0 引言

地电场是指地球表面天然存在的电场，可分为大地电场和自然电场2部分（孙正江等，1984；席继楼等，2002；张学民等，2007）。大地电场场源来自地球外部电离层中各种电流体系，具广域性特征；自然电场主要来自地下介质物理化学反应引起正负电荷分离而产生的电流体系，具有局部性特点（钱家栋等，1995；高玉芬等，2001）。在孕震过程中，地壳介质孕震应力等环境因素发生变化，导致介质电性结构发生变化，通过地电场观测，可有效捕捉地球内部异常信息，用于地震预测研究。

在地电场观测中，记录到多次震前异常现象（毛桐恩，1999；马钦忠等, 2004, 2013；张学民等，2005；马钦忠，2008；张建国等, 2011, 2012, 2013；安张辉等，2013），同时记录到电极极化、降雨、高压直流输电、雷电、地电暴等干扰信息（张振文等，2010；郭建芳等，2011；罗娜等，2016）。地电暴与地磁暴均起源于太阳日冕物质抛射事件，是大尺度空间同时发生的电磁现象（刘立波等，2001；张满莲等，2005；张学民等，2006；黄为权等，2019）。地电场观测资料对地电暴的表现形态、波动幅度等变化，与磁暴持续时间、强度及台站电性结构等有较大关系（张素琴等，2010；胡小静等，2013；孙君嵩等，2017；李飞等，2018）。本文主要分析河北省地电场观测数据在地电场静日和地电暴期间发生的波形变化特征，利用最大熵谱方法提取频谱成分，结合台址电性结构等因素，探讨河北地区地电观测资料地电暴差异特征。

1 观测台站

河北省地电场观测台网由昌黎、阳原、兴济、大柏舍、肥乡、滦县6个地电台站组成，台站分布见图 1。观测装置采用“多方向、多极距”方法进行布设，布极方式为双“L”型（图 2），其中长极距300—400 m，短极距150—200 m。观测外线路使用铠装电缆，除昌黎台采用架空方式，其他台站均采用地埋方式；测量电极使用固体不极化电极，埋深3—4 m；观测仪器均采用中国地震局地震预测研究所研制的ZD9A-2B地电场仪，测量频段0—0.005 Hz，采样率为1次/min，24 h持续观测。

河北地电台站观测数据可靠，同测向相关性较好，相关系数达0.9以上。台址位于断裂带，是地震监测的敏感点，如在2006年7月4日文安M_S 5.1地震前，昌黎台记录到显著地电场异常变化（马钦忠，2008；郭建芳等，2013），在河北地区震情跟踪监视中发挥了重要作用。

2 分析方法

Burg于1967年将信息论中最大熵谱技术应用于时间序列功率谱估计，提出最大熵谱分析方法，基本思想为，不作任何确定性假设，利用已知数据自相关函数，在确保最大熵条件下，外推未知延迟离散时间上的相关函数（韩大宇，1987；邹鲲等，2002）。该方法已大量应用于测震和震前异常资料研究（薛艳等，2004；张国苓等，2014；胡小静等，2017）。

计算平稳随机序列最大熵谱原理如下：找出满足约束条件下自相关函数与功率谱密度关系，依据给定数据序列求出有限个自相关函数，按照变分原理即可得到最大熵功率谱密度（Fougere et al，1976），公式如下

$ {S_x}\left(f \right) = \frac{{{P_M}}}{{2{f_{\rm{c}}}{{\left| {1 + \sum\limits_{m = 1}^M {{a_m}{{\rm{e}}^{ - j2{\rm{ \mathsf{ π} }}mfT}}} } \right|}^2}}} $

(1)

式中，f为频率，a_m为预测误差系数，P_M为预测误差功率，M为滤波器阶数。一般采用最终预测误差（FPE准则），同时限定M_max≤N/2，以确定M取值。

3 静日地电场变化特征

地电场日变化由静日地电场日变化与扰日地电场变化叠加在一起构成，主要表现为峰—谷型、近直线型、无序变化型和混合型形态，其中峰—谷型可分为近正弦形的TGF-A型和近梯形TGF-B型（陈有发等，1999；谭大诚等，2010；董晓娜等，2012）。TGF-A型地电场是，潮汐力直接作用于岩石，致岩石裂隙水呈周期性渗流，产生的周期性过滤电场；TGF-B型地电场是，气潮作用产生的空间Sq电流，通过磁场在地表产生的感应电场（徐文耀等，1992；黄清华等，2006；赵旭东等，2008；谭大诚等，2011）。

