鮑海英 李飛 瞿旻 卜玉菲
1)江蘇省地震局,南京 210014
2)新沂地震臺(tái),江蘇新沂 221400
地電場(chǎng)是重要的地震前兆物理場(chǎng),其觀測(cè)數(shù)據(jù)包含了自然電場(chǎng)、大地電場(chǎng)和干擾成分等。自然電場(chǎng)源于地下介質(zhì)的物理、化學(xué)過(guò)程,通常具有相對(duì)穩(wěn)定性;大地電場(chǎng)則來(lái)源于空間電流和潮汐作用。地電場(chǎng)與地磁場(chǎng)的變化有相同的場(chǎng)源,其中,地電日變化的場(chǎng)源是分布在電離層的電流體系,但地表結(jié)構(gòu)對(duì)地電場(chǎng)的影響比對(duì)地磁場(chǎng)的影響要大,因此,兩者之間應(yīng)具有類似變化(國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司,1995)。
近年來(lái),譚大誠(chéng)(2011)等對(duì)全國(guó)100多個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,獲得潮汐地電場(chǎng)特征、機(jī)理,給出了強(qiáng)震地電場(chǎng)的表現(xiàn)結(jié)果,并對(duì)產(chǎn)生的差異、機(jī)理進(jìn)行相關(guān)的研究,亦從地電場(chǎng)的場(chǎng)源分類方面對(duì)地電場(chǎng)的變化特征進(jìn)行相關(guān)研究。此外,張學(xué)民等(2007)、黃清華等(2006)也對(duì)地電場(chǎng)的潮汐變化進(jìn)行過(guò)較深入的研究,其結(jié)果表明:地電場(chǎng)的變化既與地球的變化磁場(chǎng)有關(guān),也與月球的引潮力有關(guān)。同時(shí),黃清華等(2006)對(duì)潮汐響應(yīng)呈現(xiàn)不同周期的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)總結(jié):既有半日變、日變,同時(shí)還具有半月變、半年變等活動(dòng)特征。崔騰發(fā)等(2013)對(duì)部分臺(tái)站地電場(chǎng)日變化的相關(guān)特征及頻譜成分進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明:大地電場(chǎng)日變化存在季節(jié)性,這與臺(tái)址電性結(jié)構(gòu)有關(guān),亦與經(jīng)緯度有關(guān)。地電場(chǎng)的頻譜主要是12h的半日波成分最強(qiáng),24~25h的全日波和8h周期成分次之。毛桐恩等(1999)、趙和云等(2002)、馬欽忠等(2014)對(duì)地震過(guò)程中的大地電場(chǎng)變化特征、地震對(duì)應(yīng)性和震前變化、地下電性非均勻結(jié)構(gòu)對(duì)地電場(chǎng)信號(hào)的影響、地電場(chǎng)短臨預(yù)報(bào)方法、地電場(chǎng)震前變化、地震前地電場(chǎng)的變化、電磁信號(hào)小波能譜分析等進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)了一定的震前變化及地震對(duì)應(yīng)性,并且從機(jī)理上給予一定的解釋。譚大誠(chéng)等(2013)依據(jù)地電場(chǎng)潮汐機(jī)理、波形影響因素和地區(qū)水文地質(zhì)資料等,開展了對(duì)汶川MS8.0地震前建立的西昌、天祝臺(tái)陣地電場(chǎng)的研究。通過(guò)數(shù)據(jù)的常規(guī)波形、傅里葉諧波、裂隙優(yōu)勢(shì)走向等分析計(jì)算,獲得了對(duì)西昌、天祝臺(tái)陣地電場(chǎng)特征和潮汐電信號(hào)形成過(guò)程中噪聲的初步認(rèn)識(shí);并應(yīng)用潮汐諧波振幅計(jì)算裂隙水主體滲流方向,降低了峰谷值方法的取值誤差,使客觀地逐日計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。
