王 麗 杜學彬 武 震 章 鑫劉 君 崔騰發(fā)

1） 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2） 中國蘭州730000蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站

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區(qū)域地電觀測網(wǎng)地電場日變化模型研究

1） 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2） 中國蘭州730000蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站

應用泰勒多項式和曲面樣條函數(shù)法建立了我國地電場觀測臺網(wǎng)中華東、 華北兩個區(qū)域臺網(wǎng)的地電場日變化（Kp≤5）模型， 并對擬合結(jié)果進行了對比分析. 結(jié)果表明： ① 盡管地電場變化復雜， 但用這兩種方法建立的日變化模型相當吻合， 模型曲線隨時間的變化符合樣本曲線隨時間的變化; ② 用模型曲線可以描述其它年份同農(nóng)歷日期、 同等磁情時實測的地電場日變化; ③ 用模型曲線描述實測地電場日變化時， 低磁情時得出的結(jié)果要優(yōu)于高磁情時的結(jié)果; ④ 用多日樣本曲線得到的模型曲線更能清晰地展示出地電場日變化的兩次起伏波形、 幅度以及極值集中在午前午后等變化特點. 今后建立全國各區(qū)域臺網(wǎng)不同磁情、 不同農(nóng)歷日期的地電場日變化模型可定量評價區(qū)域臺網(wǎng)的地電場觀測資料的質(zhì)量， 同時根據(jù)該模型能夠分離出地電場的非正常變化， 進而研判真實的異常， 以服務于地震等災害事件的預測以及地球電磁環(huán)境變化的監(jiān)測等方面.

地電場 地電場日變化 泰勒多項式模型 曲面樣條函數(shù)模型

引言

地球電場包括大地電場和自然電場. 大地電場在全球或大區(qū)域范圍有變化波形的相似性以及快變化成分的同步性（準均勻場）， 其與變化地磁場具有相同的場源， 均由固體地球外部的空間電流體系對地球介質(zhì)電磁感應所引起. 大地電場變化分為靜日變化和擾日變化， 其中擾日變化包括高頻地電變化、 地電脈動、 灣擾和地電暴（在地磁暴期間記錄的地電場變化）等. 自然電場起因于地下介質(zhì)中的某些物理、 化學作用所引起的電荷運動和分布. 與大地電場相比， 自然電場變化主要表現(xiàn)為局部區(qū)域和時間上相對穩(wěn)定的變化， 為非均勻場. 地電場變化既受場源控制又受地下局部介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的影響而表現(xiàn)出局部差異， 其中地電場日變化是每日出現(xiàn)的變化成分（克拉耶夫， 1954； 曾融生， 1957； 孫正江， 王華俊， 1984； 傅承義等， 1985； 李金銘， 2005）. 經(jīng)過長期努力， 人們關(guān)于地電場隨時間變化的研究取得了有益進展， 但目前研究工作還主要集中在認識地電場變化的波形和周期特征等方面（杜學彬等， 2007； 葉青等， 2007； 譚大誠等， 2010， 2011； 崔騰發(fā)等， 2013）， 尚未像地磁場那樣（安振昌， 譚東海， 1994； 徐文耀， 2002， 2003； 徐文耀等， 2008； 劉輝等， 2009； 柳士俊等， 2011）用變化模型描述地電場的變化規(guī)律.

我國現(xiàn)運行觀測有約120個固定位置的地電場臺站， 本文嘗試建立地電場日變化（隨時間變化）模型， 期望今后能基于該模型實現(xiàn)3個目的： ① 進一步認識正常的地電場日變化規(guī)律； ② 應用其評價地電場臺網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量； ③ 從正常背景變化中分離出非正常變化， 其中的異常變化可服務于地震等災害事件預測以及地球電磁環(huán)境變化監(jiān)測等方面. 在地電場觀測中， 除了地震、 火山等自然事件引起異常變化外， 場地環(huán)境、 臺站測量系統(tǒng)（包括儀器、 測量電極和線路等）故障也是造成觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常變化的原因. 例如， 圖1a為甘肅天水臺NS測道測量的2007年9月10日地電場分鐘值曲線， 圖中一天兩次起伏的地電場日變化波形、 峰-谷極值幅度、 周期以及主要極值集中在午前午后等特點和場強均符合人們關(guān)于地電場日變化的認識（杜學彬等， 2007； 葉青等， 2007； 崔騰發(fā)等， 2013； 譚大誠等， 2014）， 似乎其變化是正常的. 圖1b為2007年8月18日該測道分鐘值曲線， 其與圖1a中所謂的正常變化卻完全不同. 該圖中出現(xiàn)了上升漂移現(xiàn)象和同場地的電阻率觀測供電引起的突跳變化（非正常變化）， 其次地電場場強與圖1a差異也較大. 如果圖1a的變化是正常的， 則可用類似該圖數(shù)據(jù)建立日變化模型， 由該模型曲線描述圖1b的變化， 可以得到圖1b偏離模型的差異程度， 進而評價圖1b的數(shù)據(jù)質(zhì)量； 同時剔除圖1b中的地電阻率供電干擾后得到的偏離模型的差異， 可分析圖1b是否出現(xiàn)了非正常變化， 并對出現(xiàn)的非正常變化利用地電場多極距觀測（Varotsos， Alexopoulos， 1984a， b； 李偉等， 2014； 馬欽忠等， 2014）、 日變化“波形畸變”（李寧等， 2007）等方法， 對臺站觀測環(huán)境、 臺站測量系統(tǒng)運行情況等進行研判， 看其是否出現(xiàn)了與地震等事件有關(guān)的異常變化， 即分離異常變化.

