宋 昭，罗 娜，赵志远，高登平，王秀敏，解 真

(红山基准地震台，河北 邢台 054001)

红山台ELF电磁场功率谱密度的时间分布特征

宋 昭，罗 娜，赵志远，高登平，王秀敏，解 真

(红山基准地震台，河北 邢台 054001)

利用红山地震台ELF极低频观测数据处理得到不同观测分量、不同频率功率谱数据的时间序列，并通过对数据进行作图分析，得出红山台电磁场功率谱密度的时间分布具有如下特征： ①电磁场功率谱密度均具有夏强冬弱的季节分布，呈正弦波形态,夏季变化幅度是冬季的1～10倍不等；②不同频率上，各测项功率谱密度无多年趋势性变化特征，年际变化幅度小于年内1～3个数量级。

ELF；电磁场；功率谱密度；时间分布；红山台

0 引言

地震的孕育和发生是一个极其复杂的地球物理过程。由于其发生在地球内部,更增加了地震预报研究的难度[1]。过去几十年，通过地面和空间观测，记录到地震前大量的电磁异常现象，证明地震电磁效应是确实存在的。岩石实验和理论模型研究也为地震电磁现象的存在提供了一定的试验和解释依据。电磁场观测不同于仅测量电场或磁场的传统电法或磁法，它同时处理电场和磁场，并利用电磁感应原理研究地球电磁场和地质问题[2]。

“十五”期间，全国范围内共安装了12套ELF大地电磁测深仪，观测电磁场时间序列、电磁场频谱、视电阻率、阻抗相位和电阻率结构随时间的变化等。ELF大地电磁测深观测产出了大量数据，在地震预测研究和相关领域得到了广泛运用[3]。随着ELF仪器的广泛布设，统计并分析全国范围内电磁场功率谱密度背景值的时空分布有着重要意义。它不仅能够使高质量的观测数据得到充分利用，还将对仪器的运行、维护提供有益帮助，为前兆事业的发展起到一定的推动作用。

红山台ELF仪器自2009年7月份正式观测以来，运行情况较为稳定，产出了高质量的观测数据。本文选取了该仪器2011—2015年期间的数据进行分析处理，试图找到红山台ELF电磁场功率谱密度的时间分布背景动态。在提高基层台站对本台大量观测数据的利用、更好地认识观测数据的同时，为获取更大范围内的电磁场背景动态分布乃至识别电磁前兆观测异常奠定基础。

1 观测台站和仪器简介

1.1 观测台站概况

红山基准台(以下简称红山台)台基稳固、观测环境优良，远离城镇和村庄等干扰源，加上台站工作人员对观测系统维护到位，使得红山台ELF电磁场记录数据较为完整且数据质量高，利于分析利用。

1.2 观测仪器指标

2007年5月由中国地震局地质研究所在红山台敷设了ELF电磁观测，使用俄罗斯生产的ACF-4M型ELF电磁观测仪器，观测4道水平天然场的电磁信号，即2道相互垂直电场(E1、E2)和2道相互垂直磁场(H1、H2)，观测频率范围0.1～800 Hz。电场传感器(Pb-PbCL2 不极化电极)和磁场传感器(磁感应线圈)采用与正南北、正东西呈45°交角的方式埋入地下，以消除交流供电干扰。传感器连接线采用埋地(50 cm 深度)敷设，电极线和磁电缆线埋设相距2 m以上，不平行。仪器布设情况如图1，仪器参数详见表1。

图1 红山台ELF布设图

红山台ELF的观测分为3个频率段：第1频段(D1)，频率范围是0.1～40 Hz，采样率为160 Hz； 第2频段(D2)，观测频率1～400 Hz，采样率1 600 Hz；第3频段(D3)，观测频率1～800 Hz，采样率3 200 Hz。观测仪器每天进行2个时段的观测：第1观测时段为0：00—6：00，第2时段为6：30—12：30。每1时段的观测频段顺序均为D3、D2、D1。其中，D3频段观测20分钟，D2频段观测1小时，D1频段观测4小时。所有通道的前置放大器增益均为1。

红山台ELF观测仪记录的是天然电磁场。天然电磁场在极低频频段的场源主要为：雷电产生的电磁场、高空电离层扰动产生的电磁场、地球上各种人文干扰以及来自震前的电磁辐射等[4]。

表1 红山台ELF仪器布设参数

2 数据计算及处理

2.1 从原始时域到频率域

DFT即离散傅里叶变换算法，可以将信号进行时域和频率域的相互转换。对于有限长离散信号x(n),n=0,1,…,N-1,其DFT定义为：

(1)

FFT是DFT变换的快速算法，它利用了WN的对称性和周期性，将N点DFT分解为2个N/2点的DFT，再分解为4个N/4点的DFT等一直分解下去，则2M点的DFT均可分解为2点的DFT以简化计算。

ELF的原始观测资料是包含多种频谱的时间序列数据。数据处理时将每天记录到的原始时间序列数据通过FFT变换，分别得到4个观测项的频率序列。为更好地从频率域中描述电磁场信号，一般通过电磁场的能量来描述电磁场的强度，即功率谱的方法。