以上的研究結(jié)果都具有一定的代表性和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值,同時(shí)也建立了一些新的分析方法,如譜濾波分析法、頻率-時(shí)間分析法、大地電場(chǎng)方位角法、極化斜率法、垂直極化投影法、分?jǐn)?shù)維方法、小波變換法、S波分裂與大地電場(chǎng)觀測(cè)資料的綜合分析、HHT方法等。雖然將大地電場(chǎng)方位角法應(yīng)用于地電場(chǎng)資料取得過(guò)一些結(jié)果,但由于2個(gè)方位角的算法及物理意義存在一定的不同,故反映到結(jié)果上可能存在一定的差異。由于江蘇地區(qū)的地電場(chǎng)臺(tái)站所處的斷裂(帶)不同,局部臺(tái)址構(gòu)造條件、局部地形、電極埋深、測(cè)區(qū)環(huán)境等存在很大的不同,各臺(tái)的滲流方位角與極化方位角可能有較大的不同,目前尚未見相關(guān)研究的報(bào)道,因此,開展江蘇地區(qū)方位角變化特征分析等研究工作,可為江蘇區(qū)域的地電研究及應(yīng)用地電場(chǎng)資料的地震預(yù)測(cè)研究提供一定的參考。
江蘇地電臺(tái)網(wǎng)有南京臺(tái)、海安臺(tái)、新沂臺(tái)、高郵臺(tái)等4個(gè)地電臺(tái)站(圖1)。南京臺(tái)地電觀測(cè)點(diǎn)位于高淳東壩鎮(zhèn)叔村農(nóng)田保護(hù)區(qū),測(cè)區(qū)地貌屬于丘陵,測(cè)區(qū)內(nèi)分布著大小不等的多個(gè)水塘。南京臺(tái)地電阻率、深井地電阻率(背景場(chǎng))及地電場(chǎng)觀測(cè)在同一場(chǎng)地,位于茅山斷裂帶的東側(cè)斷裂——茅東斷裂帶上。海安臺(tái)地電觀測(cè)場(chǎng)地在顧莊觀測(cè)點(diǎn)(地電場(chǎng)、地電阻率),該點(diǎn)位于拼茶斷裂附近,從歷史地震情況分析,該斷裂為活動(dòng)性斷裂。新沂臺(tái)位于郯廬斷裂帶分段F1與F4之間,F(xiàn)5從EW向的西端點(diǎn)附近穿過(guò),F(xiàn)5的分支f5從EW向中間穿過(guò)。高郵臺(tái)構(gòu)造上位于蘇北-南黃海盆地內(nèi)的東臺(tái)坳陷內(nèi),距NE走向的郯廬斷裂不遠(yuǎn)(約120km),NW向的無(wú)錫-宿遷斷裂(又稱沿湖斷裂帶)貫穿臺(tái)址(江蘇省地震局,2008)。南京臺(tái)、新沂臺(tái)、高郵臺(tái)和海安臺(tái)地電場(chǎng)都采用“L”型布極方式,長(zhǎng)極距均為400m,高郵臺(tái)及海安臺(tái)的短極距為250m,新沂臺(tái)為200m,其中,南京臺(tái)第3道及第6道為100m多極距觀測(cè),無(wú)斜道觀測(cè)。江蘇地電場(chǎng)觀測(cè)裝置布設(shè)見圖2。
自2010年江蘇地電場(chǎng)臺(tái)站組建以來(lái),僅2011年4個(gè)臺(tái)站受電極穩(wěn)定性的影響較小,故本文主要采用2011年同一測(cè)向長(zhǎng)短極距數(shù)據(jù)的相關(guān)性R>0.7的磁靜日長(zhǎng)極距數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究。
圖1 江蘇省地電臺(tái)網(wǎng)分布
圖2 江蘇地電場(chǎng)觀測(cè)裝置布設(shè)示意圖
