0 引言

中国从20世纪60年代后期开始了大规模连续的地电场定点观测(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004；中国地震局，2006)。地震台站观测的地电场由大地电场和自然电场两部分组成，其中大地电场是地球外部的各种电流系对地球内部介质感应产生的分布于整个地表或较大区域的变化电场，具有广域性；自然电场是地壳中的某些物理、化学作用引起的电场，具有局域性(李金铭，2005)。国内外学者对地电场时域特征展开了研究，虽然深入程度不如地磁场波形研究成果，但也取得了一些重要认识(克拉耶夫，1954；Burns et al，1995；杜学彬等，2007)。杜学彬等(2007)、叶青等(2007)认为地电场的日变化主要受地表电流涡旋场的影响，其与地磁场日变化具有相同的场源，起因于太阳风和带电粒子引起电离层扰动对地球空间电流系的作用。随着研究的进一步深入，人们开始注意到地电场的潮汐响应(黄清华等，2006)。谭大诚等(2011、2010)利用钻孔应变数据和地电场的数据对比研究了地电场日变化和潮汐的关系，发现峰-谷日变化形态地电场与固体潮对应时，呈近正弦连续形态；与太阳静日变化(Sq)电流变化对应时，中午前后6h出现近正弦变化，早晚呈近直线状。

本文选取中国地电场台网观测数据，研究中国大陆地电日变化的时空分布规律及部分影响因素，其结果有助于进一步认识地电场日变化的特征和产生原因，并有助于利用地电场方法预测灾害事件和研究地球电磁环境等。

1 数据及处理方法

自1996年至今，中国地电场台网已建有100余个地电场台站，从中选取10个数据质量优且空间分布大的地电场台站(图 1)，研究地电场日变化的时空分布规律。选取的10个台站分别为内蒙满洲里台(MZL)、内蒙宝昌台(BCH)、甘肃高台(GTA)、甘肃古丰台(GFE)、甘肃静宁台(JNI)、山东马陵山台(MLS)、安徽蒙城台(MCH)、江苏海安台(HAA)、云南洱源台(ERY)和福建泉州台(QZH)。

选取10个台站每月连续3天磁静日南北、东西2个正交测道的地电场分钟值数据作为研究对象(选取连续3天的数据可避免太阳日变化和太阴日变化的相位差对日变化的影响)。主要分析3月、6月、9月和12月4个月份的数据，分别包含了春分、夏至、秋分和冬至，它们是太阳活动的标志性时间点，也包括了影响地球磁场变化的3个天文季节中的4个阶段，具有一年四季的代表性。考虑到监测环境的变化及观测系统建设年限，选择2010年左右的观测数据进行分析。首先，剔除了地电场的长趋势变化和干扰突跳点，突出日变形态，方便规律性和差异性的提取，同时也保证了研究结果的准确性；然后，采用时序迭加方法对连续几天的时间序列做迭加，以压制典型日变化中的随机噪声，迭加结果代表了当月的日变化；再利用谐波分析方法提取振幅最大的前5阶分量提取地电场日变化中的特征变化。时序迭加和谐波分析的优点是处理过程简单、结果可靠。

以宝昌台2010年3月7~9日的地电场(E)分钟值观测数据为例，原始数据曲线(图 2(a))并不能清晰地看出该月地电场日变化的规律性，这是由于地电场观测对电流系响应很灵敏，瞬时的大幅度脉冲变化与日变化叠加造成原始曲线日变化不清晰；经去倾处理(图 2(b))，消除数据偏移影响；再经过迭加处理，将3天的数据叠加取平均(图 2(c))；对图 2(c)中的数据进行傅里叶变换，提取频谱幅度最大的5个频点数据进行傅里叶逆变换，合成新的时间序列，最终得到图 2(d)。通过上述方法对数据进行特征提取后，地电场的特征变化已经被清晰地识别出来。同时也可以看出，用5个最大幅度的傅里叶分析谐波已经可以较好地拟合原始曲线。

2 地电场日变化特征

根据上述数据处理方法提取了10个台站2010年3月、6月、9月和12月的地电场日变化曲线，如图 3所示。地电场日变化大多呈现“两峰一谷”或“两谷一峰”的变化特征。每个台站的日变化形态一年四季基本相同，仅幅度和相位略有差异。

由图 3可看出，在低纬度地区(蒙城台、海安台和泉州台)的多数地电场日变化波形一般呈现出似正弦形态，随着纬度的升高，较高纬度地区地电场波形仅在中午前后呈现出似正弦形态，在夜晚起伏较小。全部10个台站的南北分量均在正午12时左右出现一个波谷，也是当日的最低值。而在东西分量中，纬度偏低和偏高的台站出现了不同的变化。低纬度地区(洱源台、泉州台)的东西分量表现出了地电场“单峰单谷”的日变化特征。

