中國(guó)大陸地電譜分析的最大熵譜方法

中國(guó)大陸地電譜分析的最大熵譜方法

個(gè)表面或大區(qū)域的變化電場(chǎng)地球磁體包括兩個(gè)性質(zhì)上密切相關(guān)的地球物理場(chǎng)：地磁場(chǎng)和地磁場(chǎng)。地球磁體分為兩個(gè)部分：地球磁體和自然磁體。地球外的各種電流系統(tǒng)由太陽、太陰活動(dòng)、地球旋轉(zhuǎn)和星磁體變化引起的。自然電流系統(tǒng)是由地殼局部物理和化學(xué)條件變化引起的局部場(chǎng)所（傅成毅等人，1985）。20世紀(jì)初，隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)資源的迫切需要，地刷儀的開發(fā)和應(yīng)用主要集中在地質(zhì)勘探和地殼結(jié)構(gòu)的勘探上。在20世紀(jì)70年代之前，僅靠觀測(cè)技術(shù)限制了國(guó)內(nèi)外的地質(zhì)勘探和研究。20世紀(jì)70年代以后，希臘、法國(guó)、日本、中國(guó)和其他國(guó)家開始應(yīng)用地場(chǎng)的探測(cè)和地震、火山監(jiān)測(cè)等災(zāi)害的警告。在這項(xiàng)工作中，我們使用了最大的熵譜方法（徐伯勛，白旭斌，1990），分析和研究了地壓變化的光譜特征，并預(yù)測(cè)了地壓變化的背景變化。同時(shí)，這也是研究地球磁體環(huán)境的一個(gè)方面。1數(shù)據(jù)處理方法1.1最大熵功率譜密度的求解最大熵譜方法的基本思想是不進(jìn)行任何假設(shè),根據(jù)已知數(shù)據(jù)信息預(yù)測(cè)未知延遲離散時(shí)間上的相關(guān)函數(shù),外推相關(guān)函數(shù)時(shí)每一步都保持事件的不確定性或熵最大(韓大宇,1987).對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)序列{Xn},計(jì)算最大熵譜的問題是尋找滿足約束條件的自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度的關(guān)系,由給定數(shù)據(jù)求得有限個(gè)自相關(guān)函數(shù),由變分原理求得最大熵功率譜密度(Fougereetal,1976):S?x(f)=PM2fc∣∣∣∣1+∑m=1Mame?j2πmfT∣∣∣∣2(1)式中,f為頻率,am為預(yù)測(cè)誤差系數(shù),PM為預(yù)測(cè)誤差功率,M為濾波器階數(shù).M的選擇在最大熵譜估計(jì)中起至關(guān)重要的作用,正確選擇模型的階數(shù),可提高譜估計(jì)的分辨率,消除譜線分裂現(xiàn)象等(宋治平等,1997).本文應(yīng)用最終預(yù)測(cè)誤差準(zhǔn)則(FPE準(zhǔn)則)確定M(王世一,1997)F(pe)M=N+M+1N?M?1PM(2)PM隨M的增大而減小,而(N+M+1)/(N-M-1)隨著M的增大而增大.F(pe)M將在某個(gè)M=Mopt處達(dá)到最小值,此Mopt就作為F(pe)M準(zhǔn)則所得的最佳階數(shù)M.一般情況下限定Mmax≤N/2,應(yīng)用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定M:M={(N3?1)~(N2?1)20≤N≤100(0.05~0.2)NN>100(3)1.2頻率分辨率的確定本文選擇我國(guó)西北、華北、東北和華東地區(qū)觀測(cè)質(zhì)量較好的嘉峪關(guān)、昌黎、寶坻、陽原、崇明、蒙城、興濟(jì)等7個(gè)臺(tái)的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)選取時(shí)段分別為根據(jù)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心(ChineseSolar-GeophsicalData,簡(jiǎn)稱CSGD)公布的地磁報(bào)告的地磁平靜日、擾動(dòng)日和磁情指數(shù)k<5的日期(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心,2005).