圖3為南京臺(tái)、新沂臺(tái)、高郵臺(tái)和海安臺(tái)地電場(chǎng)NS、EW長(zhǎng)測(cè)道2011年9月1日典型的靜日分鐘值曲線圖。由圖3可見:①4個(gè)臺(tái)站地電場(chǎng)EW測(cè)向的日變化形態(tài)很相似,相關(guān)系數(shù)R均大于0.9。②4個(gè)臺(tái)站NS向與EW向的日變幅各不相同,南京臺(tái)差異較大,其NS向日變幅明顯大于EW向;新沂臺(tái)是NS向略大于EW向;而高郵臺(tái)、海安臺(tái)基本接近且日變幅較小。③4個(gè)地電臺(tái)站數(shù)據(jù)存在明顯的潮汐波現(xiàn)象,呈現(xiàn)出較明顯的峰谷變化,但峰谷變化形態(tài)略有不同,南京臺(tái)、新沂臺(tái)地電場(chǎng)NS向?yàn)殡p峰單谷型,EW向?yàn)殡p峰雙谷型;高郵臺(tái)、海安臺(tái)都為雙峰雙谷型。④4個(gè)臺(tái)站不同測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)峰谷時(shí)間略有差異,這與它們所處的地理位置有關(guān)。⑤當(dāng)出現(xiàn)外空擾動(dòng)時(shí),4個(gè)地電臺(tái)站所有測(cè)向均同步記錄到相應(yīng)擾動(dòng)。
圖3 江蘇地區(qū)地電臺(tái)站第一裝置地電場(chǎng)觀測(cè)2011年9月1日靜日分鐘值
大地電場(chǎng)在很多情況下是線性極化的,是由于天電在地球內(nèi)部感應(yīng)而成的,它屬于大地電場(chǎng)的正常變化。假如有某種信號(hào)疊加到了大地電場(chǎng)的正常變化上,而且這種信號(hào)未必滿足已有的線性極化規(guī)律,那么在垂直極化方向的縱軸上地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)必然會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常變化范圍,從而可以識(shí)別出異常信號(hào)。但是得到的異常信號(hào)不一定是地震前兆信息,降雨、雷電、磁暴、電極電位的突變等都不滿足大地電場(chǎng)的規(guī)律,大地電場(chǎng)的極化方向也并不是固定不變的(阮愛國(guó)等,2000)。
地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量是重要的地球物理常量之一,目前所進(jìn)行的地電場(chǎng)觀測(cè)是按照分量測(cè)量、矢量合成的方法對(duì)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量的。
圖4為2011年南京臺(tái)、新沂臺(tái)、高郵臺(tái)、海安臺(tái)等4個(gè)地電臺(tái)站的分鐘值數(shù)據(jù)極化圖。由圖4可見,南京臺(tái)、新沂臺(tái)和高郵臺(tái)的數(shù)據(jù)均顯示一定的極化現(xiàn)象,但有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不極化現(xiàn)象;而海安臺(tái)數(shù)據(jù)較大多數(shù)顯示不極化現(xiàn)象。
在進(jìn)行地電場(chǎng)分量值測(cè)量時(shí),一般情況下,測(cè)量(磁)南北和(磁)東西2個(gè)正交分量,也可以根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)地的觀測(cè)條件,在平行和垂直于斷層走向方向進(jìn)行測(cè)量,極化方位角計(jì)算公式如下
極化方位角α表示的是ENS與合成E間的夾角;E為矢量。為了便于對(duì)比,本文所有極化方位角α為北偏東方向(圖5)。
圖4 江蘇地電臺(tái)站大地電場(chǎng)不同小時(shí)的極化強(qiáng)度
圖5 極化方位角示意圖
