地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (11): 4493-4503   PDF    
地电扰动指数GEI研究
孙君嵩1,2, 杜学彬1,2, 王丽3, 崔腾发4     
1. 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000;
2. 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 兰州 730000;
3. 南京基准地震台, 南京 210014;
4. 中国地震局地质研究所, 北京 100029
摘要:本文应用中国大陆地区11个地电场台站5.5年(2012-01-01—2017-05-31)中磁静日和磁扰日的观测数据,并联系地电场变化敏感响应地下介质非均匀性和空间电磁活动的特点,发展了地电扰动指数,即消除静日地电变化的幅值比地电指数(GEI).对比各台站的地电指数与地磁指数,87.43%的单台地电指数D与单台地磁指数K在数值上完全相同或相差1,93.75%的单台平均地电指数Ds与单台平均地磁指数[K+0.5](四舍五入)相同或仅相差1,说明地电指数能用于量化界定地电扰动水平,如同地磁指数量化界定磁扰水平.地电指数将服务于地球电磁环境监测、科学研究等领域,同时也可以用来评估地电场观测数据的质量.
关键词: 地电场      地电指数      地电暴      地磁场      地磁指数      地磁暴     
Study on the Geoelectric Index (GEI)
SUN JunSong1,2, DU XueBin1,2, WANG Li3, CUI TengFa4     
1. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
2. Lanzhou National Observatory of Geophysics, Lanzhou 730000, China;
3. Nanjing Seismic Station of Earthquake Administration of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China;
4. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: The geoelectric index (GEI) is proposed using the observation data of geoelectric field observed at 11 stations in the mainland China in magnetically quiet and disturbed days from 1/1/2012 to 5/31/2017 (about 5.5 years), by closely linking the facts of the sensitive response of geoelectric field variation to the inhomogeneity in the underground medium and the space electromagnetic activity on the basis of the amplitude ratio of geoelectric field after removing off the magnetically quiet variation. As compared with the geomagnetic index at each station, it can be seen that for the single indices of each station, the geoelectric indices D are in keeping with the geomagnetic indices K in the proportion of 87.43%; and that for the average index of the 11 stations, the geoelectric indices Ds are in coincidence with the geomagnetic indices [K+0.5] (viz. round-up) in the proportion of 93.75%. The keeping means that the geoelectric indices are numerically the same as the geomagnetic indices or that the numerical difference is just one between the geoelectric and geomagnetic indices, for same a level of index concerned. These show that the geoelectric index, GEI, defined in this paper can be used to quantify the level of geoelectric disturbance, just like quantifying the level of geomagnetic disturbance using a geomagnetic field index. It is evident that the geoelectric index is another criterion to quantify the earth's electromagnetic disturbance level, in addition to the geomagnetic index. The geoelectric index can be applied to many fields, such as the monitoring and scientific research for the earth's electromagnetic environment variation and related disaster events; furthermore, it can also be used to evaluate the quality of the observation data of the geoelectric field station.
Keywords: Geoelectric field    Geoelectric index    Geoelectric storm    Geomagnetic field    Geomagnetic index    Geomagnetic storm    
0 引言

地电场是固体地球内部和外部的各种非人工电流系与地球介质相互作用产生的分布于地表和地下的电场,含大地电场和自然电场.大地电场(以下文中称为“地电场”)含平静日变化和磁扰日干扰变化,周期成分复杂.平静变化主要含1年、月、半月、日、半日等主要周期成分,其中静日变化Sq周期为1天.干扰变化含扰日变化、地电微变化(周期10-4~1 s)、地电脉动(0.2~1000 s)、地电湾扰(多持续1~3 h)、地电暴(持续1~3 d)(克拉耶夫,1954傅承义等,1985孙正江和王华俊,1990李金铭,2005崔腾发等,2013李飞等,2017).静日、扰日变化统称为“地电日变化”,是每日出现的周期成分,扰日变化是叠加在静日变化上的多种周期的地电场快扰动变化.地电扰日变化和地磁扰日变化起因于相同的空间场源,长期以来人们用地磁活动指数来量化地球电磁场扰动程度,据电磁场理论应该也可以用地电活动指数量化电磁场扰动,与地磁活动指数起到相互弥补和参考的作用,能更加量化地确认电磁扰动程度.这在地球电磁环境变化的监测和科学研究等领域中有重要作用.例如,确定地磁暴、地电暴扰动指数在大地构造研究、活动构造监测、生命线工程防损、通讯通信等领域有广泛的应用前景(郑宽等,2013刘连光和吴伟丽,2014章鑫等, 2017a, 2017bZhang et al., 2017).

