大地电场在一定区域内能够记录到一致的变化形态，这种区域性特征可以通过时域相关性以及频域特性进行分析，从而获得对(小)区域地电场变化规律性的认识(叶青等，2007)。江苏地区地电场台站由于所处断裂(带)不同，局部台址构造条件、地形、电极埋深等有所不同，观测场地总会存在一定干扰源。由于地电场的场源不仅受到以上各类因素影响，还受到外空电场的影响，特别是月球的潮汐力，造成观测资料成分的多样性。因此，简单的运用原始资料进行地电暴分析，会存在较大片面性。

近几年小波变换理论在地球物理领域得到广泛应用(章珂等，1996；侯遵泽等，1997；杨文采等，2001；岳文正等，2003；楼海等，2005)，同时越来越多地运用功率谱、最大熵谱、傅里叶变换等频谱方法对地震前兆资料进行频谱分析(张燕等，2004；范莹莹等，2010；朱涛等，2010)。随着计算机技术的快速发展，小波分析与快速傅里叶变换在地震前兆资料处理中得到广泛应用，如：宋治平等(2004)探讨了将小波变换理论应用于数字化地震前兆资料分析的可行性；吴立辛等(2007)运用小波分析对宁夏短水准资料进行研究；邱颖等(2009)等运用小波方法对地电场干扰进行分析；顾申宜等(2010)采用傅里叶变换和小波分解方法，对海南水位仪高采样率数字化水震波进行频谱分析。可见，数字信号处理技术在地震前兆数字处理领域具有很好的运用前景。

利用快速傅里叶变换方法，对江苏区域地电场、地磁以及有关台站的钻孔应变数据进行处理，提取频谱特征，对地电暴的形成及变化机理进行阐述，对江苏地电台网地电暴差异特征进行分析，以便为江苏区域地电研究提供一定参考。

江苏地电台网包含南京、新沂、高邮和海安4个地电台站，见图 1。南京台地电观测点位于高淳东坝镇叔村农田保护区，测区属丘陵地貌，分布多个大小不等的水塘。南京台地电阻率、深井地电阻率(背景场)与地电场在同一场地，坐落于茅山断裂带东侧断裂——茅东断裂带上。海安台地电观测场地位于顾庄观测点(地电场、地电阻率)，地处拼茶断裂附近，由历史地震分析可知，该断裂为活动性断裂。新沂台位于郯庐断裂带分段F₁和F₄之间，F₅从EW向西端点附近穿过，其分支f₅从EW向中间穿过。高邮台构造上位于苏北—南黄海盆地的东台坳陷，距NE走向的郯庐大断裂不远(约120 km)，NW向的无锡—宿迁断裂(又称沿湖断裂带)贯穿台址。

图 1(Fig. 1)

图 1 江苏省地电台网分布 Fig.1 Distribution of Jiangsu ground geoelectric network

江苏地电台网电极布设见图 2，其中：南京、新沂、高邮和海安台地电场均采用L型布极方式，长极距均为400 m，高邮台及海安台短极距为250 m，新沂台短极距为200 m，南京台第3道及第6道为100 m多极距观测，无斜道观测。

图 2(Fig. 2)

图 2 江苏地电台网电极布设 Fig.2 Layout of Jiangsu ground geoelectric network electrode

傅里叶变换的理论与方法在诸多领域具有广泛应用，由于计算机只能处理有限长度的离散序列，所以计算机运算的是一种离散傅里叶变换。与直接计算相比，快速傅里叶变换(FFT)算法可减少运算次数，提高工作效率，其滤波原理是，对时间序列X(n)(长度为L)，通过一个FIR线性相位滤波器h(n)(节数为M，长度为M +1)进行计算。FFT变换调用格式为

式中，x为序列，可以是向量或矩阵；y为序列x的快速傅里叶变换结果，反映频率变化，并且与x具有相同长度；N为正整数。

在资料选取过程中，应首选各分量平稳变化时段数据，尽可能排除各类干扰。本课题选取2011年9月8日至2016年12月31日南京、新沂、高邮和海安4个地电台站地电场NS向和EW向长极距数据(地电场数据相关系数均在0.8以上)、地磁场H分量和徐州台钻孔应变分钟值数据，利用基于Matlab的快速傅里叶变换方法，对地磁场H分量、地电场NS向和EW向、体应变固体潮数据进行傅氏变换，把时间域(万永革，2007)数据变成频率域的幅频值，分析信号的频谱特征，确定数据的周期构成，选择适当的周期频段进行滤波，经傅氏逆变换得到滤波曲线，并对频谱进行对比分析，总结不同曲线的频率构成与变化特征。

