基于大地電場巖體裂隙水滲流模型的地震前兆異常特征研究

張志宏 李夢瑩 焦明若 黃明威 孫慶山 孔祥瑞

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034

20世紀70年代，希臘、法國、日本等國家將地電場應用到地震等自然災害的監(jiān)測預警領域，國內(nèi)地電場用于地震預測預報研究也有快速發(fā)展[1-4]，但研究方法大多有局限性，如對機理的解釋不足或在復雜噪音信號干擾下不易辨識震前信號等。因此，黃清華等[5]提出將大地電場和自然電場分離研究的物理解析方法；譚大誠等[6-8]提出基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型，并應用模型計算出場地巖體裂隙水的主滲流方位，得到一個地區(qū)的背景滲流方位，以此觀測地震前后優(yōu)勢方位的變化特征；而辛建村等[9]模擬加入脈沖、電阻率觀測人工供電、地電等典型干擾后發(fā)現(xiàn)，在干擾幅度小于觀測臺日變波峰值時，方位角α的計算結果基本不受影響。

基于此，本文利用地電場潮汐波建立巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型，基于遼寧地區(qū)大地電場觀測數(shù)據(jù)，研究典型干擾對巖體裂隙電荷移動的影響程度，并提取2013年遼寧燈塔MS5.1地震前后巖體裂隙電荷移動異常的時、空、強特征，探索和討論異常產(chǎn)生的機理。

1 遼寧地區(qū)大地電場波形特征及場地巖石裂隙優(yōu)勢走向分析

大地電場ET日變源于電離層Sq電流和潮汐力[10-11]，根據(jù)大地電場ET日變波形，大地電場可以分為24 h持續(xù)的TGF-A型和時間選擇形態(tài)的TGF-B型兩種類型。近年研究表明，TGF-A型主要受日、月潮汐的影響，而TGF-B型是地球電離層Sq電流的作用。TGF-B型相對穩(wěn)定的潮汐波是大地電場日變化主要的波形特征，前10階諧波的周期為23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h及2.4 h，場地地質(zhì)構造決定了日變波形的形態(tài)，且形態(tài)穩(wěn)定[6-7]。因此，為了判定遼寧地區(qū)大地電場的波形形態(tài)，本文僅計算2019-06-01遼寧新城子、義縣和阜新3個臺站NS向ET分鐘值和前10階諧波振幅譜值。如圖1(a)所示，3個臺站的觀測數(shù)據(jù)波形均為TGF-B型，且波形的波峰、波谷起止時間基本一致，可以明顯地觀測到最大波谷時間選擇在12 h左右，對應臺站前10階的諧波振幅逐漸減小(圖1(b) )。

圖1 2019-06-01阜新、新城子和義縣臺地電場的波形和前10階振幅譜Fig.1 The waveform and the first 10 order amplitude spectrum of the geoelectric field at Fuxin, Xinchengzi and Yixian stations on June 1, 2019

利用3個臺站2019-06-01的數(shù)據(jù)計算其波形相關性，表1為3個臺站不同方向之間的諧波相關性系數(shù)K1均值統(tǒng)計，06-02和06-03各臺的相關性與表1基本一致。依據(jù)大地電場潮汐機理學說[6]，TGF-B型潮汐地電場主要是空間Sq電流在地面的反映，其受到地下巖體裂隙、滲透率及含水度等因素影響較大。表1說明同一臺站不同方向之間巖體裂隙發(fā)育程度不一致。

表1 2019-06-01遼寧不同方向地電場K1均值統(tǒng)計

假設觀測場地巖體為3層水平均勻介質(zhì)，上層電阻率為ρ1，厚度為h1；滲流層的電阻率為ρ2，厚度為h2；下層介質(zhì)不導電。在地面觀測到的電場強度關系式中，系數(shù)C與巖體含水度、裂隙度、礦化度等因素有關，v為水中電荷滲流速度[12]，則大地電場強度計算公式如下：

(1)