3 地电场日变化的影响因素 3.1 振幅

将10个台站2010年3月、6月、9月和12月的地电场日变化幅度经以上数据处理后取平均值，再按纬度分布排列，得到地电场日变化幅度的四季平均值随纬度的变化曲线，如图 4所示，可以看出地电场日变化幅度随纬度并无明显规律。满洲里台和洱源台纬度相差近24°，但是2个台站南北测道的地电场日变化幅度基本相同，满洲里台的东西分量高于洱源台约3mV/km。大多数台站2个分量的平均日变化幅度差值在10mV/km以内，而古丰台和静宁台2个台站的日变化幅度相差明显，差值分别为24.5mV/km和15.1mV/km。

地电日变化主要起源于地球外部的电流体系在地球内部介质所产生的感应电流，电场和磁场统一于麦克斯韦方程组。在低频情况下，由安培定律可知电场的强度($\mathop E\limits^ \rightharpoonup$)与电导率(σ)成反比，即与电阻率成正比(石应骏等，1985)

$\nabla \times {\rm{ }}\mathop H\limits^ \rightharpoonup = \sigma \mathop E\limits^ \rightharpoonup $

(1)

其中，▽表示哈密顿算法，是矢量微分算符；$\mathop H\limits^ \rightharpoonup$表示磁场矢量。在实际的地电场观测中，地球介质的电阻率并非是均匀的，往往存在局部电阻率的异常。由地磁场日变化观测可知，地磁场存在明显的纬度效应(赵旭东等，2008)，即纬度越高、磁场日变化幅度越小。若地球介质为电性均匀介质，则电场也应该存在纬度效应。然而，由图 4可以看出，地电场变化幅度随纬度的变化规律并不明显，这可能是由于介质中电阻率的不均匀性引起的。

古丰台和静宁台是地下电性结构影响地电场的典型台站。2个台站均分布于中国甘肃省内，在不同测道上的地电场幅值相差很大。根据地磁观测资料推测，甘肃东部地区存在着一条近EW向的高导电体，与地热异常带重合，在兰州至天水之间(徐文耀，2009)。在施感场作用下，感应电流集中沿高导带流过，引起了该区域的电磁场异常。古丰台在高导体西端以北距离稍远的位置，静宁台位于高导体东端以北距离稍近的位置。以古丰台和静宁台2010年12月监测的地电场南北分量测值为纵轴、以东西分量测值为横轴绘制曲线，如图 5所示，2个台地电场均有线性极化现象，静宁台的东西分量高于南北分量，而古丰台正好相反。从电流对电场的影响来看，这种地电场日变化异常的地理位置关系符合以往的地磁观测结果。古丰台极化角为北偏东11°，静宁台极化角为北偏东63°，若2个测道的日变化幅度相近，极化角应为45°左右。这种明显的极化角度的异常可能是由地下介质中电阻率异常体引起的。

3.2 相位及形态

在谐变场中，磁场随传播方向x和时间t的变化公式(石应骏等，1985)为

$H(x, t)=H_{0} \cdot \mathrm{e}^{-i \omega t} \cdot \mathrm{e}^{i \sqrt{\frac{\omega \mu}{2 \rho} x}} \cdot e^{-\sqrt{\frac{\sigma \mu}{2 \rho} x}} $

(2)

其中，H₀和e^-iωt分别为地面上磁场H的振幅和时间因子，ρ为电阻率，μ为磁导率，ω为角频率。由式(2)可以看出，磁场的相位不仅随着传播方向x变化，还和介质的电阻率密切相关。在实际情况中，电阻率ρ沿x方向并非恒定不变，随着ρ的变化，感应磁场的相位也不断变化。在谐变场中，电场和磁场是统一的，因此可以推断地电场与地磁场的相位均与地电阻率ρ及传播方向x密切相关，这可能与日变化的季节性相位差有关。

