劉長(zhǎng)生，張思萌，楊維輝，康 健，高雙玲

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.德都地震臺(tái)，黑龍江 德都 164199；3.牡丹江地震臺(tái)，黑龍江 牡丹江 157009）

0 引言

地震孕育和發(fā)生必然會(huì)導(dǎo)致地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致地表大地電場(chǎng)的變化。地電場(chǎng)是地表大地電磁場(chǎng)的一部分，由較穩(wěn)定的自然電場(chǎng)和變化的大地電場(chǎng)構(gòu)成[1]。1984 年Varotsos，Alexopoulos 和Nomicos 提出利用地電場(chǎng)觀測(cè)資料提取地震電信號(hào)預(yù)報(bào)地震的方法，即VAN 法。近些年，國(guó)內(nèi)地震學(xué)者利用多種方法對(duì)地震前地電場(chǎng)中可能包含的異常信息進(jìn)行了分析和提取，毛桐恩[2]提取了河北張北M6.2地震前大地電場(chǎng)矢量方位的顯著變化；馬欽忠[3]基于地電場(chǎng)多極距原理論證了可能與汶川地震有關(guān)的地電場(chǎng)異常前兆，發(fā)現(xiàn)震前脈沖信號(hào)并非源于同一地點(diǎn)，不同的應(yīng)力積累區(qū)可能是異常信號(hào)的源區(qū)。譚大城[4]應(yīng)用大地電場(chǎng)巖體裂隙模型對(duì)國(guó)內(nèi)典型震例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)震前巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和大幅度突跳等結(jié)構(gòu)變異。艾薩·伊斯馬伊力等[5]分析新疆北天山地區(qū)兩次6 級(jí)地震前巖體裂隙方位角也發(fā)現(xiàn)類似變化。上述研究表明，地電場(chǎng)可以很好的反應(yīng)地下介質(zhì)的電性變化，開展孕震過(guò)程中大地電場(chǎng)的變化特征研究對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有非常重要的意義。

中國(guó)“十五”數(shù)字化臺(tái)網(wǎng)建設(shè)完成至今，黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生多次M>4.0 中強(qiáng)地震，大多地震發(fā)生在松遼盆地內(nèi)部，省內(nèi)有六個(gè)的電場(chǎng)臺(tái)布設(shè)在其中，本文使用大地電場(chǎng)方位角法分析和討論裂隙方位角異常變化特征與中強(qiáng)地震之間的關(guān)系。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

黑龍江省位于中國(guó)東北部，北向和東向皆與俄羅斯接壤，西向與內(nèi)蒙古自治區(qū)、南向與吉林省相連[6]本地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為活躍，地震構(gòu)造背景復(fù)雜，省內(nèi)及鄰區(qū)多次發(fā)生M4.5～6.0 的中強(qiáng)地震。黑龍江地區(qū)分布有北東東向的嫩江斷裂帶、依蘭—伊通斷裂帶、敦化—密山斷裂帶共三條一級(jí)大型斷裂帶；北西向的濱州斷裂和近北南的肇東—扶余斷裂帶等多條次一級(jí)斷裂。它們組成了黑龍江地區(qū)活動(dòng)斷裂構(gòu)造的基本框架（圖1）。

圖1 黑龍江省地電場(chǎng)臺(tái)與斷裂分布圖Fig.1 Distribution of electric field stations and faults in the Heilongjiang region

表1 黑龍江省地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站基本參數(shù)

2 觀測(cè)資料

黑龍江省地震局在中國(guó)地震局進(jìn)行“十五”數(shù)字觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)改造過(guò)程中新增了大地電場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目在黑龍江省共建立了7 個(gè)大地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，它們分別為綏化地震臺(tái)、德都地震臺(tái)、通河地震臺(tái)、林甸地震臺(tái)、肇東地震臺(tái)、望奎地震臺(tái)、密山地震臺(tái)，具體位置如圖1 所示。觀測(cè)外線路均采用雙“L”形布極方式，長(zhǎng)極距均為300m，短極距為150m，布設(shè)采用地埋的方式，電極的埋藏深度為3.0±0.5m，中心點(diǎn)在同一坑內(nèi)埋設(shè)兩個(gè)電極，從表1 中可以看到各個(gè)地震臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)的配置參數(shù)。地電臺(tái)網(wǎng)于2007 年6 月開始產(chǎn)出數(shù)據(jù)。