根據(jù)式(1)計算遼寧地區(qū)3個大地電場的電場強度E，結果表明，同一臺站不同方向之間的地電場潮汐波峰谷值差異較大，新城子臺NS、NE和EW向峰谷值接近；義縣臺NS和NE向峰谷值相差不多，與EW向相差較大；阜新臺NS和NW向峰谷值相差較小，與EW向差距較大(表2)。

表2 2019-06-01遼寧地電場潮汐波峰谷值

在地電場的觀測數(shù)據(jù)中，ESP為自然電場，ET為大地電場，Er為干擾成分，則地電場E可以表示為：

E=ESP+ET+Er

(2)

設地電場觀測分鐘值數(shù)據(jù)為Ei，日均值計算自然電場ESP的表達式可簡化為：

(3)

利用式(3)能夠基本消除大地電場ET和干擾成分Er。設第j天的自然電場為ESP(j), 則自然電場ESP的穩(wěn)定性可表示為：

ΔESP=ESP(j+1)-ESP(j)

(4)

用α表示場地巖體裂隙水電荷移動的主滲流方位，也稱為地電場ET優(yōu)勢方位[6]。當臺站地電場NS、NW向之間的相關性高時，地電場ET的優(yōu)勢方位角α(北偏東)計算公式為：

(5)

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS向第i階潮汐諧波振幅。

對于一個數(shù)據(jù)序列yt(時間序列總數(shù)為n)，數(shù)學上可表示為：

(6)

式中，ai、bi的計算公式為：

(7)

則Ai為：

(8)

依據(jù)式(5)計算新城子、義縣和阜新臺的場地巖石裂隙水主體滲流方向(見表3，單位(°))，可以看出，義縣和新城子臺3 d的巖體裂隙水的平均滲流方向相差不多，而阜新臺有較大差別。

表3 2019-06-01～06-03遼寧地電臺站 巖石裂隙水主體滲流方向

2 遼寧地區(qū)大地電場頻譜特征及潮汐波產(chǎn)生過程中的信噪比

傅里葉變換適用于穩(wěn)態(tài)信號的頻域分析，而自然界中的信號多為非穩(wěn)態(tài)信號，信號中不同頻率成分的出現(xiàn)時間無法判斷，快速傅里葉變換能夠克服這一困難。圖1(a)是對2019-06-01數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換諧波分析的結果，可以看出，前6階的諧波振幅明顯占優(yōu)，周期分別為23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h及4 h。表4為各臺站2019-06-01～06-03 NS向前10階潮汐諧波振幅之和與前100階諧波振幅之和的比值TA，可以看出，3個臺站的潮汐諧波影響的程度相差不大。

表4 2019-06-01～06-03遼寧地電場TA值

3 大地電場典型干擾對巖體裂隙優(yōu)勢方位計算結果的影響

3.1 地磁暴干擾影響

地磁暴是高速等離子體云到達地球空間后引發(fā)的最具代表性的全球空間環(huán)境擾動事件，會導致大地電場觀測波形的相位變化。地磁暴的強度可以表征太陽風暴中高速等離子體云的影響大小，其等級一般用KP指數(shù)來劃分，KP>5為強磁暴干擾。

圖2為2017-09-01～09-30新城子臺地電場NS、EW、NE三個方向的分鐘值電場強度E。由圖可知，09-08磁暴指數(shù)KP=8，09-27及09-28的KP=6，這3次磁暴期間的地電場強度受到了不同程度的影響，NS、EW向電場強度E影響的幅度最大，但新城子臺地電場在09-08磁暴期間的巖體裂隙優(yōu)勢方位角α增加幅度僅為0.5%，說明巖體裂隙優(yōu)勢方位角α受磁暴的影響較小。

圖2 新城子臺地電場裂隙優(yōu)勢方位角α 在磁暴干擾前后的數(shù)據(jù)變化特征Fig.2 Data change characteristics of the dominant azimuth α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after the magnetic storm interference