人们关于变化磁场的研究产出了丰富多彩的成果,提出了量化地磁扰动的多种地磁活动指数(徐文耀,2003).其中,被广泛使用的Kp指数是由Bartels据全球高纬地区13个国际地磁观测网的单台“三小时磁情指数”K发展的(Bartels et al., 1939; Dessler,1963).最早的K指数由人工量算,自20世纪80年代以来地磁界研究了多种K指数量算方法,USGS,AS,FMI,LRNS这4种方法得到国际地磁和超高层大气物理学协会(IAGA)的认可和推荐,其中芬兰气象研究所发展的FMI方法应用较广泛(Sucksdorff et al., 1991).我国地磁台网于2007年移植FMI方法自动计算K指数,在使用中FMI方法仍在改进(王建军等,2017).参考FMI方法确定地磁扰动指数中消除日变化的方法,本文联系地电场观测方法和地电场敏感响应台址地下介质非均匀性、空间电磁活动的特点发展了确定地电扰动指数的方法,即消除静日地电变化的幅值比地电指数,英文为Geo-Electrical Index of Amplitude Ratio Removing Quiet Diurnal Variation,缩写为“GEI”.

我国自1999年以来开始了固定台站的地电场观测实验,自“国家十五科技攻关”以来逐步实施了世界上最大规模的高时空分辨力、固定台站、长期、连续和规范化的地电场观测,截止目前中国地电场观测网由120多个台站组成,积累了最丰富的观测数据.国内外关于地电场响应地震电信号(Seismic Electric Signals)方面的研究报道较多(Varotsos and Alexopoulos, 1984ab黄清华和林玉峰,2010Orihara et al., 2012),对SES的表现形式以及可能的信号选择有较系统的研究,我国学者关于地电场时、频域变化特点及其在地震等灾害事件的研究方面亦取得了很有意义的进展(黄清华和刘涛,2006叶青,2006范莹莹等,2010刘君等,2011崔腾发等,2013谭大诚等,2014马钦忠等,2014王丽等,2015卫清等,2017).这些研究工作证明了我国地电场观测网中的绝大多数台站的观测资料是可用的,也为本文研究中台站观测资料的选取提供了参考.

1 台站及观测数据

我国地电场台站观测装置绝大多数是在地面上沿NS和EW两个水平的正交观测方向(即:北向分量Ex、东向分量Ey)再加一个斜交观测方向,每个观测方向分别布设长、短极距两个测道,这样每个台站共6个测道;每测道、每分钟产出测量数据,即1次/min(对于后来的秒采样仪器,每分钟产出秒数据平均值),每天连续观测产出1440个数据;测量仪器频带为DC~0.005 Hz,测量分辨率为10 μV(杜学彬等,2006).目前,我国地电场台网测量仪器与地磁场台网相对测量仪器(如磁通门磁力仪GM4)的频带范围不同,磁场观测频段高于电场观测(中国地震局,2008).

文中应用我国地电场台网的观测数据确定地电扰动指数,要求台站选择应具有广域性,尽可能分布在中国大陆广大的空间区域.我国数字化地电场观测起步晚,测量电极、仪器、线路等台站观测系统的长期稳定性是产出高质量观测数据的主要技术关键,目前仍在不断的技术改进中(席继楼等,2016),这样文中参考相关学者关于地电场观测资料的应用选择了观测质量高的台站,被选择的台站在全国或至少在省级区域台网中观测资料质量年度评比为“优秀”以上成绩.同时,考虑到文中数据处理方法需要用到不同年份、相同农历日的磁静日地电场观测数据来消除地电扰动日的静日变化成分(主要是考虑消除月相和季节影响(王丽等(2015)李飞等(2017)),这就要求被选择的台站其观测系统、观测环境稳定,观测数据可靠.依据上述需求,文中选择了全国11个台自2012年1月1日至2017年5月31日(UT时间)共5.5年间的地电场北分量Ex、东分量Ey测量数据.图 1为台站分布图,经、纬度范围约为:32°—41°N,79°—120°E.本文是关于地电扰动指数的起步研究,严格选取了同农历静日地电日变化来消除扰日的静日变化,就目前我国地电场观测质量的实际来说,其数据选取的工作量大,所以文中只选用了11个台.预计随着地电扰动指数方法的发展,选用不同年份或同年份的相同农历日期、低磁情天气的地电日变化消除扰日的静日变化,可选台站会很多,此内容今后将继续研究.