3 方法原理和計(jì)算過(guò)程

3.1 方法原理

在實(shí)際場(chǎng)地中，利用巖石裂隙水主體滲流模型原理計(jì)算方位角α 時(shí)，之前需先進(jìn)行相關(guān)分析，通常會(huì)得出三條ET結(jié)果曲線，如果EW、NE 之間的ET相關(guān)性高，就表明裂隙優(yōu)勢(shì)走向介于EW 和NE 之間，即選取該相關(guān)性高的α 曲線作為巖石裂隙狀態(tài)變化的判定標(biāo)準(zhǔn)曲線。但也可能出現(xiàn)NS、NE 或NS、EW 相關(guān)性高，則相應(yīng)進(jìn)行選取；本文結(jié)合各地電臺(tái)站電極布設(shè)方式，給出大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角α（北偏東）計(jì)算公式如下：

公式（1）為綏化臺(tái)滲流方位角計(jì)算公式。式中，α 為巖石裂隙優(yōu)勢(shì)方位走向；AEW和ANE表示地電場(chǎng)EW 和NE 向觀測(cè)數(shù)據(jù)的潮汐諧波振幅值；n 為階數(shù)，表示各臺(tái)優(yōu)勢(shì)周期個(gè)數(shù)，可通過(guò)傅里葉變化得到，一般n 計(jì)算到n 階即可[4]。

上面公式僅是應(yīng)用EW、NE 測(cè)向數(shù)據(jù)的計(jì)算公式。當(dāng)應(yīng)用其它測(cè)向計(jì)算α 時(shí)，其表達(dá)式需相應(yīng)調(diào)整。

3.2 計(jì)算過(guò)程

具體計(jì)算過(guò)程如下：首先，利用中國(guó)地震前兆預(yù)處理數(shù)據(jù)庫(kù)中每日大地電場(chǎng)三個(gè)方向長(zhǎng)極距分鐘值采樣數(shù)據(jù)，不同方位之間兩兩計(jì)算，共計(jì)算出三個(gè)相關(guān)系數(shù)，以其中兩個(gè)方位之間諧相關(guān)系數(shù)最大的結(jié)果計(jì)算方位角；其次，計(jì)算出電場(chǎng)中潮汐成分所占比例較高的前10 階振幅之和作為其諧波振幅；最后，基于諧波振幅計(jì)算最終方位角。

4 松遼盆地內(nèi)六個(gè)地電場(chǎng)波形特征、巖石裂隙優(yōu)勢(shì)走向分析

4.1 波形特征分析

譚大城[7]將全國(guó)地電場(chǎng)觀測(cè)波形分為兩類：一是TGF-A 型，其與固體潮密切相關(guān)的正弦型波形，二是TGF-B 型，其與氣體潮汐有關(guān)的空間Sq電流產(chǎn)生的近梯形波形。認(rèn)為在沒(méi)有或離地表水域稍遠(yuǎn)處，地下巖石含水度高、透水性好的區(qū)域Sq電流系在地表的感應(yīng)引起裂隙水周期性滲流產(chǎn)生大地電場(chǎng)可能是主要原因[8]。黑龍江省七個(gè)電場(chǎng)臺(tái)站中除了密山臺(tái)波形為無(wú)序型外，松遼盆地內(nèi)六個(gè)臺(tái)均表現(xiàn)出較好的TGF-B型，如圖2，表2 所示。

圖2 黑龍江省大地電場(chǎng)臺(tái)日變化波形對(duì)比（20180501）Fig.2 Comparison of waveform characteristics of platform diurnal variation in Heilongjiang electric field

表2 黑龍江省地電場(chǎng)臺(tái)觀測(cè)波形分類

基于巖石物理學(xué)[9]，巖體內(nèi)部的裂隙發(fā)展過(guò)程分為生成、發(fā)育、長(zhǎng)大、破碎，而后[4]利用中國(guó)大陸地電場(chǎng)臺(tái)網(wǎng)中的40 個(gè)觀測(cè)環(huán)境較好及裝置相對(duì)穩(wěn)定的臺(tái)站，計(jì)算了2017 年上半年的場(chǎng)地巖體裂隙方位角正常變化背景，結(jié)果顯示，80%的場(chǎng)地巖體裂隙處于發(fā)育階段，15%的場(chǎng)地處于長(zhǎng)大階段，5%的場(chǎng)地處于破碎階段。本文共計(jì)算了黑龍江省六個(gè)臺(tái)站方位角結(jié)果，其中德都臺(tái)、望奎臺(tái)、肇東臺(tái)、綏化臺(tái)和林甸臺(tái)是發(fā)育階段、通河臺(tái)是長(zhǎng)大階段，處于發(fā)育階段的臺(tái)站占多數(shù)。