3.2 溫度、降雨干擾的影響

降雨量和溫度的驟變是地電場觀測中最常見的干擾因素。新城子臺位于遼寧中部地區(qū)，相對錦州義縣臺降雨量較大，2018-05是近年來新城子臺降雨量最大的月份，因此選取5月的降雨量數(shù)據(jù)分析Δα的變化特征。由圖3可以看出，05-22的降雨量達到14.5 mm，α變化量Δα增大了12 %；05-03、05-16降雨量為零，但Δα分別減小了約40 %和48 %；05-27～05-29新城子臺為持續(xù)降雨天氣，對比05-26的α變化量Δα有減小的趨勢。由此說明，新城子臺地電場降雨量對優(yōu)勢方位角α的影響不顯著。

圖3 新城子臺地電場裂隙優(yōu)勢方位角α 在降雨干擾前后的數(shù)據(jù)變化特征Fig.3 Data change characteristics of the dominant azimuth angle α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after rainfall interference

4 震例回溯

2013-01-23遼寧省燈塔地區(qū)(41.48°N，123.17°E)發(fā)生MS5.1地震，震源深度為7 km，遼寧大部分地區(qū)震感強烈，此次地震是繼1999年岫巖MS5.4地震后遼寧地區(qū)發(fā)生的最大地震。燈塔MS5.1地震發(fā)生在NE向營口-佟二堡斷裂北段，王巖等[13]根據(jù)地震參數(shù)計算分析認為，燈塔MS5.1地震破裂類型為走滑型，精定位結果為NE向破裂。圖4為2013年燈塔MS5.1地震前沈陽新城子臺大地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的計算結果，可以看出，2012年前11個月新城子臺巖體裂隙優(yōu)勢方位角α處于50°～70°范圍內(nèi)，2012-12-04α突變?yōu)?9.54°，保持10 d的持續(xù)突跳(間或剪裂)、偏轉、剪裂，最大突變幅度Δα約為45°。2013-01-23燈塔MS5.1地震發(fā)生在異?；謴碗A段，震中距約為67 km，當天的α為89.37°，震后2 d異?；謴汀２煌氖?，α相比震前背景值有較大幅度的減小，變化范圍在40°～50°，可能是震后區(qū)域應力場調(diào)整使得巖體結構收縮，α的背景值減小。2013年燈塔MS5.1地震后新城子臺巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的突變異常不明顯，2013-11-17～11-24出現(xiàn)了一組突跳異常，異常的幅度Δα約為20°，異常期間距離臺站295 km發(fā)生了吉林松原MS5.8震群。前兆場觀測存在同震響應，新的一組突跳異?？赡苁羌炙稍璏S5.8震群的同震響應。

圖4 燈塔MS5.1地震前后新城子臺地電場巖體裂隙 優(yōu)勢方位角α的數(shù)據(jù)變化Fig.4 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Xinchengzi station

圖5為錦州義縣臺巖體裂隙方位在燈塔MS5.1地震前后的變化曲線，義縣臺位于錦州-阜新斷裂上，歷史地震活動水平較低。由圖可知，義縣臺巖體結構發(fā)育不完全，α基本保持在45°左右。2012-01-16巖體結構出現(xiàn)剪裂，方位角α為-10.45°，01-23α變?yōu)?8.36°，后恢復背景水平，突跳異常期間臺站觀測系統(tǒng)正常，臺站所屬區(qū)域或構造單元無較大地震發(fā)生。2012-12-16α再次持續(xù)突跳(間或剪裂)、偏轉、剪裂，持續(xù)變化至2013-03-09，α突變期間距離臺站158 km處發(fā)生2013-01-23燈塔MS5.1地震，在近3個月α的突變過程中最大Δα約為45°。2013-11-10α由44.38° 突變?yōu)?5.4°，12-02恢復至44.97°，突變Δα約為40°。異常期間觀測系統(tǒng)正常，距離臺站420 km發(fā)生2013-11-22松原MS5.8震群。

圖5 燈塔MS5.1 地震前后義縣臺地電場巖體裂隙 優(yōu)勢方位角α的數(shù)據(jù)變化Fig.5 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Yixian station

