李霞 趙玉紅 馮麗麗 劉磊 茍智棟 蘇維剛

摘要：2021年青海瑪多M、7.4地震前，都蘭地電場觀測資料出現(xiàn)了顯著異常變化。通過分析都蘭地電場年變形態(tài)，長、短極距比值及經(jīng)相關距平去除年變后時序圖，并與2019年夏河M、5.7地震的震前異常特征進行對比研究，得出以下主要結(jié)論：①2020年7月原始地電場觀測曲線均開始出現(xiàn)不同程度的破年變變化，且長、短極距6個測道同步變化，主要表現(xiàn)為年變減小，達到最低點后轉(zhuǎn)折加速上升，其中以北南測道變化最為顯著;②地電場長、短極距測值比結(jié)果顯示，各方向均在震前出現(xiàn)“V”字型變化，且幅度大、速率快;③都蘭地電場觀測日均值經(jīng)相關矩平法去除年變后，自2020年5月后曲線呈現(xiàn)出趨勢性或快速下降的形態(tài)，區(qū)間變化值均小于2015—2020年均值水平，甚至低于兩倍均方差水平，異常形態(tài)顯著。綜合分析認為，自2020年以來都蘭地電場出現(xiàn)的異常變化與2021年瑪多7.4級地震的孕育與活動過程具有一定關聯(lián)。

關鍵詞：都蘭地電場;瑪多M7.4地震;前兆異常特征;震例研究

中圖分類號：P319.1文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0642-08

0引言

地電場是指地球表面天然存在的電場，根據(jù)場源的不同可分為大地電場和自然電場（中國地震局監(jiān)測預報司，2010）。劇烈的區(qū)域構(gòu)造活動常導致許多場地應力應變、地下流體發(fā)生變化，這種變化會通過地電場在大空間范圍得以體現(xiàn)。人類在19世紀初已經(jīng)觀測到地球表面存在電流;1940年，Chapman 和Bartels 提出了大地電場ET、自然電場ESP的概念（孫正江，王華俊，1984）;1984年，希臘學者提出從地電場觀測資料中提取Seismic Electric Signals （SES）信號開展地震預測的VAN法（Varotsos，Alexopoulous，1984），該方2法主要應用了自然電場數(shù)據(jù)（馬欽忠等，2004），1但方法本身一直存在爭議（黃清華，2005）。

大地電場作為我國地震預測預報的重要手段之一，為了保證地電場測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，及時檢測和排除測量系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的有關問題，我國大多數(shù)地電場觀測臺站通過借鑒國外在地電場觀測研究中的成功經(jīng)驗，均采用了“多方向、多極距”的電極布設方法（中國地震局監(jiān)測預報司，2010）。應用地電場數(shù)據(jù)開展地震預測分析最早主要是常規(guī)波形分析方法（錢復業(yè)，趙玉林，2005），近20年來也探索了多種分析方法，如頻譜分析（范瑩瑩等，2010）、極化方位計算（毛桐恩等，1999）、長短極距比值計算（田山等，2009）等。隨著對大地電場的物理解析認識的深入，地震工作者近年還探索了自然電場和大地電場的初步分離原理（譚大誠等，2012），逐步發(fā)展出地電場優(yōu)勢方位角分析方法（譚大誠等，2011，2014，2019）。這些方法均在地震預測預報工作中取得了一定成效。

2021年5月22日2時4分在青海省果洛州瑪多縣（34.59°N，98.34°E）發(fā)生M、7.4地震，震源深度17km。筆者通過對青海地區(qū)地電場資料進行跟蹤分析，研究瑪多M、7.4地震前青海都蘭地電場出現(xiàn)的顯著異常形態(tài)，并與2019年10月28日夏河M、5.7地震前異常形態(tài)進行對比研究。

1觀測臺站地震構(gòu)造背景

都蘭地震臺位于青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣，是青海省地震局專業(yè)地震臺站之一，屬國家Ⅱ類地震臺，建設于1994年。2013年因修建高速公路，電磁觀測場地于2014年11月10日整體搬遷至都蘭縣東山根二隊磚廠。都蘭縣周邊有4條規(guī)模較大的斷裂帶，以NW走向為主，分別為柴達木盆地北緣斷裂帶、柴達木盆地南緣斷裂帶、昆中斷裂帶、東昆侖活動斷裂帶（圖1）。都蘭地震臺位于柴達木盆地的腹部，該地區(qū)由于受喜馬拉雅運動的影響，新構(gòu)造運動十分強烈，深大活動性斷裂規(guī)模大，地處可可西里一巴顏喀拉、柴達木兩大地震帶之間，地震活動頻繁、強度高，是破壞性地震多發(fā)的地區(qū)之一。