图 1 本文所选地电场台站空间分布图 01-蒙城, 02-新沂, 03-海安, 04-高邮, 05-郯城, 06-大柏舍, 07-都兰, 08-乌什, 09-昌黎, 10-山丹, 11-瓜州. Fig. 1 The location of the geoelectric stations selected in this paper
2 地电扰动幅度

在地磁场单日K指数计算中,如何计算地磁日变化之外的地磁扰动幅度是核心问题,消除扰动日的静日变化是根本所在.目前已有的分离地磁日变化的方法很多,主要是基于拟合扰动日观测数据或前后一段时间观测数据得到日变化(Menvielle et al., 1995王建军等,2017).地电场敏感响应地下介质结构的非均匀性和空间电磁活动,对应地磁场急始变化、大空间范围同时发生的快扰动变化成分十分丰富,远比变化磁场变化的成分复杂,在地电暴等扰动日,各频点的功率谱密度大于磁静日变化近1~3个数量级(叶青,2006叶青等,2007孙君嵩和杜学彬,2017),这样上述分离地磁日变化的方法不大适用于分离扰动日的地电日变化.地磁场K指数计算的第二个核心问题就是对扰幅范围的确定,国家地磁台网确定整个中国地区各指数的变幅下限与Bartels在Niemegk地磁台所定义的变幅下限均呈0.6倍关系(朱岗崑,2001徐文耀,2003),这对于有多影响因素的地电场变化来说显然是不可能的.因此,确定地电场指数与变幅范围之间的关系就需另辟蹊径.

确定不同磁情天气的地电扰动幅度是准确地量化地电扰动指数的前提,而量化地电扰动幅度需消除两个影响:

(1) 地电扰动日的静日变化成分,在被选的11个台的地电场变化中尽可能消除各台站的局部影响得到11个台共有的日变化成分.

(2) 地电场变化与台站地下介质的电导率大小有直接的反比关系(欧姆定律J=σ·E),直接影响地电场各种周期成分的变化幅度.

中国大陆处于中低-中高纬度区,地电日变化峰-谷极值的幅度一般为几mV/km~几十mV/km,并与台址电导率直接有关.地电日变化是每日出现的变化成分,变化波形并不是简单的正弦波形,一般含有按幅度大小依次为12.4/12 h、24 h、8 h、6 h和4.8 h等主要周期成分,且日变化幅度大,幅度和相位随月相逐日而异(叶青等,2007崔腾发等,2013).为消除地电扰动日的静日变化成分,参考王丽等(2015)的研究工作,用11个台与地电扰动日相同农历日的磁静日地电场数据消除扰动日的静日变化成分,然后分别拟合得到各台前5次谐波曲线的“峰—谷”幅度A,再计算出地电扰动日地电场变化与5次谐波拟合曲线的残差绝对值B.这里,B即为消除了静日变化影响的地电扰动幅度,并设前5次谐波拟合曲线的“峰—谷”幅度为磁静日K=0时的变化幅度.由于一个台站一天中的磁情指数K并不连续出现,为完整计算K指数范围,使用了11个台五年半时间(2012-01-01—2017-05-31)的地电场数据.考虑到测量装置更换、环境干扰等因素,11个台数据使用情况如表 1所示.通过上述计算过程得到的11个台电场Ey分量在2012—2017年间共8个K=0~7的地电扰动的变化幅度AB示于表 2,同期的11个台电场Ex分量与表 2类似,不赘述.由于地磁扰动北分量X远大于Y分量,水平分量H接近X分量的变化幅值,并考虑到电磁波偏振方向的正交关系,文中用地电场东分量Ey测量数据计算地电扰动指数.其次,在目前的观测中因电极极化等原因尚不能准确测量地电场基准值,但同方向长、短极距测道地电场变化幅度几乎是一致的.例如,文中11个台在磁暴日长、短极距测道测量的Ey分量的变化幅度之比的平均值为0.95,所以仅应用每台长极距测道的测量数据计算指数.