圖1 天水臺地電場NS測道2007年9月10日（a）和2007年8月18日（b）的分鐘值曲線

1 原理和方法

1.1 建模原理

地電場觀測臺站在地表水平布設NS、 EW 2個正交觀測方向和1個斜方向， 每個觀測方向布設長、 短極距測道（共6個多極距測道）； 測量儀器頻帶為0—0.005 Hz， 進行24小時連續(xù)觀測， 儀器分辨率為10 μV， 數(shù)據(jù)產(chǎn)出不低于1次/（分鐘·測道）. 中國地震局先后頒布了地電場臺站環(huán)境保護、 臺站建設、 觀測方法和觀測儀器入網(wǎng)等國家/行業(yè)標準、 規(guī)范（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局， 中國國家標準化管理委員會， 2004； 中國地震局， 2006， 2008）； 全國地電臺網(wǎng)技術(shù)管理部門制定了管理和監(jiān)督臺站執(zhí)行標準的技術(shù)規(guī)定， 并對儀器、 線路、 電極和觀測環(huán)境等進行日常監(jiān)控. 這些規(guī)范、 標準和技術(shù)管理措施強化了臺網(wǎng)產(chǎn)出高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)， 能測定變化幅度大于0.5 mV/km的地電場變化.

我國觀測地電場水平分量， 還不能使用地磁學中的球諧函數(shù)法等三維模型， 故采用泰勒多項式和曲面樣條函數(shù)法， 按地電場單分量Ex（北分量）、Ey（東分量）進行建模和描述地電場日變化， 所建模型為選定區(qū)域內(nèi)若干臺站單分量隨時間變化的空間二維（平面）模型. 地電場日變化明顯響應太陽、 月球?qū)Φ厍虻某毕饔茫S清華， 劉濤， 2006； 譚大誠等， 2010； 崔騰發(fā)等， 2013）， 主要的日變化成分按其幅度大小依次為半日波（主太陰半日波M2波周期和主太陽S2波周期）、 全日波（太陽日周期）； 其次， 日變化還存在逐日相位差和半月潮的現(xiàn)象. 同時， 磁情天氣也影響地電場變化. 因此， 本文按一年中農(nóng)歷日期的地電場樣本曲線建模， 再用模型曲線描述不同年份或同年份中同農(nóng)歷日期和同等磁情的地電場日變化.

需要說明的是， 地電場變化對地下介質(zhì)電導率結(jié)構(gòu)響應敏感， 不同區(qū)域的臺站或同區(qū)域的不同臺站以及同臺站不同測道觀測的場強往往存在差異， 故用若干臺站某分量（某測道的測量數(shù)據(jù)）建立的日變化模型， 只適用于描述該臺站該分量在同農(nóng)歷日期和同等磁情時的地電場日變化.

1.2 泰勒多項式法

安振昌和譚東海（1994）應用泰勒多項式法建立了中國大陸地區(qū)的地球主磁場模型和東亞地磁場模型， 柳士俊等（2011）應用該方法建立了區(qū)域地磁場模型， 本文應用該方法建立地電場日變化模型. 泰勒多項式的基本公式為

（1）

式中:F為測點（臺站）的地電場某分量測值；φ和λ分別為測點的地理緯度和經(jīng)度；φ0和λ0分別為泰勒多項式模型展開原點的緯度和經(jīng)度， 展開原點一般選在區(qū)域中心；N為多項式的截斷階數(shù)， 共有（N+1）（N+2）/2個模型系數(shù)；Anm為多項式模型系數(shù)， 通過測量點測值及φ和λ用最小二乘法求得.

1.3 曲面樣條函數(shù)法

安振昌等（1982）應用曲面樣條函數(shù)法建立了局部地區(qū)地磁場的長期變化模型， 劉輝等（2009）應用該方法建立了海洋局部地磁場模型. 曲面樣條函數(shù)的基本公式為

（2）

2 地電場日變化模型擬合和描述

2.1 觀測數(shù)據(jù)

我國地電場臺站空間分布不均勻， 主要集中在地震系統(tǒng)俗稱的“南北地震帶”、 大華北和東部沿海地區(qū). 由于臺站長期定點觀測， 其觀測環(huán)境和測量系統(tǒng)（電極、 外線路、 儀器等）的長期穩(wěn)定性會影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量， 因此必須首先對觀測數(shù)據(jù)進行篩選. 篩選的原則為： ① 被選取數(shù)據(jù)的臺站空間分布盡可能均勻， 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量須合格（往往一個區(qū)域中有個別臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高）； ② 考慮到地電場日變化對潮汐響應的逐日變化， 需選取相同農(nóng)歷日期或前后相差一天的各臺站觀測數(shù)據(jù).

本文首先選取北京延慶、 通州， 天津?qū)氎妗?徐莊子， 河北昌黎、 大柏舍等6個臺站為Ⅰ號區(qū)域（圖2a）， 選取江蘇高郵、 新沂、 南京、 海安和山東郯城、 陵陽等6個臺站為Ⅱ號區(qū)域（圖2b）， 以及兩個區(qū)域2010—2014年NS測道的觀測數(shù)據(jù)； 然后， 用所選觀測數(shù)據(jù)作為擬合模型的樣本數(shù)據(jù)及模型描述的實測數(shù)據(jù). 磁情指數(shù)分別取Kp=1， 2， Kp=3， 4和Kp=5等3種情況.