图 3给出2014年6月13日河北地区地电场分钟值预处理数据曲线，数据选取时段为中国地磁台网中心公布的国际磁静日。河北地区台站地电场具有较规则的日变化形态，呈稳定的“峰—谷”型。昌黎台紧邻渤海，与海岸线直线距离约25km，主要受固体潮汐力影响，EW测向日变化表现为持续全天的双峰双谷近正弦形态，属TGF-A型潮汐地电场；其余5个台于12时前后6小时出现近正弦变化，波谷点相对固定，早晚时间段相对平静，呈近直线形态，属TGF-B型潮汐地电场。

4 地电暴分析 4.1 地电暴波形特征分析

磁暴是一种重要的磁扰变化类型，变化形态在中低纬度地区以H分量为主，大致分为初相、主相、恢复相3个阶段，主相是磁暴主要特点，可利用主相最低点幅度来衡量磁暴大小（徐文耀, 2003, 2009）。地电暴强度与磁暴强度呈较好的相关性，可据磁暴变化过程探讨地电暴形态特征。磁暴扰动强度剧烈时，地电暴可记录到初相、主相、恢复相完整变化形态；磁暴强度较弱时，地电暴形态特征不清晰（王伟等，2013）。

（1）急始型磁暴时地电数据变化。据中国地磁台网，2015年3月17日—18日发生急始型磁暴，3小时磁情指数k最大值为7，在此以红山台地磁场H分量及对应的大柏舍台地电场EW分量变化为例，分析河北省地电暴波形特征，观测曲线见图 4。由图 4可见：①北京时间3月17日12时45分红山地磁场H分量出现骤然上升趋势，呈正脉冲变化，后保持高于平静值状态，在水平向上起伏变化，持续时间约67 min，此时段为磁暴初相，急始变幅为50.3 nT；②大柏舍台地电场EW向分量12时45分出现尖锐负脉冲变化，陡然下降，至12时53分达最低值，急始变幅为14.597 mV·km^-1，后逐渐恢复，地电暴初相对应磁暴初相阶段；③磁暴主相期间，红山台H分量13时52分开始迅速大幅度下降，至18日01时32分达最低点，主相持续期约11 h 40 min，最低点幅度-300.9 nT；④大柏舍台地电场数据17日13时52分开始逐渐上升，17时38分达最高值，后出现转折下降变化，21时28分起在电场基值附近呈剧烈大幅振荡，18日01时33分磁暴进入恢复相阶段，磁场逐渐恢复至磁暴前水平，相应地，随着扰动强度减弱，地电暴振荡幅度逐渐减小至消失，电场基值恢复（图 4）。

（2）缓始型磁暴时地电数据变化。据中国地磁台网，2014年2月18日—20日发生缓始型磁暴，k指数最大为6，在此以昌黎台地磁场H分量及地电场EW分量为例，分析河北省地电暴波形特征，观测曲线见图 5。

由图 5可见：①北京时间2月18日21时54分—22时54分为磁暴初相，昌黎台H分量缓慢上升至-100.5 nT，地电场出现小幅度扰动变化，地电暴初相不明显；②继初相后，磁场水平分量于22时55分大幅下降，至19日17时26分达主相最低点-255.1 nT，地电场EW分量曲线在地电暴主相期间呈下降、上升变化；主相之后，磁场于17时27分逐渐恢复，恢复期间伴随小幅扰动起伏，2月20日7时磁暴结束；磁暴恢复相初期电场呈大幅度快速振荡变化，恢复相后期电场振荡逐渐减弱，恢复至电场基值上下波动。

（3）复合型磁暴时地电场数据变化。据中国地磁台网，2015年6月22日—24日记录到急始型磁暴（复合型磁暴），3小时磁情指数k最大值为7。选取磁暴期间北京时6月22日至24日红山台地磁H分量和大柏舍台地电场EW向分钟值数据，分析河北省地电暴波形特征，结果见图 6。由图 6可见：①在初相阶段，6月22日00时44分地磁水平分量突然增加，呈正脉冲变化，红山台急始变幅为57.1 nT，同时，大柏舍地电场观测曲线出现尖锐负脉冲突跳，急始变幅为11.1 mV·km^-1；②23日再次发生磁暴，且初相叠加在22日磁暴主相阶段，造成地磁H分量于23日02时32分出现正脉冲现象，后出现迅速大幅度下降变化，约9小时后下降至最低值，红山台磁暴主相最低点幅度为-310.6 nT，大柏舍台地电场同时出现负脉冲变化，脉冲幅度变化达-15.5 mV·km^-1，后呈剧烈高频起伏变化，信号精细程度均高于地磁场；③主相之后，进入磁暴恢复相阶段，电场逐步恢复至基值附近。