表 1 各台站数据使用情况 Table 1 The data used in every station
表 2 不同磁情指数K时地电场Ey分量的平均变幅(mV/km) Table 2 The average amplitude of the Ey-component of geoelectric field at different magnetic field indices (mV/km)

表 2中,不同台站的静日变化A以及相同磁情指数的B不相同,各台之间差异很大,这是由地电场变化幅度敏感响应不同周期成分集肤深度的地下介质电导率引起的.但是,用每个台B值与A值的比值得到,B/A值几乎稳定在一定范围内,实际上B/A消除了不同台址电导率对地电扰动周期成分的变化幅度的影响.这样一来,将不同台站的地电扰动变幅统一到了一个范围.将表 2中各台分别按K=1,2,…,7的B/A值求平均后得到图 2a中随地磁K指数增大的指数式曲线.对比图 2b中磁场K指数与各指数对应的磁场变幅的下限关系图(Bartels,1939朱岗崑,2001徐文耀,2003),不难明白两个指数曲线的形态很相似,均为随地磁K指数增大的指数式关系.因此,使用B/A值作为确定地电扰动幅度的一种统一的量化判定方法是可行的.

图 2 (a) B/A均值与K指数关系; (b) K指数变幅下限与K指数关系 Fig. 2 (a) Relationship between B/A mean and K index; (b) Relationship between the lower limit of amplitude and K index

参考地磁活动K指数,把地电指数分为0,1,2,…,9共10个指数级,分别代表不同的地电扰动水平.表 2图 2表明:不同磁情时地电场B/A值与地磁指数K存在指数关系.参考地磁指数K的标准(Bartels,1939朱岗崑,2001徐文耀,2003),地磁指数K=1~4变幅下限呈2倍递增关系,K=5~9呈指数递增关系,再对比图 2a中的原始曲线与趋势曲线,确定地电指数与变幅范围的关系见表 3.

表 3 地电指数对应的变幅范围 Table 3 The scale of D index
3 地电指数计算 3.1 消除磁静日地电日变化影响

地电场观测产出数据为mV/km量级,影响这个量级的地电场变化真实性的因素较多.例如测量电极、仪器、线路及线路接头处以及观测场地电磁环境是关键环节,其中任何一个环节出现问题均影响mV/km量级数据的真实性.为了消除11个地电场台的局部影响因素,并能较准确地求得各台磁静日的地电日变化成分,文中采用泰勒多项式(TAL)方法拟合出各台与地电扰动日同农历日的磁静日地电日变化作为该扰动日的“日变化基准”.王丽(2015)等应用泰勒多项式和曲面样条函数法拟合了区域台网的地电日变化模型,然后用日变化模型来评价同农历日期、同等磁情指数的实测地电场变化的可靠性,表明这两种方法建立的日变化模型相当吻合其他年份同农历日期、同磁情指数的实测地电日变化(在观测环境、观测装置等不变的条件下),说明这两种建模方法可用于地电场变化建模.其中,泰勒多项式的基本公式为

(1)

式中,φ0λ0是泰勒多项式模型展开原点的纬度和经度,φλ为各台站的地理纬度和经度.Anm为多项式模型的系数,N为多项式的截断阶数,泰勒多项式共有(N+1)(N+2)/2个模型系数(安振昌等,1991).

需要说明:(1)一般来说,泰勒多项式展开原点位置与模型的表现力等无直接关系,故为了计算简便将所选台站经、纬度坐标的重心位置作为展开原点位置;(2)模型截断阶数直接影响其收敛精度和分辨力,一般截断阶数越高,模型收敛精度越好,对地电场变化的表现力也越高,但并不绝对,截断阶数还要视观测数据的空间分布和质量而定.如果盲目追求高的收敛精度和空间分辨力则会产生强烈的边界畸变.参考王丽等(2015)对地电场日变化模型的研究,将N设置为2较合适.由一天各台地电场Ey分量分钟观测值得到线性方程组:

(2)

解方程组即得到各台静日地电日变化F,其中包括了各台共有的静日地电日变化成分,并消除或弱化了各台的局部变化.然后对式(2)拟合得到的各台日变化进行前5次谐波拟合得到静日变化.用最大熵谱方法(MEM)计算前5次谐波曲线的主要周期成分可知,谱密度PSD中包含了12.4/12 h、24 h、8 h、6 h、4.8 h主要周期成分(叶青等,2007).将前五次谐波拟合曲线作为磁静日地电日变化,变幅即为磁情K=0时的变化幅度A,从地电扰动日地电场变化中对应减去前5次谐波成分即得到消除了静日变化影响的地电扰动的变化幅度B.

