李夢瑩 張志宏 焦明若 方禹心

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號， 110034 2 沈陽地震監(jiān)測中心站，沈陽市東陵路208巷32號，110161

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)(http:∥www.ceic.ac.cn)正式測定，2018-05-28 01:50吉林松原發(fā)生MS5.7地震。本次地震為2013-11-23吉林前郭MS5.8地震后的首次較大地震，震中區(qū)也是中國東部1975-02-04遼寧海城MS7.3地震和1976-07-28河北唐山MS7.8地震后地震活動(dòng)性最強(qiáng)的地區(qū)，對研究地震前地球物理場中短期異常有著重要意義。

我國地電場觀測與地震預(yù)測研究始于1966年邢臺MS7.2地震后，曾記錄到不少震前異常變化[1]，Varotsos等[2-3]用多極距觀測法解決了地電場觀測系統(tǒng)噪聲問題，自此國內(nèi)地電場地震預(yù)測預(yù)報(bào)方法得到快速發(fā)展[4-8]。本文使用2018-05-28吉林松原MS5.7地震震前1 a以上及震后6個(gè)月震中500 km范圍內(nèi)13個(gè)地電場臺站分鐘值數(shù)據(jù)，分析地震前后自然電場變化，得到震前自然電場ESP異常特征，并結(jié)合巖體裂隙水電荷滲流模型計(jì)算異常臺站地電場優(yōu)勢方位角a，討論地電場優(yōu)勢方位角在地震預(yù)測方面的優(yōu)勢。

1 原理及方法介紹

1.1 自然電場和大地電場

地電場是指固體地球內(nèi)部和外部的各種非人工電流系與地球介質(zhì)相互作用，在地球表面產(chǎn)生的電場，包括大地電場ET和自然電場ESP。ET與磁層和電離層中電流系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，ESP則是地殼內(nèi)部各類物理化學(xué)作用引起的正負(fù)電荷分離產(chǎn)生的地電場[1]。ET和ESP通過測量地表每個(gè)測向兩點(diǎn)之間的電位差，得到其隨時(shí)間的變化，如圖1所示，通過埋設(shè)在地表下的測量電極A和B，以一定時(shí)間間隔測量2個(gè)電極的自然電位差序列(VAB)i(i=N-1，N-2，…，2，1，0)，其中i=0表示當(dāng)前時(shí)間，i=1表示當(dāng)前時(shí)間之前第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，i=N-1表示當(dāng)前時(shí)間之前第N-1個(gè)時(shí)間點(diǎn)。按式(1)計(jì)算得出的自然電位差序列(VAB)i算術(shù)平均值，即為當(dāng)前時(shí)間的自然電場ESP；按式(2)計(jì)算此方向上的大地電場ET分量值，其中負(fù)號表示大地電場的方向由高電位指向低電位。

(1)

式中，(VAB)i(i=N-1，N-2，…，2，1，0)為電極A和B之間的自然電位差值序列，單位mV；N為參與計(jì)算的自然電位差值序列數(shù)據(jù)總數(shù)，不少于24 h之內(nèi)的所有測量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

(2)

圖1 地電場觀測基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic principle of geoelectric field observation

大地電場矢量由2個(gè)正交方向的大地電場分量值合成，2個(gè)正交方向分別為x軸(東向分量)和y軸(北向分量)，由2個(gè)大地電場分量值Ex和Ey按式(3)和式(4)計(jì)算大地電場的幅值E和方位角a：

(3)

(4)

式中，Ex為大地電場東向分量，Ey為大地電場北向分量，單位均為mV/km。

地電場的觀測數(shù)據(jù)中，ESP為自然電場，ET為大地電場，Er為干擾成分，則地電場E可表達(dá)為：

E=ESP+ET+Er

(5)

設(shè)地電場觀測分鐘值數(shù)據(jù)為Ei，日均值計(jì)算自然電場ESP的表達(dá)式可簡化為：

(6)

應(yīng)用式(6)能夠基本消除大地電場ET和干擾成分Er。

1.2 地電場優(yōu)勢方位角a

中國學(xué)者基于大地電場ET日變波形的時(shí)域和頻域特征，提出了大地電場ET日變波源于電離層Sq電流和潮汐力學(xué)說，即大地電場的潮汐機(jī)理[5-6]。譚大誠等[8]在潮汐機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了大地電場ET的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型，解釋了大地電場ET強(qiáng)度和方向的變化是地下介質(zhì)應(yīng)力的積累改變巖體裂隙結(jié)構(gòu)的過程。圖2(b)為裂隙水電荷日周期移動(dòng)的理想模型，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育程度決定了實(shí)際的電荷移動(dòng)方向。用a表示場地巖體裂隙水電荷移動(dòng)的主滲流方位，也可稱之為地電場優(yōu)勢方位角a。

圖2 ET巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型Fig.2 ET model of fissure water in rock with seepage(movement)or charges

