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個月震中500 km范圍內(nèi)13個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動有關(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通過測量地表每個測向兩點之間的電位差，得到其隨時間的變化，如圖1所示，通過埋設(shè)在地表下的測量電極A和B，以一定時間間隔測量2個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)前時間，i=1表示當(dāng)前時間之前第1個時間點，i=N-1表示當(dāng)前時間之前第N-1個時間點。按式(1)計算得出的自然電位差序列(VAB)i算術(shù)平均值，即為當(dāng)前時間的自然電場ESP；按式(2)計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個正交方向的大地電場分量值合成，2個正交方向分別為x軸(東向分量)和y軸(北向分量)，由2個大地電場分量值Ex和Ey按式(3)和式(4)計算大地電場的幅值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)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的理想模型，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育程度決定了實際的電荷移動方向。用a表示場地巖體裂隙水電荷移動的主滲流方位，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)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，地電場ET的優(yōu)勢方位角a(北偏東)計算公式如下：

(7)

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS測向第i階潮汐諧波振幅，Ai的計算公式如下：

(8)

對于一個數(shù)據(jù)序列yt(時間序列總數(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，地震震中沿斷裂帶分布，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)地球動力學(xué)環(huán)境影響顯著，地殼運動狀態(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。膨脹和壓力實驗表明，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個場地數(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、幅度差較小；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

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)模型計算的4個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的變化開始時間發(fā)現(xiàn)，兩者的變化初始時間明顯對應(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)造運動的控制，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)時序變化進(jìn)行對比分析，并應(yīng)用巖體裂隙水電荷移動滲流模型計算了研究區(qū)所有地電場臺站的電荷移動優(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算得到的電荷移動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)。