張國苓 任印國 喬子云 賈立峰 羅 娜

1）中國石家莊050021 河北省地震局

2）中國石家莊050000 河北省水文勘測研究中心

0 引言

20 世紀(jì)中葉，Chapman 提出，地電場由大地電場和自然電場組成（孫正江等，1984）。1970 年以后，希臘、法國、日本、中國等國家把地電場觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用到地震、火山監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中。Varotsos 等（1984）提出VAN 法并用于地震預(yù)測研究。我國在“九五”和“十五”期間開始大規(guī)模、規(guī)范化地開展電場觀測，迄今已建成由近120 個(gè)地電臺(tái)組成的觀測臺(tái)網(wǎng)。應(yīng)用地電場數(shù)據(jù)開展了較多地震預(yù)測方法研究，如極化方位計(jì)算法（毛桐恩等，1999）、垂直極化強(qiáng)度投影法（阮愛國等，2000）、常規(guī)波形分析法（錢復(fù)業(yè)等，2005）、VAN 法（馬欽忠等，2008）、長短極距比值法（田山等，2009）、頻譜分析法（范瑩瑩等，2010）、優(yōu)勢方位角法（譚大誠等，2013）等。

隨著對(duì)大地電場物理解析的深入研究，探索出自然電場、大地電場初步分離原理（譚大誠等，2012），并逐步發(fā)展出大地電場優(yōu)勢方位角分析方法（譚大誠等，2011，2014，2019）。大地電場優(yōu)勢方位角分析方法物理意義明確，可用來提取弱幅度異常變化，在2017—2020 年年度地震會(huì)商中得到了應(yīng)用，所涉震例有：2008 年汶川MS8.0 地震、2013 年岷縣—漳縣MS6.7 地震、2014 年魯?shù)镸S6.5 地震、2016 年12 月新疆呼圖壁MS6.2 地震分布、2017 年精河MS6.6 地震、2017 年四川九寨溝MS7.0 地震、2019 年張掖MS5.0 地震。以上震例主要分布在我國西部地區(qū)。

地電暴和雷電等干擾在地電場日變曲線上表現(xiàn)為脈沖擾動(dòng)，高壓直流輸電干擾表現(xiàn)為臺(tái)階變化。辛建村等（2017）和張波等（2020）認(rèn)為，這些常見地電場干擾對(duì)優(yōu)勢方位角的影響不明顯。

收集整理了2000 年以來華北、東北地區(qū)20 余個(gè)地電場臺(tái)站的分鐘值數(shù)據(jù)，利用地電場潮汐波巖體裂隙水（電荷）流動(dòng)模型計(jì)算臺(tái)站的大地電場優(yōu)勢方位角，結(jié)合觀測系統(tǒng)變動(dòng)、高壓直流輸電干擾等因素，分析其抗干擾能力，跟蹤不同地區(qū)的裂隙結(jié)構(gòu)變化，總結(jié)中強(qiáng)地震前異常特征，為華北、東北地區(qū)震情跟蹤提供依據(jù)。

1 華北、東北地電場觀測臺(tái)網(wǎng)

華北、東北地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜。區(qū)域?yàn)閺埐车卣饚А⒑颖逼皆瓗?、山西地震帶、郯廬斷裂帶的地震活動(dòng)較強(qiáng)。2000 以來發(fā)生過多次5 級(jí)以上地震，其中9 次地震震中300 km 范圍為分布2 個(gè)以上地電場觀測臺(tái)站（圖1，圖2）。

圖1 東北地區(qū)地電場臺(tái)站、震中分布及地電場觀測數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)程Fig.1 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in Northeast China

圖2 華北地區(qū)地電場臺(tái)站、震中分布及地電場觀測數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)程Fig.2 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in North China

華北地區(qū)地電場觀測始于2001 年，之后陸續(xù)建立近20 多個(gè)地電場觀測臺(tái)站，其中大多數(shù)臺(tái)站于2007 年以后建設(shè)。該區(qū)臺(tái)站分布比較密集，而5 級(jí)以上地震較少。東北地區(qū)臺(tái)站分布比較稀疏，大部分建于2007 年以后。該區(qū)5 級(jí)以上地震較多，且深源地震多發(fā)于吉林琿春和黑龍江林口地區(qū)。

2 優(yōu)勢方位角計(jì)算方法

2.1 計(jì)算原理

當(dāng)?shù)仉妶鯪S、NW 測向之間相關(guān)性較高時(shí)，大地電場ET優(yōu)勢方位角α（北偏東）計(jì)算公式（譚大誠等，2014）為

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS 測向第i階潮汐諧波振幅。Ai的計(jì)算方法為對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)序列y（t時(shí)間序列總數(shù)n），數(shù)學(xué)上可表示成

其中ai、bi計(jì)算公式為

則Ai為

2.2 計(jì)算過程

（1）數(shù)據(jù)選取。取全天24 小時(shí)分鐘值數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)源于數(shù)據(jù)庫原始或預(yù)處理數(shù)據(jù)），對(duì)于個(gè)別缺測點(diǎn)，用其前或后的可靠數(shù)據(jù)填補(bǔ)。若同一天缺數(shù)（含直線數(shù)據(jù)）累積超過100 min，則取消當(dāng)天數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算。