3.2 地电指数计算流程

根据图 3,对地电场指数计算流程图详解如下:

图 3 计算流程图 Fig. 3 The flow path of calculation method

(1) 根据待计算指数的农历日,选出其他年份相同农历日磁静日的地电场测量数据,用泰勒多项式法拟合磁静日地电日变化模型.

(2) 对模型数据的前5次谐波拟合得到磁静日变化曲线,也就是K=0时的曲线.

(3) 用待计算指数之日的数据对应减去5次谐波拟合曲线数据,得到的差绝对值记为B,同时计算出5次谐波曲线变幅A.

(4) 计算出B/A比值,并将一天24小时(UT时间)等分为8个时段,即00:00-02:59,03:00- 05:59,06:00-08:59,09:00 -11:59,12:00-14:59,15:00-17:59,18:00-20:59,21:00-23:59.分别取每个时段的最大比值B/A(此值与磁场H分量的急始变化同时或准同时),最后将8个最大的比值按表 3给出的关系换算出最终每个时段的地电场指数.

3.3 地电指数计算结果

定义由单台得到的地电活动指数为D,由多台地电指数D的平均值四舍五入得到的地电指数为Ds.其中,“D”是地电场的汉语拼音的首字母,小写字母“s”意指电磁扰动是太阳活动引起的.当地电指数D和(或)Ds大于等于5时被认为是一次地电暴事件.由2014年8月—2017年5月期间不同磁情天气时的地电场观测数据分别计算地电指数D,并与单台地磁指数K对比.

(1) 非电暴日地电扰动指数计算.用2015年12月25日(农历11月15日)磁静日的地电场测量数据计算地电指数.图 4a中红色曲线为该日江苏高邮台地电场Ey分量待计算指数的曲线,蓝色曲线为2016年12月13日(与红色曲线同农历日)该台Ey分量经泰勒多项式拟合再经前5次谐波拟合得到的磁静日曲线;图 4b为计算的地电指数,查阅该台当日地磁K指数分别为2、2、2、2、3、2、2、2(表 4).对比图 4b可见,计算出的地电指数D与当日地磁K指数一致.

图 4 高邮地电台2015年12月25日地电场Ey分量指数计算结果 Fig. 4 The results of the Ey-component index at station Gaoyou (Dec 25, 2015)
表 4 2015年12月25日各台站地电场Ey分量指数和地磁指数 Table 4 The D index and K index of each station (Dec 25, 2015)

(2) 电暴日地电扰动指数计算.用2015年6月22日(农历5月7日)发生的最大K指数平均值为7(地磁暴时)的地电场测量数据计算地电场指数.例如,图 5a中红色曲线为新疆乌什台地电场Ey分量待计算指数的曲线,蓝色曲线为该台Ey分量2014年6月4日(同农历日)经泰勒多项式拟合再经前5次谐波拟合的磁静日曲线;图 5b为计算出的地电指数.查阅该台当日地磁指数分别为3、3、3、3、4、5、7、4(表 5),对比图 5b可见计算出的地电D指数与地磁K指数较吻合,两者也有差异,第二个指数差别为2,其余指数差别均不超过1.

图 5 乌什地电台2015年6月22日地电场Ey分量指数计算结果 Fig. 5 The results of the Ey-component index at station Wushi (Jun 22, 2015)
表 5 2015年6月22日各台站地电场Ey分量指数和地磁指数 Table 5 The D index and K index of each station (Jun 22, 2015)

为更好检验该计算方法的可靠性,表 45分别列出了用图 1中11个台地电场测量数据计算的地电指数D以及各台地磁指数K,表中D|K意指左侧为指数D,右侧为指数K;地电、地磁同一时段指数(即同级指数)的平均值(D|K)和其四舍五入值([D+0.5]|[K+0.5]),其中D四舍五入后即为电场指数Ds.

