大连地磁台极低频观测天然源电磁场数据分析.pdf

Mar.2023PLATEAU EARTHOUAKE RESEARCH2023年3月Vol.35No.第3 5 卷第1 期原地震高大连地磁台极低频观测天然源电磁场数据分析孙国涛，曲骞，于治信（大连地震台，辽宁大连116000)摘要：利用大连极低频电磁观测台的连续观测数据，采用天然源电磁法对观测的电磁场数据进行了处理和分析。结果表明天然源电磁场具有明显的周期性变化特征，表现为白天电磁场谱值比夜间的大，日变化和夏季谱值是冬季谱值的2 倍左右的季节性的特征。对地磁台站观测天然源电磁场数据的非地震影响因素主要为雷电、磁暴以及电磁环境（如高压直流输电）等。关键词：极低频电磁观测；天然源电磁场；时间变化特征；影响因素中图分类号：P315.72*5文献标识码：A文章编号：1 0 0 5-5 8 6 X(2023)01-0034-090引言极低频电磁观测的布置和观测是参照大地电磁测深法（MT）开展工作方式，其天然源观测部分是以天然电磁场为场源，研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段1 。依据不同频率的电磁波在导电介质中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁场时间序列经过相关的数据处理，获得不同频率的大地电磁响应,对其响应分析和反演，得到由浅至深的地下电性结构。极低频电磁观测是一项新技术，其观测量不同于其它已有电磁法，它既可观测极低频发射台发射的人工源电磁信号，也可开展类似大地电磁测深法来观测天然源的电磁场。为得到人工源和天然源电磁场随时间的变化，在大连地震台需要开展极低频电磁场的连续观测。极低频天然电磁场观测不仅能获得电磁场的时间序列（类似于地电场观测，还能获取地下电性结构及其变化2 。大连地磁台（以下简称大连台）是极低频探地工程地震预测分系统在首都圈布置的一个极低频电磁观测站，位于大连瓦房店市九龙街道办事处九龙村大连地磁台院内（1 2 1 0 8 E,3920N）。于2013年9 月1 0 日开始观测。主要开展的研究工作有：提高抗干扰能力的数据处理新技术的应用效果研究，获得极低频频段（30 0 0.1 Hz）天然电磁场谱密度分布和变化；研究非地震事件过程可能引起的天然电磁场变化及特点；研究天然电磁场的背景变化特点；研究电磁场和地下电阻率等物性参数可能出现的异常特点及其成因，探索提高捕捉地震电磁异常的方法等。这不仅对大连台极低频电磁观测资料的分析研究有重要意义，同时对华北地区台网获得高水平的研究结果也具有重要的价值。1数据的获取与处理1.1观测装置观测仪器为德国Metronix生产的ADU-07e电磁观测仪，测量彼此正交的电磁场2 。取正北为x轴，正东为y轴，采用十字型布极方式，外接南、北、东、西四个方向的电极，观测南北向Ex和东西向Ey电场分量，南北、东西和垂直三个方向的感应式磁传感器，观测南北Hx、东西Hy和垂直Hz磁场分量。电极采用Pb-PbCl,不极化电极和纯铅板两套电极，两套电极的埋深相距5 0 8 0 cm，为确保接地可靠稳定，防止冬季冰冻和地下水的影响，底部的铅板电极埋深为4m，且在布设时添加了膨润土做降阻剂降低接地电阻，安装之初使用不极化电极，其南北向接地电阻为6 3,东西向接地电阻为1 1 5 Q。目前使用铅板电极，其南北向接地电阻在40 0 Q左右，东西向接地电阻在300左右，南北和东西电极距都是8 0 m。为了收稿日期：2 0 2 2-0 5-30作者简介：孙国涛(1 9 7 4），男，辽宁大连人，工程师，主要从事台站管理及地磁日常观测、资料分析工作。E-mail:35孙国涛极低频观测天然源电磁场数据分析地磁期第减少风噪、温度等因素的影响，磁探头采用深埋，埋深达1.7 m。1.2数据获取台站观测采用预设定的观测时间表，每天观测天然源数据和人工源数据3天然源观测采用三个采用率进行观测，其采样率分别为40 9 6 Hz（高频）2 5 6 Hz（中频）和1 6Hz（低频）,其中高、中频段每1 0 分钟一次记录。每十分钟40 9 6 Hz记录4s,256Hz记录6 4Hz，16Hz采样除每周一次的CPS时钟同步有间断以外，一直连续记录。每天自动记录的起始和结束时间表详见表1。记录的数据以天为单位形成一个单独的时间序列文件，每1 0 分钟的高中频记录处理出一个功率谱和阻抗edi数据文件，此外利用全天高、中和低频记录处理出功率谱和阻抗edi数据文件4表1天然源数据记录名称采样率开始时间结束时间观测时长循环天然源NS-Cyclic4096 HzXX:XO:00XX:X0:044s循环天然源NS-Cyclic256HzXX:X1:30XX:X2:3464s状态文件NS-Status LogXX:X5:00XX:X5:00一连续天然源NS-Cont16Hz00:00:00InfiniteSplit at end of day1.3数据处理数据处理基本与采用大地电磁测深数据处理类似的方法和流程，首先对各观测分量的时间序列数据进行快速傅氏变换，再在频率域进行仪器响应进行校正，然后计算各分量的自功率谱和分量间的互功率谱，最后计算视电阻率和阻抗相位。