（2）不同方位間相關(guān)系數(shù)計(jì)算。根據(jù)選取的長或短極距數(shù)據(jù)，計(jì)算不同方位數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)。

（3）潮汐諧波振幅計(jì)算。對(duì)不同測向數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取周期為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h 的諧波并計(jì)算其振幅和。

（4）優(yōu)勢方位角計(jì)算。一般選取相關(guān)系數(shù)最大的2 個(gè)方位?；诔毕C波振幅和，計(jì)算地電場優(yōu)勢方位角。

3 地電場優(yōu)勢方位角抗干擾能力分析

地電暴和雷電等干擾在地電場日變曲線上表現(xiàn)為脈沖擾動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，脈沖擾動(dòng)對(duì)優(yōu)勢方位角影響較小。高壓直流輸電對(duì)地電場觀測數(shù)據(jù)的干擾主要是換流站接地極的回流干擾，對(duì)地電場觀測數(shù)據(jù)形態(tài)具有明顯影響，但是對(duì)大地電場優(yōu)勢方位角的影響不明顯（張波等，2020）。辛建村等（2017）認(rèn)為，當(dāng)干擾幅度不大于地電場日變化峰值時(shí)，優(yōu)勢方位角基本不受干擾影響；當(dāng)干擾幅度較大時(shí)，優(yōu)勢方位角當(dāng)天會(huì)受到影響，但第二天以后所受影響不明顯。通過跟蹤近年來地電場方位角數(shù)據(jù)，認(rèn)為在運(yùn)行高壓線路干擾時(shí)間不固定、不連續(xù)，對(duì)優(yōu)勢方位角的影響不明顯，但是試運(yùn)行階段的高壓直流線路，連續(xù)漏電天數(shù)較多，換流站附近臺(tái)站的地電場日變數(shù)據(jù)和方位角均會(huì)受到明顯影響。2020 年2 月1 日—6 日鄭哈高壓直流線路試運(yùn)行，位于換流站附近的洛陽、周口、菏澤、肥鄉(xiāng)臺(tái)等臺(tái)站的地電場日變波形出現(xiàn)方波形態(tài)（圖3），原雙峰雙谷的日變形態(tài)基本消失，優(yōu)勢方位角出現(xiàn)同步偏轉(zhuǎn)變化（圖4），而線路兩側(cè)距換流站較遠(yuǎn)的臺(tái)站受影響較小。

圖3 瓜州、菏澤、洛陽、肥鄉(xiāng)臺(tái)地電場日變曲線Fig.3 Diurnal variation of telluric field observations at Guazhou,Heze,Luoyang,and Feixiang stations

圖4 瓜州、菏澤、洛陽、周口、肥鄉(xiāng)臺(tái)分布及方位角變化Fig.4 The telluric field rock cracks at Guazhou,Heze,Luoyang,Zhoukou,and Feixiang stations

2020 年4 月19 日—30 日扎青線連續(xù)多天漏電，造成山東無棣大山、天津徐莊子、河北興濟(jì)臺(tái)地電場日變曲線出現(xiàn)臺(tái)階變化，優(yōu)勢方位角偏轉(zhuǎn)（圖5），但各臺(tái)與換流站的距離不同，臺(tái)站布設(shè)方位不同，各臺(tái)優(yōu)勢方位角受影響程度有差異。更換電極及外線路也可能使得日變波形出現(xiàn)臺(tái)階。臨汾臺(tái)在2020 年4 月3 日更換電極后，地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階，優(yōu)勢方位角減小25°。安丘臺(tái)地電場觀測系統(tǒng)2020 年9 月21 日—22 日更換外線路，短極距部分時(shí)段缺數(shù)，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階變化，優(yōu)勢方位角偏轉(zhuǎn)20°（圖6）。裝置變動(dòng)導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)及優(yōu)勢方位角出現(xiàn)明顯變化的原因復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。

圖5 2020 年無棣大山、徐莊子、興濟(jì)臺(tái)地電場日變曲線及優(yōu)勢方位角Fig.5 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Wudi,Xuzhuangzi,and Xingji stations,2020

圖6 臨汾和安丘臺(tái)地電場日變曲線及方位角Fig.6 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Linfen and Anqiu stations

4 典型震例分析

2013 年1 月23 日遼寧遼陽燈塔發(fā)生MS5.1 地震，震中附近300 km 范圍內(nèi)分布新城子、義縣、四平3 個(gè)地震臺(tái)。義縣臺(tái)（震中距約158 km）α自2012 年10 月底從約45°躍變至近88°，11 月底至12 月初短時(shí)復(fù)原，12 月中旬后基本在88°至-2°間跳變。新城子臺(tái)（震中距約66 km）α在2012 年8 月中間值出現(xiàn)約15°下降偏轉(zhuǎn)，12 月初跳變?cè)黾又良s45°，震后基本穩(wěn)定（圖7）。

