改变而改变。固体潮的变化周期主要有12 h、24～25 h、15 d、30 d等(中国地震局科技监测司,1995)。地电场呈现出明显的峰谷潮汐变化,其变化主要是月球引潮力的作用(张学民等,2007; 谭大诚等,2010),因而地电场与固体潮具有关联性。

地球自转和围绕太阳公转、月亮围绕地球公转,都是从西向东。虽然转动中地电场和地轴、月轴存在一定夹角,但总体为东西向,从而使太阳、月亮对地球的引潮力的变化在不同时间段内主要以东西向为主,而南北向变化相对较小。新沂台距离黄海仅100 km,容易受到海潮影响,由于农历时间不同,固体潮出现大、小潮时间与地磁场H分量出现的峰谷变化时间并不一致,且月亮围绕地球公转一周的周期为27.321 66日,在地磁场与固体潮的共同作用下,地电场的日变形态出现多样性,因而造成地电场EW向的日变形态以固体潮的形态为主,而地电场NS向的日变形态与固体潮的形态关联性相对偏弱。

(1)在磁静日变化时,新沂台地电场日变形态与地磁场和固体潮日变形态有着明显的对应性。其中EW向的日变形态与固体潮相类似,主要为双峰双谷形态。地电场NS向与地磁场日变形态的对应性较高,同时还叠加了固体潮的作用,其日变形态以双峰单谷为主,存在一定的双峰双谷形态,还夹杂着近似三峰三谷形态。通过频谱分析,验证了新沂台地电场NS向和EW向日变化存在着不同的显著优势周期,其显著优势周期的不同决定了其具有不同的变化形态。

(2)新沂台地电场的日变化存在明显的季节性,而且其NS向和EW向呈现出不同的变化形态,这是地磁场、固体潮的季节性变化以及场地的浅层电阻率各向异性共同作用的结果。