四川地區(qū)大氣靜電場的地震信息研究

邱桂蘭 卜俊偉 靳小兵

1）中國成都 610041 四川省地震局

2）中國成都 610071 四川省氣象局

0 引言

孕震期間，地殼內(nèi)部由地質(zhì)活動引起的壓電、動電等多種效應(yīng)可激發(fā)電磁輻射，進而產(chǎn)生靜電場異常變化（郝建國，2001；Ozaki et al，2009；馬伽洛倫等，2014；李一丁等，2017），這已被國內(nèi)外中強地震觀測研究結(jié)果所證實。20世紀90年代，我國先后在北京白家疃、延慶及天津?qū)氎?，河北北戴河、邯鄲、文安及山西大同等地開展了大氣電場觀測（郝建國等，1988），并開始對大氣靜電場與地震間的關(guān)系進行研究，結(jié)果顯示，在近場較大地震前可以觀測到非常明顯的大氣靜電場負異?，F(xiàn)象（郝建國等，1998）。2008年 以來，在我國氣象部門用于雷電預(yù)警等服務(wù)的大氣靜電場觀測中發(fā)現(xiàn)，2008年汶川MS8.0、2017年云南漾濞MS5.1、2017年四川九寨溝MS7.0、2019年宜賓長寧MS6.0等MS≥5.0地震前，大氣靜電場均出現(xiàn)了明顯的異常變化（Jin et al，2020），且這些變化已作為一種臨震異常引起了地震、氣象專家的關(guān)注。對于大氣靜電場地震前兆異常，郝建國（1998）認為大氣電場出現(xiàn)的負異?，F(xiàn)象明顯區(qū)別于天電干擾，且形態(tài)突出，即為連續(xù)較長時間的負電場異常變化；異常幅度較大，異常持續(xù)時間從數(shù)小時至十余小時不等，有時甚至連續(xù)二三天一直出現(xiàn)，震前一段時間內(nèi)可多次出現(xiàn)。李一丁等（2017）、Jin等（2020）認為，在汶川MS8.0地震前觀測到的是大氣靜電場正異常變化，在2017年漾濞MS5.1地震前觀測到的是孕震區(qū)內(nèi)大氣電位梯度呈普遍降低趨勢。本文基于四川氣象雷電監(jiān)測的大氣靜電場資料，對MS≥5.0地震前的異常信息進行研究，旨在探索大氣靜電場對地震預(yù)測預(yù)報的意義。

1 概述

四川省氣象局的雷電定位網(wǎng)由24個大氣靜電場觀測站組成，覆蓋四川的大部分區(qū)域，尤其是川東南地區(qū)（圖1），可有效監(jiān)測雷電。各觀測站點均位于標準氣象地面觀測場地內(nèi)，電磁環(huán)境滿足氣象探測要求，大氣靜電觀測儀置于距地面 1.5 m高處。觀測儀器為中國科學(xué)院電工研究所研制的DF系列大氣靜電觀測儀、大氣電位梯度觀測儀。電位梯度量程為±50 kV/m；工頻為0—0.3 Hz；精確度為0.01 kV/m；采樣頻率為1 s。雷電監(jiān)測采用 VLF 頻段，探測效率＞80%；定位精度＜1 km；時差＜1 s。

圖1 四川大氣電場觀測臺站、2014—2019年四川及鄰區(qū)MS≥5.0地震震中的分布Fig.1 Distribution map of Sichuan atmospheric electric field observation station and earthquakes with MS≥5.0 in Sichuan and its adjacent areas from 2014 to 2019

2 觀測原理

大氣電場測量的是大氣靜電場垂直分量。根據(jù)靜電學(xué)基本原理，震源區(qū)產(chǎn)生的孕震電場強度可用下式表達

式中，Q為點電荷電荷量；r為點電荷與大氣電場測量點位間的距離；ε為空氣介電常數(shù)，在大氣中基本處于各向同性，變化不大；d為形成電場的正負電荷間距離。

當空間有N個點電荷Q1，Q2，…，QN時，大氣電場表達式為

式中，E為帶電云團與大地之間在大氣電場儀附近產(chǎn)生的局部大氣垂直靜電場強度。由于云內(nèi)電荷分布無法探測，在實際應(yīng)用中是把帶電云團內(nèi)N個電荷視為單個體電荷，即式（1）可以代表2個電荷之間大氣電場。

