趙乃千

(四川省康定地震中心站，四川 康定 626001)

0 引言

幾十年來，我國的地震地電觀測技術(shù)和理論得到不斷的發(fā)展。通常，基本認(rèn)為地電阻率對鄰區(qū)強(qiáng)震會表現(xiàn)出中短期的異常信息，地電場則反映出短臨的前兆信息[1-2]。近年來，應(yīng)力應(yīng)變和空間電流等與地電場關(guān)聯(lián)的理論研究發(fā)展迅速，新的研究表明大地電場源于空間電流系和潮汐力，其波形、方位、幅度等異?，F(xiàn)象，以及自然電場躍變等異?，F(xiàn)象均與地震孕育和發(fā)生關(guān)系密切[1-3]。為應(yīng)對破壞日益嚴(yán)峻的電磁環(huán)境，地電深井、垂向等新觀測技術(shù)不斷推出。在地電場預(yù)測方法研究中，VAN法[4]、極化方位計算法[5]、物理解析[6]、頻譜分析法[7]、長短極距比值法[8]等不斷推出，為開展地電場觀測數(shù)據(jù)的分析提供理論依據(jù)。文章基于這些理論方法，對成都臺2012年后的地電場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取適合的分析方法，探尋該臺地電場異常與周邊300 km范圍內(nèi)災(zāi)害性地震的關(guān)聯(lián)及區(qū)域強(qiáng)震預(yù)測方法。

1 地電場觀測系統(tǒng)與電磁環(huán)境

成都臺測區(qū)平坦，位于川西郫縣與都江堰市交界的走石山，海拔653 m，處于龍門山構(gòu)造帶前沿的成都凹陷盆地內(nèi)。該臺地電場與地電阻率為同場地觀測，布極中心O點距離觀測室約300 m，觀測裝置采用“L”型布設(shè)(見圖1)。在中心O點向西、向南布設(shè)電極，每個方向均有長、短2個測道，其中NS向長極距296 m、短極距196 m，EW向長極距300 m、短極距202 m，N45°W向長極距420 m、短極距282 m。電極采用蘭州地震研究所生產(chǎn)的固體不極化專用電極，埋設(shè)在地表下約2.0 m的潮濕土壤中，各電極基本處于同一平面，坑中土質(zhì)相同。外線路使用定制的銅芯絕緣電纜線，采用架空方式。儀器采用ZD9A-Ⅱ型地電場儀，采樣率為1/m。按照地震地電臺站技術(shù)規(guī)范[9]和臺網(wǎng)管理技術(shù)要求，成都臺定期對儀器、裝置進(jìn)行檢測，近年每次的檢測結(jié)果均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

圖1 成都臺地電場觀測裝置示意圖Fig.1 The observation device for geoelectric field in Chengdu station

臺站地電場測區(qū)基本是農(nóng)田耕作區(qū)，周邊電磁環(huán)境較復(fù)雜。2008年汶川Ms8.0地震后，修建一條成都至青城山的高速鐵路，離布極中心約1.5 km，離最近電極約1 km，2013年6月開始運(yùn)行的地鐵2號線距成都臺約26 km。同時，測區(qū)外也有工業(yè)設(shè)施，存在游散電流干擾。圖2是該臺典型的地電場日變曲線，每日06：00～23:30會出現(xiàn)高頻脈沖，幅度較小。

圖2 大地電場典型日變曲線Fig.2 Typical diurnal variation of geoelectric field

2 地電場數(shù)據(jù)動態(tài)特征

2.1 數(shù)據(jù)可用性分析

成都臺于2013年10月初至12月初對地電場觀測裝置進(jìn)行改造，使用不極化電極更換鉛板電極、架設(shè)銅芯絕緣電纜線，并將同場地的地電阻率N58°E測道供電極A極外移約50 m，以降低地電阻率供電影響。此次改造后，地電場觀測裝置的可靠性、電磁環(huán)境得到一定程度的改善。連續(xù)率、完整率、相關(guān)系數(shù)、差值是衡量地電場數(shù)據(jù)質(zhì)量高低的主要指標(biāo)，使用《地電處理軟件》(學(xué)科版)對成都臺2014年1月—2015年3月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

