馬欽忠, 錢家棟, 李偉, 趙文舟,方國慶
1 上海市地震局, 上?!?00062 2 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036
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源自多個大電流源的華東地區(qū)地電場空間變化特征
馬欽忠1, 錢家棟2, 李偉1, 趙文舟1,方國慶1
1 上海市地震局, 上海2000622 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京100036
摘要在地震電磁學(xué)研究中,電流在地下流動特征與構(gòu)造關(guān)系是一個非常重要的問題.多個強電流源的存在和大范圍地電場觀測站的分布格局為我們研究這個問題提供了更好的機會.本文通過利用上海及其周邊地區(qū)4個地點不同的高壓換流站接地極向地下注入的大電流(1200~4780A)信號,研究了華東地區(qū)8個臺站組成的地電場觀測臺網(wǎng)接收到的附加地電場信號,推進了對地電流在地下傳播特征的認(rèn)識.研究顯示:①從幅度特征而言,對于源自不同的大電流信號,各臺站觀測到的附加地電場信號幅度特征有很大不同,而近處的浦東臺只能觀測到南橋大電流源的信號而觀測不到其他3個大電流源發(fā)出的信號,存在著所謂的“敏感點”效應(yīng);②對于上海地區(qū)4個接地極大電流而言,能夠觀測到源自它們的附加地電場的臺站最遠為350 km,在更遠的臺站則觀測不到.③從均勻度方面而言,在每個臺站對于不同的信號源,記錄到的附加地電場信號在各方向上的長極距和短極距信號幅度之比可以有很大變化;④在方位特征上,只有崇明臺站接收到的同里接地極和華新接地極大電流信號的計算方位度數(shù)與實際方位度數(shù)誤差最小,分別為0.2°和0.8°.而在距離各個信號源最近的青浦臺,這種誤差要比崇明臺站的大;⑤極化方向特征顯示,在青浦臺和崇明臺所觀測到的附加地電場信號中,存在著同一方向上長、短極距信號極化方向是反向的現(xiàn)象,這與常理相悖,怎樣解釋該現(xiàn)象有待于今后進一步研究.本文從點電流源與臺站測線布局構(gòu)成的裝置系統(tǒng)、大區(qū)域介質(zhì)非均勻性、臺站測區(qū)以及附近地區(qū)的介質(zhì)細結(jié)構(gòu)的影響三個方面,對上述特征進行了較深入的分析和解釋.
關(guān)鍵詞大電流; 多源; 地電場信號; 地震電信號
1引言
在地震電磁學(xué)研究中,大量的研究表明地震前確實存在著震前異常變化的地電場信號(趙玉林和錢復(fù)業(yè),1981;Uyeda S et al., 2000; Varotsos and Alexopoulos,1984a,b;Huang,2011a,b;馬欽忠,2008;馬欽忠等,2009;2013),而基于地震電信號的方法為地震短臨預(yù)報提供了較好的手段,以20世紀(jì)80年代初希臘雅典大學(xué)三位物理學(xué)家Varotsos和Alexopoulos、Nomicos命名的“VAN”法就是其中典型的代表(Uyeda et al.,2009;Varotsos and Alexopoulos, 1984a,b;Varotsos et al., 2011a, b).日本科學(xué)家小組通過檢驗后認(rèn)為希臘“VAN”小組通過這個方法幾乎成功預(yù)報了希臘發(fā)生的所有M≥5.5地震,他們認(rèn)為該方法是唯一一個在近30年間不斷產(chǎn)生實際成果的短期地震預(yù)報方式,無論在實證方面還是在理論方面都是世界上最為確定的方法(Uyeda et al.,2009;Hayakawa and Hobara, 2010;上田誠也,2011).然而由于地震孕育過程和地球介質(zhì)的復(fù)雜性,清晰地認(rèn)識和理解地震電信號的產(chǎn)生機制、遠距離傳播、選擇性等問題依然具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性.對于地震電信號在地下傳播特征,即電信號通道問題的研究大都是在室內(nèi)實驗室條件或數(shù)值模擬條件下完成的(Park et al.,1996; 黃清華和林玉峰,2010; Sarlis et al.,1999; Huang and Ikeya,1998, 1999;馬欽忠和錢家棟,2003; 馬欽忠,2007).目前,國際地震與火山電磁研究組(EMSEV)計劃在比什凱克進行合作研究,目的之一就是利用人工大電流源來進行對希臘”VAN”方法中的地震電信號(SES)的獨立檢驗.為了更加接近真實的客觀條件,我們在前期的工作中利用一個大電流信號源和大范圍的地電場觀測網(wǎng)的條件進行了更加貼近實際的野外大區(qū)域的觀測研究,結(jié)果說明地電流在不同距離和方向所呈現(xiàn)出不同特征(馬欽忠等,2014).然而當(dāng)信號源的位置發(fā)生變化時在原有的觀測網(wǎng)中所觀測到的地電場變化特征也一定會隨之而變,其主要原因還是地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使然.為了更進一步深入研究地電流在地下的傳播特征和選擇性特征,采用多個大電流信號源和區(qū)域地電場觀測網(wǎng)的格局進行野外大區(qū)域的觀測研究是很有必要的,而目前上海及其附近地區(qū)具有四個不同位置的特高壓輸電換流站的接地極可向地下注入大電流信號,該格局為全國首屈一指,這為我們實現(xiàn)上述目的提供了很好的條件.
對于地震電信號的判斷來說,由于信號源的不確定性,利用其來確定信號源的位置則存在著多解性,因此怎樣判斷地震電信號源的位置則是很難解決的問題,這是目前地震短臨預(yù)報中所遇到的最為突出的困難問題.但對于一個確定的信號源來說,即已知信號源發(fā)射的時間段、信號幅度、信號脈沖特征及頻率特征等,則在觀測點所測得的該信號具有唯一性或確定性,這對我們研究電信號在地下的傳播和在地表觀測點的接收情況具有非常明確的指標(biāo).通過研究這種具有唯一性或確定性的信號源的發(fā)射和接收特征,則對深入研究和認(rèn)識基于地震電信號來定位的多解性,并用其來評估未來發(fā)震震中位置和震級,則在地震短臨預(yù)報中具有非常重要的意義.