分析表 4表 5能得到:(1)在非磁暴日计算出的单台地电指数D与单台地磁指数K之间除了大柏舍台DK偏差2外,其余台两种指数之差均不超过1(表 4).(2)在磁暴日绝大多数DK偏差在1个级内,少数DK偏差为2(特别是指数6),仅都兰台(编号07)指数6小于3(表 5).(3)由各单台D指数的平均经四舍五入后得到地电指数Ds,由各单台K指数的平均经四舍五入得到类似于地磁指数Kp(真正的地磁Kp指数是国际上Intermagnet网中13个固定高纬地磁台站Ks指数的平均,分为28个等级)的地磁指数([K+0.5]),由表 4表 5的最右一列可见,除了磁暴日指数6的Ds偏离地磁[K+0.5]2外,其余的Ds与[K+0.5]完全相同或仅差1.

4 讨论与结论 4.1 地电指数可靠性

图 2可见,地电场相对变幅B/A(无量纲)和地磁指数变幅下限随K指数变化的形态很吻合,均为随K指数增大而增大的指数式曲线.在非磁暴日,绝大多数的单台地电指数D与单台地磁指数K之间的指数之差不超过1,在88对地电、地磁指数中,DK相同或相差1的个数占93.18%(表 4);在磁暴日的87对指数中,DK相同或相差1的个数占81.61%,仍占绝大多数(表 5).在非磁暴日,D平均数与K平均数之间的最大差值为0.8,四舍五入后Ds与地磁指数[K+0.5]最大相差1(表 4);在磁暴日,D平均数与K平均数最大差值为1,四舍五入后Ds与[K+0.5]最大相差1(表 5,除指数6).地电场、地磁场观测中记录的快扰动变化有相同的起因,与太阳活动引起的空间电磁扰动直接关联,从上述DK值、Ds与[K+0.5]值相对应来看,用本文方法确定的地电指数DDs可以量化界定电磁活动水平,即界定空间电磁平静、扰动的强度,与地磁指数KKp有相同的作用和意义.同样也说明,尽管地电场观测影响因素多(包括空间电磁响应、观测系统和环境等影响因素),且从观测数据看地电场响应地磁急始变化的电脉冲十分复杂和丰富,但文中方法确定的地电指数DDs是可信的.不过,地电指数DDs仍存在两个问题:

(1) 少数的地电指数D略现离散.例如,表 5(磁暴日)中指数2青海都兰、江苏海安台D为3,江苏新沂台D为2,而江苏高邮、新疆乌什台D为5,表现出D离散度大于K离散度(尽管Ds与[K+0.5]相同).

(2) 个别的Ds与地磁指数[K+0.5]偏离2.例如,表 5中指数6,Ds为3,而[K+0.5]为5.

关于问题(1)的原因主要取决于地电场观测数据的质量.地电场观测影响因素多,测量仪器、电极、线路等长期稳定性以及观测环境是影响观测数据质量的主要原因.文中应用的数据为我国数字化地电场观测网数据,我国地电场发展历程短,仍在不断的针对上述影响因素改进技术措施.文中采用了与地电扰动日相同农历日(考虑月相影响)磁情平静的地电日变化来消除日变化对地电指数的影响,这就要求地电场观测数据的长期可靠.其次,文中部分台站是地电场、直流视电阻率同场地台,例如蒙城、新沂、海安、高邮、郯城、大柏舍、昌黎、山丹台.在地电阻率每天24 h的观测中,每小时供电观测约10~15 min,为抑制供电影响,地电场测量仪器通过设置阈值(俗称门限值)删除了大于供电电位差的地电场变化,这样造成了在视电阻率观测时的地电场观测数据出现水平直线,使得此时真实的地电场变化被误删,这是问题(1)的另一个原因.文中解决此问题方法是应用多台指数D平均得到Ds保证其准确性,其次随着今后地电场观测数据质量的改善也能逐步解决上述两个问题.另外,建议今后的地电场台站建设应避开视电阻率台站,不在同场地观测.

