青海瑪多MS7.4地震前后秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化

席繼樓，趙家騮，高尚華，王曉蕾，李國(guó)佑，張興，王濤

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036 2 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036 3 青海省地震局，西寧 810001

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，北京時(shí)間2021年5月22日2時(shí)4分29秒，在青海省果洛藏族自治州瑪多縣黃河鄉(xiāng)(E98.34°，N34.59°)發(fā)生了7.4級(jí)地震，震源深度為17 km(王龍等，2021).瑪多MS7.4地震是我國(guó)大陸地區(qū)繼2017年九寨溝MS7.0地震之后，也是2008年汶川MS8.0地震以來，震級(jí)最高的一次地震.

地電場(chǎng)是重要地球物理場(chǎng)之一，以地球表層的天然電場(chǎng)及其隨時(shí)間變化為主要觀測(cè)對(duì)象，以地下介質(zhì)場(chǎng)源產(chǎn)生的地電場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化過程為重要研究目標(biāo).多年來開展的理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等研究結(jié)果表明，在強(qiáng)地震活動(dòng)過程中，地電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，主要與地應(yīng)力和地應(yīng)變作用下，地下介質(zhì)的構(gòu)造斷層活動(dòng)、裂隙發(fā)育和電解質(zhì)運(yùn)移和滲流等物理過程，以及地下介質(zhì)電磁學(xué)屬性及其動(dòng)態(tài)變化等相關(guān)聯(lián)(孫正江和王華俊，1984；Huang and Ikeya，1999；Huang, 2002；錢復(fù)業(yè)和趙玉林，2005；蘇巍等，2006；黃清華和林玉峰，2010；徐志鋒和吳小平，2010；湯吉等，2010；Ren et al.，2010；張丹等，2013；譚大城等，2013，2014；Huang et al.，2015；Ren et al.，2016；王軍等，2016；席繼樓等，2018b；王宇等，2020).

21世紀(jì)以來，基于最新建設(shè)完成的數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，我國(guó)地震工作者對(duì)發(fā)生在中國(guó)大陸及周邊地區(qū)的印尼蘇門答臘MS8.7、尼泊爾博克拉MS8.1、汶川MS8.0、玉樹MS7.1、蘆山MS7.0、九寨溝MS7.0、長(zhǎng)寧MS6.0等多次中強(qiáng)以上地震前后的區(qū)域性地電場(chǎng)異常變化，開展了大量數(shù)據(jù)分析、信息識(shí)別和異常特征提取等研究工作，逐步積累了一系列非常寶貴的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及震例信息資料(張學(xué)民等，2006；湯吉等，2010；Huang, 2011；田山等，2012；馬欽忠等，2013；席繼樓等，2016a，2018a，2020).

“十二五”期間，“中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目”實(shí)施前后，部分臺(tái)站新建和改建了可觀測(cè)和存儲(chǔ)秒采樣數(shù)據(jù)的地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，主要用于在該臺(tái)站日常運(yùn)維檢測(cè)和異常變化落實(shí)過程中，能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)判和校驗(yàn)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的可靠性.研究顯示，相對(duì)于分鐘采樣地電場(chǎng)觀測(cè)，在這種基于秒采樣的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，包含更為豐富的較短周期地電場(chǎng)變化，能夠比較完整的記錄和再現(xiàn)地震活動(dòng)過程中地電場(chǎng)時(shí)變特性，并且可在較寬頻率范圍(DC～0.5 Hz)內(nèi)更精確反映地電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化信息(席繼樓等，2016b，2020).

大武地震臺(tái)是青海省地震局所屬的專業(yè)地震臺(tái)站，位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣大武鎮(zhèn)(E100.22°、N34.49°)，地處甘肅、青海和四川三省的交界地段，庫(kù)瑪斷裂帶東段北側(cè)，巴顏喀拉山和阿尼瑪卿山之間，距離瑪多MS7.4地震震中約170 km，如圖1所示.同時(shí)，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)始建于2007年，并于2013年進(jìn)行了系統(tǒng)性技術(shù)改造，是我國(guó)大陸地區(qū)第一個(gè)改造和建設(shè)完成的可以實(shí)現(xiàn)秒采樣數(shù)據(jù)觀測(cè)和存儲(chǔ)的地電場(chǎng)臺(tái)站.

