華北、東北地區(qū)地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角分析

張國(guó)苓 任印國(guó) 喬子云 賈立峰 羅 娜

1）中國(guó)石家莊050021 河北省地震局

2）中國(guó)石家莊050000 河北省水文勘測(cè)研究中心

0 引言

20 世紀(jì)中葉，Chapman 提出，地電場(chǎng)由大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)組成（孫正江等，1984）。1970 年以后，希臘、法國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家把地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到地震、火山監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中。Varotsos 等（1984）提出VAN 法并用于地震預(yù)測(cè)研究。我國(guó)在“九五”和“十五”期間開(kāi)始大規(guī)模、規(guī)范化地開(kāi)展電場(chǎng)觀測(cè)，迄今已建成由近120 個(gè)地電臺(tái)組成的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。應(yīng)用地電場(chǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)展了較多地震預(yù)測(cè)方法研究，如極化方位計(jì)算法（毛桐恩等，1999）、垂直極化強(qiáng)度投影法（阮?lèi)?ài)國(guó)等，2000）、常規(guī)波形分析法（錢(qián)復(fù)業(yè)等，2005）、VAN 法（馬欽忠等，2008）、長(zhǎng)短極距比值法（田山等，2009）、頻譜分析法（范瑩瑩等，2010）、優(yōu)勢(shì)方位角法（譚大誠(chéng)等，2013）等。

隨著對(duì)大地電場(chǎng)物理解析的深入研究，探索出自然電場(chǎng)、大地電場(chǎng)初步分離原理（譚大誠(chéng)等，2012），并逐步發(fā)展出大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角分析方法（譚大誠(chéng)等，2011，2014，2019）。大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角分析方法物理意義明確，可用來(lái)提取弱幅度異常變化，在2017—2020 年年度地震會(huì)商中得到了應(yīng)用，所涉震例有：2008 年汶川MS8.0 地震、2013 年岷縣—漳縣MS6.7 地震、2014 年魯?shù)镸S6.5 地震、2016 年12 月新疆呼圖壁MS6.2 地震分布、2017 年精河MS6.6 地震、2017 年四川九寨溝MS7.0 地震、2019 年張掖MS5.0 地震。以上震例主要分布在我國(guó)西部地區(qū)。

地電暴和雷電等干擾在地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)上表現(xiàn)為脈沖擾動(dòng)，高壓直流輸電干擾表現(xiàn)為臺(tái)階變化。辛建村等（2017）和張波等（2020）認(rèn)為，這些常見(jiàn)地電場(chǎng)干擾對(duì)優(yōu)勢(shì)方位角的影響不明顯。

收集整理了2000 年以來(lái)華北、東北地區(qū)20 余個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的分鐘值數(shù)據(jù)，利用地電場(chǎng)潮汐波巖體裂隙水（電荷）流動(dòng)模型計(jì)算臺(tái)站的大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角，結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)變動(dòng)、高壓直流輸電干擾等因素，分析其抗干擾能力，跟蹤不同地區(qū)的裂隙結(jié)構(gòu)變化，總結(jié)中強(qiáng)地震前異常特征，為華北、東北地區(qū)震情跟蹤提供依據(jù)。

1 華北、東北地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)

華北、東北地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜。區(qū)域?yàn)閺埐车卣饚?、河北平原帶、山西地震帶、郯廬斷裂帶的地震活動(dòng)較強(qiáng)。2000 以來(lái)發(fā)生過(guò)多次5 級(jí)以上地震，其中9 次地震震中300 km 范圍為分布2 個(gè)以上地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站（圖1，圖2）。

圖1 東北地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站、震中分布及地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)程Fig.1 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in Northeast China

圖2 華北地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站、震中分布及地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)程Fig.2 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in North China

華北地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)始于2001 年，之后陸續(xù)建立近20 多個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站，其中大多數(shù)臺(tái)站于2007 年以后建設(shè)。該區(qū)臺(tái)站分布比較密集，而5 級(jí)以上地震較少。東北地區(qū)臺(tái)站分布比較稀疏，大部分建于2007 年以后。該區(qū)5 級(jí)以上地震較多，且深源地震多發(fā)于吉林琿春和黑龍江林口地區(qū)。

2 優(yōu)勢(shì)方位角計(jì)算方法

2.1 計(jì)算原理

當(dāng)?shù)仉妶?chǎng)NS、NW 測(cè)向之間相關(guān)性較高時(shí)，大地電場(chǎng)ET優(yōu)勢(shì)方位角α（北偏東）計(jì)算公式（譚大誠(chéng)等，2014）為

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS 測(cè)向第i階潮汐諧波振幅。Ai的計(jì)算方法為對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)序列y（t時(shí)間序列總數(shù)n），數(shù)學(xué)上可表示成

其中ai、bi計(jì)算公式為

則Ai為

2.2 計(jì)算過(guò)程

（1）數(shù)據(jù)選取。取全天24 小時(shí)分鐘值數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)源于數(shù)據(jù)庫(kù)原始或預(yù)處理數(shù)據(jù)），對(duì)于個(gè)別缺測(cè)點(diǎn)，用其前或后的可靠數(shù)據(jù)填補(bǔ)。若同一天缺數(shù)（含直線(xiàn)數(shù)據(jù)）累積超過(guò)100 min，則取消當(dāng)天數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算。