计算采用Metronix公司最近开发的资料处理软件Procmt，它有三种数据处理方式：全叠加（s t a c k a l l）、相关度阈值法（Coherency Threshold）和中值法（MedianProcessing）。处理结果以EDI(Electronic Data Interchange）形式存储 。本文只分析电磁场自功率谱的时间变化特征，不对视电阻率和阻抗相位等大地电磁响应进行分析和研究，因此，只使用EDI文件中的自功率谱结果1.3.1全叠加法（stackall)全叠加法就是在谱张量、阻抗张量等叠加时选取其平均值作为最后的估算值。大部分情况下，这种方法作为另外一些方法的参考，因为它可以给出数据最整体的情况，让我们清晰的了解到记录到的所有数据质量，指示出数据好的频段范围。然而有时候全叠加方法在死频段或者高频部分给出令人惊奇的好结果。其原因是谱分布范围虽然非常广、非常混乱，但是其分布很平衡，这就可以使得大小相互抵消。但是这些谱估算方法（全叠加法，中值法，相关性阈值法）都会在估算前剔除一些肯定是错误的飞点，因为当你计算过程中，将相关性剔除这个功能打开时候，谱的全叠加也不是真正意义上的全叠加，而是选取了所有正确的数据进行的全叠加。其中均值的计算公式为：1Nx=(1)标准差的计算公式为：1NV1N-1N-1,)/2)2(2);N-=0=01.3.2相干度阈值法(Coherency Threshold)相干度阈值方法，是谱叠加中最经典的一种方法，它计算Ex和Hy、Ey 和Hx的相干度，设置相干度阈值对数据进行挑选。在数据量比较大的时候，可以选取较大的阈值，例如0.8 或者更大，这样可以得到更高品质的数据，但是阈值也不能选取得太大，否则会因为选取条件太过苛刻，选不到相应的值。但是相干度阈值法也有很大的限制，当测点处近场干扰较强的时候，其相干度值也很大，但是得到的结果也很差。1.3.3中值法(MedianProcessing)中值法是通过计算阻抗张量的中值来估算阻抗张量Zxy和Zyx，即将阻抗张量进行排序然后选取第N/2个值。这是一种稳定估算方法，可以有效剔除飞点值。但是如果叠加次数不够，中值和平均值的计算都是没有意义的，建议至少有2 0地原36高震第3 5 卷次叠加。但是计算过程中将上限和下限的值都选取为1则得不到中值结果，因为处理方法需要该中值对Zxy和Zyx二个值进行估计，他们不会有相同的中值,所有这样设置的条件下得到的edi文件为空，没有数据能够满足这种条件。但是若将视电阻率上下限设置特别严苛时，也会得不到相应的结果。使用三种谱估算法进行视电阻率和相位曲线计算,FFT长度和Parzen半径这两个参数对处理结果影响很大。短的窗口长度会使得目标频率分辨率下降，但相邻频段会变得光滑，对于低能量的谱线，短的窗口长度及大的Parzen半径是有利的；存在一定干扰的时序曲线,增大窗口长度,降低Parzen半径，会减少尖峰对目标频率的影响，从而提高资料的信噪比。然而如果窗口长度过大，将降低时间序列的可能叠加次数，这样统计错误就会增加，而如果时序非常短，短的窗口长度也会导致统计错误。为此，在资料处理过程中需要找出参数的最佳组合以期得到理想的结果。实际数据处理是高中频天然源数据每1 0 分钟循环记录的数据，记录完即传输到台站服务器，进行处理，形成一个edi文件。且在全天（一天的记录从当日8：0 0 次日8：0 0）数据记录完后上传到服务器，进行处理，得到一天的edi文件。最终每日可以得到ct、m e d i a n 和stack_all三种处理方式的EDI结果36 9 个：全天人工源（CompleteDayns，单个文件不能小于5 0 Kb)3个、全天上午人工源（CompleteDay_ca)3个、全天下午人工源（Com-pleteDay_cp)3个以及循环天然源（ns)360个。数据存放在/mtdata/CEAcopy/Site_*/年/月/日的文件夹下的各文件夹中。经数据统计及整理，自2 0 1 3年9 月8 日开始，截止到2 0 1 6 年8 月31 日，大连台极低频观测天然源数据缺失5 6 天，上午人工源数据缺失6 4天，下午人工源数据缺失8 0 天，无数据5 4天。在2015年之前，由于软件问题以及仪器运行不稳定等原因造成，数据缺失多，在运行的47 7 天之中无数据的达到了40 天，而2 0 1 5 年以来运行至2 0 1 6年8 月8 日6 0 5 天之中无数据的仅为6 天，运行率大大提高5 经数据计算分析表明，中值法数据处理方式较其他两种数据处理方式得到的结果更为合理，故在以下数据分析中使用中值法数据处理方式的数据。2时间变化特征分析2.1电磁场谱日变特征通过对每十分钟一次采样获得数据处理结果，我们提取出干扰小、相对稳定的时间段作图，发现电磁场谱具有明显的日变特征。