數(shù)據(jù)樣本長(zhǎng)度分別為1天的分鐘值或一個(gè)月的小時(shí)值時(shí)間序列,按抽樣定理可分析的頻率成分應(yīng)小于1/120Hz.在實(shí)際計(jì)算中,頻率分辨率小于Δf≤1/(200×120)Hz,由實(shí)際分析來看這個(gè)分辨率較為合理.為了圖示清楚,在相關(guān)圖示中把譜值隨頻率的變化換算成隨周期的變化來表示.2期成分檢測(cè)圖1是2004年11月15日安徽蒙城臺(tái)地電場(chǎng)分鐘值曲線.按CSGD地磁報(bào)告(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心,2005),該天是地磁平靜日.由圖1可見,地電場(chǎng)NS分量和EW分量略顯上、下漂移.兩測(cè)道大地電場(chǎng)變化波形不同,NS分量表現(xiàn)為近似地2峰—2谷的日變化,日變化峰—峰值為5.7mV/km;EW分量日變化是2峰—2谷型,但與NS分量日變化波形不同,峰—峰值幅度接近13mV/km;NS分量和EW分量的高頻成分豐富,NS分量的高頻擾動(dòng)比EW分量高頻擾動(dòng)的周期更短.應(yīng)用最大熵譜方法對(duì)圖1進(jìn)行譜估計(jì),結(jié)果示于圖2.圖中頻譜周期分段為:大于1h,2.22～0.14h和8～2min(圖中前兩個(gè)周期分段重疊是因?yàn)樽V值差異大).由圖2可以看出,兩個(gè)分量的第一周期段中約4h以上的周期成分十分發(fā)育,其中8h周期成分最顯著,其譜值高于其它兩個(gè)周期分段譜值的1～2個(gè)數(shù)量級(jí).EW分量明顯大于NS分量的譜值,兩個(gè)分量的譜值差異與日變化幅度差異相對(duì)應(yīng).在2.22～0.14h周期段內(nèi),EW分量大于0.23h的周期成分非常強(qiáng);在8～2min周期段內(nèi),NS分量4～3.5min周期成分非常發(fā)育.后兩個(gè)周期段譜值的差異符合NS分量和EW分量分鐘值曲線中的高頻擾動(dòng)成分的差異,說明譜估計(jì)計(jì)算方法和結(jié)果是正確的.圖3是2004年11月15日昌黎、寶坻、靜海和興濟(jì)大地電場(chǎng)的頻譜圖,圖中周期分段與圖2蒙城臺(tái)周期分段相同.同樣,第一周期段內(nèi)約4h以上的周期成分發(fā)育,除了興濟(jì)臺(tái)18h的周期成分最強(qiáng)外,其余3個(gè)臺(tái)均是約8h周期成分最強(qiáng),與蒙城地電場(chǎng)相同.這4個(gè)臺(tái)距離較近,在此段內(nèi)全部為NS分量的周期成分較強(qiáng),與蒙城臺(tái)相反.在第二周期段內(nèi),周期較長(zhǎng)的成分發(fā)育,且除了寶坻臺(tái)外其余3個(gè)臺(tái)均為EW分量譜值大.4個(gè)臺(tái)周期成分既存在集中出現(xiàn)的周期,也存在某個(gè)臺(tái)出現(xiàn)而其它臺(tái)不出現(xiàn)的周期成分,各臺(tái)之間出現(xiàn)的周期成分不完全一一對(duì)應(yīng).在第三個(gè)周期段內(nèi),除了興濟(jì)臺(tái)外其余3個(gè)臺(tái)均是NS分量譜值高,4個(gè)臺(tái)既存在集中出現(xiàn)的周期成分,也存在各臺(tái)之間不完全一一對(duì)應(yīng)的周期成分.總的來看,應(yīng)用昌黎、寶坻、靜海和興濟(jì)2004年11月15日的分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的頻譜,均為8h周期成分占主導(dǎo),而周期較短的后兩個(gè)周期段各臺(tái)既集中出現(xiàn)共同的周期成分,同時(shí)也存在不完全一一對(duì)應(yīng)的周期.這4個(gè)臺(tái)空間距離不大,集中在京津地區(qū)及周圍,8h周期為中心的周期成分中NS分量比EW分量強(qiáng),較短周期成分中的周期強(qiáng)弱兩個(gè)分量不定.