范 曄 湯 吉 繆 杰 葉 青 崔騰發(fā) 董澤義 韓 冰 孫貴成

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)中國地震臺網中心，北京 100045

3)山東省地震局陵陽地震臺，陵陽 276521

4)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

5)承德地震監(jiān)測中心站，承德 067000

0 引言

地震是一個力學過程，是應力積累快速釋放的過程。根據多年的觀測和預測實踐(錢家棟等，1985；Parketal.，1996；湯吉等，2008；丁鑒海，2009；Du，2011；Luetal.，2016；Fanetal.，2018)以及理論模型和機理研究(Huangetal.，1998，2010；Sarlisetal.，1999；Ma，2002)，可證實在地震應力作用下的變形過程中，地下介質物理屬性的變化會導致介質電磁性質的改變，因而能記錄到一些相關的電磁異?，F象。目前，電磁觀測手段已發(fā)展成為地震預報最有效的觀測方法之一。

中國從20世紀60年代開始大規(guī)模建設規(guī)范化、連續(xù)觀測的電磁固定臺網，經過幾十年的發(fā)展已積累了大量電磁觀測資料及相關研究成果，既有針對地震平靜期的背景電磁場規(guī)律的探索(徐文耀，2009；譚大誠等，2011；范曄等，2020a)，又有各種典型干擾事件在時域、頻域的特征歸納(王同利等，2013；李偉等，2014；席繼樓等，2015；范曄等，2020b)，還包括地震電磁現象的震例觀測記錄及物理解釋(杜學彬等，2007；湯吉等，2008，2010；賈立峰等，2017；席繼樓等，2018；Yeetal.，2018)?？偨Y電磁臺網觀測數據在不同地震事件下的變化特征，有利于在強電磁干擾背景下有效識別與地震有關的電磁異常。及時對中強地震前的電磁異常開展回溯性分析，對獲取與地震孕育、發(fā)生有關的電磁異常，甚至是異常機理研究都具有實際意義。

本文針對發(fā)生在首都圈的此次中強地震，處理、分析了距震中400km范圍內的地電臺網觀測數據，利用成熟的地震電磁波形分析方法對數據進行處理，歸納主震前具有一定規(guī)律的地電阻率，電、磁場中期、短臨變化，并結合地質結構特點開展進一步分析。

1 數據來源

自1966年MS7.2 邢臺地震發(fā)生至今已有50余年，中國目前已建成國際上獨具特色的規(guī)范化、連續(xù)性并頗具規(guī)模的地電觀測臺網，觀測內容包括地電阻率、地電場、電磁擾動和極低頻數據等，在臺站建設、儀器研發(fā)與檢測、觀測技術與方法等方面都嚴格按照標準規(guī)范執(zhí)行。地電臺網觀測的規(guī)范化運行使利用同種手段獲取的數據具有可對比性。本文主要使用地電阻率、地電場和極低頻3種觀測數據。

地電阻率觀測用于監(jiān)測主要地震活動區(qū)內與介質變形有關的電阻率變化，采用對稱四極裝置，在每個觀測站布設2個或3個測道，一般有2個測道分別平行和垂直于地理N向，可觀測1km尺度的地下介質視電阻率隨時間的變化，具有大尺度的平均效應，異常變化的可靠性高。

地電場觀測用于監(jiān)測地震構造活動引起的DC-0.005Hz的近直流地電場變化，在每個觀測站布設NS、EW、NE(或NW)3個方向的測道，為提高數據的信噪比，在每個方向上同時布設長極距和短極距以進行對比觀測。

極低頻觀測目前主要用來監(jiān)測首都圈和南北地震帶地質構造活動引起的0.001～1000Hz感應電磁場和地下結構變化信息。該測項記錄5個分量的電磁場原始時間序列，分別為NS向電、磁場，EW向電、磁場，垂直向磁場。觀測儀器統(tǒng)一為德國Metronix公司生產的大地電磁儀ADU-07e升級改進版。