图1 和图2给出了频率9 8 Hz连续8 天的不同时期的十分钟电磁场原始谱图。电场谱单位：【mV/km*sqrt(Hz)】serEx磁场谱单位：【nT/sqrt（H z)】serEy1.0E+0serHxExserHy1.0E-0serHz1.0E-1Ey1.0E-21.0E-6Hx1.0E-71.0E-81.0E-6Hy1.0E-71.0E-61.0E-7Hz1.0E-82015-01-012015-01-022015-01-032015-01-042015-01-052015-01-062015-01-072015-01-082015-01-0900:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:00日期/时间图12015年1 月1 日至8 日谱密度日变曲线（9 8 Hz）期37孙国涛地磁台极低频观测天然源电磁场数据分析第电场谱单位：【mV/km*sqrt(Hz)】磁场谱单位：【nT/sqrt（H z）】净serExExserEy1.0E-1serHx净serHy1.0E+0serHz1.0E-1Ey1.0E-21.0E-51.0E-6Hx1.0E-71.0E-81.0E-6Hyy1.0E-71.0E-81.0E-7Hz 1.0E-82015-11-21 2015-11-222015-11-232015-11-24 2015-11-252015-11-26 2015-11-272015-11-28 2015-11-2900:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:00日期/时间图22015年1 1 月2 1 日至2 8 日谱密度日变曲线（9 8 Hz）从图中整体上看，电磁场功率谱的日变曲线呈现类似正弦波的曲线形态，白天的电磁场谱强（高值一般出现在世界时7 时左右），晚上的稍弱（低值一般出现在世界时1 8 时左右），这与太阳的活动相关。2.2电磁场谱季节变化特征我们以频率9 8 Hz为例，绘制了2 0 1 5 年冬季（2 0 1 5 年1 月1 日2 0 1 5 年2 月2 8 日）电磁场谱与2 0 1 5 年夏季（2 0 1 5 年7 月1 日2 0 1 5 年8 月31日）电磁场谱变化对比曲线（图3）。0.40.350.3冬季谱夏季谱0.250.20.150.11/16/152/5/152/25/157/15/158/4/158/24/150.240.20.160.120.080.0401/16/152/5/152/25/157/15/158/4/158/24/1510-810-7610-7410-7210-701/16/152/5/152/25/157/15/158/4/158/24/1510-68x10-76x107410-7210-71/16/152/5/152/25/157/15/158/4/158/24/15810-7610-7410-7210-701/16/152/5/152/25/157/15/158/4/158/24/15图3电磁场谱冬季与夏季变化对比曲线（9 8 Hz）从对比曲线可以看出，1.2 Hz以上频率的电磁场信号的季节变化特征表现为，夏天的谱值明显高于冬天。这可能与这些频率的电磁场主要来自雷电信号有关，在北半球，一般夏天多雷电，冬天雷地原高震38第3 5 卷电很弱。由于更低频率资料稍差，目前尚未对1.2Hz以下频率的电磁场谱时变规律进行研究。表2 给出了2 0 1 5 年9 8 Hz夏冬电磁场谱的中位值以及两个季节谱值的比，电场谱值在1 0-1到1 0-2 量级上，磁场谱值在1 0-量级上，夏季谱值是冬季谱值的2 倍左右。表2电磁场谱冬季与夏季对比ExEyHxHyHz夏季平均0.201999 280.088 149 540.000.000240.000 000500.00000034冬季平均0.196309380.029 797 430.000 000 070.000 000.360.000 00015夏冬比值1.028 984332.958 293 763.417302.931.391 624 622.197 878 533影响因素分析3.1非地震因素影响3.1.1雷电影响雷电是大气层放电引起的，它是振幅较大的一系列高频脉冲。通过分析研究发现，雷电影响可以直接表现在电磁场谱的日均值上，使不同分量的谱值大幅增大，（图4）展示了2 0 1 5 年夏季（7 8 月）较大雷电（7 月1 4日、8 月5 日、8 月2 3日）使电磁场谱值突增（数值上有近2 个数量级的增强，不同分量幅值变化各不相同）的情况。100810-1雷电影响雷电影响6x10-1410-1210-107/15/158/4/158/24/15100雷电影响810-1610-1410-1210-107/15/158/4/158/24/15810-6x10-6410-6210-607/15/158/4/158/24/15410-6310-6210-610-607/15/158/4/158/24/1521061x10-6810-6410-67/15/158/4/158/24/15图4雷电对电磁场的影响(9 8 Hz)3.1.2磁暴影响磁暴是太阳风引起的一种振幅变化十分剧烈的不规则干扰变化。