目前我國已建成了由約115個臺站組成的數(shù)字化地電場觀測網(wǎng),且都是在東西、南北、北東(北西)方向上布設(shè)了長短不一的觀測電極距,為更好地排除噪聲打下了良好基礎(chǔ),其觀測孔徑和覆蓋范圍之大、臺站數(shù)量之多,為世界之最.利用該地電場觀測網(wǎng)進行地電場變化特征的研究有著獨特的優(yōu)勢.本文以4個上海地區(qū)特高壓換流站的接地電極為大電流信號源(注入的大電流強度最大值可達4780A),研究當(dāng)在不同地點向地下注入強大電流信號時在上海、江蘇、安徽等地區(qū)地電場區(qū)域網(wǎng)觀測到的地電場變化特征,揭示出由不同位置的大電流信號源所發(fā)出的信號在上百公里范圍的觀測區(qū)域中所記錄到的地電場信號在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的強弱分布特征、空間分布特征等,以更好地認(rèn)識地電流在復(fù)雜地質(zhì)條件下的傳播特征和選擇性問題.
2多個大電流源和地電場觀測網(wǎng)的布局
大電流源:在上海地區(qū)華東高壓輸電網(wǎng)中有四個換流站接地極裝置,其中三個位于上海,它們是南橋接地極、華新接地極和奉賢接地極,另一個是上海附近的江蘇同里接地極(圖1),直流輸電線路在系統(tǒng)調(diào)試或發(fā)生故障情況下,會處于單極大地回路運行方式,這時將有非常大的電流從換流站接地極流入大地,該電流強度最大可達4780A左右.
圖1 大電流源及其周邊地區(qū)地電場觀測臺站位置分布Fig.1 Distribution of the geoelectric field observatories around the area of the powerful electrical current sources
地電場觀測網(wǎng):在地電場觀測中,目前主要研究的是地電場在地球表面投影的部分,可以作為平面矢量,其大小和方位可以通過平面坐標(biāo)系各分量來確定之.地電場分量的測量,則是在特定的方位上(一般取NS和EW方位),布設(shè)一對電極接收電場信號,用該對電極上測得的電位差與電極距長度的商,作為電場在該方位上分量的度量.在我國大規(guī)模地電場觀測網(wǎng)建設(shè)時,廣泛采用了以下兩類技術(shù)措施:(1)使用固體不極化電極作為測量電極,并對電極埋設(shè)提出特殊的技術(shù)要求,保證電極電位差較小并且具有較好的長期穩(wěn)定性;(2)在觀測站布設(shè)多極距裝置系統(tǒng),以實現(xiàn)盡可能識別和排除環(huán)境干擾,保證地電場觀測的客觀性.
本文研究區(qū)內(nèi)所布設(shè)的地電場臺站包括上海市崇明臺、長江農(nóng)場臺、青浦臺、浦東臺;江蘇省南京臺、海安臺、高郵臺;安徽省嘉山臺.由于外圍其他臺站諸如江蘇省新沂臺、安徽省蒙城臺、河南省周口臺以及山東省境內(nèi)的7個站等沒有記錄到源自上海地區(qū)多個接地極大電流信號源的附加地電場信號,在浙江省沒有地電場臺站(近來建立了一臺站,目前還在試運行),因而就不對這些臺站的觀測資料進行分析.觀測儀器型號為:ZD9大地電場儀;頻率范圍為0.0~0.1Hz;采樣率1次/min.這些臺站都是多極距布設(shè)裝置系統(tǒng),即在東西、南北、北東(或北西)方向上布設(shè)了長短不一的極距,以便排除噪聲從而觀測到真正的地電場信號.由于篇幅所限本文只給出部分臺站的具體電極布設(shè)方式(見圖2),文中省略了其他臺站電極布設(shè)圖.
圖2 部分地電場臺站電極布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch map of the electrode distribution at some geoelectric field observatories in Shanghai area
3源自4個大電流源的地電場信號變化特征
3.1同里大電流信號源的地電場觀測
由表1可以看到,當(dāng)同里接地極向大地注入4516A大電流時,上述各臺記錄到的附加地電場信號有如下特征:
(1) 幅度特征
表1 2013年7月25日同里接地極注入4516A電流(流出)時地電場觀測信號特征(方位:以臺站為基準(zhǔn))
表1中所有地電場臺站觀測到的附加地電場信號的幅度在青浦臺最大,崇明臺次之.因為青浦臺距信號源最近,為50.3 km;崇明臺次之,為133 km.在116.57 km處的浦東臺沒有記錄到該信號.在信號源的西邊,142.4 km處的南京臺記錄到的信號幅度EW分量最大,NS分量最小,且其EW分量幅值要比139.42 km處的長江農(nóng)場臺記錄到的幅值大.在信號源西北方向298 km處的嘉山臺記錄到的附加地電場信號的幅度要比194 km處的海安臺、232 km處的高郵臺記錄到的信號幅值大.因此可以看到,附加地電場信號幅度的變化特征存在著距離信號源較遠的臺站記錄幅值比距離較近的臺站記錄幅值大的現(xiàn)象,甚至更近的臺站記錄不到該信號.