利用基于Matlab的快速傅里叶变换，提取2011年1月1日至2016年12月31日各台地电场、地磁场H分量以及徐州台钻孔应变数据各物理量的优势频率和振幅，并进行频谱特性分析，进而滤除虚假频率成分。文中截取2011年的9月9日、9月10日、9月12日及2015年的8月15日、8月16日频谱结果予以显示，见图 3，并根据地磁台网公布的K指数结果(2015年8月15日K指数为7，其余地磁K指数均为5)，绘制各台站地磁H分量数据频谱(图 4)，与徐州台钻孔应变数据频谱(图 5)进行对比，得到以下频谱特征。

图 3(Fig. 3)

图 3 江苏地电台网地电场数据频谱 (a)NS；(b)EW Fig.3 Spectrum of geoelectric field data in Jiangsu ground geoelectric network

图 4(Fig. 4)

图 4 江苏地磁H分量数据频谱 Fig.4 Spectrum of geomagnetic H component data in Jiangsu

图 5(Fig. 5)

图 5 徐州钻孔应变频谱 Fig.5 Borehole strain spectrum of Xuzhou

(1) 地电场频谱特征。对于地电场NS向，优势周期较为丰富，8 h、12 h、24 h和48 h周期均存在，且各台表现不同，谱值也不同。南京台和新沂台地电场NS向优势周期主要是24 h、12 h和8 h；高邮台地电场NS向优势周期主要是12 h和8 h；海安台地电场NS向优势周期主要是48 h和24 h。对于地电场EW向，优势周期以24 h、12 h、8 h为主，高邮台和海安台48 h的优势周期也比较明显。

(2) 地磁场频谱特征。地磁场H分量最大显著周期以8 h、12 h、24 h和48 h为主。

(3) 徐州台钻孔应变频谱特征。该台钻孔应变频谱12 h、24 h、48 h的周期均有体现，最大显著周期为12 h。

由各分量优势周期对应性可知，地电场NS向与地磁场H分量对应性较强，与体应变12 h优势周期有一定对应性；地电场EW向12 h优势周期及谱值大小变化与地磁场H分量、体应变有一定对应性。对于24 h优势周期，地电场NS、EW向似乎为地磁场H分量与体应变叠加的结果。只是地电场NS向含有地磁场H分量的成分要高于体应变的成分：而地电场EW向更趋向于地磁场H分量与体应变叠加抵消的结果，与地电场NS向、EW向布极方式有关。

2011年9月8日至12日，江苏地区南京、新沂、高邮和海安4个地电台站地电暴与地磁观测数据FFT处理曲线见图 6，可以得出以下结论。

图 6(Fig. 6)

图 6 江苏地电台站地电暴和地磁FFT曲线 (a)高邮台；(b)海安台；(c)南京台；(d)新沂台 Fig.6 FFT curves of geoelectric storm and geomagnetism in Jiangsu ground geoelectric network

(1) 地电场台站在地磁暴期间记录到地电暴的同步变化。新沂、高邮和海安台地磁观测数据分别于2011年9月9日、9月10日和9月12日发生地电暴，南京台地磁采用GM4仪观测，数据记录时间为世界时，较北京时早8小时。4个台站的地电场数据均在同一时刻发生扰动，并在同一时刻结束。地电暴与地球磁暴具有同源性，因此，地电场台站在地磁暴期间可记录到地电暴的同步变化。

(2) 在2011年9月9日，当磁暴扰动强度加大时，特别是磁暴的急始、初相、主相和恢复相清晰时段，地电暴也较清晰记录到类似形态的变化。各测向地电暴与地磁H分量变化趋势接近，地磁暴的急始变幅对应地电暴的一个大幅度脉冲，然后是初相和主相的剧烈扰动，二者变化一一对应，也能说明它们是共同远源场作用的结果。