表1中，數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率滿足地震地電臺網(wǎng)技術(shù)要求，相關(guān)系數(shù)、差值基本處于全國地電場臺站的中偏上水平。

2.2 地電場觀測數(shù)據(jù)變化特征

(1) 正常變化。

大地電場源于中低緯度上空電離層電流系和潮汐力，具有一定的日變波形[1]。圖2是成都臺在連續(xù)3天地磁平靜日的地電場分鐘值曲線，可見其日變化主要表現(xiàn)出“2峰1谷”的TGF-B波形?；诖蟮仉妶龀毕珯C(jī)理，成都臺大地電場日變波形主要源于電離層Sq電流[1]。圖中，NS、EW測向長、短極距日變形態(tài)稍有區(qū)別，但基本保持同步，其日變幅度差異較小，一般在7 mV/km左右。對3天的分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，前5階諧波周期分別為24、12、8、6、4.8 h，與其他環(huán)境好的地電場臺站處理結(jié)果一致[3,6]。

表1 地電場觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of geoelectric field observation data

(2) 磁暴影響。

當(dāng)發(fā)生全球性強(qiáng)烈地磁場擾動時，太陽表面輻射出的帶電粒子形成的電流劇烈沖擊地球磁場，產(chǎn)生一種稱為磁暴的電磁效應(yīng)，在磁暴期間記錄到的地電場劇烈變化稱為地電暴。正常觀測的地電場臺站，在磁暴期間均會記錄到地電暴現(xiàn)象。第22頁圖3為2015年3月17日04時45分(世界時)磁暴起始(K=7)時，成都臺地電場的數(shù)據(jù)變化情況。磁暴發(fā)生時，地電場觀測數(shù)據(jù)發(fā)生同步變化，六測道觀測數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)畸變，畸變形態(tài)表現(xiàn)為高頻突跳脈沖，脈沖幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常地電場日變幅度，記錄到明顯的地電暴現(xiàn)象。

(3) 地鐵干擾。

2013年6月開始運(yùn)行的地鐵2號線離成都臺約26 km，其正式投入運(yùn)營給成都臺地電場觀測帶來明顯影響(見圖2)。每日06：00～23：40地鐵運(yùn)行時段，地電場觀測的各測道數(shù)據(jù)均同步出現(xiàn)高頻脈沖，但幅度較小，對日變波形影響不大。因此，盡管成都臺地電場觀測明顯受地鐵干擾，但日變波形可見，且FFT分析結(jié)果與正常地電場臺站一致，說明成都臺地電場觀測數(shù)據(jù)仍具有一定程度的可用性。

3 地電場觀測數(shù)據(jù)映震特征分析

3.1 成都臺鄰區(qū)地震概況

圖3 磁場強(qiáng)度與地電場曲線對比圖Fig.3 Comparison of magnetic field intensity and geoelectric field curve

近年，南北地震帶處于地震高發(fā)期，龍門山斷裂帶及鄰區(qū)強(qiáng)震頻發(fā)。在2012—2015年，成都臺周邊300 km范圍內(nèi)共發(fā)生4次Ms≥5.0地震，4次地震的參數(shù)及震中分布如表2和第23頁圖4所示。

表2 震中距300 km范圍內(nèi)5.0級以上地震一覽表Table 2 Earthquakes with magnitude greater than 5.0 in the range of epicenter from 300 km

3.2 地電場數(shù)據(jù)映震特征

目前，對地電場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法有多種，如VAN法、極化方位計算法、物理解析、頻譜分析法、長短極距比值法等，文章選用長短極距比值法進(jìn)行分析。長短極距比值法的應(yīng)用機(jī)理尚不十分清楚，但研究表明該方法在部分臺站對地震異常信息提取具有一定效果[8]。如上分析，成都臺地電場觀測存在地鐵等導(dǎo)致的高頻干擾，為減弱干擾帶來的影響，文章在應(yīng)用長短極距比值處理時采用地電場日均值，可基本消除地鐵的高頻干擾影響[3，6]。