電場強度，也稱大氣電位梯度。根據(jù)全球電路定義，大氣電場與大氣電位梯度符號相反，電位梯度在介質(zhì)中傳播衰減規(guī)律由電荷量、傳播距離和傳播路徑上不同介質(zhì)介電常數(shù)所決定，靜電具有受環(huán)境電磁干擾小、穿透力強的頻率特征。

3 大氣電位梯度雜波抑制

3.1 晴天大氣電位梯度雜波識別及抑制

研究表明，大氣靜電場強度一般小于-1 kV/m或大于1 kV/m，波形特征為小幅波動，波形為近光滑曲線。季節(jié)變化、日變化、太陽輻射等引起的周期性變化及探測環(huán)境的微弱改變也會引起大氣靜電場強在-50—50 V/m范圍內(nèi)變化，波形接近光滑曲線，但波動幅度小于晴天大氣，波動周期大于晴天大氣。因此，將測試基準值設(shè)置為-10—10 V/m，這可以有效抑制部分晴天大氣和周期性變化引起的大氣電位梯度變化，并濾除部分觀測環(huán)境引起的變化。

3.2 雷電對電位梯度的影響

雷電對電位梯度干擾較強，而孕震期動電、壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的大氣電位梯度異常變化較弱，雖然經(jīng)過地—空耦合正向電位梯度放大效應(yīng)，但雷電還是會干擾大氣電場，引起電位梯度發(fā)生異常變化（圖2）。云地閃直接傳導(dǎo)到地下，不受地—空耦合逆向衰減的影響，可對地下電位梯度產(chǎn)生強干擾，且比對大氣電位梯度的干擾更復(fù)雜（張亮等，2016；于建立等，2015）。因此，無論是從地下電位梯度，還是從大氣電位梯度提取地震靜電前兆異常時，均應(yīng)重點考慮雷電的影響。

圖2 2014年7月2日康定雷電天氣大氣靜電場秒值Fig.2 Second sampled curve of the atmospheric electrostatic field in Kangding lightning weather on July 2,2014

3.3 雷電或帶電云團對大氣電位梯度影響的識別和排除

對于雷電或帶電云團對大氣電位梯度產(chǎn)生的強烈干擾，可用雷電定位網(wǎng)資料對雷電進行定位，進而推算出其對大氣電位梯度的影響（靳小兵等，2011，2013）。當雷電與大氣電位梯度儀間的距離減小或帶電云團接近大氣電位梯度儀時，大氣電位梯度會隨距離的接近而呈抖動增大。根據(jù)雷電定位數(shù)據(jù)，當?shù)孛娲髿怆娢惶荻葟姸却笥?.0 kV/m或小于-2.0 kV/m時，將會在距離20 km處產(chǎn)生空氣介質(zhì)擊穿而形成閃電。從晴天大氣電場強度增大到放電需要5—77 min，而末次放電后大氣電場恢復(fù)到晴天變化規(guī)律所需時間也大于30 min（高菊霞等，2015；柴瑞等，2009；劉暢等，2016）。將T＞77 min、E=2 kV/m、r=10 km 作為判別是否發(fā)生雷電的時間、場強和距離基準值。以距大氣電位梯度儀10 km處閃電在大氣電位梯度造成2 kV/m靜電位梯度強E10為基準，在不考慮電荷量變化的基礎(chǔ)上，根據(jù)庫侖定律可得

由式（3）可見，r對E0影響最大，在距離為r處靜電場強Er為

由式（4）計算所得結(jié)果見表1。

表1 不同距離雷電引起的場強Table 1 Field strength caused by lightning at different distances

由表1可見，雷電引起的近地面大氣電位梯度隨距離增加衰減較快，當距離為30 km時衰減近96%，即使電荷量變化較大，電位梯度值仍處于晴天大氣正常波動范圍內(nèi)。將發(fā)生雷電的時間閾值和場強指標分別延長，時域T延長至120 min，場強指標定位E30＞0.074 kV/m，可有效排除雷電對電位梯度的干擾，距離r處Er識別指標按式（4）訂正。

