1 研究背景

外实际观测的电磁信号来源主要有几部分，包括最强烈的、自然的、全球性的信号，如地磁场的日变化和磁脉动，来自直流电车等驱动的地下电流产生的人为和近场噪声以及与地下活动有关的地震电磁信号（Harada et al，2004）。地震电磁研究问题的关键是如何从其他噪声中区分地震相关信号。远场参考方法可用于消除目标台站来自空间场源的扰动信号（Han et al，2013）。本研究基于目标台与参考台的台站间转换函数，构建日本关东地区KYS目标台站正常地磁场变化模型，从而识别可能来自地下的地震前电磁异常信号，为地震电磁信号异常的定量研究奠定基础。

2 理论基础

一个台站观测到的地磁场变化可分为正常场和异常场2部分，正常场部分由来自电离层的外部场源组成，异常场部分是由在异常地球结构中产生的感应电流引起，即由于横向结构非均匀性的感应电流产生的二次场。当外界电磁波以平面波的形式垂直穿透地面时，2个相隔一定距离的台站外部空间场源的频率信号可认为是一致的，利用2个观测台站的数据，台站间的转换函数可以如下方程定义：

$ \left(\begin{array}{c} \Delta X_{\mathrm{s}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{s}}(\omega) \\ \Delta Z_{\mathrm{s}}(\omega) \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) \\ 0 \end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc} c(\omega) & d(\omega) \\ e(\omega) & f(\omega) \\ a(\omega) & b(\omega) \end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{lc} \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} c(\omega)+1 & d(\omega) \\ e(\omega) & f(\omega)+1 \\ a(\omega) & b(\omega) \end{array}\right)\left(\begin{array}{l} \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) \end{array}\right) $

(1)

其中，ΔX_r(ω)和ΔY_r(ω)是参考台的X、Y分量，ΔX_s(ω)、ΔY_s(ω)和ΔZ_s(ω)是目标台观测的X、Y、Z分量，将方程（1）重写为如下形式，可得

$ \left(\begin{array}{l} \Delta X_{\mathrm{s}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{s}}(\omega) \\ \Delta Z_{\mathrm{s}}(\omega) \end{array}\right)=\left(\begin{array}{ll} T_{x x}(\omega) & T_{x y}(\omega) \\ T_{y x}(\omega) & T_{y y}(\omega) \\ T_{z x}(\omega) & T_{z y}(\omega) \end{array}\right)\left(\begin{array}{l} \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega) \\ \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) \end{array}\right) $

(2)

其中，T_xx (ω)、T_xy (ω)、T_yx (ω)、T_yy (ω)、T_zx (ω)和T_zy (ω)被称为目标台与参考台的台站间转换函数，通过6个台站间转换函数分量，目标台的X、Y、Z分量可以由参考台的X、Y分量表示，公式如下

$ \Delta X_{\mathrm{s}}(\omega)=T_{x x}(\omega) \cdot \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega)+T_{x y}(\omega) \cdot \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) $

(3)

$ \Delta Y_{\mathrm{s}}(\omega)=T_{y x}(\omega) \cdot \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega)+T_{y y}(\omega) \cdot \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) $

(4)

$ \Delta Z_{\mathrm{s}}(\omega)=T_{z x}(\omega) \cdot \Delta X_{\mathrm{r}}(\omega)+T_{z y}(\omega) \cdot \Delta Y_{\mathrm{r}}(\omega) $

(5)

3 研究结果

利用参考台KAK与目标台KYS实际数据，得到日本关东地区2个地磁台站间转换函数的6个分量结果，见图 1，其中T_yx、T_xy分量的实部与虚部接近于0，而T_xx、T_yy分量实部在1左右，说明在一定台间距范围内，目标台与参考台的X（或Y）分量变化较为一致，而T_zx与T_zy均接近0则表明目标台垂直分量变化与参考台X或Y分量相关性不大，主要反映局部异常信号。

由转换函数计算结果计算某个时间段内目标台KYS地磁南北分量X变化量的估计值，数据数据采样频率为1 Hz，选用某日凌晨30 min的数据为例展示其计算效果。为去除全球地磁扰动信号，计算得到其残差值（主要成分为目标台局部地磁信号），结果见图 2，可见目标台估计值结果与参考台较为一致。使用该方法可较好恢复目标台站正常地磁变化模型，从而为进一步分析地震电磁异常信号提供基础。

4 结束语

计算目标台与参考台的台站间转换函数，有助于构建目标台站正常地磁场变化模型，从而识别可能来自地下的地震前电磁异常信号，为地震电磁信号异常分析提供基础。