因此，從新城子臺和義縣臺的α背景值、異常時間、對應地震可以看出，α的前兆短臨異?；蛲痦憫卣黠@著。

5 討 論

5.1 異常臺站水文地質(zhì)和地質(zhì)構造概況

圖6為異常臺站的空間分布，新城子臺地電場地位于依蘭-伊通斷裂沈陽段，該段處于隱伏狀態(tài)，是第四紀活動斷裂，活動時期主要在早中更新世，晚更新世以來沒有活動。義縣臺位于錦州盆地東北部，醫(yī)巫閭山西側斷裂、義縣-金嶺寺斷裂及大凌河斷裂的交會部位，歷史上中強地震活動平靜。也就是說，新城子地區(qū)巖體結構破碎，應力不易集中，巖體裂隙方位角α的角度分布區(qū)間離散，而義縣地區(qū)巖體結構發(fā)育完整，應力相對集中，巖體裂隙方位角α的角度分布區(qū)間相對集中。

圖6 遼寧義縣與新城子大地電場臺站分布Fig.6 Distribution of telluric field stations in Yixian and Xinchengzi, Liaoning

2015年新城子觀測場地深井(603 m)鉆孔取樣分析結果表明，其水文地質(zhì)結構在0～82.0 m深度處為Q3時期的灰褐色粉土及褐黃色含水度低、滲透率低的粉質(zhì)粘土，82.0～404.5 m深度處為Nq時期的含水度低的砂巖。義縣地電場區(qū)域地層上部為砂、圓礫混土(Q4)，下部為砂質(zhì)頁巖(K2s)，0.0～4.2 m深度處主要為黃褐色的含水度高的粉質(zhì)粘土，4.2～6.1 m深度處為黃褐色含水度高的細砂，9.0～240.0 m深度處主要為全風化、含水度低的砂質(zhì)頁巖。從2個臺站的水文地質(zhì)概況可以看出，新城子場地明顯比義縣場地巖體結構更加發(fā)育，因此基于大地電場巖體裂隙水滲流模型計算得到的2個異常臺站α的結果可靠。

5.2 異?？煽啃苑治?/h3>

地震孕育前兆場的形成是預測地震的重要指標，也是三大前兆學科相互配合驗證異?？煽啃缘倪^程。焦明若等[14]在震后總結震例時提出8項前兆異常，其中3項是趨勢性異常，5項是短期異常(表5)，異常主要集中在震中100 km范圍內(nèi)。震中距僅為67 km的新城子臺地電與遼陽臺水氡(震中距26.8 km)、營口臺石英擺傾斜(110 km)和鞍山臺水溫(53.8 km)等數(shù)據(jù)的異常持續(xù)時間在3個月以內(nèi)；錦州義縣臺地電(震中距158 km)與震中距較近的形變(遼陽臺伸縮、遼寧臺大面積區(qū)域水準及撫順臺伸縮)和震中距較遠的流體類(盤錦臺水氡)等測項的異常持續(xù)時間超過6個月。綜合2013年燈塔MS5.1地震前兆場的時、空特征可以看出，新城子和義縣臺地電場的異常不是孤立的異常信號，是孕震區(qū)形變、流體相互作用的電異常信號，證實了異常的客觀存在。

表5 2013年遼寧燈塔MS5.1地震前兆異常統(tǒng)計

6 結 語

1)利用地電場潮汐波建立的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型適用于遼寧地區(qū)大地電場的數(shù)據(jù)分析。

2)巖體裂隙優(yōu)勢方位角法在遼寧地區(qū)能夠得到穩(wěn)定的背景場，該方法對遼寧地區(qū)觀測場地的典型干擾具有很好的抑制作用。

3)遼寧地區(qū)大地電場優(yōu)勢方位角α前兆異常屬于中短期異常，同震響應顯著。

4)相鄰地質(zhì)構造的2個臺站準同步優(yōu)勢方位角α偏轉45°是遼寧地區(qū)中強地震的前兆異常特征。

綜上所述，通過地電場潮汐波計算場地巖體裂隙優(yōu)勢方位角α，在復雜環(huán)境條件下展開地電場地震前短臨異常跟蹤具有重要意義。

致謝：本文在撰寫過程中使用了甘肅省地震局譚大誠研究員科研團隊提供的地電分析程序，在此表示感謝。