云南彌渡地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)

褚金學(xué)， 張 源， 楊曉瑩， 張燕芹， 劉映萍

(1. 云南省地震局彌渡地震臺(tái)， 云南 彌渡 675600； 2. 云南省地震局云龍地震臺(tái)， 云南 云龍 672700；3. 彌渡縣地震局， 云南 彌渡 675600）

0 引言

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一， 是存在于固體地球內(nèi)部的天然電場(chǎng)的總稱。 根據(jù)不同的場(chǎng)源， 分布于地表的地電場(chǎng)可分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩大部分[1]。 其中， 大地電場(chǎng)是由地球外部各種場(chǎng)源在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的、 分布于整個(gè)地表或較大區(qū)域的變化電場(chǎng)， 一般具有廣域性； 自然電場(chǎng)是地下介質(zhì)由于各種物理、 化學(xué)作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場(chǎng)， 一般具有局域性。 地電場(chǎng)是矢量（圖1）， 目前地電場(chǎng)觀測(cè)測(cè)量地表兩個(gè)水平分量。 當(dāng)測(cè)量得到至少兩個(gè)（正交）分量以后，即可計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)O 的平均地電場(chǎng)強(qiáng)度值E 和方位角a。

圖1 地電場(chǎng)矢量示意圖Fig.1 Vector schematic of geoelectric field

地電場(chǎng)觀測(cè)直接關(guān)系到震前異常信息的捕捉，彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)自2007年11月開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)，由于觀測(cè)系統(tǒng)不穩(wěn)定和觀測(cè)環(huán)境影響， 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不高， 經(jīng)過(guò)2009年和2011年兩次技術(shù)改造后， 觀測(cè)系統(tǒng)得到進(jìn)一步提高， 抗干擾能力得到增強(qiáng)， 因此有必要對(duì)彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)， 以利于更好的為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和研究工作提供連續(xù)、 可靠的資料。

1 基本情況

彌渡地震臺(tái)位于彌渡沖擊傾斜盆地東南部邊沿近山地帶， 處在金沙江-紅河斷裂系上， 位于紅河斷裂與程海斷裂及楚雄-建水?dāng)嗔训慕粎R點(diǎn)處。 臺(tái)站海拔高度為1 680 m， 地貌多為侵蝕低山地貌。

彌渡地電場(chǎng)是 “十五” 新建成項(xiàng)目， 地電場(chǎng)測(cè)區(qū)位于地震臺(tái)東南面的農(nóng)田之中， 測(cè)區(qū)屬農(nóng)耕地， 農(nóng)田常年種植蔬菜。 觀測(cè)使用中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所研制的ZD9A－II 型地電場(chǎng)儀， 該儀器具有靈敏度高、 動(dòng)態(tài)范圍大、 存儲(chǔ)容量大、 抗干擾能力強(qiáng)以及溫度性能良好等許多特點(diǎn)， 采樣率為每分鐘一次[2]， 2007年11月開(kāi)始觀測(cè)。

1.1 電極和外線路布設(shè)

彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地屬于農(nóng)耕地， 觀測(cè)容易受到農(nóng)田灌溉干擾， 嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。 經(jīng)過(guò)2009年和2011年兩次技術(shù)改造后， 減小和排除了農(nóng)田灌溉干擾， 觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量得到很大提高[3-4]。 測(cè)區(qū)布極為“L”型， EW、 NS 測(cè)向： 長(zhǎng)極距200 m， 短極距199 m； NE 測(cè)向： 長(zhǎng)極距283 m， 短極距281 m。 電極埋深20 m， 鉛電極和不極化電極同時(shí)埋設(shè)， 并且埋在同一層面上（圖2）， 彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)在使用的電極是不極化電極。 外線路采用架空方式架設(shè)， 外線路電桿使用7 m 桿， 測(cè)量導(dǎo)線采用6 平方銅芯絕緣線， 中心桿到臺(tái)站觀測(cè)室采用20 對(duì)銅芯電纜。 中心桿離臺(tái)站觀測(cè)室30 m。