表1為2011年1~11月靜日各臺(tái)極化方位角變化情況,各臺(tái)采用的是地電場(chǎng)長(zhǎng)極距日均值數(shù)據(jù),計(jì)算前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除較大的突跳數(shù)據(jù)等。因2011年12月南京臺(tái)和海安臺(tái)受電極極化等問(wèn)題的干擾,數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常變化,故未參與計(jì)算。由表1可見,南京臺(tái)極化方位角5月最小,11月最大,兩者相差43°;新沂臺(tái)極化方位角1月最大,6月最小,兩者相差達(dá)75°;高郵臺(tái)極化方位角10月最大,8月最小,兩者相差44°;海安臺(tái)長(zhǎng)極距極化方位角7月最大,8月最小,相差15°左右。
依據(jù)地電場(chǎng)的潮汐機(jī)理,鄰近大水域的潮汐力作用于巖石裂隙易使裂隙水周期性滲流,產(chǎn)生周期性過(guò)濾電場(chǎng),形成雙峰單谷波形地電場(chǎng);空間電流在地表的感應(yīng)電場(chǎng)易引起裂隙水周期性滲流,進(jìn)而產(chǎn)生大地電流場(chǎng),使地表出現(xiàn)雙峰雙谷波形地電場(chǎng)。在巖石裂隙流管中,水的壓力梯度 Δp在各個(gè)方向上不同,只有沿裂隙優(yōu)勢(shì)走向的壓力梯度才最大,潮汐地電場(chǎng)峰谷值幅度大、波形穩(wěn)定的方向應(yīng)更接近裂隙水的滲流方向,即更接近巖石裂隙的優(yōu)勢(shì)走向。
因此,應(yīng)用地電場(chǎng)潮汐波幅度可計(jì)算出場(chǎng)地巖石裂隙水主體滲流方向及逐日變化,這也可能是大震前兆分析的一種新嘗試。基于潮汐地電場(chǎng)的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型,結(jié)合地電場(chǎng)觀測(cè)裝置的布設(shè),可以探測(cè)巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角等的變化(譚大誠(chéng)等,2010)。
3.3.1 各臺(tái)模型假設(shè)
根據(jù)各臺(tái)布極方位、各地主壓應(yīng)力的方向和地質(zhì)構(gòu)造建立各臺(tái)的滲流方位角模型(圖6)。
表1 2011年江蘇地電臺(tái)站極化方位角結(jié)果
圖6 江蘇地電臺(tái)站電極布設(shè)、主壓應(yīng)力走向以及滲流方位角模型
根據(jù)孫業(yè)君等(2015)對(duì)茅山斷裂帶及鄰區(qū)地震震源機(jī)制解的計(jì)算及應(yīng)力場(chǎng)反演可知,在南京臺(tái)附近,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力應(yīng)約為N73°E,這與許忠淮等(1999)、張紹治等(1989)、萬(wàn)永革(2011)、汪素云等(1993)的研究結(jié)果基本相近。因此,南京臺(tái)共軛剪切面走向分別為N118°E、N28°E。根據(jù)施煒等(2003)的研究成果,可推斷新沂臺(tái)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向應(yīng)為3°ES(即N93°E)左右,因此,新沂臺(tái)共軛剪切面走向分別為N138°E和N48°E。根據(jù)康清清等(2015)、洪德全等(2013)得到的2012年高郵-寶應(yīng)MS4.9地震的震源機(jī)制解可知,其主壓應(yīng)力應(yīng)為N110°E左右,這與陳強(qiáng)(2009)對(duì)高郵凹陷西部地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其對(duì)構(gòu)造的控制作用的研究結(jié)果基本一致,因此,高郵臺(tái)共軛剪切面走向分別為N65°E、N155°E。根據(jù)王章青等(2012)對(duì)蘇北盆地海安凹陷現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及構(gòu)造樣式的研究可知,在海安臺(tái)附近,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力應(yīng)為N70°E左右,這與許忠淮等(1999)、張紹治等(1989)、萬(wàn)永革(2011)、汪素云等(1993)的研究結(jié)果基本相近。因此,其共軛剪切面走向分別為N115°E、N25°E。