2.2 抽取固定频率组成时间序列

对所得功率谱序列按D1频段0.5 Hz、1 Hz、4 Hz、8 Hz、18 Hz、22 Hz、32 Hz、39 Hz 8个频率，D2频段64 Hz、82 Hz、128 Hz、178 Hz、225 Hz、288 Hz、330 Hz、380 Hz 8个频率，D3频段420 Hz、470 Hz、520 Hz、580 Hz、625 Hz、680 Hz、725 Hz、780 Hz 8个频率，共24个频率点进行提取，得到以上频率电、磁场每个观测分量的自功率谱数据的时间序列数据。

3 数据选取和作图分析

使用红山台ELF仪器观测时段中地磁场相对平静的第1观测时段(00：00—06：00)原始时间序列，运用FFT方法对所选数据进行计算最终得到了2011—2015年电磁场4个观测项、24个固定频率点的自功率谱密度的时间分布。由于本文只分析数据变化的背景动态和一般趋势，功率谱数据在分析绘图前去掉了因观测系统故障或人工测试等原因产生的错误数据和个别突跳点，以减小其对曲线形态的压制和对计算结果的影响。

3.1.1 同频率功率谱密度分布

将红山台ELF仪器2015年330 Hz的电磁场H1、H2、E1、E2四个测项自功率谱密度绘图(图2)，并计算其各分量在冬、夏不同季节的平均值、变化幅度和变异系数(表2)。通过图2可以直观地看出，频率为330 Hz 4个测项的电磁场功率谱密度的时间分布变化趋势一致，均具有季节特征：即曲线夏季升高，冬季回落(文中季节按照冬季(11-12月,1-2月)，春、秋季(3-4月,9-10月)和夏季(5-8月)的方法划分)，且以年为周期由夏季到冬季表现出逐渐减小的变化趋势，全年呈正弦波形态。观察表2发现，夏季各测项数据的观测值、变化幅度和离散度均较大，而冬季较小。夏季变化幅度是冬季变化幅度的1～10倍不等。红山台其他年份和其他频率数据均具有类似特征。

3.1.2 不同频率功率谱密度分布

通过各分量之间功率谱密度分布比较，发现磁场H2分量表现出了更加明显的季节特征。于是，从红山台2015年ELF电磁场数据中选取H2分量D1低频段的1 Hz、8 Hz，D2中间频段的128 Hz、288 Hz以及D3高频段的420 Hz、680 Hz，共6个频率点的功率谱时间序列进行绘图(图3)。同样，计算所选6个频率的季节变化参数(表3)。通过图3可以发现，对于H2分量来说，所选各频率功率谱数据的总体变化趋势一致，均表现出季节分布。由表3可知， H2高频数据的功率谱平均值比低频点小1～2个数量级，低频点夏季变幅是冬季变幅的1～2倍而高频率则能够达到7～10倍。由图3更加能够直观地看出，高频率数据曲线的弧度大且功率谱强度小。分析图表可以得出结论：虽然随着频率的增高，磁场H2分量的功率谱强度在逐渐减弱，但高频数据却表现出了更明显的季节变化特征。

图2 2015年红山台ELF电磁场(330 Hz)各分量功率谱曲线

表2 2015年红山台ELF电磁场(330 Hz)4分量功率谱季节变化参数

出现季节变化现象的原因，考虑是夏季地磁场扰动较大，地磁场的扰动归因于日地能量的耦合，它反映的是地磁场所包含的能量的变化[5]。这种现象可能是太阳紫外辐射产生的电离层传播效应，也可能是受夏季雷电天气多发、太阳活动强烈、太阳风和磁层及地磁脉动等相互作用影响的结果[6]。而电磁场密不可分，两者之间的关系遵循麦克斯韦方程，形态应具有一定相关性。这也同引文中地电场观测资料日变幅的季节变化特征[7]相吻合。

K指数作为“磁情指数”，以3小时为1时段, 用0，1，…，9的数字分10级来表示地球变化磁场受太阳微粒辐射而形成的扰动变化的程度[8]。本文选取了红山台2015年全年的K指数，将每天0—6时的2个K指数数据累加，得到与所选ELF第一观测时段数据相对应的K指数绘图(图4a)。由图4可见，红山台2015年每天0—6时K指数和具有同功率谱密度相似的季节分布。而且，相关研究发现ELF电磁场数据的变化滞后于地磁扰动，表明ELF电磁场功率谱密度的季节分布受到了磁层活动、地磁扰动的影响[8]。另外，红山台2015年地磁总场强度F日均值的一阶差分曲线也呈现相似的季节分布(图4b)，可见，红山台电磁场功率谱密度的季节变化特征与磁场扰动强弱程度的季节分布相关。