圖2 Ⅰ號區(qū)域（a）和Ⅱ號區(qū)域（b）地電場臺站分布

目前我國數(shù)字化地電場觀測技術(shù)仍在發(fā)展中， 臺站測量電極、 外線路和測量儀器等測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性仍需進一步發(fā)展和完善. 臺站觀測數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)線性漂移或/和更換電極等出現(xiàn)的每千米若干毫伏的數(shù)據(jù)階躍和臺階變化等. 為此需先對觀測數(shù)據(jù)進行預處理， 內(nèi)容包括地電場觀測數(shù)據(jù)時間序列去傾和中心化（減去平均值）處理， 研究對象為地電場日變化的波形、 幅度、 周期和相位等特征.

2.2 地電場日變化模型

分別采用多天和1天觀測數(shù)據(jù)作為樣本曲線擬合建立模型. 其中用多天觀測數(shù)據(jù)擬合的模型系數(shù)為平均模型系數(shù)， 即各天觀測數(shù)據(jù)擬合的模型系數(shù)的平均值， 所建模型稱為平均系數(shù)模型.

2.2.1 平均系數(shù)模型

1） Kp=3， 4時的日變化模型. 用2012年4月19—20日（農(nóng)歷3月29—30日， Kp=3）Ⅰ號區(qū)域6個臺站NS測道的觀測數(shù)據(jù)分鐘值， 擬合出6個臺站的泰勒多項式和曲面樣條函數(shù)模型（計算出的模型系數(shù)數(shù)量龐大， 故文中省略模型系數(shù)表， 下同）. 圖3給出了其中河北大柏舍臺和北京延慶臺NS測道的兩條模型曲線和樣本曲線. 可以看出： ① 泰勒多項式模型曲線與曲面樣條函數(shù)模型曲線完全一致； ② 泰勒多項式模型曲線與樣本曲線隨時間的變化很吻合， 模型展示的日變化波形更清晰， 呈現(xiàn)出“兩次起伏”波形， 極值主要集中在午前午后； ③ 模型的場強值與實測值及日變化峰-谷幅度相吻合. 大柏舍臺泰勒多項式模型和曲面樣條函數(shù)模型與2天樣本數(shù)據(jù)的差值絕對均值分別為0.4670和0.4723mV/km， 延慶臺分別為0.1231和0.1213mV/km， 說明模型曲線與樣本曲線的誤差較小， 大致為日變化峰-谷幅度的6%. 兩條模型曲線代表了兩個臺站在這2天的地電場日變化. 兩個臺站差值平均值大小不同， 其原因是各臺站背景噪聲不同， 故各臺站之間的差值絕對均值不具有可比性（下同）.

2） Kp=1， 2時的日變化模型. 圖4給出了2013年3月7—8日（農(nóng)歷1月26—27日， Kp=1）Ⅰ號區(qū)域6個臺站中的河北大柏舍臺和北京延慶臺NS測道的地電場分鐘值日變化模型曲線和2天的樣本曲線. 由于泰勒多項式模型曲線與曲面樣條函數(shù)模型曲線幾乎一致， 故在圖4中僅給出泰勒多項式模型曲線（下同）. 可以看出， 泰勒多項式模型曲線與兩個臺站樣本曲線的波形變化和測值大小均吻合. 大柏舍臺模型曲線與兩天樣本曲線的差值絕對均值分別為0.3843和0.3792mV/km， 延慶臺分別為0.1251和0.1248mV/km. 說明模型曲線代表了兩個臺站在這兩天的地電場日變化.

圖3 大柏舍臺和延慶臺NS測道2012年4月19—20日（農(nóng)歷3月29—30日， Kp=3）的地電場日變化模型曲線和實測樣本分鐘值曲線

圖4 大柏舍臺和延慶臺NS測道2013年3月7—8日（農(nóng)歷1月26—27日, Kp=1）的地電場日變化模型曲線和實測樣本分鐘值曲線（a, b） 大柏舍臺和延慶臺泰勒多項式模型曲線； （c， e） 大柏舍臺實測樣本曲線； （d， f） 延慶臺實測樣本曲線

3） Kp=5時的日變化模型. 圖5給出了2010年5月29—30日（農(nóng)歷4月16—17日， Kp=5）Ⅰ號區(qū)域6個臺站中的天津徐莊子臺， 北京通州臺、 延慶臺NS測道的地電場分鐘值日變化模型曲線和2天實測樣本曲線. 可以看出， 泰勒多項式擬合模型曲線與3個臺站樣本曲線的波形變化和場強值大小均吻合. 徐莊子臺模型曲線與2天樣本曲線的差值絕對均值分別為0.1919和0.2021mV/km， 通州臺分別為0.4685和0.4311mV/km， 延慶臺分別為0.2574和0.2611mV/km. 說明模型曲線代表了3個臺站這兩天的地電場日變化. 同時注意到， 延慶臺在高磁情Kp=5時（中常磁暴）模型曲線與樣本曲線的差值絕對均值均大于Kp=1， 2和Kp=3， 4時的情況.