(2) 均勻度特征
用長極距附加電場信號幅值與短極距附加電場信號幅值之比λi(i=NS,EW,NE)來描述一個臺站同一方位上長短極距電場的差異,則對NS、EW和NE方向有
(1)
我們用各個方向上的該比值衡量一個臺站在該方向上地電場的均勻度,我們將λ=1的條件轉(zhuǎn)換為均勻度的概念,即認(rèn)為偏離λ=1越小,反映出該臺地電場均勻度越好;反之偏離λ=1越大,反映出該臺地電場均勻度越差.它們可以用以表征測區(qū)各個方向地下局部電性結(jié)構(gòu)的差異程度.在南北與東西兩個方位上用長、短極距附加電場的比值來描述不同方位附加電場的差異:
(2)
青浦臺在東西向是均勻的,λEW=0.99; 南北向和北東向均勻度較差,λNS=0.43、λNE=0.46.崇明臺、海安臺、高郵臺和嘉山臺記錄到的附加電場值在三個方向上都較為均勻,即長、短極距附加電場值的比值為1.0左右.長江農(nóng)場臺記錄到的附加電場值在南北向較為均勻,其長、短極距附加電場值的比值約為0.9.但在東西向和北西向其均勻度不好,主要是短極距上記錄的觀測值太小,由其波形圖可以判定主要是電極D發(fā)生極化所致(圖2、圖3).南京臺記錄到的附加電場值在東西方向最大且均勻度較好,而其在南北向均勻度不好.
(3) 方位度數(shù)特征
利用各臺的幾個不同方位附加地電場的數(shù)據(jù),可以將臺站對源的方位進行測算,并與實際幾何方位進行對比,其產(chǎn)生的偏差導(dǎo)致的臺站到信號源之間的距離偏差,則可由下式計算:
(3)
式中Δd為定位偏差距離,Δθ為實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)差(銳角),r為臺站到信號源的距離.由(3)式可知,角度偏差Δθ越大,則所算得的距離偏差越大.由表1可以看到,只有崇明臺的實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)較為一致,Δθ=0.2°,由(3)式計算得Δd=0.464 km.而青浦臺的Δθ=10.3°,Δd=9.03 km.但由圖1可以看到,崇明臺、青浦臺和同里接地極位置基本上在一條直線上,因而用崇明臺和青浦臺方位線交匯法定位是難以奏效的.除長江農(nóng)場臺外其他臺的實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)相差較大,定位偏差距離都大于20 km,說明對于同里接地極位置而言,僅由崇明臺觀測數(shù)據(jù)計算所得的方位度數(shù)可以尋找該信號源的方位,而由其他臺的觀測數(shù)據(jù)計算所得的方位度數(shù)還難以準(zhǔn)確反映該信號源的方位.換言之,利用多臺方位線的交匯法確定同里接地極的位置會產(chǎn)生較大誤差,究其原因,主要還是臺站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)局部的非均勻性所致(馬欽忠等,2014).
(4)極化方向特征
這里極化方向是指地電場觀測中異常信號的增長方式,即正增長或負增長.由圖3可以看到,各個臺站記錄到的附加地電場長、短極距的極化方向都是一致的.
3.2華新極大電流信號源的地電場觀測
2010年7月7日華新接地極于9∶14—10∶48向地下注入大電流,最大電流量為4780A.表2給出了青浦、崇明、長江農(nóng)場、南京、海安及高郵臺記錄到的具體參數(shù).
表2 2010年7月7日華新變電站接地極注入4780 A電流時地電場觀測信號特征
注:方位以臺站為基準(zhǔn).
華新接地極向地下注入4780A電流時附加地電場觀測信號特征如下.
(1) 幅度特征
距信號源19 km處的青浦臺附加地電場幅度最大,但都出現(xiàn)在短極距上.距信號源84 km處的崇明臺附加地電場幅度次之.94 km處的長江農(nóng)場NS分量處于第三大的位置,其與崇明臺相距14 km,但其幅度較崇明臺的小很多,與距信號源為185 km處的南京臺EW分量的幅值相當(dāng),南京臺記錄到的附加電場值在東西方向最大.63 km處的浦東臺沒有記錄到.而海安臺和高郵臺記錄到的信號幅值較小.327 km處的嘉山臺基本沒有記錄到信號.
(2) 均勻度特征
(3) 方位特征
由表2可以看到,對于華新接地極信號位置而言,崇明臺的實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)相差0.8°,由(3)式計算得Δd=1.173 km.青浦臺的實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)相差7.7°,由(3)式計算得Δd=2.55 km.上述其他臺站的實際方位度數(shù)與計算方位度數(shù)相差較大.利用崇明臺和青浦臺方位線交匯法確定華新接地極信號位置的話誤差在2.55 km范圍內(nèi),定位結(jié)果相對較好.利用上述其他臺站的觀測數(shù)據(jù)計算所得的方位度數(shù)還難以準(zhǔn)確反映該信號源的方位.
(4) 極化方向特征
由圖4可以看到在青浦臺附加地電場在NS、EW和NE方向上長、短極距的極化方向都是相反的.在崇明臺只有EW方向上它們是反向的,在其它方向上都是一致的.在其余臺站附加地電場長短極距信號的極化方向都一致.
3.3奉賢接地極大電流信號源的地電場觀測
2010年5月5日奉賢接地極向地下注入4000A大電流,在上海地區(qū)青浦臺、崇明臺、長江農(nóng)場臺、浦東臺4個地電場觀測臺站和江蘇南京臺、海安臺、高郵臺以及安徽嘉山臺這8個臺站組成的地電場觀測網(wǎng)觀測到了此次大地電流的附加地電場信號.由于篇幅所限,此處省略各臺的觀測曲線圖,各臺6個觀測分量的幅值等具體參數(shù)在表3給出.它們的附加地電場信號特征如下:
(1) 幅度特征
在距信號源為95.6 km之處的崇明臺的長極距上所記錄到的附加地電場幅度最大,要比距信號源為43 km之處的青浦臺記錄到的附加地電場幅度大5倍以上,出現(xiàn)了遠臺比近臺記錄到的信號強的現(xiàn)象.在64 km處的浦東臺的南北向和東西向長極距上記錄到了該信號,其余極距上則沒有記錄到該信號.