2020年古冶5.1級地震的震中位于1976年唐山地震震中的東北部，在陰山-燕山塊體與華北平原塊體交會處的NE向斷裂——唐山斷裂上，該區(qū)整體的地質結構較復雜，分布了很多小斷裂。與1976年唐山地震烈度異常區(qū)吻合的是，在遠離震中的塘沽—寧河—寶坻三角區(qū)域也有異常大的地震動(溫瑞智等，2020)，在開展地震回溯性分析時需重點關注這些區(qū)域。由于中國的地電臺網布局較為稀疏，本文將數據分析范圍擴大到距古冶地震震中400km的范圍內(圖1)，該區(qū)內分布了15個地電阻率觀測站、14個地電場觀測站和9個極低頻觀測站。38個臺站的運行情況如表1 所示。由于多數地電阻率數據受城市軌道交通干擾影響，可采用夜間時段的數據規(guī)避干擾。首都圈的電磁干擾環(huán)境較為復雜，對時間域波形分析影響較大。由于極低頻觀測數據量大、數據格式復雜，且目前通過服務器進行數據傳輸，容易出現服務器數據不全的情況，需要人為補傳數據，對數據的及時處理分析影響較大。

圖1 古冶 MS5.1 地震震中距400km范圍內的地電臺站分布情況Fig.1 Distribution of geo-electrical stations within 400km of the epicenter of Guye MS5.1 earthquake.

表1 地電臺網運行情況Table 1 The operation status of the geo-electrical network

2 地電阻率變化分析

2.1 波形趨勢性變化異常

(1)

其中，ρ1為地電阻率異常的起始值，ρ2為異常電阻率最小(大)值。將地電阻率的絕對變化幅度除以異常起始值所得的結果作為最終相對變化幅度。

由于地電阻率受季節(jié)和地下水位等因素的影響，往往具有比較規(guī)律的年變化，故可使用滑動傅式去年變法進行分析(杜學彬等，2017)。以{y}={y1，y2，…，yN}表示觀測數據，用{x}={x1，x2，…，xN}表示年變成分，其中N為有限長度，令n=1，2，…，N。設年變周期為T，將1a的觀測數據分為T個等間隔測值，利用傅里葉級數公式基于{y}序列中的T個觀測值{yn-T+1，yn-T+2，…，yn}計算出xn、基于{yn-T+2，yn-T+3，…，yn+1}計算出xn+1：

(2)

(3)

(4)

當i=n時，xn=an；當n=(T，T+1，…，N)時，就可得到x序列；令Gn=yn-xn，n=(T，T+1，…，N)，即可得到排除年變化的新序列。

圖2a 和2b為后土橋臺2015—2020年地電阻率的趨勢性下降異常變化，近5年NS向電阻率趨勢性下降近20Ω·m，EW向電阻率下降約50Ω·m，但在2020年4—5月2個測道的數據在下降的異常背景下均加速下降，地震后有所回升，目前仍未回升到震前狀態(tài)。天津徐莊子臺有類似異常出現，2個測道的電阻率在2020年6月發(fā)生加速下降的異常變化(圖2d，e)，相對變化分別達3.3%和1.35%，震后電阻率有所回升。后土橋和徐莊子臺的震中距分別為56km和163km。

圖2 地電阻率原始(a、b、d、e)和日均值(c、f)時間序列的趨勢性下降變化曲線Fig.2 The original(a，b，d，e) and the daily average(c，f) time series of geo-resistivity decreasing trend curve.

圖3 地電阻率的滑動傅式去年變分析Fig.3 Sliding Fourier analysis of geo-resistivity with annual variation removed.

延慶張莊臺和陽原臺的原始曲線存在高頻擾動，為更清晰地看到地電阻率的趨勢性變化，這里使用日均值繪圖。延慶臺EW測道的電阻率自2017年下半年出現下降異常變化，相對變化約為1.87%，并出現震前加速下降、震后回升的現象(圖2c)。陽原臺NW測道的電阻率自2017年有趨勢性下降異常變化，并在震后恢復到震前狀態(tài)(圖2f)。2個臺站均在震中NW向200km以外，且震后電阻率均有回升現象。

平谷臺和塘沽臺都存在地鐵運行干擾，因此選用每天0—5時無干擾時段的數據做日均值繪圖分析(圖3a，c)，2個臺的NS測道在2018年下半年開始年變化都有整體下降的現象，為更清晰地看出趨勢性變化，對這2個臺站開展滑動傅式去年變分析(圖3b，d)。平谷臺自2018年異常下降的相對變化率為1.2%，塘沽臺異常下降的相對變化率約為1.5%。2個臺站的震中距分別為126km和105km，且都只有NS測道有下降趨勢。

2.2 歸一化變化速率法

波形分析方法多用來判斷與地震孕育有關的中長期電阻率的趨勢變化，而中短期異常多為疊加在長趨勢變化上的弱變化，較難識別?！熬盼濉逼陂g，Du等(2001)和Du(2011)提出了地電阻率歸一化變化速率法(NVRM)，對數據下降、上升變化時段的分辨力高。從長期應用的效果來看，該方法對提取中短期異常的效果最好。本文采用月均值曲線計算了15個電阻率臺站全部測道觀測值對時間軸的斜率，保留原始曲線的變化形態(tài)，并排除隨機干擾引起的偶然變化，計算方法為

(5)

圖4 地電阻率歸一化變化速率曲線Fig.4 The monthly mean value NVRM curves of geo-resistivity.