都蘭地電場觀測場地自搬遷至磚廠以來，主要采用ZD9A-Ⅱ型數(shù)字電場儀進行觀測，其測量分辨率優(yōu)于10μV，為1～10μV。該場地主要采用“多方向、多極距”觀測方法，正北、正東布設，布極方式為“L”型，為北南、東西、N45°E3個測向長、短極距6道測線。北南、東西向長、短極距各為300m、150m，具體地電場布極裝置方式如圖2a所示。線路采用絕緣鎧裝電纜以地埋的方式架設，自觀測以來裝置系統(tǒng)穩(wěn)定，運行正常。都蘭地電場觀測場地地勢東南高西北低，屬于第四紀沙質(zhì)沉積物，測區(qū)周圍地形開闊（圖2b），環(huán)境穩(wěn)定，干擾較小。

2地電場異常特征分析

2.1形態(tài)法

中國大陸地電場日變形態(tài)主要有“峰-谷”型、近直線型、無序變化型和混合型4種（譚大誠等，2010;陳有發(fā)等，1999a，b）。都蘭臺地電場自2015年開始連續(xù)觀測以來，在磁靜日時具有較規(guī)則且穩(wěn)定的變化形態(tài)，呈現(xiàn)“峰-谷”型的日變化以及“冬高夏低”的年變化形態(tài)。日變化形態(tài)第一峰值優(yōu)勢到時集中在北京時間7—9時，谷值優(yōu)勢時間集中在12—14時。第二峰值優(yōu)勢時間集中在17—18時，谷值較為明顯。年變形態(tài)表現(xiàn)為每年8—9月達到年變低點后轉(zhuǎn)折并上升，隨后在次年2月左右達到年變最高點，期間雖存在小幅度波動變化，但不影響整體年變趨勢和極值拐點變化。到目前為止，都蘭臺地電場已連續(xù)、穩(wěn)定觀測6a。

通過梳理都蘭臺地電場觀測資料，筆者發(fā)現(xiàn)2020年7月各測項觀測數(shù)據(jù)均開始出現(xiàn)不同程度的破年變變化，且長、短極距6個測道變化同步，主要表現(xiàn)為年變減小，到達最低點后轉(zhuǎn)折并加速上升，其中以NS測道變化最為顯著，NE向變化幅度較小（圖3）。NS向長極距觀測數(shù)據(jù)于2020年7月4日出現(xiàn)年變低值拐點，隨后并未按照以往變化趨勢上升，而是平穩(wěn)變化近兩月后于9月23日開始加速上升，2021年3月22日達到年變最大值后逐漸減小，相較往年年變低值拐點推遲約1個月，年變幅較往年增大37%（圖3a）;NS向短極距觀測數(shù)據(jù)于2020年6月15日達到歷史年變最低點，平穩(wěn)波動18d后加速上升，于10月1日到達年變最大值，年變幅較往年增大2倍（圖3b）。EW向長極距觀測數(shù)據(jù)于2020年2月7日出現(xiàn)年變低值拐點后轉(zhuǎn)折上升，于4月21日出現(xiàn)快速下降趨勢并在6月16日達到年變最低值，之后加速上升，在9月23日到達2020年年變最大值，期間多次出現(xiàn)顯著的加速變化，較往年年變幅增大58%（圖3c）;EW向短極距觀測數(shù)據(jù)于2020年6月15日到達年變最小值，7月3日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升趨勢，10月1日達到年變最大值，年變幅較往年增大57%（圖3d）。具體參量信息見表1。

經(jīng)調(diào)查，自2020年7月以來都蘭地電場出現(xiàn)的顯著破年變形態(tài)可以排除降雨、磁擾及其它干擾因素，綜合分析認為該變化屬于前兆異常且具有一定信度。異常出現(xiàn)10個月后，于2021年5月22日發(fā)生瑪多M7.4地震，震中距170km。

2.2長、短極距比值法

大量研究表明，當?shù)仉妶龅膱鲈从^測點足夠遠時，在各向同性的均勻介質(zhì)中，同一方向的長、短極距觀測到的地電場強度應該是一致的（馬欽忠等，2004;田山等，2009）。而在實際地電場觀測中，由于測量電極的極化電位不同，以及所處構(gòu)造背景差異性，不同臺站、不同測向觀測數(shù)據(jù)會存在差異。利用這一特征，地震工作者總結(jié)出一種簡單有效的大地電場異常提取手段——長、短極距測值比值法。