(2) 均勻度特征
在青浦臺南北方向和北東方向均勻度不好,東西方向較好.在崇明臺在各個方向上均勻度都不好,在東西、南北、北東方向上長極距觀測到的信號幅度要比短極距觀測到的信號幅度大許多,差別在8倍以上,說明在奉賢接地極至崇明臺的方向上崇明臺的長極距區(qū)域與短極距區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)差異較大.在長江農(nóng)場臺南北方向上均勻度比較好,東西和北東方向由于長極距上沒有記錄到而無法判斷.在海安臺站各個方向上均勻度都比較好,長短極距信號幅度的比值均在1.1左右.在南京臺,東西方向上信號的均勻度較好,南北方向也可以.在高郵臺和嘉山臺所記錄到的信號在各個方向上均勻度都較好.
(3) 方位特征
由表3可以看出,各個臺站相對于奉賢接地極位置的實際方位角與由觀測到的附加地電場信號幅值計算出的該方位角存在著較大差別,最小差值也達到7.3°.因此,利用這些臺站的觀測值來推算奉賢接地極位置存在著較大誤差.以誤差最小的南京臺為例,所算得的方位度數(shù)為101.3°,而實際方位度數(shù)為108.6°,相差7.3°之多,按照式(3)計算,所算得的實際距離差為26 km,可見利用這些信號的方位角定位的話誤差是太大了,究其原因,還是信號源區(qū)及其周圍地下介質(zhì)的各向異性特征所致.
(4) 極化方向特征
在青浦臺記錄到的信號中,在北東方向上的長極距上觀測到的分量的極化方向與短極距上分量的極化方向是相反的,其余方向上的長短極距的極化方向一致.而在崇明臺、長江農(nóng)場臺、南京臺、高郵臺、海安臺、嘉山臺站所記錄到的信號在各個方向上其長短極距上的信號極化方向都是一致的.
3.4南橋大電流信號源的地電場觀測
2008年1月1日在南橋換流站接地極向地下注入了1200A的大電流,該大電流在本文所述的地電場觀測網(wǎng)中引起了顯著的同時段附加地電場信號.由于崇明臺、海安臺和嘉山臺恰好由于儀器故障而處于停測時段而沒有記錄,該信號被青浦臺、長江農(nóng)場臺、浦東臺、南京臺和高郵臺所觀測到.與前述情況不同的是這一次在浦東臺卻觀測到了該信號.由于篇幅所限,具體波形圖在此省略,具體觀測參數(shù)值如表4所示.
表3 2010年5月5日奉賢接地極放電4000A電流時地電場觀測信號特征(方位:以臺站為基準(zhǔn))
表4 2008.01.01,12∶30—19∶00南橋接地極注入矩形方波大電流時的觀測結(jié)果(2008.1.1,I=1200 A,方位:以臺站為基準(zhǔn))
注:“-”為停測.
(1) 幅度特征
在距信號源78.1 km的青浦臺觀測到的信號幅度最大,最大幅度可達185.6 mV/km,崇明臺由于系統(tǒng)故障而沒有記錄到該信號.相距92.3 km處的長江農(nóng)場臺記錄到的信號幅度要比青浦臺的小,其最大幅度為34.3 mV/km.對于來自于南橋接地極的信號,38.3 km處的浦東臺記錄到了較為清晰的信號,且其幅度大體與長江農(nóng)場臺的相當(dāng).在248.1 km處的南京臺和294.5 km處的高郵臺記錄到的信號幅度小了許多.而海安臺和嘉山臺由于系統(tǒng)故障沒有記錄到信號.對于該信號源,存在著近臺比遠臺記錄到的幅度大的現(xiàn)象.
(2) 均勻度特征
青浦臺記錄到的該信號在東西方向上均勻度較好,南北方向和北東方向均勻度不好,主要是由于在這兩個測道上長極距上的信號幅度偏小.長江農(nóng)場臺在南北方向均勻度較好,其他兩個方向的均勻度不太好.在浦東臺,南北方向和北西方向上觀測到的信號的均勻度相對較好,長短極距比都在0.7以上,但在東西方向上均勻度不好.南京臺記錄到的附加地電場信號在南北方向和東西方向的均勻度比較好.在高郵臺,東西方向和北東方向上均勻度都比較好,在南北方向上沒有記錄到該信號.
(3) 極化特征
在青浦臺記錄到的附加地電場中南北向和北東向長短、極距信號是反向的.
3.5多源條件下附加地電場變化的差異性
從幅度特征而言,對于源自于同里、華新、和南橋接地極的大電流信號,本文所述地電場臺站中觀測到的附加地電場信號的最大幅度在青浦臺,這是因為除浦東臺外該臺距離這些信號源最近.但對于源自于奉賢接地極的大電流信號,在崇明臺記錄到的附加地電場信號幅度最大,在最近距離的青浦臺記錄到的卻比崇明臺的小.由本文前面的一些分析結(jié)果可以看到附加地電場信號幅度的變化特征存在著距離信號源較遠的臺站記錄幅值比距離較近的臺站記錄幅值大的現(xiàn)象,甚至更近的臺站記錄不到該信號,這一現(xiàn)象也存在于其他地區(qū)(馬欽忠等,2013, 2014).而且這一現(xiàn)象與信號源至觀測臺連線的方向有密切關(guān)系.
從觀測距離而言,在本文研究中發(fā)現(xiàn),對于上海地區(qū)4個接地極大電流而言(最大電流為4780A),能夠觀測到附加地電場的最遠臺站為350 km,在更遠的臺站則觀測不到.我們在先前對源自山東境內(nèi)的接地極大電流在華北東部地區(qū)引起的附加地電場空間變化特征的研究中顯示,對于2100A的大電流而言,能夠觀測到該信號的最遠臺站的距離為450 km(馬欽忠等,2014).而在川南地區(qū)通過接地極注入地下4500A大電流時能夠觀測到源自該信號源的附加地電場的最遠臺站距離為540 km(馬欽忠等,2013).在最近的資料分析與實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn),通過遼寧接地極注入地下2000A的大電流能夠穿過渤海灣在近1000 km遠的臺站被觀測到(其特征另文別述).通過對比分析發(fā)現(xiàn),地電流信號的傳播距離在不同地區(qū)所能傳播的遠近差別較大,且和方向也密切相關(guān).可見,地電流信號的傳播距離與不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件和方位有著極大的關(guān)系.