這種現(xiàn)象說明以8h為中心周期的大地電場(chǎng)變化是較大區(qū)域出現(xiàn)的成分,而較短周期成分既有大區(qū)域出現(xiàn)的周期成分也有與臺(tái)站所在處的地殼介質(zhì)局部性有關(guān)的周期成分.同時(shí)注意到包括蒙城在內(nèi)的5個(gè)臺(tái)之間每個(gè)對(duì)應(yīng)周期段的譜值存在數(shù)量級(jí)的差異,即昌黎譜值最大,寶坻、興濟(jì)、蒙城其次,最小為靜海.這種現(xiàn)象也與臺(tái)站所在處的地下介質(zhì)有關(guān)1.考慮到應(yīng)用1天時(shí)間的數(shù)據(jù)分析較長(zhǎng)周期成分其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度短,反映較長(zhǎng)周期成分有困難,為此,我們應(yīng)用昌黎、嘉峪關(guān)、崇明等3個(gè)臺(tái)1個(gè)月時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算出小時(shí)值的時(shí)間連續(xù)序列并計(jì)算了頻譜(圖4).因?yàn)榇蟮仉妶?chǎng)日變化是一種全球性、區(qū)域性的變化,所以選取的3個(gè)臺(tái)地理經(jīng)、緯度不同,觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段也不同.昌黎和崇明臺(tái)經(jīng)度接近而緯度不同(緯度相差8°),昌黎與嘉峪關(guān)臺(tái)緯度接近而經(jīng)度不同(經(jīng)度相差約21°);崇明臺(tái)是2002年6月的觀測(cè)數(shù)據(jù),昌黎臺(tái)是2003年5月的數(shù)據(jù),嘉峪關(guān)臺(tái)是2004年8月的數(shù)據(jù).由圖4可見,3個(gè)臺(tái)日變化主要周期成分集中在兩個(gè)中心周期:最顯著的周期成分是12h為中心周期的半日波成分,其次是24～25h為中心周期的全日波成分.3個(gè)臺(tái)大地電場(chǎng)的半日波、全日波譜系圖對(duì)應(yīng)相似.3個(gè)臺(tái)緯度、經(jīng)度不同,觀測(cè)數(shù)據(jù)年份、月份不同,地電場(chǎng)日變化周期集中在上述兩個(gè)周期.說明半日波、全日波成分是大地電場(chǎng)日變化普遍存在的周期成分,具有廣域性、普遍性.昌黎、嘉峪關(guān)臺(tái)8h周期成分顯著,但崇明臺(tái)沒有明顯的8h周期成分(僅在縱坐標(biāo)刻度取對(duì)數(shù)時(shí)才顯示8h周期成分,不明顯).從應(yīng)用1天數(shù)據(jù)計(jì)算的頻譜成分(圖2、圖3)看,8h周期成分在5個(gè)臺(tái)均出現(xiàn),在圖中屬于最強(qiáng)的周期成分.由此看來8h周期成分也屬于廣域性、普遍性出現(xiàn)的周期成分,不過比半日波、全日波成分弱.需要說明的是,圖4中由于半日波、全日波周期很強(qiáng),其它周期成分被壓制掉了,并不是沒有其它周期成分.3嘉峪關(guān)臺(tái)與昌黎臺(tái)電暴開始的時(shí)段內(nèi).地電暴和地磁暴一樣,與太陽活動(dòng)引起的電離層擾動(dòng)有密切關(guān)系.地磁暴是一種劇烈的全球性擾動(dòng)變化(徐文耀等,2006),包含多種暴時(shí)變化、脈動(dòng)等不規(guī)則擾動(dòng).根據(jù)電磁場(chǎng)傳播理論,地電暴與地磁暴是同源的,也應(yīng)是全球性的劇烈擾動(dòng).以往關(guān)于地電暴的研究報(bào)道較少.圖5是2005年5月15日3小時(shí)磁情指數(shù)k=8磁暴期間,昌黎地磁、地電場(chǎng)和嘉峪關(guān)地電場(chǎng)的分鐘值曲線.由圖可見,與磁暴初相同時(shí)出現(xiàn)了持續(xù)約4個(gè)小時(shí)的地電暴初相,緊接初相之后隨磁暴主相開始電暴主相開始大幅度變化,電暴主相幅度最大的時(shí)段對(duì)應(yīng)磁暴主相形成過程中磁場(chǎng)變化最快的時(shí)段.在磁暴恢復(fù)相開始時(shí),電暴開始恢復(fù).