洱源地电场位于鹤庆—洱源断裂的洱源盆地,观测外线路布设为等极距平行L形,极距均为282 m,采用不极化电极,长、短极距电极埋深分别为5 m和3 m; 罗茨地电场位于罗茨—易门断裂的罗茨盆地,观测外线路布设为长、短极距平行L形,长、短极距分别为300 m和250 m,采用圆柱体的铅电极,电极埋深均为5～6 m。两观测场地均使用ZD9A-II地电场仪进行观测。

自2008年以来,磁情指数K≥6的磁暴共发生15次,其中K=6的磁暴13次,K=7的磁暴2次。在此期间,由于仪器故障及断电影响,剔除罗茨台3次缺数时段资料,选取10次K=6和2次K=7磁暴期间,地电暴记录较清晰的洱源和罗茨2个地电场的原始观测数据作为研究对象。

图1为2012年6月16～18日(K=6)和2011年9月26～27日(K=7)通海地磁F分量和洱源、罗茨地电场长极距北南、东西向的分钟值时间进程曲线,从图可见在磁暴发生期间,地电场记录到了类似于地震波形的尖锐脉冲变化,这种异常变化出现的时间与磁暴开始的时间基本同

步。相比磁场总强度F的变化过程,地电场记录到的变化更剧烈、高频变化成分更丰富。

针对磁暴期间地电场高频异常显著增多的现象,笔者分别统计了2012年6月17日磁情指数K=6和2011年9月27日磁情指数K=7的磁暴期

图1 2012年6月16～18日(K=6)(a),2011年9月26～27日(K=7)(b)地磁场、地电场分钟值曲线图
Fig.1 Minute value curves of geomagnetic and geoelectric fields on Jun.,16～18,2012(K=6)(a),and on Sep.,26～27,2011(K=7)(b)

间,洱源和罗茨地电场各测向的长、短极距的最大变幅,并采用最大相关系数分析方法,计算了磁暴发生期间,对应测向长、短极距分钟值之间的相关系数,取其平均值作为磁暴期间地电场该测向的相关系数。考虑洱源和罗茨地电场的电极改造时间,分别对洱源地电场2010年4月1日至2012年9月30日的日均值和罗茨地电场2010年12月1日至2012年9月30日的日均值进行计算和分析,取其平均值作为地电场正常日变化幅度及相关系数。具体数据见表1。

表1 磁暴日与正常日洱源、罗茨地电场日变幅及相关系数表
Tab.1 Daily variation amplitude of the geoelectric field at Eryuan and Luoci Stations and their correlation coefficient on Geomagnetic storm and normal days

从表1可以看出,在磁暴发生期间,洱源和罗茨地电场的最大变幅相差明显,其中洱源地电场长极距约为罗茨地电场的2倍,短极距约为4倍; 地电场的变化幅度比正常日变幅显著增大,从平均值来看,在K=6磁暴发生期间,洱源、罗茨地电场平均最大变幅分别可达正常日变幅度的3倍和5倍左右,在K=7磁暴发生期间,洱源、罗茨地电场平均最大变幅分别可达正常日变幅度的5倍和7倍左右; 地电场各测向的相关系数较正常日变形态明显升高,其中洱源地电场相关系数比正常日变形态平均高0.13左右,罗茨地电场则平均高0.12左右。

为了进一步分析地电暴的变化特征,选取2012年6月17日(K=6)和2011年9月27日(K=7)洱源、罗茨地电场长极距北南、东西向观测数据,利用最大熵谱法进行频谱分析,结果见表2、图2。

表2 磁暴时洱源、罗茨地电场功率谱分析结果
Tab.2 Power spectrum analysis of the geoelectric field at Eryuan and Luoci Stations on