存在著“敏感點”效應(yīng),對于浦東臺而言,對于源自于其東南方向的南橋接地極大電流信號而言,該臺站是可以清晰地記錄到附加地電場信號.而對于其西南方向的同里接地極、奉賢接地極和華新接地極的大電流信號,浦東臺卻記錄不到這些大電流信號產(chǎn)生的附加地電場信號.在2007—2008年期間本文地電場觀測網(wǎng)記錄到南橋接地極大電流信號有17次;2012—2015年期間記錄到其他3個接地極大電流20次之多.對上述4個大電流多次注入地下時的觀測與資料分析證明了這一現(xiàn)象存在的客觀性.這說明浦東地電場臺站只對于源自于其東南方向的信號是敏感的,而對于源自于其西南方向的信號不敏感.
對于南京臺,由于上述4個接地極信號源都位于臺站東面,故對于同里接地極、奉賢接地極和華新接地極的大電流信號而言,南京臺所記錄到的附加地電場信號的東西向分量幅值最大;但對于南橋接地極信號,其附加地電場最大幅度并不是東西分量,而是南北分量,這應(yīng)該與南橋接地極及其周邊區(qū)域地下介質(zhì)非均勻性特征(海陸交界區(qū)域)密切相關(guān).
從均勻度方面而言,則在同里、奉賢、南橋和華新接地極向地下注入大電流時,在上述臺站記錄到的附加地電場信號中南北向、東西向和北東向的長極距和短極距信號幅度之比,以及南北向和東西向長極距之比、短極距之比見表5.由表5可以看到各個臺的附加地電場有如下特征.
在青浦臺,對于來自同里極、奉賢極、南橋極的信號而言,其λNS、λEW的絕對值都基本保持不變,分別為0.4、1.0;說明對于遠源而言其南北向地電場均勻度不好但穩(wěn)定,東西向的均勻度較好,λNE的絕對值各不相同.而對于來自距該臺最近的華新極的附加地電場信號,λNS、λEW、λNE均為-0.2,即附加電場均勻度不好,而這也恰好說明了近源信號的特征.對于崇明臺而言,只有源自同里極的信號的λNS=λEW=λNE≈1.0而顯示出附加地電場的均勻度好;源自華新極的附加地電場的均勻度不太好,相對而言λNS=1.3較好.在長江農(nóng)場臺,對于源自上述4個接地極大電流源的附加地電場而言,其均勻度在南北方向較好,即λNS=0.9~1.0,而在其他兩個方向上除華新極外它們的均勻度變化不穩(wěn)定.源自華新接地極大電流的附加地電場均勻度較好,即λNS=λEW=λNE≈1.0.
表5 各臺對源自4個大電流源的附加地電場的λi(i=NS,EW,NE)值
在只能觀測到源自南橋接地極大電流信號的附加地電場的浦東臺,在其三個觀測方向上附加地電場均勻度都不好,說明地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性明顯.對于海安臺、高郵臺而言,源自上述4個大電流信號源的附加地電場在三個方向上的均勻度都較好,即λNS=λEW=λNE≈1.0.而南京臺在南北方向和東西方向觀測到的源自四個信號源的附加地電場的均勻度較好.在嘉山臺,對于源自同里極和奉賢極大電流信號的附加地電場均勻度也較好.
由表5可以看到,只有崇明臺站接收到的同里接地極和華新接地極大電流信號的計算方位度數(shù)與實際方位度數(shù)誤差最小,分別為0.2°和0.8°,利用公式(1)所算得的距離誤差分別為Δd=0.464 km和Δd=1.173 km.而距離各個接地極最近的臺站除浦東臺外就是青浦臺,但其計算方位度數(shù)與實際方位度數(shù)的誤差要比崇明臺站的大.如果利用這兩臺方位線交匯法來確定大電流信號源的話,只有對華新接地極大電流信號源位置的定位結(jié)果相對較好,誤差在2.55 km范圍內(nèi).而利用上述其他臺站的計算方位度數(shù)對這4個大電流信號源的位置進行定位的話誤差太大,主要原因是它們的計算方位度數(shù)與實際方位度數(shù)相差太大,其中的機理主要在于臺站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性所致(馬欽忠和錢家棟,1995,2003; 馬欽忠等,2014;黃清華和林玉峰,2010)
在青浦臺、崇明臺記錄到的附加地電場信號中,存在著同一方向上長、短極距分量的極化方向是反向的現(xiàn)象.對于同里接地極大電流信號而言,青浦臺和崇明臺各個方向附加地電場長、短極距信號的極化方向都是一致的;對于華新接地極大電流信號而言,青浦臺各個方向附加地電場長、短極距信號的極化方向都是反向的,而崇明臺在東西方向附加地電場長、短極距信號的極化方向存在反向的現(xiàn)象;對于奉賢和南橋接地極大電流信號而言,青浦臺在北東方向上附加地電場長、短極距信號的極化方向相反.在青浦臺和崇明臺,通過多年大量的地電暴信號比對和許多接地極信號的比對可知,基本上它們在各個方向的長短極距上信號極化方向是一致的,只是在偶然幾次接地極向地下注入大電流期間所觀測到的附加地電場信號才出現(xiàn)這樣的同一方向長短極距極化反向的情況.