綜上所述,根據(jù)滲流理論,地電場(chǎng)靜日最大日變幅的方向可能為滲流方向,對(duì)于新沂臺(tái)其順序?yàn)椋篘S向、EW向和NE向;南京臺(tái)為EW和NS向;海安和高郵臺(tái)為NS長(zhǎng)極距、EW長(zhǎng)極距和NE向長(zhǎng)極距,而日變幅為標(biāo)量。結(jié)合各臺(tái)站的布極形態(tài),并將各臺(tái)α方位角統(tǒng)一歸到N偏E方向做出假設(shè)模型,得到各臺(tái)最有可能的方位角為:南京臺(tái)N118°E、新沂臺(tái)N138°E、高郵臺(tái)N65°E、海安臺(tái)N25°E。
3.3.2 滲流方位角的計(jì)算方法
新沂臺(tái)、南京臺(tái)滲流方位角計(jì)算公式如下
高郵臺(tái)、海安臺(tái)滲流方位角計(jì)算公式如下
式中,α為北偏東角度,也是巖石裂隙的大致走向;ANS、AEW為地電場(chǎng)NS、EW向觀測(cè)數(shù)據(jù)的潮汐諧波值;n為階數(shù),表示各臺(tái)的優(yōu)勢(shì)周期個(gè)數(shù),通過(guò)傅里葉變化可得到,一般n計(jì)算到6階即可。
(1)靜日諧波振幅計(jì)算結(jié)果
本文采用2011年1月1日~11月30日的觀測(cè)數(shù)據(jù),用諧波振幅方法計(jì)算的結(jié)果表明(表2):南京臺(tái)長(zhǎng)極距滲流方位角為N94°E~N102°E,均值為N99.5°E;新沂臺(tái)為N127°E~N140°E,均值為N136.1°E;高郵臺(tái)為N55°E~N69°E,均值為N66.2°E;海安臺(tái)為N28°E~N52°E,均值為N36°E。
(2)峰谷值計(jì)算結(jié)果
用峰谷值法計(jì)算2011年1月1日~11月30日的觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)果表明(表3):南京臺(tái)長(zhǎng)極距滲流方位角為N95°E~N110°E,均值為N102.4°E;新沂臺(tái)為N138°E~N154°E,均值為N143.8°E;高郵臺(tái)為N47°E~N68°E,均值為N61.1°E;海安臺(tái)為N26°E~N49°E,均值為N34.7°E。
以上結(jié)果表明,用靜日諧波振幅法與用峰谷值法計(jì)算所得結(jié)果基本相似,由此可以看出該滲流方位角是真實(shí)可靠的。
3.3.3 理論模型與實(shí)際的差異
從以上模型可知各臺(tái)最有可能的方位角:南京臺(tái)N118°E、新沂臺(tái)N138°E、高郵臺(tái)N65°E、海安臺(tái)N25°E。由2011年1~11月各臺(tái)極化方位角、靜日峰谷值方位角和諧波振幅方位角可見:南京臺(tái)極化方位角為N偏9°E~90°,均值為34°,與模型相差84°;峰谷峰值方位角為N95°E~N110°E,均值為N102.4°E,與模型相差15.6°;諧波振幅方位角為N94°E~N102°E,均值為N99.5°E,與模型相差18.5°,但諧波振幅方位角總體較為穩(wěn)定,而結(jié)果與模型相差較大,可能與場(chǎng)地起伏偏大(超過(guò)數(shù)米)有關(guān)。
新沂臺(tái)極化方位角為N偏145°E~230°,均值為194°,與模型相差56°;諧波振幅方位角為N127°E~N140°E,均值為N136.1°E,與模型相差1.9°;峰谷值方位角為N138°E~N154°E,均值為N143.8°E,與模型相差5.8°,總體上與模型相近。