根据表2和图2的计算结果,对磁暴期间地电场的频谱特征分析如下:(1)从主要频率的周期成分来看,相同台站的NS、EW向主频周期成分基本相同,不同台站之间存在一定的不一致性;(2)从最大功率谱值来看,相同地电场NS、EW分量的谱值比较接近; 不同地电场的谱值存在明显的差异;(3)对比两次不同K指数的地电暴,主频周期成分和最大功率谱值变化随着K指数的增大不存在明显的规律;(4)从整体衰减过程来看,不同地电场的谱系结构随周期变化的趋势基本相同。

取2008年以来12次K≥6磁暴发生期间,洱源和罗茨地电场NS向长极距所对应的最大变幅数据进行分析,从图3可见,当K=7时,洱源、罗茨地电场观测均出现了最大变化,而最大变化与ΣK的大小不成线性关系,因此分析认为磁情指数K的大小与地电暴的相关性更为明显。

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图2 2012年6月17日(K=6)(a)、2011年9月27日(K=7)(b)地磁场、地电场分钟值频谱图
Fig.2 Minute value spectrum graph of geomagnetic and geoelectric fields on Jun.,17 in 2012(K=6)(a),and on Sep.,27 in 2011(K=7)(b)

图3 地电场最大变幅分别与K、∑K关系图(a)洱源地电场;(b)罗茨地电场
Fig.3 Relations of the maximum amplitude with geomagnetic storm index K and ∑K in the geoelectric field (a)Eryuan geoelectric field;(b)Luoci geoelectric field

对2012年6月17日K=6磁暴期间地电暴幅度进行统计,洱源、罗茨地电场的最大变幅平均值分别为83.0 mV/km、16.8 mV/km。也就是说,磁暴发生期间,不同地区所记录的地电暴幅度具有显著的差异性。为此,我们研究了地电暴期间感应电场与磁场之间的关系。

在地球变化磁场(B/t)的作用下,地表会感应生成相应的电场E,而当地磁场发生强烈扰动,即在磁暴期间,感应电场强度最高可达每公里几十伏,持续时间可达几小时。同时,强的感应电场便会在导电体内产生感应电流J,随之感应电流反过来又再次产生一个附加磁场,继而感应出另一个电场,如此反复循环,且感应电场与垂直方向的磁场分量之间存在关系式

E(ω)=Z(ω)×B(ω).(1)

式中,Z(ω)为该地区地表阻抗值; B(ω)为该地区磁场分量强度。

由式(1)可以看出,感应电场强度为该地区的地表阻抗值与磁场强度的乘积,从而可以得出,对于一个剧烈变化的地磁场所产生的感应电场,其大小主要是由该地区一定深度的总电导所决定的(马晓冰等,2005; 徐文耀,2003); 也有研究结果表明,地电场观测中,其日变化幅度在很大程度上与观测台址表层电阻率大小有关(杜学彬等,2007)。这也表明了在同一磁暴期间,不同地区地电场观测对其响应程度是不同的,也就是所产生的地电暴幅度是不一样的。

另外,从理论上来讲,不同地电场在同一磁暴期间,其主要频率的周期成分应该是相同的,但实际数据分析却存在不一致性。由于文中所研究的洱源、罗茨地电场在“十五”项目前期安装和架设过程中,均未开展电测深工作,实际的总电导数据无法获取,无法通过实际计算结果来与其观测结果进行对比。

罗茨地电场在磁情指数K=6时,地电暴平均最大变幅为10 mV/km,在磁情指数K=7时,其平均最大变幅为22 mV/km; 洱源地电场在磁情指数K=6时,地电暴平均最大变幅为20 mV/km,在磁情指数K=7时,其平均最大变幅为40 mV/km。对于一个确定的地电场,当磁情指数不一样时,其地电暴最大变幅是不一样的。为此我们研究了地电暴幅度与磁情指数K之间的关系。

根据式(1)可知,在一个确定的地区范围内,其电阻率结构在一定程度上是固定的,该范围的总电导就是确定的,因此由地磁扰动所产生的感应电场的变化幅度,与该时段内地磁扰动幅度成线性正相关,也就是所产生的地电暴幅度与用来描述地磁扰动强度的K指数呈正相关,随着K指数的增加,电场强度一般也随之增大。