3 地電場矢量方位分析

中國地電場臺網觀測的是直流—準直流頻段的極低頻成分，可分析周期T>120s的變化成分，且產出的數據為每測道的分鐘值，因此難以觀測到地電的同震現象。已有研究表明，地電場主要反映地震短臨信息，故地電場觀測資料的時段選取一般為震前半年至震后一段時間。

基于多年來對地電場觀測數據的應用，目前常用的地電場分析方法包括日變波形畸變、長短極距測值比值、矢量方位變化、垂直極化投影和相關分析法等。對距古冶MS5.1 地震400km范圍內的地電場臺網數據進行整體分析發(fā)現，寶坻臺、興濟臺的地電場在震前有日變波形畸變的現象，但2020年7月初有雷雨天氣，不能排除此異常與天氣有關，故不作為異常開展分析。徐莊子臺和延慶張莊臺的地電場數據分別在2020年6月和7月有上升或下降變化，在震后仍未恢復，可能是電極老化或極化電位導致，也不做進一步分析。隨著經濟的發(fā)展，首都圈電磁環(huán)境日益復雜，而觀測儀器分辨率較高，很多地電場臺站都存在城市軌道交通、高壓直流輸電、工農業(yè)用電漏電等干擾，這些干擾對地電場變化波形都會產生影響，較難從復雜環(huán)境中提取出微弱的地震電磁信號，目前亟需發(fā)展異常數據提取方法。本文重點針對距震中最近且觀測數據質量較好的河北灤縣臺開展分析。

圖5 灤縣臺長極距測道的地電場時間序列曲線(a—c)、矢量方位角(d)和臺站點位圖(e)Fig.5 The geo-electric field time series(a—c)，azimuth angle(d)and the station map(e)of Luanxian station.

通過測量地電場NS向分量ENS和EW向分量EEW，計算測點處地電場的強度和方位角，方位角的計算公式為

α=arctan(EEW/ENS)

(6)

已有研究表明，電場矢量的方向與活動斷裂的走向有關(章鑫等，2016)，方位角的變化對震中位置有一定指示作用(安張輝等，2013)。

灤縣臺NS和NW測道的地電場數據在2020年4月底均出現下降變化(圖5a，c)，并在5月開始逐步回升，期間該臺并沒有發(fā)生測區(qū)和觀測系統(tǒng)的干擾事件。計算得到的灤縣地電場方位角如圖5d 所示，地電場的矢量方向在4月中旬之前一直約為 N20°W ，而臺站附近主要的活動斷裂構造為灤縣-樂亭斷裂，斷裂帶方向約為 N20°W ，可見矢量方向與斷裂走向較吻合。4月底地電場的方位角突然開始向W偏移，最大偏移約90°后開始慢慢恢復。參照古冶地震與臺站的位置(圖5e)，古冶地震的震中正好位于灤縣臺的NW向，與其地電場2個測道、方位角的變化較符合。

4 極低頻電磁場同震信號

極低頻臺站天然源觀測的頻段范圍為0.001～1000Hz，儀器連續(xù)不間斷地記錄16Hz的低頻數據，同時在非人工源時段，每10min采集時長為4s的4096Hz數據和64s的256Hz數據。最終產出的數據包括觀測區(qū)域的電磁場時間序列、電磁場各分量的自互功率譜、大地電磁響應(視電阻率、阻抗相位、傾子等)、區(qū)域電磁場的變化和地下結構變化等。每天產出的文件格式有儀器運行狀態(tài)Log格式文件、原始時間序列ATS格式文件和EDI格式數據文件3種。本文選用天然源連續(xù)觀測的16Hz原始時間序列文件開展時間序列波形曲線分析。