2015—2019年，都蘭地電場長、短極距測值比值結(jié)果呈現(xiàn)出正常年變趨勢，于每年2—3月達到高點，8—9月達到低點，NS向比值為-0.5～1，EW向比值為-0.5～0.2，整體變化幅度小（圖4）。NS向比值自2020年6月2日開始快速下降，6月16日達到最小值，平穩(wěn)波動18d后，于7月4日快速上升，7月7日持續(xù)平穩(wěn)變化，繼續(xù)保持同期年變化形態(tài)，期間持續(xù)一個月的“V”字型變化，變幅大、速率快、異常特征顯著;EW向比值自2020年9月22日出現(xiàn)快速下降，10月26日回返，呈現(xiàn)出類似NS向的“V”字型變化。該異常出現(xiàn)11個月后發(fā)生瑪多M、7.4地震。而2019年10月28日夏河M5.7地震前，NS向比值自2019年7月出現(xiàn)年變低點推遲3個月的破年變形態(tài)，EW向比值自2019年1月起無顯著年變形態(tài)，明顯異于以往變化，筆者認為該異常屬于夏河地震的前兆異常。

2.3相關矩平法

大地電場觀測由于受到氣溫、氣壓、降雨、地下水位及其他因素的影響，所以觀測曲線會表現(xiàn)出明顯的年變化季節(jié)性特征。然而，和地震有關的電場信號較弱，且往往會摻雜在這些年變化中，從而使得大地電場異常提取工作愈發(fā)困難。所以，行之有效的數(shù)字信號處理方法不僅可以去除規(guī)律性年變，還可以提取與地震有關的電場信號，從而可更好地應用于地震預測預報工作中。

本文采用相關矩平法進行年變消除處理：通過計算前兆觀測時間序列的同期均值，求出前兆觀測的正常年動態(tài)曲線，對前兆觀測時間序列作相關矩平分析來提取異常信息。首先取m組長度為l的1a均值序列Fn，求取均值序列之間的相關系數(shù)Rn為：

式中：l為均值個數(shù)（對于5日均值，l=72;旬均值，l=36;月均值，l=11）;F、F為均值。

選擇R中最大的值（達到一定置信度的相關檢驗值）所對應的兩組數(shù)據(jù)，求2a時序疊加均值，可得新序列：

將F作為年動態(tài)曲線初值，再求F與其它還未透入動態(tài)曲線年份的相關系數(shù)R。同理，選擇Rn中最大值對應的年份的數(shù)據(jù)，和已選出的2a數(shù)據(jù)作3a時序疊加均值，得到新的年動態(tài)曲線。依次類推，直到均值序列F中再沒有達到相關檢驗為止。

都蘭地電場觀測日均值經(jīng)相關矩平法去除年變后時序如圖5所示，圖中綠線為均值線，紅色部分為兩倍均方差線。NS長極距向計算結(jié)果顯示2015—2019年5月曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)變化，2019年5月28日曲線趨勢性下降，在下降過程中，于2019年10月28日發(fā)生夏河M5.7地震，隨后在緩慢恢復上升過程中，于2020年5月10日再次出現(xiàn)加速下降并快速上升的“V”字型變化，異常出現(xiàn)1a后，于2021年5月22日發(fā)生瑪多M7.4地震（圖5a）。EW長極距向計算結(jié)果顯示2015—2020年5月曲線呈穩(wěn)定變化，2020年5月30日曲線加速下降形態(tài)明顯，于6月29日快速上升，整體異常過程呈雙“V”字型變化，且變化幅度大，異常出現(xiàn)1a后于2021年5月22日發(fā)生瑪多M、7.4地震。兩次地震之前的異常曲線，均在整體上呈現(xiàn)出趨勢性或快速下降的形態(tài)，且區(qū)間變化值均小于歷史均值水平，甚至低于兩倍均方差水平，異常形態(tài)顯著（圖5b）。

2.4典型震例

2019年10月28日夏河M5.7地震前，都蘭地電場6個測道年變曲線均出現(xiàn)不同程度的年變值減?。▓D6），超過三分之二的分量的年變低點達到歷史最低值水平，且曲線較往年恢復上升的時間推遲近兩月。整體看，NS長極距向曲線異常形態(tài)最為顯著：2019年6月20日年變曲線出現(xiàn)小幅度轉(zhuǎn)折趨勢，然后快速下降，直至10月18日才出現(xiàn)上升趨勢，使得2019年年變幅整體增大30%。同樣，其他分量于2019年均呈現(xiàn)出年變幅增大、速率加快的異常變化過程。