圖5 徐莊子臺、 通州臺和延慶臺NS測道2010年5月29—30日（農(nóng)歷4月16—17日， Kp=5）的地電場日變化模型曲線和實測樣本分鐘值曲線 （a, b, c） 徐莊子臺、 通州臺和延慶臺泰勒多項式模型曲線； （d， g） 徐莊子臺實測樣本曲線； （e， h） 通州臺實測樣本曲線； （f， i） 延慶臺實測樣本曲線Fig.5 The minute-value curves of geo-electric field model and measured sample in channel NS at the stations Xuzhuangzi, Tongzhou and Yanqing on May 29 and 30, 2010 （on Lunar April 16 and 17, Kp=5） （a）， （b） and （c） are the Taylor polynomial model curves of the stations Xuzhuangzi, Tongzhou and Yanqin, respectively; （d, g）, （e, h） and （f， i） are the measured sample curves of the three stations, respectively

2.2.2 模型描述

用兩個區(qū)域的地電場NS測道分鐘值曲線樣本擬合泰勒多項式模型曲線和曲面樣條函數(shù)模型曲線， 然后用模型曲線描述同等磁情、 相同農(nóng)歷日期的實測曲線， 結(jié)果表明模型曲線與實測曲線的吻合度較高， 說明用地電場日變化模型曲線可以描述其它年份、 相同農(nóng)歷日期和同等磁情的地電場日變化.

用2012年4月19—20日（農(nóng)歷3月29—30日， Kp=3）I號區(qū)域中的大柏舍臺（圖3a）和延慶臺（圖3b）的泰勒多項式模型（NS測道分鐘值擬合的平均系數(shù)模型）描述2013年5月8日（農(nóng)歷3月29日， Kp=3）大柏舍臺（圖6a）和延慶臺（圖6b）NS測道的地電場日變化. 可以看出， 2013年5月8日大柏舍臺和延慶臺實測地電場日變化與上述模型給出的日變化波形相當吻合， 其差值絕對均值分別為1.0526和0.3435mV/km. 說明兩臺站兩年內(nèi)觀測環(huán)境、 電極等測量系統(tǒng)穩(wěn)定性未發(fā)生明顯改變. 但畢竟圖3模型曲線與圖6曲線的測量時間相隔1年多， 還是存在觀測環(huán)境和/或電極等測量系統(tǒng)的略微改變， 兩臺站差值絕對均值略大于圖3中的誤差. 實際上， 分別比較圖3中兩臺站樣本曲線與圖6a，b中被描述的曲線， 即可以看出地電場日變化和疊加在日變化上的高頻次變化存在略微差異.

用2013年3月7—8日（農(nóng)歷1月26—27日， Kp=1）I號區(qū)域大柏舍臺（圖4a）和延慶臺（圖4b）的泰勒多項式模型（NS測道分鐘值擬合的平均系數(shù)模型）描述2014年2月26日（農(nóng)歷1月27日， Kp=1）大柏舍臺（圖6c）和延慶臺（圖6d）NS測道的地電場日變化. 可以看出， 2014年大柏舍臺地電場日變化與上述模型給出的日變化相當吻合, 延慶臺二者也吻合， 但實測曲線表現(xiàn)出比模型曲線更嚴重的地鐵干擾. 大柏舍臺模型與實測數(shù)據(jù)的差值絕對均值為1.2877mV/km, 延慶臺為0.3311mV/km. 依然是大柏舍臺的差值絕對均值較大， 但從整體來看， 用上述模型可以描述圖6c，d中兩個臺站的地電場日變化.

圖6 大柏舍臺和延慶臺NS測道2013年5月8日（農(nóng)歷3月29日， Kp=3）和2014年2月26日（農(nóng)歷1月27日， Kp=1）被描述的實測分鐘值曲線 （a， c） 大柏舍臺被描述的實測曲線； （b， d） 延慶臺被描述的實測曲線 Fig.6 The described minute-value curves of geo-electric field in channel NS at the stations Daboshe and Yanqing on May 8, 2013 （on Lunar March 29, Kp=3） （upper） and on February 26, 2014 （on Lunar January 27, Kp=1） （lower） （a, c） and （b, d） are the described curves of the stations Daboshe and Yanqing, respectively

選取2012年7月18日（農(nóng)歷5月30日， Kp=1）Ⅱ號區(qū)域6個臺站的NS測道分鐘值樣本曲線擬合泰勒多項式模型和曲面樣條函數(shù)模型（單日數(shù)據(jù)擬合的模型）曲線. 用其中的高郵臺和海安臺泰勒多項式模型曲線（圖7a，b）描述2010年7月11日、 2011年6月30日和2014年6月26日（農(nóng)歷5月30日， Kp=2）兩臺站實測的地電場日變化曲線（共3天， 圖7c—h）. 可以看出， 兩臺站日變化模型曲線與實測曲線的波形變化、 場強大小等均相當吻合， 且地電場變化的部分細結(jié)構(gòu)也吻合. 高郵臺模型曲線與3天實測曲線的差值絕對均值分別為0.1969， 0.1684和0.2848mV/km， 海安臺分別為0.2108， 0.1849和0.3037mV/km. 說明模型曲線與實測曲線的誤差非常小， 用模型描述不同年份（同等磁情、 同農(nóng)歷日期）的地電場日變化是可行的. 這兩個臺站觀測環(huán)境優(yōu)越， 其描述結(jié)果明顯優(yōu)于受到環(huán)境影響較多的北京延慶臺等臺站的結(jié)果.