磁暴过程中水平分量变化最为剧烈。2015年大连台地磁观测记录到的急始磁暴有5 次，我们以2 0 1 5 年3月发生的一个磁暴事件期39孙国涛台极低频观测天然源电磁场数据分析地磁第为例，具体起始时间是3月1 7 日4时45 分，结束时间是3月2 1 日2 1 时，水平分量急始变幅48.5 nT，最大扰动量2 7 8.4nT,最大K指数为6,对此作图分析如下：图5 中“H”是地磁观测仪（磁通门磁力仪）记录的水平分量分均值时变曲线（2 0 1 5 年3月1 6 日1 9 日），“Ex、Ey、H x、H y、H z 为极低频观测仪（ADU-07e电磁观测仪）观测计算处理得到的电磁场功率谱十分钟均值时变曲线（2 0 1 5 年3月1 6 日 1 9 日,9 8 Hz)。0-100急始磁暴工-200-3003/15/153/16/153/17/53/18/153/19/153/20/1521002100100510-10-5x10-13/15/153/16/153/17/53/18/153/19/153/20/15410-12x10-103/15/153/16/153/17/53/18/153/19/153/20/152x10-5106510-705x103/15/153/16/153/17/153/18/153/19/153/20/156x10-6410-6210-603/15/153/16/153/17/153/18/153/19/153/20/15310-6210-610603/15/153/16/153/17/153/18/153/19/153/20/15时间（月/日/年）图5磁暴对电磁场的影响（9 8 Hz)可以看出，磁暴对极低频观测结果的影响主要表现在磁暴初相、主相扰动幅度较大而且比较剧烈的时间段，使电磁场谱十分钟均值产生明显的突跳。3.1.3高压直流输电影响在高压直流供电正常工作时，电流基本上都从两条架空线路经过，电流方向相反，大小基本相等，只有很少的一部分不平衡电流人地（小于30A）。但出现故障后，就会出现很大的不平衡电流，对线路两侧台站的地磁观测和电场观测造成干扰，这种干扰被称之为高压直流干扰。大连台电磁观测受到高压直流输电影响主要来自于从呼伦贝尔到辽宁辽阳的“呼一辽”线的影响，2 0 1 5 年大连台地磁观测记录到的高压直流输电影响有9 次，图6 给出的是2 0 1 5 年5 月的一次高压直流干扰事例，开始时间是2 0 1 5 年5 月19日2 3时32 分，结束时间为2 0 日0 时30 分，地磁场垂直分量跳动3.7 nT。图6 中“N”是地磁观地40第35 卷震原高测仪（磁通门磁力仪）记录的垂直分量分均值时变曲线（2 0 1 5 年5 月1 9 日 2 0 日），“Ex、Ey、H x、Hy、H z 为极低频观测仪（ADU-07e电磁观测仪)观测计算处理得到的电磁场谱十分钟均值时变曲线（2 0 1 5 年5 月1 9 日2 0 日，9 8 Hz）。280260高压直流影响2402205/19/155/19/155/20/155/20/155/20/151.20.80.405/19/155/19/155/20/155/20/155/20/150.50.40.30.20.105/19/155/19/155/20/155/20/155/20/152E-61E-68E-74E-7OE-05/19/155/19/155/20/155/20/155/20/154E-63E-62E-61E-6OE+05/19/155/19/155/20/155/20/155/20/152E-62E-62E-61E-65E-7OE+05/19/155/19/155/20/155/20/155/20/15时间（月日/年）图6高压直流输电对电磁场的影响（9 8 Hz）从图中可以看出：高压直流输电在故障期间对电磁场产生干扰，造成电磁场谱十分钟均值出现突跳（主要表现在Ex、H y、H z 分量）。3.2地震因素影响2015年，大连台周围5 0 0 km内共发生4级以上地震6 次。使用大连台观测极低频电磁观测数据,处理得到的电磁场功率谱的计算结果，抽取74Hz的数据，叠加上6 次地震发生的时间（图7），开展地震活动和电磁场之间的相关性分析尝试。从图7 可以看出，地震发生前后，天然源电磁场全部测量分量的谱值同时变化并不十分明显，但是,发现地震前后似乎有部分或个别观测分量存在变化。因此，地震活动和电磁场的相关性是比较复杂，目前还无法从天然源电磁场谱值时变曲线上直接判断地震的发生，需要进一步开展详细的研究。