许多学者对地电场日变化特征和潮汐现象进行研究^[1-4]。地电暴是磁暴期间，地电场观测到的剧烈的全球性扰动变化，与磁暴一样，和太阳活动引起的电离层扰动有密切关系。许多学者^[5-8]对地电暴进行形态和幅度等分析。

重庆红池坝地电场台站位于南北地震带，分析研究其地电场静日及扰日变化特征对本区域地震前的异常识别十分必要。本文利用静日波形时序叠加和FFT频谱，逐月分析该台站地电场静日变化的时、频特征；利用大地电磁测深方法计算红池坝台站磁暴期间产生的感应电场，并与地电暴观测数据进行对比，分析地电暴与地磁K指数的关系。

1 台站基本情况

红池坝地电场观测区位于重庆市巫溪县西北部巫溪红池坝风景区。观测场地平坦开阔，布极区为草场及农田，地形高差小于20 m。测区地质构造为尖山-巫溪断层，属于大巴山中部弧形挤压带及南部“喇叭”状复合构造，在中部弧形挤压带的西弧，西弧呈帚状构造向北西散开，向南东收敛，随着弧形的收敛，构造线也由北西转折南东东-近东西向。在整个弧形构造形迹中，红池坝属八台山-大宁厂向斜中部，出露地层为寒武系白云质灰岩。

地电场测量仪器为ZD9A-2B，分钟采样，频带0~0.005 Hz。观测装置为三角型，布设NS、EW和NW 3个观测方向，每个观测方向布设长、短极距测道共6个。地电场数据的内在质量主要是通过同一测向长短极距间的相关系数和差值来评价。图 1为2016年红池坝地电场长短极矩的日相关系数，除了EW测道的7月、8月、9月外，其余相关系数都达到0.9，同向变化趋势较一致，说明数据可信度较高。NS、EW和斜道的2016年平均差值分别为1.8 mV/km、1.15 mV/km和1.49 mV/km, 同向的变化幅度差异较小，没有漂移现象，总体数据质量较好。

2 地电场静日波形

使用红池坝地电场1 a的分钟值数据，分别选取每个月内磁静日的日期，对所选日期的数据进行时序叠加^{[3, 9]}处理，该方法有利于突出有规律的日变化周期，抑制不规则的电脉冲和随机噪声。时序叠加公式如下：

$ X\left( t \right) = \frac{1}{k}\sum\limits_{n = 1}^k {{X_n}} \left( t \right), n = 1, 2, \cdots , k $

(1)

式中，X_n(t)表示所选时间范围内第n天的地电场数据，k表示所选的磁静日天数。

图 2(a)为地电场分钟值NS与EW向1~12月的静日叠加曲线。可以发现，NS向与EW向的静日波形曲线变化较一致，随着月份的变化，它们的波谷或波峰相位发生变化。1~8月日变化的波谷由a点逐月移动到b点，8~12月再由b点移动到c点。对比巫山建坪地磁台3个分量(Z、H、D)1~12月的分钟值静磁日曲线(图 2(b))发现，地磁台Z、D分量波峰(谷)也存在类似的逐月变化。

对地电场每月叠加曲线的日变幅进行计算，见表 1。可以看出，NS测道日变幅大于EW测道；1月、2月、11月、12月的地电场日变幅明显小于其他月份，地磁变化也存在该现象。

选取2016年红池坝地电场NS、EW向长极距测道的分钟值数据，用FFT方法估算振幅谱。如图 3所示，NS测道主要周期成分按幅值大小依次为12 h、8 h、24 h和6 h，EW测道主要周期成分按幅值大小依次为12 h、24 h、8 h和6 h，2个测道的周期成分一致，并且与地磁场S_q日变化的周期成分一致。