通常,當(dāng)信號源在地電場觀測裝置系統(tǒng)之外時,也即在電極布設(shè)區(qū)域之外時,地電場多極距觀測中在同一方向的長、短極距上所記錄到的信號極化方向一致.但當(dāng)信號源在電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)時在長極距和短極距上觀測到的信號極化方向會相反,如圖5所示.在圖5中假設(shè)長極距是由電極E′和W′組成,短極距是由電極E和W組成,假設(shè)有一噪聲源在短極距之外,在長極距之內(nèi),則依據(jù)下式中關(guān)于電場強度正方向的定義,長、短極距上的電場強度分別為
圖3 2013年7月25日3∶30—5∶00青浦、崇明、長江農(nóng)場、海安、南京、高郵及嘉山臺的附加地電場波形圖(橫坐標(biāo)為時刻,下同)Fig.3 Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu, Chongming, Changjiang farm, Haian,Nanjing,Gaoyou and Jiashan at 3∶30—5∶00, July 25,2013
圖4 2010年7月7日9∶14—10∶48青浦、崇明、長江農(nóng)場、海安、南京及高郵臺的附加地電場波形圖Fig.4 Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu, Chongming, Changjiang farm, Hai′an, Nanjing,Gaoyou at 9∶14—10∶48, July 7,2013
圖5噪聲源在電極布設(shè)區(qū)內(nèi)的示意圖
Fig.5Schematic diagram of a noise source located in the zone of electrode distribution
(4)
(5)
其中VE′、VW′、VE、VW′分別為E′、W′、E、W點的電位,Q為與噪聲源電流強度和介質(zhì)電阻率有關(guān),且具有電荷量綱的物理量,L為電極距長度,R為噪聲源到各點的距離.若Q>0,當(dāng)ROW′>ROE′時,會出現(xiàn)如下結(jié)果:
(6)
反之,若Q<0,則有EE′W′<0; EEW>0.總之,(6)式表明,當(dāng)噪聲源位置位于電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)時,在長極距觀測到的信號和短極距觀測到的信號極化方向會相反.Varotsos等在20世紀(jì)80年代研究地電場多極距觀測時將這一特征作為判別噪聲源在電極布設(shè)區(qū)域內(nèi)外的準(zhǔn)則之一(Varotsos and Alexopoulos, 1984a, b; Varotsos and Lazaridou, 1991).實際上,許多觀測臺站地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出電性非均勻性和各向異性,上述準(zhǔn)則是否完全準(zhǔn)確一直以來沒有實際觀測驗證.由圖4和表2可以看到,華新接地極距離青浦臺19 km,而該臺電極距最長為200 m(圖2),該臺相對于華新極可被視為一個點,在觀測到的該接地極向地下注入大電流時段所產(chǎn)生的附加地電場信號中,在EW、NS、NE方向的長極距信號的極化與短極距信號的極化是反向的.而離信號源84 km處的崇明臺觀測到的EW方向的長極距信號與短極距信號也是反向的,在NS、NE方向上長極距信號與短極距信號極化方向一致.在長江農(nóng)場臺、南京臺、海安臺、高郵臺和嘉山臺所觀測到的該附加電場信號的長極距信號和短極距信號極化方向一致.怎樣解釋信號源在遠離測區(qū)時臺站所觀測到的長極距信號與短極距信號極化相反的現(xiàn)象呢?這是本文今后努力探索的方向之一,我們認(rèn)為這一定與臺站下方介質(zhì)電性非均勻性和各向異性以及地電流的流向密切相關(guān).
4影響地電場觀測的因素
影響地電場觀測的因素是多方面的,為了認(rèn)識注入大電流產(chǎn)生的附加地電場的上述空間分布特征,本文考慮下列兩大要素:裝置系統(tǒng)的復(fù)雜性和介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.
4.1考慮裝置系統(tǒng)的影響
圖6 接地極(點電流源)與地電場臺站(測線) 位置關(guān)系示意圖Fig.6 Distribution of the source and station
(7)
(8)
用長短極距附加電場的比值λ來描述一個臺站同一方位上長短極距電場的差異,有
(9)
式中,Q=Iρs/2π,是一個具有電荷量綱的物理量,其中I為從接地極注入或引出的電流強度;ρs為由電流源與特定臺站特定測量極構(gòu)成的裝置系統(tǒng)上所觀測到的視電阻率.因為根據(jù)電動力學(xué)的理論(曹昌祺,1961),在均勻介質(zhì)(電阻率為ρ)充滿半空間的條件下,有Q=Iρ/2π=2·QA,其中QA為接地極A上注入(或引出)電流I在接地極上積累的電荷量(錢家棟等,1985).應(yīng)當(dāng)說明(7)式和(8)式是點電源場的計算公式,也就是說,它們是在把高壓輸電線路發(fā)射時接地極積累的電荷作為點電源的條件下才能成立的公式.很明顯,在本文條件下,所研究的地電場測點,距離接地極最近的測點也已經(jīng)達到數(shù)十公里,遠的甚至上百公里的量級,而接地極本身的線性尺度一般小于1 km.因此上述公式是適用的.
用在臺站同一方位上長短極距的附加電場的比值λ是否接近1來標(biāo)識兩者的差異性.
將上述公式的角標(biāo)做適當(dāng)?shù)母淖?,分別區(qū)分不同方位的有關(guān)參數(shù),可以得到下列公式以比較不同方位的同一極距下的結(jié)果(以比較SN和EW方位上的長極距附加電場為例).
(10)
(11)
用SN與EW兩個方位長極距附加電場的比值λSN/EW來描述不同方位附加電場的差異,有
(12)
同樣,由比值λSN/EW是否接近1標(biāo)識一個臺站兩個方位附加電場之間的差異性.
表6 電流源到臺站距離為25 km,SN方位上長短極距附加電場的比值
表7 電流源到臺站距離為25 km,SN和EW方位上
對上述公式進行數(shù)值模擬,可以得出以下認(rèn)識.
(2) 同一臺站不同方位間電場會有差異甚至很大的差異.如表7所示.表7中,所有幾何參數(shù)都有SN或EW的標(biāo)注以示區(qū)別,且假定兩個方位上測量視電阻率相同(至于兩個方位視電阻率不相同的情形在下節(jié)中討論).從表7可以看出,除θ=45°外,在電流源相對于測量裝置的其他位置上,臺站兩個不同方位的附加電場值一般均會不同.例如在θ=0°時,按照式(12),標(biāo)識同一臺站兩個不同方位測量(SN對EW)的附加電場的比值λSN/EW=0;而θ=90°時,比值λ1→∞.從圖6中的幾何關(guān)系,人們不難看出上述結(jié)論的可靠性:θ=0°相當(dāng)于SN方位上附加電場為0,EW方位上附加電場為最大值;而θ=90°相當(dāng)于EW方位上附加電場為0,SN方位上附加電場為最大值.這個結(jié)果對于距電流源任何距離的臺站均適用.