運(yùn)用該方法獲得成都臺2012年1月1日至2015年3月15日，地電場三測向日均值長短極距的比值時序圖(見第23頁圖5)。

圖5中，以±2倍標(biāo)準(zhǔn)方差線(虛線)為控制線，將超出的部分視作異常值，來提取地震異常信息。

圖4 震中距300 km范圍內(nèi)Ms5.0級以上地震分布Fig.4 Earthquakes with Ms greater than 5.0 in the range of epicenter from 300 km

圖5 地電場長短極距比值時序圖Fig.5 Time sequence diagram of the ratio of long and short distance to the geoelectric field

(1) 2013年10—12月，成都臺進(jìn)行地電觀測場地改造，陸續(xù)更換地電場外線路和不極化電極，認(rèn)為圖中對應(yīng)時間段內(nèi)出現(xiàn)的比值異常為觀測場地改造施工造成，非地震前兆信息。

(2) 分析發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生和地電場比值異常存在一定關(guān)聯(lián)性。比值異常特征主要有：NS測向上，蘆山地震發(fā)生前9個月起至發(fā)震前多次出現(xiàn)下降異常，越西、康定、樂山地震前幾個月比值多次出現(xiàn)先下降后上升的異常變化；EW測向上，蘆山地震前9個月起多次出現(xiàn)比值上升異常，越西、康定、樂山地震前近一年開始出現(xiàn)比值上升異常；N45°W測向上，上述4次地震前比值無明顯異常；地電場長短極距比值多出現(xiàn)在地震發(fā)生前9個月至10天左右，異常結(jié)束后發(fā)生地震。

4 結(jié)論

成都臺地電場觀測環(huán)境相對復(fù)雜，大地電場日變波形明顯、地電暴記錄清晰、地鐵干擾幅度小，表明該臺地電場觀測數(shù)據(jù)具有可用性。運(yùn)用地電場日均值和長短極距比值法分析發(fā)現(xiàn)，在選取的地震發(fā)生前，成都臺地電場NS、EW測向比值出現(xiàn)明顯異常，異常出現(xiàn)時間為震前9個月至十天不等，表明地電場異常變化與地震孕育發(fā)生存在一定的關(guān)聯(lián)。由于文章僅采用長短極距比值法，未開展相鄰臺站對比分析，得出的上述結(jié)論還需做進(jìn)一步的驗證分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚大誠，趙家騮，席繼樓，等.潮汐地電場特征及機(jī)理研究[J].地球物理學(xué)報,2010,53(3):544-555.

[2] 杜學(xué)彬，李 寧，葉 青，等.強(qiáng)地震附近視電阻率各向異性變化的原因[J].地球物理學(xué)報,2007,50(6):1802-1810.

[3] 譚大誠，趙家蹓，席繼樓，等.青藏高原中強(qiáng)地震前的地電場變異及構(gòu)成解析[J].地球物理學(xué)報,2012,55(3):875-885.

[4] 馬欽忠，錢家棟.地下介質(zhì)非均勻結(jié)構(gòu)對地電場信號的影響[J].地震,2003,23(1):1-7.

[5] 毛桐恩，席繼樓，王燕瓊，等.地震過程中的大地電場變化特征[J].地球物理學(xué)報,1999,42(4):520-528.

[6] 譚大誠，趙家蹓，劉小鳳，等.自然電場的區(qū)域性變化特征[J].地球物理學(xué)報,2014,57(5):1588-1598.

[7] 范瑩瑩，杜學(xué)彬，Jacques Zlatnicki，等.汶川Ms8.0大震前的電磁現(xiàn)象[J].地球物理學(xué)報,2010,53(12):2887-2898.

[8] 田 山，張 磊，王建國，等.汶川、玉樹大地震前的地電場異常[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012，27(3):878-887.

[9] 中國地震局蘭州地震研究所，中國地震局地震預(yù)測研究所，中國地震臺網(wǎng)中心，等.DB/T 18.2-2006地震臺站建設(shè)規(guī)范 地電臺站 第2部分：地電場臺站[S].北京：地震出版社，2006.