对地电场的逐月周期成分进行分析发现，每个月的周期成分并不相同：1月、2月、11月、12月没有24 h周期成分，而5月、6月、7月6 h周期幅值比其他月份小。为分析该现象的成因，选取地电场1~12月的傅氏谱峰值作归一化，通过与巫山建坪台地磁3个分量的逐月频谱峰值(归一化)对比发现，地电场1~12月的傅氏谱峰值随月份的变化与巫山建坪台地磁D分量峰值随月份的变化基本一致。图 4(实线为红池坝地电场NS测道，虚线为巫山建坪台D分量)为地电场NS测道与地磁D分量各显著周期成分的频谱值随月份的变化。可以看出，两者变化基本一致，6 h周期谱值在6月最小，而24 h周期谱值在6月达到最大值；1月、2月、11月、12月的24 h周期谱值小于其他月份。

3 地电暴分析

利用距离巫溪红池坝台约90 km的巫山建坪地磁台2016年记录到的9次磁暴(其中K值最大为5的7次，K值最大为6的2次)，对巫溪红池坝地区的感应电场进行计算。表 2为红池坝场地电测深电性介质结构，利用大地电磁测深的阻抗递推公式可计算频率域内NS向和EW向的地表阻抗。利用三角函数公式将巫山建坪地磁台记录到的H分量和D分量分解为H_x和H_y。对H_x和H_y进行去倾和FFT变换，利用平面电磁波的电场和变化磁场的关系计算红池坝EW向和NS向的感应电场。

图 5为2016-01-20开始的中等磁暴(K指数最大为6)及红池坝计算的感应电场值与红池坝地电场值。对比2个测道的地电暴曲线与计算值曲线发现，地电暴与感应电场的高频部分几乎是同步变化的，变化趋势较一致；缓慢的上升、下降变化是不对应的。计算同方向的GIC电场与实测地电场的01-19~23相关系数(表 3)发现，∑K值最大在21日，EW向相关系数为0.35，NS向相关系数为0.6。地磁扰动较强的时候，地电场和感应电场的相关性明显提高。

分别计算9个磁暴期间NS测道的感应电场每3 h的变幅以及相应时间段的地电场观测值每3 h的变幅，结果见图 6。由图可见，两者呈线性关系，相关系数为0.7，显著性差异检验表明，两者显著相关，其线性拟合公式为y=0.045x+0.48。统计K值与地电暴每3 h的变幅的关系，见图 7。拟合K值与地电暴每3 h的变幅曲线，为指数方程。可以看出，K指数越大，其对应的地电场变幅较大的可能性就会增加。

4 结语

1) 随着月份的变化，红池坝地电场相位发生变化，与巫山建坪台Z分量、D分量逐月静日变化相似。在地磁活动平静的情况下，地磁台站记录到的是太阳静日变化S_q，S_q电流属于中低纬度区电离层体系，随时而变，逐日不同^[10]。S_q电流因纬度而不同，红池坝静日叠加曲线相位在8月发生拐点，与巫山建坪台地磁日变化一致，应该与两者纬度(红池坝台纬度31.53°，巫山建坪台纬度31.02°)大致相同有关。

2) 1月、2月、11月、12月的红池坝地电场日变幅明显小于其他月份，巫山建坪台地磁也存在类似现象。这也是S_q电流体系的特点，S_q电流体系强度显示出明显的季节变化，春分点、秋分点月份大，而冬至点、夏至点月份小。

3) 红池坝地电场周期成分按幅值大小依次为12 h、8 h、24 h、6 h。通过12 h、8 h、24 h、6 h周期成分的逐月频谱峰值对比发现，地电场与地磁D分量谱值随时间的变化基本一致。6 h周期谱值在6月最小，而24 h周期谱值在6月达到最大值；1月、2月、11月、12月的24 h周期谱值小于其他月份。该现象也进一步说明地电场与地磁场关系密切，红池坝地电场记录的大地电场场源很大一部分应该为S_q电流体系，所以电离层潮汐风发电过程和高层大气的潮汐等作用是红池坝地电场显著周期成分产生的可能原因。

4) 地电暴与地磁密切相关。某一方向的地电暴与该垂直方向的磁暴有关；红池坝地电场的地电暴值与该地区的电性结构有关；地电暴观测值与地磁感应电流计算值呈线性关系；地电暴变化与K值呈指数关系。