古冶地震震中距400km范圍內共有9個極低頻臺站，因服務器傳輸問題，有5個臺站在地震當天的時間序列數據不全，不能開展進一步分析。懷來臺和萊陽臺在地震當天的數據背景噪聲大，不能清楚地分辨出電磁場同震信號，而文安臺和豐寧臺記錄到了較清晰的電磁同震現象。由于GPS授時有誤差，需基于當天儀器運行的狀態(tài)文件對2個臺站的時間序列進行時差修正，并轉換為北京時間進行繪圖分析。研究電磁場的變化需關注空間電磁環(huán)境影響，經查詢，2020年6月1日—7月13日地磁活動較平穩(wěn)(1)http：∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html。，因此地震當天的電磁場時間序列數據可排除空間電磁場的影響。

解譯距豐寧臺4.4km、采樣率為100Hz的地震檢波器數據并進行對比(圖6)。豐寧臺的同震電場擾動較弱，被淹沒在背景噪聲中，只能看到較清晰的磁場同步擾動，與地震儀記錄的地震波形十分類似，且同步到達。通過曲線可以看出在無震時也有類似的電磁擾動，與地震引發(fā)的電磁同震曲線變化有很大不同，不好判斷是臺站電磁場的背景噪聲擾動還是也包含臨震激發(fā)的電磁信號，這里僅對確定的地震同震電磁信號做初步分析。

豐寧臺記錄的地震波的最大震動位移在Dx、Dy和Dz方向分別為0.0183m、0.0146m和0.01m。極低頻磁場同震幅度Hx、Hy和Hz的最大變化量分別為61.3894nT、44.4848nT和186.7215nT。由于震中距較遠、震級較小，地震波的震動位移在3個方向上相差不大，而磁場垂直向振幅的變化超過水平方向幅度變化的3倍。

圖6 豐寧臺的地震波形與極低頻16Hz電磁場的同震現象Fig.6 Seismic wave and the 16Hz ELF EM coseismic signal of Fengning station.

此外，在文安臺也能看到電磁場同步擾動現象，磁場擾動較明顯，如圖7 所示。極低頻電場有同步高頻擾動，與背景起伏變化相比很微弱；磁場同震幅度Hx、Hy和Hz的最大變化分別為51.9695nT、35.3264nT和103.1192nT。該數據同樣顯示垂直向磁場的振幅變化明顯偏大。

圖7 文安臺極低頻16Hz電磁場的同震現象Fig.7 The 16Hz ELF EM coseismic signal of Wen′an station.

綜上，同震電磁信號的特點為：1)與地震波同步到達，而不是在地震發(fā)生時出現；2)磁場的同震信號與地震儀記錄的地震波形類似，呈現脈沖叢集現象；3)磁場同震信號的幅度是正常地球感應磁場波動幅值的數倍；4)電場地震同步擾動很微弱，磁場垂直向擾動幅度變化最大。有學者推測分析(湯吉等，2010)，地震的同震磁場信號可能是由于地震機械波震動引起的，臺站接收到地震波的波動時，電磁儀器同時接收到因探頭震動、切割地磁場磁力線而產生的感應磁場，可以解釋為與地震發(fā)電機機制或地震波的微觀動電效應相關。

5 討論與結論

地電阻率觀測在地震中短期預測中發(fā)揮著重要的作用，目前這些測項的觀測技術成熟，觀測系統(tǒng)長期穩(wěn)定，與地震孕育的物理機理的關系較為清晰。一般距離中強地震一定空間范圍內的地電阻率數據曲線能呈現清晰的異常變化形態(tài)，即“震前中期下降—短期加速下降—準同震階躍—震后恢復”的地電阻率異常變化過程。古冶地震中出現的地電阻率波形的趨勢性變化異常與之前其他震例出現的異常變化形態(tài)較為吻合，且以負異常為主，臺站不同測道存在各向異性變化的異常特征。

圖8 地殼10km深處的電性結構及臺站分布圖Fig.8 The stations’ distribution and electric structure at a depth of 10km.

由于北京通州西集地表觀測場地的干擾較為嚴重，故于同場地建設小極距井下地電阻率觀測設施。雖然通州臺的地表電阻率在本次地震前沒有出現異常現象，但自2020年2月開始觀測的井下地電阻率在4月出現趨勢性下降，并于6月中旬出現轉折回升現象(解滔等，2020)。距離較近的寶坻臺、興濟臺的地電阻率在震前1—5月有歸一化速率達到閾值、之后很快恢復的現象。河北陽原臺、遼寧阜新臺距離震中近400km，電阻率觀測出現異常的時間較早、持續(xù)較長、幅度也較大，可能與近期周邊小地震頻發(fā)有關，也可能與區(qū)域內斷裂分布有關。京津唐地區(qū)具有NEE和NW向共軛斷裂構造，一般來說，震中與臺站在同一構造上，“遠”也是“近”；不在同一構造上，“近”也是“遠”。有待進一步研究地震電磁現象產生的源和傳播途徑，來解釋出現電阻率異常選擇性現象的原因。