當(dāng)臺站地電場NS和NW測向之間的相關(guān)性高時(shí)，地電場ET的優(yōu)勢方位角a(北偏東)計(jì)算公式如下：

(7)

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)算公式如下：

(8)

對于一個(gè)數(shù)據(jù)序列yt(時(shí)間序列總數(shù)為n)，數(shù)學(xué)上可表示為：

(9)

2 臺站地質(zhì)構(gòu)造概況

本文選取2018年松原MS5.7地震震中500 km范圍內(nèi)采樣時(shí)間間隔為1 min、測量頻段為0～0.005 Hz、“雙L”6測道長短極距布設(shè)、不極化電極的13套ZD9A-Ⅱ型儀器和2套GEF-2型儀器地電場臺站[9](表1)，圖3為臺站所處現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域。鐘以璋等[10]通過研究衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和地球物理場觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地殼構(gòu)造由斷塊組成，地震震中沿?cái)嗔褞Х植?，且展布方向與區(qū)域內(nèi)主要斷裂帶的走向大體一致。研究區(qū)地屬松遼盆地，該盆地為中國東北部的一個(gè)大型中-新生代NE向沉積盆地，地跨中國東北三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)[11]。21世紀(jì)以來，松遼盆地及周邊地區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，2002年至今已連續(xù)發(fā)生5級以上天然地震16次，高立新等[12-13]認(rèn)為2011年日本MW9.0地震對中國東北地區(qū)地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境影響顯著，地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由擠壓轉(zhuǎn)為拉張。2011年以來中國東北地區(qū)相繼發(fā)生遼寧燈塔MS5.1地震、內(nèi)蒙古科爾沁M(jìn)S5.3地震、吉林前郭MS5.8震群等7次5.0級以上淺源地震。

圖3 2018年松原MS5.7地震震中及500 km內(nèi)地電場臺站分布Fig.3 Schematic diagram of the distribution of the 2018 Songyuan MS5.7 earthquake epicenter and the distribution of electric field stations within 500 km

表1 研究區(qū)地電臺站概況

3 分析研究

3.1 自然電場變化

根據(jù)場源的不同，可將地電場E分為大地電場ET和自然電場ESP，大地電場ET的起源是空間Sq電流系和固體潮，自然電場ESP則源于地下介質(zhì)的物理、化學(xué)作用。自然電場ESP包括地下金屬礦體與周圍溶液經(jīng)過氧化還原反應(yīng)的氧化還原場、地下電介質(zhì)在巖體裂隙中流動(dòng)的過濾電場及由2種電解質(zhì)濃度差異引起的接觸-擴(kuò)散電場。膨脹和壓力實(shí)驗(yàn)表明，巖體在應(yīng)力變化作用下，能夠激發(fā)自然電場的變化[1]。因此，監(jiān)測孕震過程的應(yīng)力變化可能觀測到自然電場短期異常[14]。

圖4為2017～2018年本文所選臺站中自然電場ESP變化較大，且觀測系統(tǒng)和場地較好的4個(gè)場地?cái)?shù)據(jù)。圖4(a)表明，2017-03林甸臺ESP的EW、NW測向開始出現(xiàn)小幅度異常躍變，持續(xù)至 7 月初躍變幅度峰值約為400 mV·km-1，2018-03開始第2次異常躍變，且異常測向變幅方向相反、幅度差較??；5月初ESP的EW、NW測向恢復(fù)背景值，松原MS5.7地震后ESP沒有觀測到同震響應(yīng)。圖4(b)表明，2018-02綏化臺ESP三測向出現(xiàn)同步異常，躍變幅度峰值較小，小于 50 mV·km-1。圖4(c)表明，2018-03初望奎臺ESP的NS、N45°W測向出現(xiàn)躍變異常，躍變峰值約為500 mV·km-1，且兩異常測向的變幅同步性較高，地震發(fā)生在ESP異常幅度恢復(fù)期，震后 6 個(gè)月ESP恢復(fù)正常。圖4(d)表明，2018-03初肇東臺ESP的EW、NS測向觀測值突增，異常起始幅度已達(dá)峰值500 mV·km-1。

由表2可知，綏化臺ESP的異常幅度相對于背景值變化并不顯著，異常信度最低；肇東臺、望奎臺和林甸臺異常變化顯著，異常信度較高，其中林甸臺的異常幅度相對較小，異常起始時(shí)間較早。從圖4也可看出，肇東臺、望奎臺和林甸臺ESP異常測向表現(xiàn)為兩道，其中望奎臺和林甸臺同屬富裕-明水?dāng)嗔?圖3)，而肇東臺ESP異常變化速率顯著，短時(shí)期內(nèi)達(dá)到了峰值，發(fā)震構(gòu)造研究結(jié)果[15-16]也支持肇東臺的異常特征。

表2 松原MS5.7 地震地電場異常臺站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 大地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位