圖7 高郵臺和海安臺NS測道2012年7月18日（農(nóng)歷5月30日， Kp=1）泰勒多項式模型分鐘值曲線及2010年7月11日、 2011年6月30日和2014年6月26日（農(nóng)歷5月30日， Kp=2）被描述的實測分鐘值曲線 （a, b） 高郵臺和海安臺泰勒多項式模型曲線； （c， e， g） 高郵臺被描述的實測曲線； （d， f， h） 海安臺被描述的實測曲線

本文僅介紹了應用兩個區(qū)域地電場臺站NS測道觀測數(shù)據(jù)建立的地電場日變化模型， 并用該模型描述不同年份的同農(nóng)歷日期、 同等磁情的地電場日變化結(jié)果. 實際上， 在研究過程中作者還應用這些臺站EW測道的觀測數(shù)據(jù)擬合了泰勒多項式和曲面樣條函數(shù)模型曲線， 并用于描述EW測道的地電場日變化， 其結(jié)果與本文NS測道給出的結(jié)果類似； 另外， 用2010年5月29—30日（農(nóng)歷4月16—17日， Kp=5， 中常磁暴）徐莊子臺（圖5a）、 通州臺（圖5b）和延慶臺（圖5c）泰勒多項式模型曲線描述了2013年5月25日（農(nóng)歷4月16日， Kp=5） 3個臺站的日變化曲線， 其誤差大于Kp≤4的情況. 其原因是由于這兩次磁暴類型、 起止時間和建模所用的樣本曲線存在差異造成的. 同時， 作者也研究了其它日期、 磁情條件下的地電場日變化模型， 限于篇幅本文未出示圖形結(jié)果.

3 討論與結(jié)論

目前關(guān)于地電場日變化（隨時間變化）的研究多集中在時間域的波形分析、 頻率域主要變化成分的頻率（或周期）成分分析及其變化機理的研究等. 本文引入泰勒多項式和曲面樣條函數(shù)法建立不同磁情條件下的地電場日變化模型， 兩種方法建立的模型相當吻合， 兩類模型曲線隨時間的變化幾乎是一致的， 模型曲線與樣本曲線的誤差較?。ㄟh小于日變化峰-谷幅度）. 同時， 模型曲線特別是平均系數(shù)模型曲線更清楚地展示了地電場日變化特點， 如日變化波形、 幅度、 相位、 主要為每天兩次起伏的半日波變化及峰-谷極值主要集中在午前午后等變化特點. 用模型曲線描述不同年份同農(nóng)歷日期、 同等磁情天氣的實測曲線， 在低磁情（Kp≤4）和正常觀測條件下， 模型曲線與被描述的實測曲線之間的誤差較?。ㄟh小于日變化峰-谷幅度）. 上述結(jié)果表明， 用這兩種方法可以建立低磁情條件下的地電場日變化模型， 并用以描述不同年份或同年份中同農(nóng)歷日期、 同等磁情（低磁情）條件的實測地電場日變化. 需要說明的是， 用這兩種方法建立地電場日變化模型時， 需選擇一個展開原點， 展開原點一般選在研究區(qū)域中心位置. 展開原點經(jīng)、 緯度不同， 所得模型系數(shù)也不同， 但不影響結(jié)果.

我國地電場觀測特別是數(shù)字化觀測起步較晚， 只經(jīng)歷了10多年的時間， 大規(guī)模的臺網(wǎng)觀測只有7年時間. 經(jīng)過“九五”后期特別是“十五”期間的建設， 我國地電場臺網(wǎng)已發(fā)展成為世界上最大規(guī)模、 規(guī)范化觀測的地電場臺網(wǎng)， 但地電場測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性等還有待進一步發(fā)展和完善. 同時由于臺站地表觀測環(huán)境的逐步惡化， 影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素較多， 加之地電場臺網(wǎng)僅觀測每千米若干毫伏的地電場變化， 所以亟需對地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行量化評價. 本文對地電場日變化模型的研究雖然是初步的， 僅研究了華東、 華北區(qū)域Kp=1， 2， Kp=3， 4和Kp=5時的地電場日變化模型， 但研究結(jié)果證明可以建立地電場日變化模型， 對Kp≤5（特別是Kp≤4）時的地電場日變化進行模型化的定量描述. 隨著研究工作的逐步進展， 今后期望能建立全國地電場臺網(wǎng)中每個臺站各測道在各種磁情天氣（低磁情指數(shù)）下的地電場日變化模型， 通過模型定量評價地電場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣.

另一方面， 國內(nèi)外研究者作了大量與地震、 火山發(fā)生相對應的地電場短臨前兆現(xiàn)象的研究（Varotsos，Alexopoulos， 1984a，b；Zlotnickiet al， 2001； 黃清華， 劉濤， 2006； 馬欽忠等， 2009； 范瑩瑩等， 2010， 2013； 劉君等， 2011； 田山等， 2012）， 但目前主要是從觀測數(shù)據(jù)的圖像分析方法來識別地電場日變化“波形畸變”以及疊加在日變化上的高頻次脈沖變化和大幅度的自然電場變化等短臨異常信息. 本文研究結(jié)果表明可以對地電場特別是地電場日變化進行模型描述， 這樣一方面可以更清晰地認識地電場日變化時空分布規(guī)律， 另一方面基于正常的地電場日變化模型也可以分離出非正常變化， 進而利用多極距觀測原理、 圖像分析、 多臺對比等方法以及分析觀測環(huán)境、 臺站測量系統(tǒng)運行等手段， 對出現(xiàn)非正常變化的臺站研判其觀測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的真實異常.