4.2 松遼盆地內(nèi)六個(gè)電場(chǎng)臺(tái)站巖石裂隙優(yōu)勢(shì)走向分析

依據(jù)珧立珣[10]、張鳳鳴[11]等的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究資料表明，黑龍江地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向σ1約為54°，接近整個(gè)東北地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)N58°E，在研究區(qū)內(nèi)不同的臺(tái)站場(chǎng)地內(nèi)主壓應(yīng)力σ1變化明顯，本地區(qū)主要以水平應(yīng)力為主（圖3）。巖石力學(xué)理論認(rèn)為：兩組共軛剪裂面與主壓應(yīng)力方向的理論夾角為45°，圖4a 左圖是由σ1方位繪出的兩組共軛剪裂面L1 和L2，走向分別為N9°E、N99°E，這是最大剪應(yīng)力作用的兩個(gè)理論走向，α 是巖石裂隙的大致走向。

圖3 黑龍江及鄰區(qū)斷裂帶的斷層錯(cuò)動(dòng)及大地電場(chǎng)臺(tái)分布（據(jù)姚立珣，1992）Fig.3 Fault movement and distribution of geoelectric station in Heilongjiang and its adjacent area

圖4 黑龍江省六個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)裂隙優(yōu)勢(shì)走向分析Fig.4 Analysis of the preferential crack orientation of the geoelectrical field at six earthquake stations in Heilongjiang province

巖石裂隙實(shí)際走向會(huì)小于理論計(jì)算值[4]，從表3 中可知，望奎、肇東、綏化臺(tái)和通河臺(tái)的值與巖石學(xué)理論得出的可能走向更加接近，其差的形成可能是因?yàn)橹鲏簯?yīng)力與剪裂面的夾角稍小于45°所引起；德都和林甸臺(tái)方位角度偏小，與理論走向相差較大，可能與各臺(tái)站局部場(chǎng)地、裂隙度、含水度和滲透率等因素差異明顯有關(guān)。

表3 2018 年5 月1 日松遼盆地內(nèi)六臺(tái)站巖石裂隙水主體滲流方向

5 典型震例分析

2007 年國(guó)家“十五”數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)以來(lái)，黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生多次M≥4.5 地震，選取其中較為典型，同時(shí)震中周圍地電臺(tái)站數(shù)量較多的地震進(jìn)行分析，其中震前原始分鐘值數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)異常的唯一典型震例為2009 年5 月10 日安達(dá)M4.5 地震，而分析方位角結(jié)果與地震關(guān)系則出現(xiàn)三次典型震例，分別為：2009 年5 月10 日安達(dá)M4.5、2013 年6 月20 日內(nèi)蒙古莫力達(dá)瓦M(jìn)5.0，2017 年7 月至2018 年3 月吉林松原M4.0 級(jí)叢集地震等共3 組（6 個(gè)）地震，如表4 所示。

表4 黑龍江及鄰區(qū)M＞4.0 地震目錄

5.1 安達(dá)M4.5 地震綏化臺(tái)大地電場(chǎng)分鐘值曲線異常

2009 年5 月10 日安達(dá)發(fā)生M4.5 地震，發(fā)震斷層為濱州斷裂。綏化地震臺(tái)距離震中128km，從地震發(fā)生前的4 月20 日左右開始，綏化臺(tái)大地電場(chǎng)六條曲線均出現(xiàn)明顯的短期異常變化，如圖5 所示。異常結(jié)束的時(shí)間基本與發(fā)生地震時(shí)間一致。經(jīng)過(guò)核實(shí)，異常存續(xù)期間臺(tái)站周邊并未發(fā)現(xiàn)干擾源。

圖5 2009 年5 月10 日安達(dá)M4.5 地震前綏化臺(tái)地電場(chǎng)異常變化（2009.03.01—2009.05.31）Fig.5 Abnormal change of electric field at Suihua Seismic Station before Anda M4.5 earthquake on May 10th，2009