4.2考慮大區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響
在4.1節(jié)所討論的問題,主要涉及不同臺站不同裝置(包括距電流源距離遠近不同的臺站、同一臺站同一方位但不同極距、或同一臺站不同方位)下的附加地電場空間分布特征復(fù)雜性的認(rèn)識.但實際上,就全面分析電流源產(chǎn)生的附加電場的空間分布的復(fù)雜性而言,還必須注意到所研究的區(qū)域介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的影響.這里包括大區(qū)域和臺站測區(qū)內(nèi)部非均勻性的影響兩方面.
這些討論可以明確地解釋本文所反映出來的現(xiàn)象:從本文圖3、圖4以及先前對源自山東境內(nèi)的接地極大電流在華北東部地區(qū)引起的附加地電場空間變化特征的研究中(馬欽忠等,2014)可以看到,地電流信號的波形畸變程度與臺站和大電流信號源之間的距離有密切關(guān)系,距離信號源近的臺站所觀測到的信號波形形態(tài)比較完整,隨著這種距離的增大在臺站所觀測到的信號波形形態(tài)的畸變程度也越大,也就是隨著距離的增大地電流信號波形失真程度也越高.這一現(xiàn)象主要是緣自于大區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響,另外,一些距離電流源近的臺站其所記錄到的附加電場強度,甚至?xí)∮谶h處臺站的情形.因為地質(zhì)斷裂帶的存在,使本區(qū)大范圍的電性結(jié)構(gòu)無論在水平方向還是在垂直方向,都將顯示出明顯的非均勻性.不少數(shù)學(xué)模擬研究結(jié)果顯示地表介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的差異以及地下導(dǎo)電通道等直接影響了地表電場的分布,這種影響在地表介質(zhì)的分界附近以及導(dǎo)電通道在地表的投影附近尤其明顯(Sarlis et al.,1999; 黃清華和林玉峰,2010).當(dāng)然由于缺少研究區(qū)內(nèi)的大區(qū)域電性結(jié)構(gòu)詳細的地球物理數(shù)據(jù),確切的定量解釋本文第3 節(jié)所揭示的附加電場的分布特征還為時尚早.不過這些定性的分析,其合理性是不言而喻的.
4.3臺站測區(qū)地下淺層介質(zhì)非均勻性的影響
在研究大電流注入(或流出)時研究區(qū)域內(nèi)附加電場空間分布特征問題中,臺站測區(qū)內(nèi)部以及附近介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的影響,也是一個十分重要的因素之一.在地電場觀測中,在同方位上采用了兩個以上極距進行觀測,其目的在于證實所觀測的地電場,并非源于電極效應(yīng),即要求兩個同方位的電場測量應(yīng)有相同的測值(大小和符號),也就是本文前節(jié)所引入的比值λ=1.但在實際觀測中,不少臺站的觀測結(jié)果,與此不符.原因何在?分析表明場源較近甚至就在測區(qū)內(nèi)部,顯然會產(chǎn)生這樣的問題(馬欽忠,2008); 但另一方面,測區(qū)以及測區(qū)附近介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性,也很可能是其重要原因之一.本文所涉及的大電流注入(或流出)的條件下的電場分布,提供了一個很好的機會討論這方面的問題.
圖7 青蒲臺二維電阻率剖面圖:上圖為NS向測線,下圖為EW向側(cè)線Fig.7 Two dimensional resistivity profile at Qingpu station. Upper picture is for NS profile and the below is for EW profile
許多數(shù)值模擬結(jié)果表明,在地下高阻體介質(zhì)中存在低阻體介質(zhì)時在其上方地表地電場值會下降許多(黃清華和林玉峰,2010; Huang and Lin, 2010).地下電性結(jié)構(gòu)的非均勻性對地電阻率觀測和地電場觀測的影響程度在我們以往的數(shù)值模擬研究中也得到了充分的體現(xiàn)(馬欽忠和錢家棟,1995;2003;Ma, 2002),而此次我們針對青浦臺資料分析結(jié)果所進行的觀測場地實地電法勘探的工作結(jié)果也充分證明了地電臺址下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的作用對于地電場觀測資料分析結(jié)果的影響程度.
5結(jié)論
由本文研究可知,通過4個不同地點的大電流源向地下注入(或流出)1200~4780A的大電流時,在華東地區(qū)地電場觀測網(wǎng)記錄到的信號在不同距離和方向呈現(xiàn)出不同特征.
(1) 存在著距離信號源較遠的臺站記錄到的信號幅值比距離較近的臺站記錄到的幅值大的現(xiàn)象,甚至更近的臺站記錄不到該信號,例如在浦東臺只記錄到了源自南橋接地極的附加地電場信號而記錄不到源自同里接地極、奉賢接地極和華新接地極大電流信號的附加地電場變化.這就印證了所謂“敏感點”效應(yīng)的存在.通常,附加地電場信號幅度是隨著臺站至信號源距離的增加而減小,地電流信號的傳播距離在不同地區(qū)所能傳播的遠近差別較大,且和方向也密切相關(guān).
(2) 對于華東地區(qū)地電場臺網(wǎng)而言,本文所述4個不同位置的大電流信號源都屬于遠源,而在青浦臺、崇明臺記錄到的附加地電場信號中,存在著同一方向上長、短極距分量的極化方向是反向的現(xiàn)象,這與地電場多級距觀測原理不相符,針對該現(xiàn)象的產(chǎn)生機理需要進一步深入研究.