圖2 電極布極和埋設(shè)圖Fig.2 Cloth and buried diagram of electrode pole

1.2 儀器標(biāo)定及外線路檢查

為了保證測(cè)量?jī)x器觀測(cè)精度和穩(wěn)定性， 以及觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性， 根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求， 須定期標(biāo)定并經(jīng)常檢查儀器的工作和外線路等觀測(cè)系統(tǒng)。 2012年， 嚴(yán)格依據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》要求， 在每季度的相同時(shí)間對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行了測(cè)量準(zhǔn)確度的標(biāo)定， 以及測(cè)試檢查外線路絕緣、 觀測(cè)室接地電阻， 檢查避雷裝置，室內(nèi)線路開(kāi)關(guān)、 接頭和輔助設(shè)備， 標(biāo)定和檢查結(jié)果亦符合《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求。

2 觀測(cè)資料分析評(píng)價(jià)

2.1 連續(xù)率、 完整率統(tǒng)計(jì)

評(píng)定觀測(cè)資料的連續(xù)率和完整率是觀測(cè)資料質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一。 本文對(duì)經(jīng)過(guò)兩次技術(shù)改造后的， 2012年彌渡地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、 完整率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）， 結(jié)果達(dá)到了99.8% 以上， 全年儀器工作正常， 無(wú)故障， 符合要求。 造成觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)的原因， 主要是： 根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求， 每一季度對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)量準(zhǔn)確度的標(biāo)定， 對(duì)外線路的絕緣度進(jìn)行檢查造成的。

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量評(píng)估

根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》， 評(píng)定地電場(chǎng)觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量的主要依據(jù)是： 同一測(cè)向長(zhǎng)、 短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和差值[5]， 計(jì)算公式如下：

表1 彌渡地電場(chǎng)2012年相關(guān)系數(shù)及差值的月均值統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of correlation coefficient and the monthly mean of the difference of Midu geoelectric field in 2012

（1）按式（1）計(jì)算同一測(cè)向長(zhǎng)、 短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R：

按式（2）計(jì)算長(zhǎng)、 短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)的月平均值R月：

式（2）中： n 為當(dāng)月天數(shù)， ri為測(cè)向第i 天的相關(guān)系數(shù)。

（2）按下式計(jì)算同一測(cè)向長(zhǎng)、 短極距的分鐘值差值ΔE：

按式（4）計(jì)算長(zhǎng)、 短極距測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的差值的月平均值ΔE月：

式（4）中： n 為當(dāng)月天數(shù)， ΔEi為第i 天的差值。按以上計(jì)算公式計(jì)算得到表1， 這里要特別說(shuō)明的是表1 的所有計(jì)算結(jié)果， 是使用 《中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行評(píng)價(jià)系統(tǒng)》 2011 版， 調(diào)取 “十五”前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的。 從表1 中可以看出， NS、 EW 測(cè)向的相關(guān)系數(shù)月均值都在0.9 以上， NE 測(cè)向相對(duì)差一些， 在0.8 以上， EW 測(cè)向相關(guān)系數(shù)均在0.98 以上， 比較穩(wěn)定， NE 測(cè)向的下降， EW 測(cè)向的沒(méi)有下降， 兩者之間沒(méi)有一致性；而NS 測(cè)向的雖然保持在0.9 以上， 但不穩(wěn)定， NE測(cè)向下降， NS 測(cè)向也下降， 兩者具有一致性， 因此我們分析認(rèn)為： 造成此現(xiàn)象應(yīng)該與北端有關(guān)，而與東端和中心電極無(wú)關(guān)， 東端和中心電極符合要求， 觀測(cè)裝置系統(tǒng)穩(wěn)定， 測(cè)區(qū)環(huán)境無(wú)大的干擾源存在。 造成NS、 NE 測(cè)向相關(guān)系數(shù)不理想的原因， 可能與觀測(cè)場(chǎng)地和電極不穩(wěn)定有關(guān)， 具體是何原因以及受到什么影響， 有待今后做進(jìn)一步深入調(diào)查和分析。 3個(gè)測(cè)向的差值月均值基本都在5 mV／km 以內(nèi)， 符合要求， 說(shuō)明觀測(cè)系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性。

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)

2.3.1 靜日變化形態(tài)