嘉峪關(guān)臺(tái)與昌黎臺(tái)緯度基本相同、經(jīng)度相差約21°,電暴開始至恢復(fù)以及高頻擾動(dòng)是同步的,不同于杜學(xué)彬等2指出的這兩個(gè)臺(tái)大地電場(chǎng)日變化波峰、波谷出現(xiàn)時(shí)間存在與當(dāng)?shù)靥枙r(shí)有關(guān)的時(shí)間差.地電暴與磁暴的不同之處是整個(gè)地電暴期間伴隨劇烈、比磁場(chǎng)短周期成分更豐富的大地電場(chǎng)短周期起伏變化;另一個(gè)不同之處是嘉峪關(guān)臺(tái)電暴幅度比昌黎臺(tái)電暴幅度大得多.在對(duì)兩個(gè)臺(tái)的地電場(chǎng)NS分量和EW分量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的同時(shí),為了與磁場(chǎng)對(duì)比分析,對(duì)這兩個(gè)臺(tái)磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行了譜估計(jì).其中嘉峪關(guān)為地磁總場(chǎng)F(該臺(tái)總場(chǎng)F與X分量場(chǎng)強(qiáng)基本接近)、昌黎為地磁X分量和Y分量觀測(cè)數(shù)據(jù).圖6給出了兩個(gè)臺(tái)電暴、磁暴的譜估計(jì)結(jié)果.在第一周期段中,兩個(gè)臺(tái)電場(chǎng)、磁場(chǎng)譜值主要集中在4h以上周期成分,其中約8h周期成分最顯著,與大地電場(chǎng)日變化顯著周期吻合.昌黎臺(tái)電場(chǎng)NS分量的譜值遠(yuǎn)大于EW分量,磁場(chǎng)X分量與磁場(chǎng)Y分量的譜值相差不大;嘉峪關(guān)臺(tái)電場(chǎng)兩個(gè)分量的譜值較接近.在第二周期段內(nèi),電場(chǎng)、磁場(chǎng)的主要周期成分集中在相對(duì)長(zhǎng)周期部分,兩個(gè)臺(tái)磁場(chǎng)譜值隨周期減小變化趨勢(shì)相同,但電場(chǎng)變化趨勢(shì)差異大.其次,嘉峪關(guān)臺(tái)兩個(gè)電場(chǎng)分量變化相同、昌黎臺(tái)電場(chǎng)NS分量譜值比EW分量譜值大得多.第三周期段中電場(chǎng)、磁場(chǎng)的高頻成分十分豐富,兩個(gè)臺(tái)磁場(chǎng)高頻成分比較對(duì)應(yīng),但電場(chǎng)高頻成分不對(duì)應(yīng),即使同一臺(tái)站兩個(gè)分量其高頻成分也不對(duì)應(yīng).同時(shí),3個(gè)周期段中嘉峪關(guān)臺(tái)電場(chǎng)譜值大于昌黎臺(tái)電場(chǎng)譜值約2個(gè)數(shù)量級(jí).另外,注意到3個(gè)周期段中電場(chǎng)譜值要大于圖3所示的日變化譜值約3個(gè)數(shù)量級(jí),說明電暴時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度比平時(shí)大得多.4討論4.1日變化的特征及能譜分析上述7個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站位于中、低緯度地區(qū),根據(jù)本文對(duì)大地電場(chǎng)日變化頻譜分析總結(jié)的中、低緯度頻譜特征為:日變化以12h,24～25h和8h為中心的周期成分最強(qiáng),幾小時(shí)、幾分鐘的短周期成分也很清晰.其中12h的半日波成分最強(qiáng),24～25h的全日波和8h周期成分次之.據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者Краев(1954)的研究,大地電場(chǎng)日變化的幅度不是恒定的,電場(chǎng)分量絕大部分是兩次起伏,兩次起伏的相位比其它起伏的相位穩(wěn)定.杜學(xué)彬等3研究了我國(guó)大陸地區(qū)21個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站記錄的大地電場(chǎng)日變化4,認(rèn)為絕大多數(shù)日變化主要表現(xiàn)為2峰2谷的波形,有時(shí)也出現(xiàn)1峰1谷波形等多樣性.