分析臺站的視電阻率曲線數值和形態(tài)特征可初步了解臺站所處位置的深部電性結構特征和觀測環(huán)境情況。文安臺的視電阻率曲線自高頻到低頻呈現出“高—低—高”的變化特點(圖9a)，反映出文安臺站自地表到地下一定深度的電阻率存在“高—低—高”3層結構，整體電阻率曲線數值較低，且測區(qū)存在電磁干擾。豐寧臺測區(qū)環(huán)境較優(yōu)良，視電阻率曲線光滑且呈現“低—高—低”的特點(圖9b)，整體電阻率曲線數值較高，與圖8 所示的地下10km深處的電性結構分布圖中豐寧臺位于高阻區(qū)、文安臺位于局部低阻區(qū)的結果相符。豐寧臺位于古冶的NW向，文安臺位于古冶的SW向，2個臺站的震中距相當，地下電性結構卻完全不同，因電場容易受到局部地下結構效應的影響，處于不同地質結構上的測點觀測到的電場現象往往有很大區(qū)別，但由于磁場較穩(wěn)定，2個臺站都能觀測到清晰的地震磁場同震現象，且均表現為垂直向磁場振幅最大的特征。

圖9 文安臺(a)和豐寧臺(b)的視電阻率和相位圖Fig.9 The apparent resistivity and phase curves of Wen′an(a)and Fengning(b)station.

本文利用距古冶地震震中400km范圍內的地電阻率、地電場和極低頻3種觀測數據，使用目前較為成熟的地震電磁時間域數據分析方法進行處理，在排除各種可能的非震影響因素后，總結出可能與古冶地震有關的電磁現象：

(3)本文結合地理位置特點，重點分析距離古冶地震震中35km且運行穩(wěn)定的灤縣臺的數據，發(fā)現該臺自2020年4月底起地電場NS和NW向測道數據有下降后回升的現象，地電場的矢量方位角也出現長期指向斷裂走向、震前向古冶方向偏移后恢復的現象。

(4)文安臺和豐寧臺的極低頻數據記錄到較清晰的地震同震現象，電場擾動較弱淹沒在背景噪聲中，磁場擾動較明顯。地震波3個方向的最大震動位移值相似，而2個臺站的垂直向磁場變化都超過水平方向2倍。

雖然本文充分參考了各臺站的儀器運行情況、臺站觀測環(huán)境、空間電磁活動等信息，并進行了數據處理分析歸納，但這些電磁異?，F象是否確實為古冶地震造成的異常信號，還需進一步落實核查，繼續(xù)跟蹤后續(xù)觀測數據的變化。

3種觀測手段的臺站電磁異常出現的空間范圍并不與震中距嚴格相關，其中一些臺站并非全部測道都出現異?，F象，除觀測環(huán)境、儀器運行條件所限外，需要深入研究地震電磁異常出現的機理。欲了解地震電磁信號的傳播機理，應從源、傳播路徑和其對地下介質的靈敏性等方面開展深入分析。而地震電磁同震現象可能是研究傳播機理的突破口，它是地震傳播機制、地震能量轉換以及信號接收區(qū)近地表介質特性的有效信號。由于儀器觀測頻段的限制，地電場和地磁場測項很難觀測到地震的同震電磁信號，而極低頻頻帶范圍較寬，一般可以清晰觀測到地震同震信號。

準確確定地震發(fā)生的時間窗、幅度等信息和電磁異常的規(guī)律性特征屬于世界性難題，需要積累大量震例、及時地對震例進行回溯歸納，并從中尋求新的突破。隨著電磁儀器觀測精度的提高，觀測到的現象也越來越豐富，研究更為有效的數據處理方法，恰當地加密地電臺網布局，使異常信息能相互佐證，并發(fā)展基于多種手段的融合對比分析，是從強干擾背景中提取與地震有關弱信號的有效途徑。

致謝審稿專家對本文提出了寶貴的意見和建議；中國地震臺網中心解滔副研究員在地電阻率數據處理上給了有益建議；鄧文澤博士幫忙解譯了測震數據格式。在此一并表示感謝！