大地電場(chǎng)靜日變化是由中低緯度上空電離層電流系產(chǎn)生， 會(huì)連續(xù)出現(xiàn)， 具有確定的周期[6]。 由于我國(guó)地電場(chǎng)觀測(cè)是地表水平矢量， 大小和方向均隨時(shí)間而變化， 且具有一定的日變規(guī)律， 同一方向不同極距的測(cè)量結(jié)果應(yīng)有較一致的變化規(guī)律，變化形態(tài)及幅度應(yīng)基本一致。 從圖3 可以看出，彌渡地電場(chǎng)NS 和EW 測(cè)向長(zhǎng)短極距的日變形態(tài)及幅度基本一致，日變化幅度不大， 基本在6 mV／km 左右。

圖3 彌渡地電場(chǎng)2012年3月21日原始分鐘值曲線圖Fig.3 The original minutes value graph of Midu geoelectric field in March 21, 2012

2.3.2 擾日變化形態(tài)

圖4 原始分鐘值曲線圖Fig.4 Original minutes value graph

大地電場(chǎng)不僅存在連續(xù)出現(xiàn)的靜日變化， 還存在一些偶爾發(fā)生、 持續(xù)一段時(shí)間后消失的擾日變化， 如地電暴、 地電脈動(dòng)、 地電灣擾等[6]。 在日常地電場(chǎng)觀測(cè)中， 地電暴是經(jīng)常觀測(cè)到的擾日變化，它和磁暴具有同源性。 圖4(b、c、d、e)為磁暴時(shí)(6月17日，K=6)彌渡地震臺(tái)觀測(cè)到的地電場(chǎng)變化， 圖4a為永勝地震臺(tái)地磁觀測(cè)的磁場(chǎng)總強(qiáng)度。 從圖4 可以看出， 發(fā)生磁暴時(shí)， 永勝地震臺(tái)地磁觀測(cè)的磁場(chǎng)總強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在6月16日22 時(shí)， 而彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)到的地電暴在6月17日04 時(shí)出現(xiàn)， EW 測(cè)向和NS 測(cè)向曲線變化形態(tài)一致， 其變化形態(tài)為脈沖型， 持續(xù)時(shí)間約4 h， 與永勝地震臺(tái)地磁觀測(cè)記錄到的磁暴相比有6 h 的滯后， 存在一定的相位差。

2.3.3 雷電干擾形態(tài)

雷電是一種對(duì)大地電場(chǎng)觀測(cè)造成較大干擾的環(huán)境因素， 在雷雨天氣時(shí)， 雷電在放電的瞬間，會(huì)引起地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅度變化。 圖5 為彌渡臺(tái)2012年8月18日雷雨時(shí)的地電場(chǎng)分鐘值變化形態(tài)， 根據(jù)記錄在2012年8月18日17 時(shí)前后有較強(qiáng)雷電， 觀測(cè)值明顯偏離正常的變化。 同時(shí)可以看出在出現(xiàn)雷電干擾時(shí)， 其形態(tài)基本是脈沖式。這是由于在外部電場(chǎng)變化的干擾下， 2 種或以上的土壤導(dǎo)電率界面就會(huì)形成帶電離子和自由電子的積累， 并構(gòu)成形式各異的尖端放電場(chǎng)強(qiáng)， 從而引起電場(chǎng)的畸變現(xiàn)象[7]。

圖5 彌渡地電場(chǎng)原始分鐘值曲線圖Fig.5 Original minutes value graph of geoelectric field in Midu

2.4 震前異常變化形態(tài)

從理論研究和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果出發(fā)，不少研究者[8-10]都預(yù)言， 地震前有異常電場(chǎng)信息存在， 地震發(fā)生前電、 磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)日變化波形畸變。