安振昌, 徐元芳, 夏國輝, 王月華. 1982. 表示局部地區(qū)地磁場及其長期變化分布的數(shù)學方法[J]. 地球物理學報, 25（增刊）: 711--717.

AnZC,XuYF,XiaGH,WangYH. 1982.Mathematicalmethodstoexpressthedistributionofthegeomagneticfieldanditssecularvariationinlocalarea[J]. Acta Geophysica Sinica, 25（Suppl）: 711--717 （inChinese）.

安振昌, 譚東海. 1994. 東亞地磁場的Taylor多項式模型[J]. 地震地磁觀測與研究, 15（6）: 1--4.

AnZC,TanDH. 1994.TaylorpolynomialmodelofthegeomagneticfieldoverEastAsia[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 15（6）: 1--4 （inChinese）.

崔騰發(fā), 杜學彬, 葉青, 陳軍營, 王建軍, 安張輝, 范瑩瑩, 劉君. 2013. 中國大陸經(jīng)緯鏈地電場日變化[J]. 地球物理學報, 56（7）: 2358--2368.

CuiTF,DuXB,YeQ,ChenJY,WangJJ,AnZH,FanYY,LiuJ. 2013.Thediurnalvariationofgeo-electricfieldalongthelongitudeandlatitudechainsinChinamainland[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56（7）: 2358--2368 （inChinese）.

杜學彬, 葉青, 趙杰, 王娜, 薛志明, 史紅軍, 馬占虎, 李寧. 2007. 地電場日變化研究[J]. 地震, 27（增刊）: 121--130.

DuXB,YeQ,ZhaoJ,WangN,XueZM,ShiHJ,MaZH,LiN. 2007.Studyongeo-electricfielddailyvariation[J]. Earthquake, 27（Suppl）: 121--130 （inChinese）.

范瑩瑩, 杜學彬,ZlotnickiJ, 譚大誠, 劉君, 安張輝, 陳軍營, 鄭國磊, 謝滔. 2010. 汶川MS8.0大震前的電磁現(xiàn)象[J]. 地球物理學報, 53（12）: 2887--2898.

FanYY,DuXB,ZlotnickiJ,TanDC,LiuJ,AnZH,ChenJY,ZhengGL,XieT. 2010.TheelectromagneticphenomenabeforetheMS8.0Wenchuanearthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53（12）: 2887--2898 （inChinese）.

范瑩瑩, 安張輝, 陳軍營, 劉君, 王建軍, 崔騰發(fā), 王麗. 2013. 岷縣漳縣MS6.6地震前平?jīng)雠_地電場變化[J]. 地震工程學報, 35（4）: 827--834.

FanYY,AnZH,ChenJY,LiuJ,WangJJ,CuiTF,WangL. 2013.ThevariationofgeoelectricalfieldatPingliangstation,GansuProvince,beforetheMinxian--ZhangxianMS6.6earthquake[J]. China Earthquake Engineering Journal, 35（4）: 827--834 （inChinese）.

傅承義, 陳運泰, 祁貴仲. 1985. 地球物理學基礎[M]. 北京: 科學出版社: 203--254.

FuCY,ChenYT,QiGZ. 1985. Geophysical Foundation[M].Beijing:SciencePress: 203--254 （inChinese）.

黃清華, 劉濤. 2006. 新島臺地電場的潮汐響應與地震[J]. 地球物理學報, 49（6）: 1745--1754.

HuangQH,LiuT. 2006.EarthquakesandtideresponseofgeoelectricpotentialfieldattheNiijimastation[J]. Chinese Journal of Geophysics, 49（6）: 1745--1754 （inChinese）.

克拉耶夫. 1954. 地電原理[M]. 張可遷, 陳培光, 張志誠譯. 北京: 地質(zhì)出版社: 100--236.

ΚpaeBAΠ. 1954. Geo-electrics Principle[M].ZhangKQ,ChenPG,ZhangZC,Trans.Beijing:GeologicalPublishingHouse: 100--236 （inChinese）.

李金銘. 2005. 地電場與電法勘探[M]. 北京: 地質(zhì)出版社: 36--54.

LiJM. 2005. Geoelectric Field and Electrical Exploration[M].Beijing:GeologicalPublishingHouse: 36--54 （inChinese）.

李寧, 杜學彬, 譚大誠, 葉青, 陳軍營. 2007. 松山觀測臺地震短臨電磁現(xiàn)象[J]. 地震, 27（增刊）: 103--111.

LiN,DuXB,TanDC,YeQ,ChenJY. 2007.Imminentelectro-magneticphenomenonrelatedtoearthquakesrecordedattheSongshanstation[J]. Earthquake, 27（Suppl）: 103--111 （inChinese）.

李偉, 馬欽忠, 王冠玥. 2014. 地電場多極距觀測的異常識別和分析[J]. 中國地震, 30（1）: 91--101.