5.2 吉林寧江M4.0 叢集地震前望奎方位角異常

2017 年7 月至2018 年3 月間，吉林松原寧江出現(xiàn)M4.0 地震叢集現(xiàn)象，震級(jí)分別為M4.9、M4.5、M4.3、M4.2，距 離 該 震 中 約230km 的望奎臺(tái)大地電場(chǎng)出現(xiàn)方位角α 突跳的異?，F(xiàn)象。由圖6 可以看到2017 年望奎方位角出現(xiàn)明顯的由“長(zhǎng)大”階段轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌扑椤彪A段，由正常的30°以內(nèi)變化變幅轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥?5°變化，變化顯著。

圖6 吉林松原M4.0 叢集地震發(fā)生前望奎大地電場(chǎng)方位角變化特征Fig.6 Azimuth variation characteristics of Heilongjiang Wangkui geoelectric field before Jilin Songyuan M4.0 cluster earthquake

5.3 2009 年5 月10 日安達(dá)4.5 級(jí)地震

2008 年11 月至2009 年1 月綏化臺(tái)電場(chǎng)方位角數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度改變，如圖7 所示，方位角從之前的穩(wěn)定的30°～50°范圍波動(dòng)，表現(xiàn)為“發(fā)育”階段，變幅為20°左右，逐漸演變成為幅度為45°上下波動(dòng)，即從“長(zhǎng)大”階段轉(zhuǎn)變成“破碎”階段，在此期間發(fā)生了震中距120km 的安達(dá)4.5 地震，而后方位角恢復(fù)至正常狀態(tài)。

圖7 2009 年黑龍江安達(dá)M4.5 地震前綏化大地電場(chǎng)方位角變化特征Fig.7 Azimuth variation characteristics of Suihua geoelectric field before Heilongjiang Anda M4.5 earthquake in 2009

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黑龍江省七個(gè)大地電場(chǎng)臺(tái)分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和方位角計(jì)算結(jié)果與中強(qiáng)地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）黑龍江地區(qū)地震臺(tái)站地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)日變化具有同步性和相關(guān)性。地電場(chǎng)觀測(cè)的日變化波形形態(tài)屬于“峰-谷-峰”型，其中綏化、德都、通河屬于峰-谷-峰型；林甸屬于峰-谷型；望奎北南向和北西屬于雙峰-雙谷型，東西向是雙峰-單谷型；所有臺(tái)站觀測(cè)波形都屬于TGF-B 型，波形形態(tài)受空間Sq電流系產(chǎn)生的感生電流控制。

（2）與前人對(duì)本地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方位走向進(jìn)行對(duì)比，得到望奎臺(tái)、肇東臺(tái)、綏化臺(tái)和通河臺(tái)等臺(tái)的值更符合巖石學(xué)理論的可能走向，其差可能是因?yàn)橹鲏簯?yīng)力與剪裂面的夾角稍小于45°所引起；德都和林甸臺(tái)方位角度偏小，與理論走向相差較大，可能與各臺(tái)站局部場(chǎng)地、裂隙度、含水度和滲透率等因素差異明顯有關(guān)。

（3）省內(nèi)七個(gè)大地電場(chǎng)臺(tái)原始數(shù)據(jù)受干擾（如電極引線破損、外界環(huán)境、降雨等）變化幅度超100mv/km 以上時(shí)，方位角數(shù)值會(huì)受到顯著影響，幅度在30mv/km 以下時(shí)，方位角基本不受干擾。

（4）通過(guò)對(duì)大地電場(chǎng)滲流方位角結(jié)果與歷史中強(qiáng)地震之間分析，發(fā)現(xiàn)黑龍江及鄰區(qū)顯著地震前會(huì)出現(xiàn)巖體裂隙剪裂變現(xiàn)象，兩者之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

總體上，對(duì)黑龍江及鄰區(qū)2 組（5 次）典型震例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)震震中200km 范圍內(nèi)，巖體裂隙處于“長(zhǎng)大”或“發(fā)育”好的場(chǎng)地較集中，并且這些場(chǎng)地在中強(qiáng)震前更容易發(fā)生巖體剪裂和大幅度突跳或集中等結(jié)構(gòu)變異的變化特征。

致謝：甘肅省地震局譚大城研究員提供方位角計(jì)算軟件和給予的指導(dǎo)和幫助，黑龍江省地震局監(jiān)測(cè)中心提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)。