此結(jié)果與Краев(1950)的研究吻合.從日變化頻譜看,12h的半日波成分最強(qiáng)且在不同的年份和月份、經(jīng)緯度差異大的臺(tái)站上出現(xiàn),顯然是大地電場(chǎng)日變化的普遍性特征.12h的周期成分正是日變化2峰2谷波形的譜特征.根據(jù)O.Gish編制的1936年世界時(shí)18h全球大地電流分布圖(孫正江,王華俊,1990),北半球有8個(gè)電流渦旋場(chǎng),中低緯度的4個(gè)渦旋中心在30°附近,高緯度的4個(gè)中心接近70°附近.這些渦旋電流場(chǎng)基本上按地理經(jīng)度等間隔分布.渦旋電流系的位置固定,白天電流強(qiáng)、夜間電流弱.地球自轉(zhuǎn)一周,各渦旋電流場(chǎng)的電流強(qiáng)、弱交替一次,白天兩個(gè)強(qiáng)電流渦旋場(chǎng)、夜間兩個(gè)弱電流渦旋場(chǎng)引起地電場(chǎng)經(jīng)歷兩次起伏,所以產(chǎn)生大地電場(chǎng)日變化的顯著半日波周期成分.據(jù)杜學(xué)彬等1,大地電場(chǎng)日變化的峰—峰幅度最大的時(shí)間集中在當(dāng)?shù)靥枙r(shí)的中午,這正好說明白天渦旋電流場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致了以12h為中心周期的大地電場(chǎng)日變化.大地電場(chǎng)譜成分中24～25h周期也是普遍存在強(qiáng)周期成分,24h是太陽日周期,25h是太陰日周期(徐文耀,2003),這說明24～25h的周期成分與大陽、太陰周期活動(dòng)有關(guān).地球自傳一周,太陽風(fēng)壓縮地球向陽一面的磁層空間,而拓展背著太陽一面的磁層空間,引起24h周期的大地電場(chǎng)變化.太陰活動(dòng)周期約為25h,月球距離地球近,對(duì)地球產(chǎn)生潮汐引力作用,太陰活動(dòng)引起的海潮、固體潮已被精確記錄到,這種太陰活動(dòng)引起的地球潮汐現(xiàn)象可能引起大地電場(chǎng)日變化.目前,關(guān)于電場(chǎng)日變化中8h中心周期的產(chǎn)生原因還不清楚,尚需進(jìn)一步研究.4.2電暴開始發(fā)生的機(jī)制根據(jù)上述分析,2005年5月15日的地電暴譜系結(jié)構(gòu)有3個(gè)可識(shí)別的特點(diǎn):①昌黎、嘉峪關(guān)兩個(gè)臺(tái)記錄的地電暴,在較長(zhǎng)周期部分(大約20min以上)電場(chǎng)的譜系結(jié)構(gòu)隨周期減小的變化趨勢(shì)基本相同;②電暴時(shí),在整個(gè)可分析的頻段內(nèi)其譜值要高于日變化譜值約2～3個(gè)數(shù)量級(jí);③昌黎、嘉峪關(guān)臺(tái)地理緯度接近但經(jīng)度相差約21°,在這樣大的空間尺度上電暴初相、主相開始的時(shí)間同步,同時(shí)與地磁暴開始時(shí)間同步.這些特點(diǎn)不同于電場(chǎng)日變化,說明產(chǎn)生電暴的機(jī)制與日變化不同.據(jù)杜學(xué)彬等5的研究,大地電場(chǎng)高頻擾動(dòng)或脈動(dòng)等快變化與地磁場(chǎng)短周期擾動(dòng)同時(shí)發(fā)生,既是磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度不大但高頻成分豐富,地電場(chǎng)也出現(xiàn)豐富的幾毫伏/千米至十幾毫伏/千米幅度或更大幅度的高頻成分,并且這類擾動(dòng)在大區(qū)域同時(shí)出現(xiàn).上述地電暴、地磁暴以及地電場(chǎng)快變化、磁場(chǎng)短周期成分的特點(diǎn)證明了其場(chǎng)源遠(yuǎn)離觀測(cè)點(diǎn)(場(chǎng)點(diǎn)),來自于太陽活動(dòng)引起的固體地球外部的空間電流體系活動(dòng).這種電、磁現(xiàn)象可以應(yīng)用電磁波傳播理論解釋.電暴時(shí)電場(chǎng)譜值高于日變化譜值約2～3個(gè)數(shù)量級(jí),電磁輻射能量非常強(qiáng),也說明了引起電暴的原因不同于引起日變化的原因.據(jù)