圖5為基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型計(jì)算的4個(gè)異常場地巖體裂隙水主滲流方位。圖5(a)為林甸臺大地電場優(yōu)勢方位角α的變化散點(diǎn)分布，可以看出，2017-03林甸臺方位角α的突變范圍出現(xiàn)了大幅度的發(fā)散，Δα約為90°，對比圖4(a)中林甸臺自然電場ESP的變化開始時(shí)間發(fā)現(xiàn)，兩者的變化初始時(shí)間明顯對應(yīng)。由此可見，2017-03林甸臺自然電場ESP大幅變化的物理機(jī)理可能是場地巖體裂隙結(jié)構(gòu)在應(yīng)力加卸載作用下發(fā)生了較大改變，表現(xiàn)為間斷的巖體裂隙偏轉(zhuǎn)或剪裂現(xiàn)象。圖5(c)和5(d)為望奎臺和肇東臺大地電場優(yōu)勢方位角α的變化散點(diǎn)分布，可以看出，兩者方位角α的突變范圍呈大幅度的擠壓狀態(tài)，Δα在45°左右。對比圖4(c)和4(d)可知，望奎臺自然電場ESP同步發(fā)生異常變化，松原MS5.7地震后望奎臺大地電場優(yōu)勢方位角α的擠壓狀態(tài)持續(xù)至9月，后恢復(fù)發(fā)散狀態(tài)，而肇東臺震前由擠壓恢復(fù)至擴(kuò)張。

圖4 異常臺站在地震前后地電場變化(2017-1-30～2019-01-30)Fig.4 Variation of electric field of abnormal stations before and after earthquake(January 30, 2017 to January 30, 2019)

圖5 異常臺站大地電場優(yōu)勢方位角α的變化散點(diǎn)分布Fig.5 Variation scatter diagram of the dominant azimuth angle α of the telluric field at anomalous stations

4 結(jié) 語

李永生等[15]的全波形矩張量反演結(jié)果表明，扶余-肇東斷裂東段為2018年松原MS5.7地震的發(fā)震構(gòu)造；李君等[16]利用雙差定位法對地震序列進(jìn)行重新定位，并利用MSATSI軟件反演得到松原地區(qū)應(yīng)力場，結(jié)果表明，松原地區(qū)應(yīng)力場既受太平洋板塊對北東亞板塊的西向俯沖，又受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，在中國東北地區(qū)產(chǎn)生了近 EW向的主壓應(yīng)力。因此，自然電場變化量ΔESP最大的臺站應(yīng)位于扶余-肇東斷裂，且EW測向異常顯著，這就解釋了肇東臺ESP的EW測向異常顯著和巖體裂隙優(yōu)勢方位角出現(xiàn)高達(dá)45°擠壓的異常特征。震中周邊場地的孕震過程是應(yīng)力不斷加卸載的過程，巖體裂隙結(jié)構(gòu)會因應(yīng)力加卸載的變化而變化。但實(shí)際結(jié)果是，場地巖體結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致不同場地觀測到的地電場ESP變化差異較大，這可能是異常臺站只有兩道顯著異常的原因。

本文通過研究近年來我國東北地區(qū)地震活動(dòng)最為活躍的吉林松原地區(qū)地電場觀測資料，結(jié)合2018-05-28松原MS5.7地震，分別對地震前后自然電場ESP和大地電場ET的背景、臨震、震后響應(yīng)時(shí)序變化進(jìn)行對比分析，并應(yīng)用巖體裂隙水電荷移動(dòng)滲流模型計(jì)算了研究區(qū)所有地電場臺站的電荷移動(dòng)優(yōu)勢方位，得到如下結(jié)論：

1)多極距、多方向的地電場布極方式可有效識別干擾，但不易提取前兆異常信息；

2)2018-05-28松原 MS5.7 地震前后，綏化臺、林甸臺、肇東臺、望奎臺自然電場ESP的異常起始時(shí)間存在準(zhǔn)同步特征；

3)基于巖體裂隙水電荷滲流模型及大地電場優(yōu)勢方位的結(jié)果，可得出巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育狀況；

4)松原MS5.7 地震前后異常臺站自然電場ESP的大幅度變異現(xiàn)象，可能是松原地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場受到構(gòu)造板塊應(yīng)力的影響,望奎臺及肇東臺的大地電場優(yōu)勢方位角α呈擠壓異常。

利用巖體裂隙水電荷滲流模型計(jì)算得到的電荷移動(dòng)方向可有效捕捉場地孕震巖體結(jié)構(gòu)的微變化，由于孕震過程復(fù)雜，對該研究方法的適用可能存在區(qū)域性，后續(xù)需要更多震例支持。

致謝:感謝甘肅省地震局譚大誠研究員提供地電分析程序，黑龍江省地震局和吉林省地震局提供地電場觀測數(shù)據(jù)。