(3) 地電流信號波形畸變程度與臺站至信號源之間的距離有密切關(guān)系,距離信號源近的臺站所觀測到的信號波形形態(tài)比較完整,隨著這種距離的增大在臺站所觀測到的信號波形形態(tài)的畸變程度也越大,也就是隨著距離的增大地電流信號波形失真程度也越高.
(4) 對于源自本文所述4個大電流源的地電流信號,每個臺所記錄到的附加地電場在同一方位上,長短不同的極距所測得的附加電場值呈現(xiàn)比較復(fù)雜的情況,需要具體臺站具體分析.
(5) 利用崇明臺記錄到的附加地電場信息確定同里接地極和華新接地極大電流信號源的方位效果較好,但其對奉賢接地極方位的確定效果遠不如前者的好,說明對于同一臺站所觀測到的地電場信號而言,其所能反映的信號源方位的效果隨著方向的變化而不同.而利用本文其他臺站的觀測資料確定這4個大電流信號源的方位誤差較大.
(6) 上述結(jié)果與大區(qū)域介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性的影響程度密切相關(guān),與局部的臺站下方介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)非均勻性和各項異性以及地電流的流向密切相關(guān),與不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件以及觀測臺站至信號源的方位有著極大的關(guān)系.
通過對青浦臺測區(qū)范圍高密度電法勘探資料解釋的對比分析以及從點電流源與臺站測線布局構(gòu)成的裝置系統(tǒng)、大區(qū)域介質(zhì)非均勻性的影響等三個方面對上述特征進行了較深入的分析和解釋.本文的工作對于認(rèn)識天然地電場的觀測提供了有益的論據(jù),特別是針對多個不同地點的信號源,分析臺站觀測到的附加地電場變化特征以及測區(qū)內(nèi)部及其附近區(qū)域介質(zhì)的非均勻性對地電場觀測的影響,為認(rèn)識天然地電場提供了有益的工具.
相對于單個大電流發(fā)射時地電場信號變化特征,分析多個不同地點大電流發(fā)射時地電場信號變化特征為進一步深入認(rèn)識地電場變化特征的實質(zhì)提供了更好的機遇,為我們認(rèn)識地震震源區(qū)所發(fā)出的地電流信號強度與其傳播距離之間的關(guān)系及其方向性特征提供了比以往室內(nèi)實驗室所獲得的更為客觀的結(jié)果,也為利用地震電信號判定震中位置和未來震級的研究提供了有益的參考.
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(本文編輯胡素芳)
基金項目上海市科委科研計劃項目(12231202700),國家自然科學(xué)基金項目(41090292)和中國地震局星火項目(XH12016)資助.
作者簡介馬欽忠,男, 1959年出生,研究員,主要從事地球電磁學(xué)及地震預(yù)測研究.E-mail:mqz1234@sina.com
doi:10.6038/cjg20160724 中圖分類號P319
收稿日期2015-09-02,2016-06-14收修定稿
Characteristics of the spatial variation of geoelectric field signals recorded at the stations in Huadong area in China when 4 heavy currents are injected
MA Qin-Zhong1, QIAN Jia-Dong2, LI Wei1, ZHAO Wen-Zhou1, FANG Guo-Qing1
1EarthquakeAdministrationofShanghaiMunicipality,Shanghai200062,China2InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China
AbstractIn the study of seismo-electromagnetics, the relationship between the flowing characteristics of electric current and the geological structure is a very important problem. The arrangement of four heavy currents from different place injected into the underground and the distribution of many geoelectric field stations offer us a golden opportunity to study the scientific problem further. In this paper, by studying the signals originated from grounding electrodes 1200~4780 A current of four converter stations in different places around the Shanghai area and recorded at eight geoelectric field stations in the Huadong area in China, we could promote the understanding of ground current in underground transmission characteristics further.
. The study shows that ① as for the magnitude characteristics, the magnitude of the additional geoelectric field recorded at different stations varies greatly for different current sources. Only the signals originated from Nanqiao grounding electrode are observed at Pudong station which is near the heavy current sources, but that from Tongli, Huaxin and Fengxian grounding electrodes are not recorded at this station, which means the so-called sensitive site phenomenon; ② The furthest distance is 350km between the source and the station that could observe the signals originated from these four heavy current sources, and at the stations more than 350 kilometers away no any additional geoelectric signals from the sources could be recorded; ③ The uniformity degree of the geoelectric field in the area does not follow the regular patterns of homogeneous medium, which illustrates that the characteristics of inhomogeneous medium and anisotropy are obvious at many stations in the area. At each station for the different heavy current source the amplitude ratio value of the additional geoelectric field on long dipole to short dipole could vary bigly; ④ For the azimuth characteristics, only at Chongming station the errors are minimum between the actual bearing degree and the calculated bearing degree determined by utilizing the signals originated from Tongli and Xinhua grounding electrodes, and they are 0.2°, 0.8°, respectively. At Qingpu station these errors are larger than that obtained from Chongming station, which is the nearest station from the heavy current sources; ⑤ Features of polarization direction show that for the additional geoelectric field signals recorded at Qingpu and Chongming stations the polarization directions on the long diploes and short diploes are reverse, which is contrary to common sense. It needs to be further studied in the future to explain the phenomenon. Considering the influence of the three factors, i.e., the device system consisting of a point source and the electrode distribution of a station, the heterogeneity of medium in a large area, as well as the fine structure of the medium underground at a station, especially combining the interpretation of the shallow exploration data of two dimensional resistivity profile at Qingpu station, this paper has made a deep analysis and explanation of the characteristics mentioned above.
KeywordsGreat current emission; Multiple sources; Signal of geoelectric field; Seismic electric signal
馬欽忠, 錢家棟, 李偉等. 2016. 源自多個大電流源的華東地區(qū)地電場空間變化特征.地球物理學(xué)報,59(7):2598-2614,doi:10.6038/cjg20160724.
Ma Q Z, Qian J D, Li W, et al. 2016. Characteristics of the spatial variation of geoelectric field signals recorded at the stations in Huadong area in China when 4 heavy currents are injected. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2598-2614,doi:10.6038/cjg20160724.