图3 2015年红山台ELF观测仪H2分量(1 Hz、8 Hz、128 Hz、288 Hz、420 Hz、680 Hz)功率谱曲线

表3 2015年红山台ELF电磁场H2分量功率谱季节变化参数

3.2 年际分布

分析红山台ELF电磁场功率谱密度的年际分布特征，即将时间单位以年计，计算年际变化。表4列出了H1分量所有24个频点2011—2015年的年际和年内变化幅度。由表4可见， 功率谱数据的年变幅比年际变化幅度大1～3个数量级。相较于年内变化，功率谱数据的年际变化可忽略不计。红山台ELF功率谱其他分量观测数据均有类似特征。

图4 2015年红山台地磁K指数累加值与地磁总场F日均值一阶差分曲线

表4 2011—2015年红山台ELF磁场H1分量24个频点功率谱年际和年内变化幅度对比

表4中H1分量功率谱年际、年内变化趋势整体随频率升高而减小，但在4～32 Hz频率段似乎出现年内变化幅度较小的异常值。考虑舒曼谐振波的第一阶在7.8 Hz左右[9]，其前四阶谐振波恰好分别在频率为7.83 Hz、13.8 Hz、19.7 Hz、25.7 Hz附近，上述异常现象可能与其相关。于是绘制红山台ELF数据(0～35 Hz)频谱图(图5)。由图5可见，红山台磁场功率谱数据能够记录到舒曼谐振的前4阶谐振波，频谱图分别在频率为7.83 Hz、13.8 Hz、19.7 Hz、25.7 Hz附近有功率谱增强的现象，且频率越小，变化幅度越大。同时可以发现，电磁场4个分量在D1频段的功率谱强度为H1、E1分量优于H2、E2，但磁场H2相较H1分量对谐振波现象有更好的响应。这可能源于观测系统差异或地下结构的不均匀分布，可将此作为今后进一步的研究方向。

图5 红山台ELF电磁场数据(0～35 Hz)频谱图

上述分析表明：0～35 Hz频率范围内，磁场H2能够更好的响应舒曼谐振波。因此，表5给出磁场H2分量位于D1频率段，且接近谐振波的6个频率点年际和年内变化幅度结果。表5反应出磁场H2分量位于舒曼谐振前4阶谐振波附近的频率点，其功率谱密度的年际分布变化幅度比年变幅小1个数量级，同样没有表现出多年变化趋势。

表5 2011—2015年红山台ELF磁场H2分量6个频点功率谱年际和年内变化幅度对比

将磁场H2分量中1 Hz、8 Hz、22 Hz 3个频率点2011—2015年功率谱密度的年变幅、年均值绘图，将5年均值变化拟合直线，以突出多年变化长期趋势，并标出拟合直线斜率以反映多年变幅(图6)。图6可直观反映出各频点数据年际分布均匀，多年变化幅度相比平均年变幅小1～2个量级。数据多年变化仅有微小的上升或下降浮动，无明显的趋势性变化。

图6 2011—2015年红山台磁场H2分量(1 Hz、8 Hz、22 Hz)功率谱年变幅和多年趋势拟合

4 结论

本文通过分析红山台ELF极低频电磁场功率谱密度的时间分布，得出如下结论：

1)各频段的电磁场功率谱密度均具有正弦波形态的季节变化特征，表现形式为夏强冬弱。夏季变化幅度是冬季变化幅度的1～10倍不等。这种变化特征与磁场扰动强弱的季节分布相关。

2)电磁场功率谱密度的年际分布均匀，其年变幅比年际变化幅度大1～3个数量级。相对于年内的季节变化来说，年际变化幅度可忽略。电磁场数据不存在多年趋势性变化。

3)红山台电磁场功率谱D1频率段数据能够记录到舒曼谐振的前4阶谐振波现象。其中，磁场H2分量表现出更好的季节分布特征和对舒曼谐振波更好的响应。

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Time-distribution Characteristic of Power-spectrum Density of ELF Electromagnetic Observations in Hongshan Station

SONG Zhao, LUO Na, ZHAO Zhi-yuan, GAO Deng-ping, WANG Xiu-min, XIE Zhen

(Hongshan Standard Seismic Station, Xingtai 054001, China)

In the paper, power-spectrum time series of the extremely low frequency electromagnetic field in different item recorded by Hongshan standard seismic station is calculated and studied using diagraph analysis. The result shows that, 1) all power-spectrum densities in each frequency and observation item have sine shaped seasonal distribution characteristics, mean that, datum are dispersed in summer and dense in winter. The variation in summer is 1 to 10 times as much as in winter.2) power-spectrum densities in each frequency and observation item have no trend change for years, and its interannual variability is 1～3 orders of magnitude less than its annual variability.

ELF; electromagnetic field; power-spectrum density; time-distribution; Hongshan station

宋昭，罗娜，赵志远，等.红山台ELF电磁场功率谱密度的时间分布特征[J]．华北地震科学，2017，35(1):67-72.

2016-10-13

河北省地震科技星火计划项目：ELF电磁场功率谱数据的时空分布特征研究

宋 昭(1989—)，女，河北邢台人，助理工程师，现主要从事前兆观测.E-mail：229243906@qq.com

P315.7

A

1003-1375(2017)01-0067-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.011