LiW,MaQZ,WangGY. 2014.Abnormalsignalrecognitionbymulti-dipoleobservationofgeoelectricfield[J]. Earthquake Research in China, 30（1）: 91--101 （inChinese）.

劉輝, 趙建虎, 李娟. 2009. 用曲面插值方法建立海洋局部地磁場模型[J]. 海洋測繪, 29（3）: 28--30.

LiuH,ZhaoJH,LiJ. 2009.Establishmentofoceaniclocalgeomagneticfieldmodelusingsurfaceinterpolating[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 29（3）: 28--30 （inChinese）.

劉君, 杜學彬,ZlotnickiJ, 范瑩瑩, 安張輝, 解滔, 鄭國磊, 譚大成, 陳軍營. 2011. 幾次大震前的地面和空間電磁場變化[J]. 地球物理學報, 54（11）: 2885--2897.

LiuJ,DuXB,ZlotnickiJ,FanYY,AnZH,XieT,ZhengGL,TanDC,ChenJY. 2011.Thechangesofthegroundandionosphereelectric/magneticfieldsbeforeseveralgreatearthquakes[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54（11）: 2885--2897 （inChinese）.

柳士俊, 周小剛, 孫涵, 安振昌. 2011. 用于區(qū)域地磁場模型計算的三維Taylor多項式方法[J]. 地球物理學進展, 26（4）: 1165--1174.

LiuSJ,ZhouXG,SunH,AnZC. 2011.ThethreedimensionTaylorpolynomialmethodforthecalculationofregionalgeomagneticfieldmodel[J]. Progress in Geophysics, 26（4）: 1165--1174 （inChinese）.

馬欽忠, 趙衛(wèi)國, 張文平. 2009. 文縣地電場震前異常變化及其在2001年昆侖山口西MS8.1地震預測研究中的應用[J]. 地震學報, 31（6）: 660--670.

MaQZ,ZhaoWG,ZhangWP. 2009.AbnormalvariationsofgeoelectricfieldrecordedatWenxianstationprecedingearthquakesandtheirapplicationtothepredictionofthe2001 MS8.1Kunlunearthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 31（6）: 660--670 （inChinese）.

馬欽忠, 李偉, 張繼紅, 郭玉貴, 方國慶. 2014. 與大電流信號有關(guān)的華北東部地區(qū)地電場空間變化特征的研究[J]. 地球物理學報, 57（2）: 518--530.

MaQZ,LiW,ZhangJH,GuoYG,FangGQ. 2014.StudyonthespatialvariationcharacteristicsofthegeoelectricfieldsignalsrecordedatthestationsintheeastHuabeiareawhenagreatcurrentisinjected[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57（2）: 518--530 （inChinese）.

孫正江, 王華俊. 1984. 地電概論[M]. 北京: 地震出版社: 3--95.

SunZJ,WangHJ. 1984. Introduction to Geo-electricity[M].Beijing:SeismologicalPress: 3--95 （inChinese）.

譚大誠, 趙家騮, 席繼樓, 杜學彬, 徐建明. 2010. 潮汐地電場特征及機理研究[J]. 地球物理學報, 53（3）: 544--555.

TanDC,ZhaoJL,XiJL,DuXB,XuJM. 2010.Astudyonfeatureandmechanismofthetidalgeoelectricalfield[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53（3）: 544--555 （inChinese）.

譚大誠, 王蘭煒, 趙家騮, 席繼樓, 劉大鵬, 于華, 陳軍營. 2011. 潮汐地電場諧波和各向波形的影響要素[J]. 地球物理學報, 54（7）: 1842--1853.

TanDC,WangLW,ZhaoJL,XiJL,LiuDP,YuH,ChenJY. 2011.Influencefactorsofharmonicwavesanddirectionalwaveformsoftidalgeoelectricalfield[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54（7）: 1842--1853 （inChinese）.

譚大誠, 趙家騮, 劉小鳳, 范瑩瑩, 劉君, 陳軍營. 2014. 自然電場的區(qū)域性變化特征[J]. 地球物理學報, 57（5）: 1588--1598.

TanDC,ZhaoJL,LiuXF,FanYY,LiuJ,ChenJY. 2014.Featuresofregionalvariationsofthespontaneousfield[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57（5）: 1588--1598 （inChinese）.

田山, 張磊, 王建國, 徐學恭, 董洪軍, 姚會琴. 2012. 汶川、 玉樹大地震前的地電場異常[J]. 地球物理學進展, 27（3）: 878--887.

TianS,ZhangL,WangJG,XuXG,DongHJ,YaoHQ. 2012.GeoelectricfieldanomalybeforeWenchuanandYushuearthquake[J]. Progress in Geophysics, 27（3）: 878--887 （inChinese）.

徐文耀. 2002. 地球主磁場的NOC模型[J]. 中國科學:D輯, 32（7）: 576--587.

XuWY. 2003.NOCmodeloftheEarth’smainmagneticfield[J]. Science in China： Series D, 46（9）: 882--894.

徐文耀. 2003. 地磁學[M]. 北京: 地震出版社: 221--249.

XuWY. 2003. Geomagnetism[M].Beijing:SeismologicalPress: 221--249 （inChinese）.

徐文耀, 白春華, 康國發(fā). 2008. 地殼磁異常的全球模型[J]. 地球物理學進展, 23（3）: 641--651.