圖7 2012—2013 年義縣、新城子臺(tái)地電場方位角變化Fig.7 The telluric field and rock cracks at Yixian and Xinchengzi stations from 2012 to 2013

2018 年5 月28 日吉林松原發(fā)生MS5.7 地震。望奎臺(tái)（震中距約225 km）在2018 年2月中旬至3 月中旬，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，并且α跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線。肇東臺(tái)（震中距約124 km）在2017 年10 月開始出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)和收窄變化（圖8）。

圖8 2017—2018 年肇東、望奎臺(tái)地電場方位角變化Fig.8 The telluric field and rock cracks at Zhaodong and Wangkui stations from 2017 to 2018

2013年10月31日吉林前郭發(fā)生MS5.7震群。吉林四平臺(tái)（震中距約158 km）在2013年9月，α中間值逐步從10°左右上升至近55°，偏轉(zhuǎn)45°。黑龍江肇東臺(tái)（震中距約209 km）在10 月，α中間值逐步從45°左右下降至近0°，且跳變范圍明顯收窄。望奎臺(tái)（震中距約282 km）在2013 年3 月，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，且跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線（圖9）。

圖9 2012—2013 年四平、肇東、江望奎臺(tái)地電場方位角變化Fig.9 The telluric field and rock cracks at Siping,Zhaodong,and Wangkui stations from 2012 to 2013

2020 年7 月12 日唐山古冶發(fā)生MS5.1 地震。延慶臺(tái)（震中距約226 km）方位角2019 年11 月下旬至2020 年4 月中旬具有跳變范圍收窄、偏轉(zhuǎn)異常，與天津?qū)氎媾_(tái)（震中距約80 km）的異常有準(zhǔn)同步現(xiàn)象，構(gòu)成區(qū)域異常（圖10）。

圖10 2019—2020 年延慶、寶坻臺(tái)地電場方位角變化Fig.10 The telluric field and rock cracks at Yanqing and Baodi stations from 2019 to 2020

對(duì)于華北、東北地區(qū)5級(jí)以上地震，地電場優(yōu)勢方位角具有較好的異常變化特征（表1）?；诖?，可總結(jié)得出華北、東北地區(qū)5 級(jí)以上地震異常判據(jù)和預(yù)測指標(biāo)。

表1 華北東北地區(qū)5 級(jí)地震前地電場方位角變化分析Table 1 The variation of telluric feild and rock cracks before MS ≥5 earthquakes in Northeast and North China

（1）異常判據(jù)。異常判據(jù)為任一場地的大地電場優(yōu)勢方位角α?xí)谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨機(jī)跳變，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)（約300 km）或同一條斷裂帶附近，多個(gè)場地的大地電場優(yōu)勢方位角α的隨機(jī)跳變范圍、或跳變的中間值發(fā)生準(zhǔn)同步顯著改變，并且持續(xù)至少1 周時(shí)，可判定α變化異常。

（2）預(yù)測指標(biāo)為：①發(fā)震時(shí)間，異常出現(xiàn)后6 個(gè)月內(nèi)發(fā)震幾率高；②發(fā)震地點(diǎn)，臺(tái)站附近300 km 以內(nèi)，通常，α出現(xiàn)約45°偏轉(zhuǎn)和收窄變化的場地更靠近震中；③發(fā)震強(qiáng)度，5 級(jí)以上。

5 結(jié)論

當(dāng)?shù)仉娕_(tái)站位于高壓直流線路換流站周邊時(shí)，地電場觀測數(shù)據(jù)受影響較大。在高壓直流供電開始和結(jié)束時(shí)，地電觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階形態(tài)。當(dāng)同一高壓直流輸電線路漏電僅一天或者不連續(xù)的幾天時(shí)，換流站附近臺(tái)站地電場優(yōu)勢方位角表現(xiàn)為個(gè)別突跳。當(dāng)同一高壓輸電線路連續(xù)多天漏電時(shí)，地電場優(yōu)勢方位角明顯偏轉(zhuǎn)，換流站越近，影響越大。

華北、東北地區(qū)5 級(jí)以上淺源地震發(fā)生前，震中300 km 范圍內(nèi)地電場優(yōu)勢方位角出現(xiàn)顯著中短期異常，多為45°偏轉(zhuǎn)或者收窄變化。優(yōu)勢方位角震前偏轉(zhuǎn)45°的場地巖體可能發(fā)生了共軛剪裂，收窄變化則說明場地裂隙由發(fā)育階段轉(zhuǎn)變?yōu)殚L大階段，裂隙長度增大、連通性增強(qiáng)、排列逐漸有序。根據(jù)以往研究，巖石裂隙會(huì)隨深度增加而閉合，20—30 km深度的巖石裂隙率相對(duì)大，50 km 深度以下巖石裂隙率顯著下降（錢家棟等，1985）。大地電場優(yōu)勢方位方法對(duì)淺源地震有較好的響應(yīng)，對(duì)深源地震基本無反映，這種現(xiàn)象進(jìn)一步說明大地電場優(yōu)勢方位角可能與巖石裂隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。

感謝甘肅省地震局譚大誠研究員在本項(xiàng)工作開展過程中提供幫助。