3結(jié)論與討論

2021年5月22日青海瑪多M7.4地震是繼2008年汶川M8.0地震后中國大陸發(fā)生的震級最高的一次地震，震前大量前兆觀測資料均顯示出異常。筆者回溯了2015—2021年都蘭地電場觀測資料，重新梳理震例特征，認為瑪多地震前都蘭地電場確實存在異常電信號。首先，原始地電場觀測數(shù)據(jù)于2020年7月出現(xiàn)顯著破年變變化，且長、短極距6個測道同步變化，主要表現(xiàn)為年變減小，達到最低點后轉(zhuǎn)折，并加速上升，其中以NS向測道變化最為顯著，相較往年年變低值拐點推遲約一個月，年變幅較往年增大37%;其次，通過計算都蘭大地電場長、短極距觀測比值發(fā)現(xiàn)，NS向比值于2020年6—7月呈現(xiàn)快速下降后快速回返的“V”字型變化，EW向比值2020年9—10月呈現(xiàn)出類似NS向的快速“V”字型變化，整體表現(xiàn)出變幅大、速率快的特點，異常特征顯著;最后，利用相關矩平法去除都蘭大地電場觀測值年變后，NS向和EW向長極距計算結(jié)果均顯示曲線自2020年5月起加速下降形態(tài)明顯，且變化幅度大，各分量曲線整體呈現(xiàn)出趨勢性下降或快速下降的形態(tài)，且區(qū)間變化值小于2015—2020年的年均值水平，甚至低于兩倍均方差水平，異常形態(tài)顯著。

理論研究顯示，地震前大地電場的變化可能由地下流體的過濾電動勢機制引起（錢復業(yè)，趙玉林，2005;席繼樓等，2010;孫正江，王華俊，1984）。地震發(fā)生前，由于板塊內(nèi)部擠壓，震源區(qū)及周邊應力擠壓變化劇烈，導致巖石裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響地下流體的滲流結(jié)構(gòu)，導致地下介質(zhì)流體運移的突變以及離散電荷的增多，所以觀測臺站在某一時刻記錄到的異常電信號正是地殼摩擦生成的感應電流（廖曉峰等，2019;李軍輝等，2021;艾薩·伊斯馬伊力等，2020），這進一步說明震前是存在異常電磁信號的。

雖然眾多學者通過震例研究已驗證震前大地電場確實可以記錄到異常電信號，但該信號的異常表現(xiàn)形式多樣化，與不同地區(qū)地下的電性結(jié)構(gòu)密切相關，包括地下電性結(jié)構(gòu)的非均勻性、電性各向異性等。對于震前大地電場變化特征在同一

構(gòu)造體系內(nèi)是否具有相似性，以及構(gòu)造活躍帶是否具有更顯著的異常特點等，本文尚未討論。相信隨著觀測資料的不斷積累，異常認識水平的不斷提高，震例總結(jié)工作將會得到進一步完善。本文所闡述的異常特征只是初步的認識，尚有待于更深入的研究與更多的地震事件來檢驗。

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The Variation of Geo-electric Field at the Dulan seismic Station before the 2021 Maduo， Qinghai Ms7.4 Earthquake

LI Xia zhAo Yuhong. FENG Lili. LIU Lei. GOU Zhidong SU Weigang

（Qinghai Earthquake Agency， Xining 810001， Qinghai， China）

Abstract

On May 22， 2021， an M7.4 earthquake occurred in Maduo County， Qinghai Province. Before the earth-quake， the observed data of geo-electric field by the Dulanstotionshawed significant abnormal changes and were of credibility to some extent. And the form of the curve of the data is similar to that of the data before the 2019 Xiahe M55.7 earthquake. The main manifestations of the anomaly are as follows Firstly， the original observed data showed anomalous annual variations in different degrees in July 2020， and the 6 survey channels of long distance and short polar distance changed synchronously. The annual variations mainly decreased and rose rapidly after reac-hing the lowest point. Secondly， the ratio of the observed data between the long polar distance and short polar dis-tance of the geo-electric field showed that the V-shaped variations appeared sharply and rapidly in all directions pri or to the earthquake. Thirdly， after the annual variation is removed by the Correlation Moment Plane method， the curves of the daily observed mean value of the geo-electric field showed a trend or a rapid decline after May 2020 and the interval change values are all less than the historic average level， or even lower than twice the mean square deviation level， and the abnormal form is significant. We believe that the abnormal variations of the geo-electric field in Dulan region since the year 2020 are related with the genesis and evolution of the Maduo M， 7.4 earth-quake

Keywords： theDulan geo-electric field; the Maduo Ms7.4 earthquake; premonitorily abnormal characteris-tics; case-study of earthquakes