地震電磁異常的的機(jī)理與特征， 鄒潤(rùn)莉、 汪忠德[11-12]通過(guò)研究認(rèn)為： 在地震孕育過(guò)程中， 由于地應(yīng)力作用的加強(qiáng)， 會(huì)引起巖石電阻率、 土壤中溶液的溶解度和電離度、 地下水的滲透條件等一系列的變化， 這些都可能引起大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)相應(yīng)的變化， 地震孕育過(guò)程中應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)， 這種電場(chǎng)能夠?yàn)榈孛鎯x器所檢測(cè)到。 判別自然電場(chǎng)前兆及其持續(xù)時(shí)間的方法是半定性半定量的[13]: ①前兆出現(xiàn)時(shí)具有超過(guò)單次測(cè)量誤差3 倍以上的變化幅度； ②前兆出現(xiàn)具有一定時(shí)間過(guò)程的形態(tài)， 變化顯著， 除去單次突跳； ③前兆出現(xiàn)要求具有連續(xù)幾天的時(shí)間。

本文選取彌渡臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)比較穩(wěn)定正常的2012年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 在此期間， 彌渡臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)裝置系統(tǒng)穩(wěn)定， 測(cè)區(qū)環(huán)境無(wú)大的干擾源，臺(tái)站工作人員也對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行巡視， 觀測(cè)環(huán)境正常， 無(wú)干擾。

2012年6月24日距離彌渡260 km 的寧蒗發(fā)生5.7 級(jí)地震， 地震為正斷型， 發(fā)生在麗江-小金河斷裂西側(cè)正斷型地震易發(fā)區(qū)， 發(fā)震斷裂為NW走向的永寧斷裂， 破裂沿主震向NW 向單側(cè)擴(kuò)展，地震是在大角度SE 向壓應(yīng)力作用下， 永寧斷裂內(nèi)部應(yīng)力積累到一定程度引發(fā)破裂使斷層產(chǎn)生右旋錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果[14]。

彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)自2012年3月初開(kāi)始， NS、EW、 NE 三個(gè)測(cè)向日變、月變形態(tài)均有大幅度改變， 變化幅度是正常變化的10 倍左右， NS、 EW測(cè)向?yàn)樨?fù)異常， NE 測(cè)向?yàn)檎惓＃▓D6）。 異常持續(xù)大約100 d 左右， 云南寧蒗發(fā)生M 5.7 地震， 震后逐漸恢復(fù)正常。

圖6 彌渡地電場(chǎng)原始分鐘值曲線圖（2012年1-9月）Fig.6 Original minutes value graph of geoelectric field in Midu (2012, January -September)

為了充分證明在寧蒗M 5.7 地震前， 彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)到的異常是地震前兆異常， 我們選取了觀測(cè)系統(tǒng)及環(huán)境較好同處在滇西的騰沖地電場(chǎng)觀測(cè)，以及彌渡地震臺(tái)同臺(tái)觀測(cè)的氣汞和動(dòng)水位觀測(cè)進(jìn)行分析， 分析結(jié)果如下：

（1）騰沖地電場(chǎng)觀測(cè)2012年1 至3月觀測(cè)曲線變化不大， 在2012年4月23日開(kāi)始， 到6月24日寧蒗M 5.7 地震前， NS 測(cè)向出現(xiàn)上升、 下降又大幅度上升的異常變化， EW 測(cè)向與NS 測(cè)向相反，出現(xiàn)下降、 上升又大幅下降的異常， EW 測(cè)向異常幅度達(dá)到約100 mV/km（圖7）。 NE 測(cè)向在6月初出現(xiàn)小幅度的上升， 異?，F(xiàn)象不明顯。 根據(jù)騰沖地震臺(tái)相關(guān)觀測(cè)日志記錄顯示： 騰沖地電場(chǎng)儀器工作正常， 無(wú)故障。 并且嚴(yán)格按照《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》 的相關(guān)要求， 在每季度的相同時(shí)間對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行了測(cè)量準(zhǔn)確度的標(biāo)定， 以及測(cè)試檢查外線路絕緣、 觀測(cè)室接地電阻， 檢查避雷裝置， 室內(nèi)線路開(kāi)關(guān)、 接頭和輔助設(shè)備， 標(biāo)定和檢查結(jié)果亦符合《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（電磁觀測(cè)）和《地電場(chǎng)觀測(cè)資料評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》 相關(guān)要求， 因此該觀測(cè)系統(tǒng)正常， 比較穩(wěn)定、 可靠。 臺(tái)站工作人員也對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行巡視， 觀測(cè)環(huán)境正常， 無(wú)干擾。 騰沖地震臺(tái)距離寧蒗M5.7 地震震中340 km。 騰沖地電場(chǎng)異常出現(xiàn)時(shí)間比彌渡地電場(chǎng)異常晚出現(xiàn)約50 d。