空间电流系是地电场日变化主要的场源，其中Sq电流系对中低纬度地区的地电场日变化起到最重要的影响。Sq电流系源于潮汐风发电机理论(徐文耀等，1994；徐文耀，2009)，包括南(北)半球中低纬度区域顺(逆)时针流动的电流涡以及赤道上空电流密度很大的东向电集流(Lanzerotti et al，2000)。假设地下介质的电性结构是横向均匀的，地下介质对空间电流系产生感应电磁场，当地球自转一周时，这种感应电磁场与空间电流系的位置固定，即在地球表面略过一周，从而形成了地电场的日变化。这种日变化的形态在同一经度上均应该是相似的，相位随经度逐渐变化。由图 3中可以看出，经度相差不到1°的满洲里台、马陵山台、泉州台地电场日变化之间存在明显的相位差，这说明地电场日变化除了受Sq电流系的影响外，可能还受到地下介质电性结构横向不均匀性的影响。满洲里台位于呼伦贝尔草原西侧，地下主要是黄土层覆盖；马陵山台地处沂沭断裂带南段、安丘-莒县断裂以西；而泉州台位于南安台站和周围水田内，环境潮湿。

以地电场和地磁场同台观测的马陵山台为例，由地电场和地磁场的共轭关系(图 6)可明显看出马陵山地电场和地磁场相位不同步的现象。分别将电场南北分量E_NS和磁场东分量H_y、电场东西分量E_EW和磁场北分量H_x进行比较。图 6(a)、(b)中选取磁静日时期马陵山台地电场和地磁场2011年5月4~8日连续5天的数据进行归一化处理，其曲线形态相似，只是电场的相位提前于磁场约1h。图 6(c)、(d)提取了马陵山台地电场、地磁场的日变化特征曲线，可以更清晰地看出其日变化均有峰谷变化形态，但相位存在差异。

地磁静日变化可以分为内、外源场，外源场来自电离层Sq电流的直接影响，内源场来自空间电流系在地球内部产生感应电流所引起的磁场。而台站磁力仪记录的是内、外源场叠加在一起的效果。电场的数据更多反映内源场的部分，即电场数据应该基本与内源磁场同步。而对太阳静日变化的分析表明，内源场与外源场形态相似，但存在相位差，通常内源场比外源场电流中心位置提前约1h，内源场强度约比外源场小一半(徐文耀，2009)。图 6(e)、(f)分别为图 6(c)、(d)的地电场和地磁场互相关函数曲线，取图 6(c)、(d)中12时为图 6(e)、(f)中的0时，将磁场数据曲线左右滑动，计算其与地电场的相关性。图 6(e)中的互相关系数R最大值为0.814，出现在-100min，这与理论上感应场和施感场的相位差基本一致，同时说明地电场和地磁场有明显的相关性。图 6(f)中的互相关系数R最大值为0.665，说明相关性较低。由图 6(b)可以看出，E_EW中有较多突跳干扰，可能影响了计算结果；同时，也可以看出地电场观测易受其他因素的影响。在感应电磁场产生和传播过程中，介质电性结构的不均匀性对其影响极其复杂，其与地质构造、地形地貌、地下水位的活动均有关系(谭大诚等，2010、2011)。

受Sq电流系的影响，大多数台站的地电场波形呈现“两峰一谷”的变化形态，而海安台一年四季均呈现近正弦变化。频率域分析结果(崔腾发等，2013；崔腾发，2013)显示，海安台地电场存在明显的12.4h周期成分，而空间电磁场中，太阴日变化(L)比太阳静日变化(Sq)的幅度小很多。实际上，海安台距中国黄海仅50km，地球电磁场中存在海岸效应，即海岸附近海水中的感应电流沿海岸密集流动(傅承义等，1985)，以海水为介质的感应电流必然受到海洋潮汐的作用，使得感应电磁场中出现了与潮汐相同的周期成分。因地磁场的主要成分是一次施感场，这种潮汐周期的成分在地电场中更为明显。谭大诚等(2010、2011)认为，分布在大面积水域附近的电场还与水域的距离、水域面积、岩性结构、构造活动、地理条件等关联，主要是固体潮作用下岩石裂隙水周期性渗流产生的过滤电场。所以，在水域附近，地电场中往往包含明显的潮汐周期成分。

尽管受多种因素影响，地电场日变化的相位差也并非毫无规律可寻。由图 3可以看出，大多数曲线在中午前后出现最低值，2个峰值分别出现在午前和午后，该特征和场源类似并且联系紧密。由于空间Sq电流系逆时针(顺时针)存在于北(南)半球中低纬度上空，它在中低纬度所产生的变化磁场必然在午前和午后有所起伏。地下介质正是对该磁场(一次施感场)的感应产生了地磁场中的二次感应场和地电场日变化的主要成分。在感应过程中，这种午前、午后峰谷特征被保留，但由于介质电性结构的原因，又有所变形。由图 3还可发现，位于25°N左右的洱源台和泉州台地电场日变化的东西分量呈现“单峰单谷”形态，这一位置正是Sq电流涡中心对应的位置(赵旭东等，2008)。由于地球自西向东自转，不难理解在此处一次施感场中的Y分量日变化特征要比X分量明显(沈长寿等，1995)。在二次感应场形成过程中，这一特征得以保留，但由于地磁场和地电场的偏正关系，在地电场中体现为东西分量“两峰一谷”的特征不明显，这与傅承义等(1985)提出的地磁场中南北分量在Sq电流系涡旋焦点处日变化不明显的特点相符合。