（2）不同方位間相關(guān)系數(shù)計(jì)算。根據(jù)選取的長(zhǎng)或短極距數(shù)據(jù)，計(jì)算不同方位數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)。

（3）潮汐諧波振幅計(jì)算。對(duì)不同測(cè)向數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取周期為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h 的諧波并計(jì)算其振幅和。

（4）優(yōu)勢(shì)方位角計(jì)算。一般選取相關(guān)系數(shù)最大的2 個(gè)方位?；诔毕C波振幅和，計(jì)算地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角。

3 地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角抗干擾能力分析

地電暴和雷電等干擾在地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)上表現(xiàn)為脈沖擾動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，脈沖擾動(dòng)對(duì)優(yōu)勢(shì)方位角影響較小。高壓直流輸電對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾主要是換流站接地極的回流干擾，對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)形態(tài)具有明顯影響，但是對(duì)大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角的影響不明顯（張波等，2020）。辛建村等（2017）認(rèn)為，當(dāng)干擾幅度不大于地電場(chǎng)日變化峰值時(shí)，優(yōu)勢(shì)方位角基本不受干擾影響；當(dāng)干擾幅度較大時(shí)，優(yōu)勢(shì)方位角當(dāng)天會(huì)受到影響，但第二天以后所受影響不明顯。通過(guò)跟蹤近年來(lái)地電場(chǎng)方位角數(shù)據(jù)，認(rèn)為在運(yùn)行高壓線(xiàn)路干擾時(shí)間不固定、不連續(xù)，對(duì)優(yōu)勢(shì)方位角的影響不明顯，但是試運(yùn)行階段的高壓直流線(xiàn)路，連續(xù)漏電天數(shù)較多，換流站附近臺(tái)站的地電場(chǎng)日變數(shù)據(jù)和方位角均會(huì)受到明顯影響。2020 年2 月1 日—6 日鄭哈高壓直流線(xiàn)路試運(yùn)行，位于換流站附近的洛陽(yáng)、周口、菏澤、肥鄉(xiāng)臺(tái)等臺(tái)站的地電場(chǎng)日變波形出現(xiàn)方波形態(tài)（圖3），原雙峰雙谷的日變形態(tài)基本消失，優(yōu)勢(shì)方位角出現(xiàn)同步偏轉(zhuǎn)變化（圖4），而線(xiàn)路兩側(cè)距換流站較遠(yuǎn)的臺(tái)站受影響較小。

圖3 瓜州、菏澤、洛陽(yáng)、肥鄉(xiāng)臺(tái)地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)Fig.3 Diurnal variation of telluric field observations at Guazhou,Heze,Luoyang,and Feixiang stations

圖4 瓜州、菏澤、洛陽(yáng)、周口、肥鄉(xiāng)臺(tái)分布及方位角變化Fig.4 The telluric field rock cracks at Guazhou,Heze,Luoyang,Zhoukou,and Feixiang stations

2020 年4 月19 日—30 日扎青線(xiàn)連續(xù)多天漏電，造成山東無(wú)棣大山、天津徐莊子、河北興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)出現(xiàn)臺(tái)階變化，優(yōu)勢(shì)方位角偏轉(zhuǎn)（圖5），但各臺(tái)與換流站的距離不同，臺(tái)站布設(shè)方位不同，各臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角受影響程度有差異。更換電極及外線(xiàn)路也可能使得日變波形出現(xiàn)臺(tái)階。臨汾臺(tái)在2020 年4 月3 日更換電極后，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階，優(yōu)勢(shì)方位角減小25°。安丘臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)2020 年9 月21 日—22 日更換外線(xiàn)路，短極距部分時(shí)段缺數(shù)，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階變化，優(yōu)勢(shì)方位角偏轉(zhuǎn)20°（圖6）。裝置變動(dòng)導(dǎo)致地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及優(yōu)勢(shì)方位角出現(xiàn)明顯變化的原因復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。

圖5 2020 年無(wú)棣大山、徐莊子、興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)及優(yōu)勢(shì)方位角Fig.5 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Wudi,Xuzhuangzi,and Xingji stations,2020

圖6 臨汾和安丘臺(tái)地電場(chǎng)日變曲線(xiàn)及方位角Fig.6 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Linfen and Anqiu stations

4 典型震例分析

2013 年1 月23 日遼寧遼陽(yáng)燈塔發(fā)生MS5.1 地震，震中附近300 km 范圍內(nèi)分布新城子、義縣、四平3 個(gè)地震臺(tái)。義縣臺(tái)（震中距約158 km）α自2012 年10 月底從約45°躍變至近88°，11 月底至12 月初短時(shí)復(fù)原，12 月中旬后基本在88°至-2°間跳變。新城子臺(tái)（震中距約66 km）α在2012 年8 月中間值出現(xiàn)約15°下降偏轉(zhuǎn)，12 月初跳變?cè)黾又良s45°，震后基本穩(wěn)定（圖7）。