表2 2011年1~11月份各臺(tái)諧波振幅方位角
表3 2011年1~11月份各臺(tái)峰谷值方位角
高郵臺(tái)極化方位角為N偏48°E~90°,均值為74°,與模型相差9°;諧波振幅方位角為N55°E~N69°E,均值為N66.2°E,與模型相差2.8°;峰谷值方位角為N47°E~N68°E,均值為N61.1°E,與模型相差3.9°,總體上與模型相近。
海安臺(tái)極化方位角為N偏16°E~24°,均值為18°,與模型相差7°;諧波振幅方位角為N28°E~N52°E,均值為N36°E,與模型相差11°;峰谷值方位角為N26°E~N49°E,均值為N34.7°E,與模型相差9.7°,后2種方位角基本接近。但方位角擺動(dòng)較大,這可能與場(chǎng)地覆蓋層較厚(超過(guò)1000m)、場(chǎng)地平坦、地下水位較高、雨季降雨及其滯后影響等因素的作用有關(guān)。
利用峰谷值法與諧波振幅法對(duì)高郵地震臺(tái)2012年5~7月的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行滲流方位角計(jì)算,結(jié)果見圖7。
圖7 2012年5~7月滲流方位角與高郵-寶應(yīng)MS4.9地震間的關(guān)系
由圖7可見,不論是利用峰谷值法還是諧波振幅法計(jì)算出來(lái)的滲流方位角,在2012年6月19日之前其變化變幅都較穩(wěn)定,在此之后變化幅度增大,在7月19日更是有較大幅度的向下突變,在7月20日發(fā)生高郵-寶應(yīng)MS4.9地震后,滲流方位角變化幅度又整體變小,趨于穩(wěn)定。峰谷值方位角和諧波振幅方位角與此次地震具有一定的映震關(guān)系,這可為地震預(yù)測(cè)研究提供一種新的可能。
本文利用南京臺(tái)、新沂臺(tái)、高郵臺(tái)、海安臺(tái)2011年全年長(zhǎng)極距地電場(chǎng)日值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到如下結(jié)論:
(1)由于極化方位角存在線性極化和非線性極化2種形式,對(duì)于不同的臺(tái)站,這2種形式出現(xiàn)的頻次不同。新沂臺(tái)和南京臺(tái)由于覆蓋層較淺,極化方位角存在線性極化和較非線性極化現(xiàn)象;而高郵臺(tái)和海安臺(tái)由于覆蓋層較厚,極化方位角多數(shù)顯示非線性極化的現(xiàn)象。
(2)結(jié)合各臺(tái)的電極布設(shè)方位、各地主壓應(yīng)力的方向以及地質(zhì)構(gòu)造建立模型,估算出4個(gè)臺(tái)站的方位角。用峰谷值法及諧波振幅法計(jì)算的滲流方位角,兩者相差不大,滲流方位角與模型的差距較??;而極化方位角與模型差距較大,這是由于極化方位角受降雨、雷電、磁暴、電極極化等的影響較大。總體來(lái)說(shuō),滲流方位角比極化方位角的可靠性高。
(3)通過(guò)對(duì)高郵臺(tái)地電場(chǎng)方位角與高郵-寶應(yīng)MS4.9地震的映震分析可以看出:峰谷值方位角和諧波振幅方位角與地震間具有一定的映震關(guān)系,而其余3個(gè)臺(tái)未出現(xiàn)明顯的對(duì)應(yīng)性,可能與此次地震震級(jí)偏小和震中距偏遠(yuǎn)有關(guān)。另外,該方法是否具有普遍性,有待進(jìn)一步進(jìn)行映震研究。
由于江蘇地區(qū)的地電場(chǎng)臺(tái)站所處的斷裂(帶)不同,局部臺(tái)址構(gòu)造條件、局部地形、電極埋深、測(cè)區(qū)環(huán)境等存在很大的不同,各臺(tái)的滲流方位角與極化方位角亦有較大的不同,因此,開展江蘇及鄰區(qū)方位角變化特征分析等研究工作,對(duì)江蘇區(qū)域的地電研究及應(yīng)用地電場(chǎng)資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究具有一定的參考意義。