3.3 季节性变化

大多数台站冬季日变化幅度最小，夏季变化幅度最大(崔腾发等，2013；崔腾发，2013)。按劳埃德(Loyd)天文季节的划分，6月和12月分别处于J季节(5月、6月、7月、8月)和D季节(1月、2月、11月、12月)的中段，3月和9月处于E季节(3月、4月、9月、10月)的两段，故选取这4个均匀时间间隔的月份数据来研究地电场的季节变化。

将10个台站2010年每个测道的数据进行归一化处理(即将4个月中地电场的最大值记为1，最小值记为0，其他数据等比例缩放)，以消除由于各台站间日变化幅度不同对季节性变化特征统计结果的影响。统计4个月份里9个台站的2条测道的平均变化幅度，如表 1所示，可以看出虽然个别台站(如高台台、蒙城台、海安台、泉州台)出现3月振幅大于6月、9月的情况，但是10个台站2条测道平均值的季节变化规律相同，9月的日变化幅度最大，其次是6月和3月，12月的日变化幅度最小。

由图 3也可看到，代表 12月的红色实线在每幅图中的幅度最小，代表 9月和6月的绿色实线和黑色实线起伏较大，其次是3月，即夏季日变幅最大，冬季日变幅最小。12月太阳直射南半球，北半球的空间电磁活动减弱，其在地表产生的感应电磁场也相应减小；6月太阳直射北半球，北半球的空间电磁活动增强，其感应电磁场应该增强，但此时地电场振幅并未达到一年中的最高值，说明地电场振幅不只与空间电磁活动有关。经过多年的地电阻率观测发现，地电阻率存在年变化，并且一般会在7~9月达到最低值(王燕成等，1983)。这种变化的主要原因是地下水动态变化，同时受地质、水文、地下介质电性分层等条件的影响(谭大诚等，2011、2010)。该现象与地电场日变化9月振幅最大对应，说明地电阻率的季节性变化可能对地电场日变化振幅的季节性变化也有一定影响。

4 结论与展望

经过对中国地电台网多年观测数据的分析，选取了10个数据质量优且空间分布大的地电场台站，提取其3月、6月、9月和12月4个有四季代表性月份的日变化特征曲线，并结合前人的研究成果，对地电场日变化影响因素进行了分析，得到以下几点初步结论：

(1) 中国大陆地电场日变化大多呈现“两峰一谷”或“两谷一峰”的变化形态，在低纬度地区的东西分量也有“单峰单谷”的特征，这是由空间Sq电流系决定的。每个台站的日变化形态一年四季基本相同，仅幅度和相位略有差异。

(2) 中国大陆地电场日变化幅度随纬度的变化规律并不明显，这可能是由于各个台站的地质介质电阻率的不均匀性引起的。

(3) 若地下介质的电性结构横向均匀，同一经度上地电场日变化的形态应该是相似的，相位随经度变化。但在实际观测中，相同经度观测到的地电场日变化存在明显相位差，推断地电场日变化除了受Sq电流系的影响外，可能还受到地下介质电性结构不均匀性的影响。

(4) 以马陵山台数据为例，证实了徐文耀(2009)的“电场的数据更多反映内源场的部分，通常内源场比外源场电流中心位置提前约1h，内源场强度约比外源场小一半”的结论，但是其东西道电场与南北道磁场相关性较低，说明了电场观测易受局部地质环境影响。而且，在水域附近的地电场常会包含潮汐周期成分。

(5) 地电场日变化幅度有季节规律性，夏季日变化幅度最大，其次是春季、秋季，冬季日变化幅度最小。这与地电阻率观测手段的季节性变化一致，可能也是导致观测到地电场四季日变化相位差的部分原因。

地电场观测易受到多种因素的干扰，具有较强的局部效应，只有清楚地认识地电场的背景变化才能更好地利用地电场资料进行灾害预测和地球电磁环境研究等工作。同时，关于地电场背景变化和形成机理的研究，也需要更多的观测数据资料和更多学科联合，以便进行更深入的分析。