以上分析表明，排除雷電干擾后，在電場儀周圍30 km范圍內(nèi)如果發(fā)生超過晴天大氣場正常波動的異常變化，應(yīng)尋找地震孕震期動電或壓電產(chǎn)生干擾的原因。如果小于30 km范圍內(nèi)有雷電活動，即便電場出現(xiàn)異常變化，也應(yīng)視為雷電活動產(chǎn)生的電磁場影響，需按式（5）進行排除。

4 地震信息識別及特征分析

4.1 資料來源

從中國地震臺網(wǎng)正式測定的2014—2019年四川及鄰近地區(qū)MS≥5.0地震目錄中，選取16次地震（不含余震）作為研究對象（圖1、表2）。大氣靜電場和雷電監(jiān)測網(wǎng)資料來自2014—2019年四川省氣象局數(shù)據(jù)庫。

4.2 地震前兆信息識別

（1）干擾排除法。由于大氣中閃電及伴隨的強降水、高云量、高風(fēng)速、低能見度等可對大氣電位梯度造成強烈干擾，因此采用晴天標準排除這些強天氣因子變化所產(chǎn)生的干擾；在排除雷電天氣現(xiàn)象和晴天大氣波動后，如果無人為干擾而大氣電位梯度仍出現(xiàn)異常變化，將考慮是由孕震區(qū)內(nèi)地質(zhì)活動動電、壓電等效應(yīng)引起的地震前兆靜電異常。

（2）趨勢分析法。對觀測資料中原始觀測曲線形態(tài)與年度變化規(guī)律進行對比分析，在年變規(guī)律正常、無任何干擾的情況下，通過短期出現(xiàn)的不符合年變規(guī)律的異常變化來識別異常。

4.3 地震前兆信息特征

雷電對大地電場的干擾主要表現(xiàn)為大幅震蕩（朱培育等，2019）。對大氣靜電場而言，其日均值高值異常變化大多伴有雷電發(fā)生；日均值低值異常變化，有的伴有雷電發(fā)生，有的無雷電發(fā)生。

日均值低值突跳。2014—2019年，四川地區(qū)共發(fā)生16次MS≥5.0地震，其中，8次地震前基于雷電監(jiān)測的大氣靜電場日均值有低值異常變化（表2），且均表現(xiàn)為低值突跳（圖3）。

圖3 大氣靜電場日均值低值異常變化（a）鹽源氣象臺；（b）馬爾康氣象臺；（c）成都光華村氣象臺橢圓虛線為無干擾異常變化；長方形虛線為雷電干擾Fig.3 Abnormal variation of the daily mean low value of atmospheric electrostatic field

日均值異常變化形態(tài)多樣性。研究顯示，不同氣象觀測臺站，受大氣運動、太陽輻射、外環(huán)境等干擾因素的影響不同，其靜電場變化規(guī)律亦不同。各觀測臺點的大氣靜電場日均值一般在不同范圍內(nèi)呈規(guī)律性變化。圖4為四川納溪氣象臺、康定氣象臺、宜賓氣象臺2014年大氣靜電場日均值圖。由圖4可見，2014年11月22日四川康定MS6.3、2015年 1月14日四川樂山MS5.0地震前，大氣電場有明顯的不規(guī)則“U”“V”“W”型異常變化。以上異常變化均是在排除雷電等干擾因素的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，可能是地震前兆信息。

圖4 大氣靜電場日均值異常變化形態(tài)（a）納溪氣象臺；（b）康定氣象臺；（c）宜賓氣象臺Fig.4 Abnormal variation pattern of the daily mean of atmospheric electrostatic field

大氣靜電場日均值低值異常與未來MS≥5.0地震間存在相關(guān)性。表2顯示，大氣靜電場日均值低值異常出現(xiàn)后114天時間范圍內(nèi)r=eM空間孕震范圍有可能發(fā)生MS≥5.0地震。其中，第10—19天，發(fā)震概率為33%；第2—9天，發(fā)震概率為17%。