(3) 磁暴剧烈变化时，南京、新沂台地电场不同测向的突跳方向存在各向异性。高邮台地电场数据NS、EW向均向下突跳；海安台NS向数据不明显，EW向数据向下突跳；南京台地电场NS向数据向上突跳，EW向数据向下突跳；新沂台地电场NS向数据向上突跳，EW向数据向下突跳。由此可见，4个地电台站EW向数据具有一致同向现象，NS向数据有差异性。在本区，其变化主要受2个外空因素，即太阳和月亮的影响，磁场和固体潮变化经地下介质的感应或者叠加效应，造成NS向和EW向电场的变化不同。

地电场EW向与地磁场H分量主体变化与固体潮有关。由于磁暴为短周期变化，当磁暴发生时，固体潮变化基本无反应，而各台地磁场H分量变化一致，故4个地电台站地电场EW向数据具有一致同向现象。高邮、海安台NS向数据不一致的原因可能是：①布极方式不同；②时钟不同步；③地表结构、地质结构存在差异。经查证，4个地电台站布极方式较为相似，且时钟同步，故判断高邮、海安地电台地表及地质结构存在差异。

(4) 高邮、海安台处同一纬度区，磁暴发生期间，地磁H分量数据产生的变化量大致相同，但地电场产生的变化量相差较大(表 1)，且高邮地电场变化量高于海安台。由电测深曲线(图 7)可见，高邮台比海安台深层地电阻率值大。地电暴发生时，深部电阻率大小对日变幅的影响似乎大于浅表层电阻率的影响(李飞等，2017)。由于地磁场和地电暴同源，地表结构对电场的影响较磁场大，在一定程度上表明，江苏地区地电台站地电暴变化特征与地电台站的地下结构有关，即地下深层阻抗越大，感应电场越大，地电场日变化幅度越大。

表 1(Tab. 1

表 1 地磁及地电场变化幅度对比Tab. 1 Comparison of geomagnetic variation range and geoelectric field 时间 地磁指数 地磁变化幅度/nT 地电场变化幅度/mV·km-1 EW NS 南京 新沂 高邮 海安 高邮 海安 高邮 海安 2011-09-09 K=5 160 85 100 100 48.2 21.2 8.86 1.94 2011-09-10 K=5 58.6 73.4 82 81 16.2 7.88 5.34 3.5 2011-09-12 K=5 53.6 42.2 45.2 46.4 8.5 4.08 2.34 2.04 2015-08-15 K=7 208 202 220 220 26.6 11.9 5.48 3.48 2015-08-16 K=5 132 110 112 112 11.6 5.76 3.38 2.86

表 1 地磁及地电场变化幅度对比 Tab.1 Comparison of geomagnetic variation range and geoelectric field

图 7(Fig. 7)

图 7 高邮和海安台电测深曲线 Fig.7 Electric sounding curves at Gaoyou and Haian sations

本研究主要利用江苏省地电台网的南京、新沂、高邮和海安4个地电台站观测数据以及同场地地磁观测数据，结合附近的徐州地震台钻孔分量应变数据，利用FFT算法，对滤除高频信息的数据进行分析，得到以下结论。

(1) 磁暴期间，江苏区域内4个地电台站不同极距、不同方向的地电场数据均记录到同步异常信息。该区域地电场台站记录的地电暴数据与地磁H分量变化趋势接近，地磁暴的急始变幅对应地电暴的一个大幅度脉冲，然后是初相和主相的剧烈扰动，二者一一对应。

(2) 由各分量优势周期对应性可知，江苏区域地电场NS向数据同地磁场H分量对应性较强，与体应变的12 h优势周期具有一定对应性；地电场EW向12 h优势周期及谱值变化与地磁场H分量、体应变具有一定对应性。对于24 h优势周期，地电场NS、EW向如同地磁场H分量与体应变的叠加结果，只是地电场NS向含有地磁场H分量的成分高于体应变成分，而地电场EW向更趋向于地磁场H分量与体应变叠加抵消的结果，与地电场NS向、EW向布极方式有关。

(3) 磁暴剧烈变化时，江苏区域4个台地电场不同测项的突跳方向存在各向异性，EW向数据具有一致同向现象，NS向数据有差异性。磁暴期间，地电场记录的剧烈变化与地磁场发生强烈扰动所产生的感应电场有关，其强度不仅与磁场分量强度相关，也与测区的深部阻抗值有关，即地电阻率阻抗越大，感应电场越大，地电场日变化幅度越大。