XuWY,BaiCH,KangGF. 2008.GlobalmodelsoftheEarth’scrustmagneticanomalies[J]. Progress in Geophysics, 23（3）: 641--651 （inChinese）.

葉青, 杜學彬, 周克昌, 李寧, 馬占虎. 2007. 大地電場變化的頻譜特征[J]. 地震學報, 29（4）: 382--390.

YeQ,DuXB,ZhouKC,LiN,MaZH. 2007.Spectrumcharacteristicsofgeoelectricfieldvariation[J]. Acta Seismologica Sinica, 29（4）: 382--390 （inChinese）.

曾融生. 1957. 大地電流勘探方法[J]. 地球物理勘探, （2）: 1--7.

ZengRS. 1957.Theexplorationmethodsofthetelluriccurrent[J]. Geophysical Prospecting, （2）: 1--7 （inChinese）.

中國地震局. 2006. 地震臺站建設規(guī)范， 地電觀測臺站， 第2部分: 地電場臺站（GB/T18.2—2006）[S]. 北京: 地震出版社： 1--7.

ChinaEarthquakeAdministration. 2006. Specification for the Construction of Seismic Station， Geoelectrical Station， Part 2: Geoelctrical Field Observatory （GB/T 18.2—2006）[S].Beijing:SeismologicalPress： 1--7 （inChinese）.

中國地震局. 2008. 地震觀測儀器進網(wǎng)技術(shù)要求， 地電觀測儀， 第2部分: 地電場儀 （GB/T29.2—2008）[S]. 北京: 地震出版社： 1--11.

ChinaEarthquakeAdministratin. 2008. Technical Requirements of Instruments in Network for Earthquake Monitoring-Geoelectrical Meters， Part 2: Meter for Geoelectrical Field （GB/T 29.2—2008）[S].Beijing:SeismologicalPress： 1--11 （inChinese）.

中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局， 中國國家標準化管理委員會. 2004. 地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求, 第2部分: 電磁觀測（GB/T19531.2—2004）[S]. 北京: 地震出版社： 1--16.

GeneralAdministrationofQualitySupervision,InspectionandQuarantineofthePeople’sRepublicofChina，StandardizationAdministrationofthePeople’sRepublicofChina. 2004. Technical Requirement for the Observation Environment of Seismic Stations， Part 2: Electromagnetic Observation （GB/T 19531.2—2004）[S].Beijing:SeismologicalPress： 1--16 （inChinese）.

VarotsosP,AlexopoulosK. 1984a.Physicalpropertiesofthevariationsoftheelectricfieldoftheearthprecedingearthquakes, Ⅰ[J]. Tectonophysics, 110（1/2）: 73--98.

VarotsosP,AlexopoulosK. 1984b.Physicalpropertiesofthevariationsoftheelectricfieldoftheearthprecedingearthquakes, Ⅱ.Determinationofepicenterandmagnitude[J]. Tectonophysics, 110（1/2）: 99--125.

ZlotnickiJ,KossobokovV,LeMou?lJL. 2001.FrequencyspectralpropertiesofanULFelectromagneticsignalaroundthe21July1995, M=5.7,YongDeng（China）earthquake[J]. Tectonophysics, 334（3/4）: 259--270.

Daily variation model of the geo-electric field based on the geo-electric data from the regional geo-electric observation networks

1）LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2）LanzhouNationalObservatoryofGeophysics，Lanzhou730000，China

The planar and time-varying models （geomagnetic indexKp≤5） of the daily variation of the geo-electric field in two regional geo-electric networks in East China and North China are built up based on the Taylor polynomial and surface spline function methods, respectively. Then the fitting results are compared and analyzed. The results show that although the geo-electric field variation is more complex, the models of the daily variation fitted by the two methods are identical to each other, and the two model curves are consistent with the measured sample curves with the variation of time. The two model curves could be used to describe the measured daily variation on the same lunar date in other years with the similar geomagnetic indexKp. The daily variation results based on the two models on the condition of a low geomagnetic index are better than that on a high geomagnetic index. The average model curves based on multi-day sample curves more clearly show the daily variation features of geo-electric field such as the twice fluctuation waveform in some day and its amplitude and the extreme value concentrating on before and after noon. It is important to establish the daily variation models of geo-electric field for the different lunar date in the different geomagnetic indices in each regional network. The models can be used to quantitatively evaluate the quality of observation data of regional geo-electric field networks, and the geo-electric field anomaly measured by the networks can be picked up based on these models, which can be applied to prediction of disasters like earthquakes and monitoring the changes in the electromagnetic environment.

geo-electric field； geo-electric daily variation； Taylor polynomial model； surface spline function model

國家自然科學基金項目（41374080）資助.

2015-01-07收到初稿， 2015-05-18決定采用修改稿.

e-mail: duxb@163.com

10.11939/jass.2015.05.011

P315.72+2

A

王麗, 杜學彬, 武震, 章鑫, 劉君, 崔騰發(fā). 2015. 區(qū)域地電觀測網(wǎng)地電場日變化模型研究. 地震學報, 37（5）: 830--841. doi:10.11939/jass.2015.05.011.

Wang L, Du X B, Wu Z, Zhang X, Liu J, Cui T F. 2015. Daily variation model of the geo-electric field based on the geo-electric data from the regional geo-electric observation networks.ActaSeismologicaSinica, 37（5）: 830--841. doi:10.11939/jass.2015.05.011.