表2 2014—2019年四川及鄰區(qū)MS≥5.0地震（不含余震）及大氣靜電場異常情況統(tǒng)計Table 2 Statistics of MS≥ 5.0 earthquakes (excluding aftershocks) and atmospheric electrostatic field anomalies in Sichuan and its adjacent areas from 2014 to 2019

由以上研究可見，基于雷電監(jiān)測的大氣靜電場觀測資料，在排除雷電等干擾的情況下，可在一定程度上監(jiān)測到地震前兆異常信息。

4.4 異常機理分析

以上研究顯示，與地震前兆相關(guān)的大氣靜電場異常大多為負值變化，分析其原因有以下4個方面：

（1）大氣電場強度的大小和方向主要取決于大氣電位的分布。大氣中某點處大氣電場強度的大小等于該點大氣電位梯度值，其方向則與大氣電位梯度方向相反。

（2）觀測表明，晴天大氣中始終存在方向垂直向下的大氣電場，這就意味著大氣相對于大地帶正電荷，而大地帶負電荷。在晴天大氣情況下，大氣電場強度為正，這常作為擾動天氣條件下大氣電學(xué)量的基準。

（3）雷暴天氣情況下，雷電產(chǎn)生的強大閃電電流可導(dǎo)致靜電場的變化。在雷電產(chǎn)生云地閃電及云體下方地物、植物等尖端放電等過程中所形成的閃電電流和尖端放電電流，將增加大氣和大地所攜帶的異性電荷，從而引起大氣電場強度大幅度變化。此時，大氣相對于大地即是帶負電荷，而大地帶正電荷。

（4）大氣靜電場觀測中的異常變化與雷電、降水、云帶電、風(fēng)速、氣溶膠濃度變化、太空輻射、太陽輻射、濕度、溫度、電場日變化等諸多因素有關(guān)，可采用晴天標準排除這些強天氣因子的干擾；在排除雷電天氣現(xiàn)象和晴天大氣波動后，如果無人為干擾而大氣電位梯度仍出現(xiàn)異常變化，可考慮是由孕震區(qū)內(nèi)地質(zhì)活動動電、壓電等效應(yīng)引起的地震前兆靜電異常。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

大氣靜電場的變化，與震源區(qū)的電學(xué)性質(zhì)、孕震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、傳播途徑、臺站位置等因素有關(guān)。不同的氣象觀測臺站受干擾因素的影響不同，其變化規(guī)律亦不同。

排除雷電等干擾后，研究時段內(nèi)四川地區(qū)50%的MS≥5.0地震前，大氣電場觀測日均值存在低值異常變化。異常變化形態(tài)呈多樣性，較突出的形態(tài)有“W”“V”“U”型等。

大氣靜電場日均值低值異常變化與未來MS≥5.0地震間存在相關(guān)性。一般情況下，異常出現(xiàn)后114天時間范圍內(nèi)r=eM空間范圍發(fā)生MS≥5.0地震的可能性較大，其中，第10—19天，發(fā)震概率為33%；第2—9天，發(fā)震概率為17%。

基于雷電監(jiān)測的大氣靜電場觀測資料，在排除雷電等干擾的情況下，可用于地震監(jiān)測預(yù)報。

5.2 討論

（1）基于雷電監(jiān)測的大氣電場觀測資料，在資源共享的基礎(chǔ)上，為更好服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)報，如何利用地震行業(yè)標準對氣象行業(yè)資料進行地震預(yù)報效能評估，值得深入探究。

（2）已有研究顯示，從形態(tài)上看，雷電對大氣靜電場資料的干擾與地震前兆信息有一定的相似之處。如何有效排除雷電干擾獲取地震前兆異常信息，值得深入研究。

（3）對四川地區(qū)雷電資料的研究顯示，四川地區(qū)平均每年雷電次數(shù)達5萬多，全年的雷暴日數(shù)達到285天左右，平均每10天中有8天是雷電天氣。雷電干擾將是大氣靜電場觀測用于地震監(jiān)測預(yù)報的主要干擾之一。如何有效消除此干擾，是十分重要的科學(xué)問題，應(yīng)高度重視。