4.2 急始变幅分析

（1）急始变幅特征。鲍海英等（2018）研究表明，地电暴发生时，江苏地区台站地电场不同测向数据的突跳方向存在各向异性特征。河北省地电台站在急始型地电暴期间，地电场观测数据初相变化显著，各台地电暴急始脉冲表现出不同的方向性特征，与鲍海英等（2018）的结论一致。其中：大柏舍和肥乡台地电场NS、EW向数据向下突跳；昌黎、阳原、滦县台NS向数据向上突跳，EW向数据向下突跳；兴济台N75°E向、N60°W向数据均向下变化。由上可知，兴济台N75°E与其他5个台EW向数据变化具有同向现象，兴济台N60°W向和昌黎、阳原、滦县3个台站NS向数据具有差异性。

2015年6月23日复合型地电暴发生时，大柏舍、昌黎、滦县等台地电场NS分量变化幅度稍高，阳原台地电场EW分量变化幅度大于NS分量（图 7）。而且，不同台站同测向对于同一地电暴产生的最大急始变幅也存在差异现象，如：阳原、昌黎台EW向急始变幅较大，分别为86.052 mV·km^-1、61.777 mV·km^-1；肥乡台急始变幅最小，变化幅度为20.164 mV·km^-1。

（2）原因分析。李飞等（2018）分析认为，台站及不同测向之间地下电阻率、裂隙发育和走向及地质构造差异等造成台站地电暴变化的差异性。磁暴发生时，近地磁场北分量方向，H分量变化最大，最能代磁暴过程特点（徐文耀，2003）。磁暴期间各台水平分量H分量变化基本一致，而地电场EW分量与地磁场北分量相垂直，故地电场EW分量产生同向变化。地下介质非均匀性对地电场信号具有较大影响（马钦忠等，2004），大区域和台站测区附近范围内介质结构非均匀性可以改变地表地电场信号特征（马钦忠等，2014），导致不同台站的介质电导率各向异性在宏观上构成区域性地电流涡旋分布现象（章鑫等，2017），使得不同台站NS测向表现出不同相位特征。

在地电场观测中，大地电场日变化、地电暴变化幅度差异在较大程度上与观测台址表层电阻率大小有关（杜学彬等，2007）。昌黎台由于地处海岸线附近，电场EW向分量属TGF-A型地电场，可观测到磁场相关信息及固体潮汐变化。据杜学彬等（2007）的研究，海岸线附近及昼夜温差大的台站，地电场观测数据曲线变化幅值相对大，因此昌黎台地电场记录幅值相对较大。卫定军（2010）研究认为，基岩场地对电场扰动反应比粘土显著。据此分析，发现地下浅层介质混有砾石等的滦县、阳原台，记录的地电暴幅值比土层介质的肥乡台显著（图 7）。

4.3 地电暴频谱特征分析

采用最大熵谱法，对2015年6月23日河北省地电台站地电暴日分钟值进行频谱估计，结果见图 8，图中实线表示NS分量，虚线表示EW分量。由图 8可见：在地电暴日，电场谱值显著周期成分为8 h，大柏舍台NS分量、兴济台N75°E分量出现12 h日变化长周期成分；除阳原台EW、兴济台N75°E分量谱值高于NS分量和N60°W分量，其余台站EW分量谱值低于NS分量；高频短周期成分中约1.6 h为优势周期；在2—8 min周期段中，高频成分更加丰富，不同台站优势周期略有差异，应与台站的台址条件差异性有关（叶青等，2007；孙君嵩等，2017）。

5 结论

河北省昌黎、阳原、兴济、大柏舍、肥乡、滦县地电台地电场具有较规则的日变化形态，呈稳定的“峰—谷”型，其中：昌黎台日变化表现为持续全天的双峰双谷近正弦形态，属TGF-A型潮汐地电场，其余5个台12时前后6小时出现近正弦变化，早晚相对平静呈近直线状，全天近正弦波形出现间断，属TGF-B潮汐地电场。

地电暴和磁暴具有广域同源性，急始型磁暴初相期间，电场迅速减小（或增加），出现尖锐脉冲变化；磁暴主相阶段，电场表现为逐渐上升又转折下降变化，随后在电场基值附近呈剧烈大幅振荡；随着扰动强度减弱，磁场逐渐向磁暴前水平恢复，进入磁暴恢复相后，地电暴振荡幅度逐渐减小至消失，恢复电场基值。缓始型磁暴时，无地电暴初相，磁暴主相、恢复相期间，地电场变化类似于急始型电暴变化。

地电暴时，河北区域各台地电暴急始脉冲表现为不同的方向性特征，与地下介质不均匀性关系密切；不同观测台址表层电阻率大小不同，导致不同台站不同测向急始变幅出现差异现象，表现为局部区域性特点；地电暴日高频短周期成分更加丰富，优势周期约1.6 h。