关于问题(2)的主要原因是地电指数Ds和地磁指数[K+0.5]是由两种仪器测量的两个电磁观测物理量得到的.地电场、地磁场扰动变化来源于地球介质对空间电磁扰动的感应,有相同的物理起因,遵循电磁感应定律和电磁场传播规律,但是变化磁场和地电场的观测原理、观测方法以及测量仪器及测量方式完全不同,属于两个直接联系又不同的电磁场量观测,由两种不同场量来衡量电磁场扰动程度会出现一些差异.另一方面,地电场观测对地下介质电性结构反应敏感,不同周期的快变化成分的集肤深度不同,在地表观测到的电场响应了空间电磁场和地下不同深度阻抗界面的电磁场反射和再次感应等,这样地电场变化就受到了多种影响,直接影响到用磁静日5次谐波拟合来消除扰动日的日变化,进而影响到地电指数DDs的确定.其次,分析地电场、地磁场变化能注意到,与地磁场相比较地电场变化十分复杂,快扰动变化成分相当丰富,且对磁场慢变化的响应程度低,对快变化响应程度高、响应及时、变化幅度大.例如,地电场响应磁暴主相后期和恢复相期间的地电场变化的幅度小、变化平稳,几乎不能具体区分地电暴主相后期与恢复相(孙君嵩和杜学彬,2017),这样也会影响DDs指数的确定.非磁暴日Ds相当吻合[K+0.5],而磁暴日二者吻合程度略低(见表 4-5)应属上述原因.

另外,我国地电场观测仪器的频带范围为直流~0.005 Hz,地磁相对观测仪器(如磁通门磁力仪GM4仪器)频带范围高于地电场仪器的频段,这样变化地磁场、地电场仪器本身测量的电、磁场变化成分略有差别,也导致暴时地电指数偏离地磁指数的程度要大于非暴时的原因.其次,由表 4~5可见,绝大多数的DDs值与K、[K+0.5]值相同或偏小,也属于这个原因.

关于确定地磁指数的方法经过多年的研究和应用目前仍在完善和改进中,本文初步得到了确定地电指数DDs方法,且存在上述两个问题或者说不足,尚需改进.但是,由表 4表 5可知93.75%的地电指数Ds与地磁指数[K+0.5]相同或相差1,说明本文方法确定的DDs可用于衡量电磁场扰动程度,地电指数和地磁指数是衡量电磁场扰动的互补.

另一方面,本文方法确定的单台地电指数也可以用于评价地电场台站观测系统的长期稳定性和场地观测环境以及观测数据质量.如某个台站D指数远远偏离其他台站的D指数,一般来说属于某个观测环节出现了问题.

4.2 结论

电扰动和磁扰动直接关联,地磁学领域推出了几十种用于量化界定磁扰强度或者说电磁活动的水平的地磁指数,但人们一直未使用地电场界定电磁活动水平的指数.本文提出了用地电场界定电磁活动的方法和单台地电指数D、多台平均地电指数Ds,对比地磁指数K和[K+0.5]得到以下结论:

(1) 用地电场变化可以量化界定电磁活动水平,地电扰动指数是界定电磁活动的又一种方法,与地磁扰动指数相互补充可进一步准确界定电磁活动水平.尽管地电场变化复杂、快扰动变化丰富,且影响观测的因素多,但消除影响因素后绝大多数的地电指数与地磁指数数值上相差不超过1,说明地电指数是可信的.

(2) 不同台站在相同磁情指数下的地电场变幅不尽相同,但通过消除静日地电日变化的幅值比方法计算的各单台地电指数D是一致或吻合的,但相对于地磁单台指数K,各单台D值略显离散,这与地电场观测中的诸多影响因素有关.

(3) 在相同磁情天气,绝大多数的单台地电指数D与地磁指数K、平均地电指数Ds与地磁指数[K+0.5]一致或吻合,但并非数值上一一相等,特别是高磁情时段的个别地电指数与地磁指数相差2.这与地电场、地磁场测量仪器的频带范围不同有关,其次由两个电磁场量各自分别确定电扰动、磁扰动水平也是原因之一,同时与地电场观测的影响因素也有关.

(4) 单台地电指数可以用来评价地电场观测数据的质量.

本文是关于地电指数DDs的初始研究结果.由于数据质量鉴定、数据选取和处理分析的工作量大,目前仅应用全国地电场台网中的11个台地电场观测数据计算地电指数,今后尚需应用更多的台站的观测数据开展本项研究,并进一步改进、完善地电指数GEI的计算方法,应用于实践.

致谢  本文使用的地电场测量数据、地磁台站K指数均来自中国地震前兆台网中心,在此表示诚挚的谢意.
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