41孙国涛连地磁台极低频观测天然源电磁场数据分析期第0.20.114.014.24.04.00-0.1-0.25/26/157/15/159/3/1510/23/1512/12/150.20.114.04.314.214.044.60-0.1-0.25/26/157/15/159/3/1510/23/1512/12/15210-614.010-614.614.314.214.04.05/26/157/15/159/3/1510/23/1512/12/15210-6110-64.014.64.214.04.M05/26/157/15/159/3/1510/23/1512/12/158x10￥4.64.314.214.040410-604x106-8x10-65/26/157/15/159/3/1510/23/1512/12/15时间（月/日年）图7地震对电磁场的影响（7 4Hz)4结论经分析讨论，可以得出如下结论：（1）极低频电磁场存在日变化规律，日变曲线呈现正弦波的曲线形态，日变化的特点表现为，通常黑天的值最低，白天的值最高。（2）极低频电磁场也同样具有年变，呈正弦波的曲线形态，冬季值最低，夏季值最高，夏季谱值是冬季谱值的2 倍左右。（3）雷电活动对极低频电磁场的影响较大，在功率谱上表现为明显增大，数值上有近2 个数量级的增强。（4）磁暴对极低频电磁观测（高频）结果的影响和对磁通门地磁仪观测（低频）的结果基本一致。主要表现在磁暴初相、主相扰动幅度较大而且比较剧烈的时间段，使电磁场谱十分钟均值产生明显的突跳。(5)高压直流输电在故障期间对电磁场产生干扰，造成电磁场谱十分钟均值出现突跳（主要表现在Ex、H y、H z 分量）。（6)地震活动和电磁场的相关性是比较复杂，目前还无法从天然源电磁场谱值时变曲线上直接判断地震的发生，需要进一步开展详细的研究。参考文献：1陈乐寿，王光号大地电磁测深法M北京：地质出版社，1 9 9 0.2Matzander U,Wilde M.ADU-07e Operating Manual(Rev 1.5)M.Germany:Branschweiger,Metronix,2013.3赵国泽，王立凤，詹艳，等.地震预测人工源极低频电磁新技术（CSELF）和第一个观测台网J.地震地质,2 0 1 2,34(4)：5 7 6-5 8 5.4赵国泽,BiYaxin，王立凤，等.中国地震交变电磁场观测数据处理技术新进展J.中国科学：地球科学,2 0 1 5,45(0 1):2 2-33.5王立凤，朱学会，赵国泽，等.GMS-07电磁观测系统测量注意事项及故障检测J.物探与化探，2016,40(2):385-389.42地原高震第35 卷ANALYSIS ON NATURAL SOURCE ELECTROMAGNETIC FIELDDATA FOR EXTREMELY LOW FREQUENCY OBSERVATIONOF DALIAN GEOMAGNETIC STATIONSUN Guotao,QU Qian,YU Zhixin(Seismic Station of Dalian,Dalian 116000,China)Abstract:Based on the continuous observation data of Dalian extremely low frequency electromagnetic Observ-atory,the electromagnetic field data are processed and analyzed by natural source electromagnetic method.Theresults show that the electromagnetic field of natural source has obvious periodic variation characteristics,which shows that the electromagnetic field spectrum value in daytime is larger than that in night,and the diur-nal variation value in summer is about twice of that in winter.The non-seismic factors affecting the naturalsource electromagnetic data onto geomagnetic stations are mainly lightning,magnetic storm and electromagneticenvironment(such as HVDC transmission).Key words:Extremely low frequency electromagnetic observation;Natural source electromagneticfield;Time variation characteristics;Influencing factor