圖7 2012—2013 年義縣、新城子臺(tái)地電場(chǎng)方位角變化Fig.7 The telluric field and rock cracks at Yixian and Xinchengzi stations from 2012 to 2013

2018 年5 月28 日吉林松原發(fā)生MS5.7 地震。望奎臺(tái)（震中距約225 km）在2018 年2月中旬至3 月中旬，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，并且α跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線(xiàn)。肇東臺(tái)（震中距約124 km）在2017 年10 月開(kāi)始出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)和收窄變化（圖8）。

圖8 2017—2018 年肇東、望奎臺(tái)地電場(chǎng)方位角變化Fig.8 The telluric field and rock cracks at Zhaodong and Wangkui stations from 2017 to 2018

2013年10月31日吉林前郭發(fā)生MS5.7震群。吉林四平臺(tái)（震中距約158 km）在2013年9月，α中間值逐步從10°左右上升至近55°，偏轉(zhuǎn)45°。黑龍江肇東臺(tái)（震中距約209 km）在10 月，α中間值逐步從45°左右下降至近0°，且跳變范圍明顯收窄。望奎臺(tái)（震中距約282 km）在2013 年3 月，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，且跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線(xiàn)（圖9）。

圖9 2012—2013 年四平、肇東、江望奎臺(tái)地電場(chǎng)方位角變化Fig.9 The telluric field and rock cracks at Siping,Zhaodong,and Wangkui stations from 2012 to 2013

2020 年7 月12 日唐山古冶發(fā)生MS5.1 地震。延慶臺(tái)（震中距約226 km）方位角2019 年11 月下旬至2020 年4 月中旬具有跳變范圍收窄、偏轉(zhuǎn)異常，與天津?qū)氎媾_(tái)（震中距約80 km）的異常有準(zhǔn)同步現(xiàn)象，構(gòu)成區(qū)域異常（圖10）。

圖10 2019—2020 年延慶、寶坻臺(tái)地電場(chǎng)方位角變化Fig.10 The telluric field and rock cracks at Yanqing and Baodi stations from 2019 to 2020

對(duì)于華北、東北地區(qū)5級(jí)以上地震，地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角具有較好的異常變化特征（表1）。基于此，可總結(jié)得出華北、東北地區(qū)5 級(jí)以上地震異常判據(jù)和預(yù)測(cè)指標(biāo)。

表1 華北東北地區(qū)5 級(jí)地震前地電場(chǎng)方位角變化分析Table 1 The variation of telluric feild and rock cracks before MS ≥5 earthquakes in Northeast and North China

（1）異常判據(jù)。異常判據(jù)為任一場(chǎng)地的大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角α?xí)谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨機(jī)跳變，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)（約300 km）或同一條斷裂帶附近，多個(gè)場(chǎng)地的大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角α的隨機(jī)跳變范圍、或跳變的中間值發(fā)生準(zhǔn)同步顯著改變，并且持續(xù)至少1 周時(shí)，可判定α變化異常。

（2）預(yù)測(cè)指標(biāo)為：①發(fā)震時(shí)間，異常出現(xiàn)后6 個(gè)月內(nèi)發(fā)震幾率高；②發(fā)震地點(diǎn)，臺(tái)站附近300 km 以?xún)?nèi)，通常，α出現(xiàn)約45°偏轉(zhuǎn)和收窄變化的場(chǎng)地更靠近震中；③發(fā)震強(qiáng)度，5 級(jí)以上。

5 結(jié)論

當(dāng)?shù)仉娕_(tái)站位于高壓直流線(xiàn)路換流站周邊時(shí)，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)受影響較大。在高壓直流供電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，地電觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階形態(tài)。當(dāng)同一高壓直流輸電線(xiàn)路漏電僅一天或者不連續(xù)的幾天時(shí)，換流站附近臺(tái)站地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角表現(xiàn)為個(gè)別突跳。當(dāng)同一高壓輸電線(xiàn)路連續(xù)多天漏電時(shí)，地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角明顯偏轉(zhuǎn)，換流站越近，影響越大。

華北、東北地區(qū)5 級(jí)以上淺源地震發(fā)生前，震中300 km 范圍內(nèi)地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角出現(xiàn)顯著中短期異常，多為45°偏轉(zhuǎn)或者收窄變化。優(yōu)勢(shì)方位角震前偏轉(zhuǎn)45°的場(chǎng)地巖體可能發(fā)生了共軛剪裂，收窄變化則說(shuō)明場(chǎng)地裂隙由發(fā)育階段轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)大階段，裂隙長(zhǎng)度增大、連通性增強(qiáng)、排列逐漸有序。根據(jù)以往研究，巖石裂隙會(huì)隨深度增加而閉合，20—30 km深度的巖石裂隙率相對(duì)大，50 km 深度以下巖石裂隙率顯著下降（錢(qián)家棟等，1985）。大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位方法對(duì)淺源地震有較好的響應(yīng)，對(duì)深源地震基本無(wú)反映，這種現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角可能與巖石裂隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。

感謝甘肅省地震局譚大誠(chéng)研究員在本項(xiàng)工作開(kāi)展過(guò)程中提供幫助。