圖7 騰沖地電場(chǎng)原始分鐘值曲線圖（2012年1月-9月）Fig.7 Original minutes value graph of geoelectric field in Tengchong (2012，January -September)

（2）寧蒗M5.7 級(jí)地震前， 彌渡地震臺(tái)氣汞和動(dòng)水位觀測(cè)， 在2012年3月也相繼出現(xiàn)異常： 彌渡氣汞2012年1月、 2月觀測(cè)正常，月變形態(tài)穩(wěn)定， 在3月出現(xiàn)兩次單點(diǎn)突跳， 異常集中出現(xiàn)在4、 5、 6月， 在6月26日16 時(shí)結(jié)束， 異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 異常還在持續(xù)中就發(fā)生地震， 震后6月26日16 時(shí)后恢復(fù)正常。 此異常幅度非常大， 是正常背景值的10 倍， 最大的異常值出現(xiàn)在2012年4月7日15 時(shí)， 達(dá)到1.522 ng／L (圖8）。

（3）彌渡動(dòng)水位觀測(cè)在2012年1月、 2月呈現(xiàn)趨勢(shì)下降， 下降幅度不大， 與正常月變形態(tài)基本保持一致， 在3月下旬， 下降速率突然加大，直到2012年6月24日寧蒗發(fā)生5.7 級(jí)地震， 震后變化形態(tài)恢復(fù)正常（圖9）。

從以上分析可以看出： 在寧蒗M 5.7 地震前，彌渡地電場(chǎng)異常和地下流體異常具有同步性， 異?；旧隙际浅霈F(xiàn)在2012年3月， 地電場(chǎng)異常出現(xiàn)時(shí)間比地下流體異常稍有提前。

我臺(tái)針對(duì)以上異常， 在2012年5月上報(bào)云南省地震監(jiān)測(cè)中心的 《2012年年中地震趨勢(shì)會(huì)商報(bào)告》 中提出了： 未來(lái)6個(gè)月， 省內(nèi)及川滇交界有發(fā)生5 級(jí)以上地震的可能， 特別關(guān)注川滇交界和滇西地區(qū)的會(huì)商意見(jiàn)。

另外刮風(fēng)降雨等也會(huì)對(duì)大地電場(chǎng)資料造成干擾， 干擾變化形態(tài)基本與雷電干擾相似。 除以上變化形態(tài)外， 彌渡地電場(chǎng)觀測(cè)還會(huì)記錄到階躍型的上升或下降， 造成的原因不明， 還有待今后進(jìn)行跟蹤、 查找和研究。

3 結(jié)語(yǔ)

圖8 彌渡數(shù)字化氣汞小時(shí)值曲線圖（2012年1月1日至6月30日）Fig 8 The hour graph of Midu digital gas mercury (2012, January 1-June 30)

圖9 彌渡數(shù)字化動(dòng)水位小時(shí)值曲線圖（2012年1月1日至6月30日）Fig 9 The hour graph of Midu digital water level (2012, May 1 to June 30)

綜上所述， 分析結(jié)果表明： 彌渡地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的供電、 避雷、 通信系統(tǒng)優(yōu)良； 2012年觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率及完整率達(dá)到了99.8 以上；月平均相關(guān)系數(shù)大于0.8，月平均差值在5 mV／km 以內(nèi)， 符合相關(guān)技術(shù)要求。 彌渡地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)在觀測(cè)系統(tǒng)及環(huán)境保持較好條件的情況下， 儀器穩(wěn)定性相對(duì)較好， 觀測(cè)數(shù)據(jù)較真實(shí)地反映了地電場(chǎng)強(qiáng)度的變化， 數(shù)據(jù)的可信度較高， 可為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和科研提供連續(xù)、 可靠、 準(zhǔn)確的第一手資料。

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