本文主要針對(duì)瑪多地震前后，在大武地震臺(tái)觀測(cè)記錄的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析和信號(hào)處理方法，就其動(dòng)態(tài)變化特征及其可能的物理機(jī)制開展分析和討論，以期獲取地震活動(dòng)過程中，地電場(chǎng)的場(chǎng)源模型及其可能變化機(jī)理方面的進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí).

圖1 瑪多MS7.4地震震中位置圖1)Fig.1 The epicenter location about Madoi MS7.4 earthquake

1 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)

地電場(chǎng)觀測(cè)遵循如下基本觀測(cè)原理：即在地表選定兩個(gè)以上觀測(cè)方位，每個(gè)方位按照?qǐng)D2所示方法，布設(shè)測(cè)量電極M和N，觀測(cè)M和N電極之間的電位差ΔUMN及電極間距LMN，并按照公式(1)所示方法，計(jì)算在該測(cè)量方位的地電場(chǎng)強(qiáng)度EMN，單位記為mV·km-1.

(1)

為準(zhǔn)確分析和檢驗(yàn)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及觀測(cè)精度，檢測(cè)和識(shí)別電磁環(huán)境干擾、觀測(cè)場(chǎng)地、系統(tǒng)故障等人為因素產(chǎn)生的非天然電場(chǎng)變化，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)采用了“雙L”型測(cè)量裝置布設(shè)方式，沿著臺(tái)站圍墻的內(nèi)側(cè)布設(shè)和埋設(shè)觀測(cè)外線路，如圖3所示.其中，兩個(gè)正交測(cè)向(實(shí)線所示)約為北東(NE)和北西(NW)方位，第三測(cè)向(虛線所示)接近北南(NS)方位，每個(gè)測(cè)向均布設(shè)長(zhǎng)、短兩種極距的獨(dú)立裝置，長(zhǎng)極距裝置用下標(biāo)L表示、短極距裝置用下標(biāo)S表示，共組合成為6組獨(dú)立的測(cè)道(ch0～ch5).

圖2 地電場(chǎng)觀測(cè)基本原理示意圖Fig.2 The basic principle of geoelectric field observation

圖3 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig.3 The layout method of the geoelectric field observation system at Dawu seismic station

圖3所示的大武地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)中，測(cè)量電極采用Pb-PbCl2固體不極化電極，電極之間100%濃度鹽水電位差不大于1.0 mV，地下埋設(shè)深度不小于3 m.測(cè)量外線路采用高絕緣、高防腐性能的鎧裝多芯銅電纜，地下埋設(shè)深度不小于0.5 m.觀測(cè)儀器采用新型網(wǎng)絡(luò)化地電場(chǎng)觀測(cè)儀器“ZD9A-2B地電場(chǎng)儀”，配置6個(gè)高精度數(shù)據(jù)采集通道，依次與圖3所示ch0～ch5測(cè)道配接，主要技術(shù)性能包括：①測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于(0.1%讀數(shù)+0.02%滿度)；②測(cè)量分辨力優(yōu)于10 μV；③頻帶范圍覆蓋DC～0.1 Hz；④測(cè)量范圍≥±1000.00 mV；⑤動(dòng)態(tài)范圍≥100 dB；⑥工頻共模抑制比≥150 dB；⑦工頻串模抑制比≥100 dB；⑧最大電源功率損耗≤5 W；⑨工作環(huán)境溫度范圍-30～40 ℃(實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)試試驗(yàn)).

由于秒采樣地電場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)量比較大，為了全面反映該地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化全過程，圖4給出了2020年1月—2021年8月期間，大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的日均值曲線和日標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(以NES、NWS、NSS三個(gè)測(cè)道為例).其中，圖4a、圖4b和圖4c分別為三個(gè)測(cè)向短極距測(cè)道的日均值曲線，圖4d、圖4e和圖4f分別為對(duì)應(yīng)測(cè)道的日標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線.從圖4可以看到，在2020年4月至2021年8月期間，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了比較顯著性的異常變化.

圖4 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析曲線(2020-01-01—2021-08-22)(a) NES日均值； (b) NWS日均值； (c) NSS日均值； (d) NES標(biāo)準(zhǔn)偏差； (e) NWS標(biāo)準(zhǔn)偏差； (f) NSS標(biāo)準(zhǔn)偏差.Fig.4 Statistical analysis curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (from Jan 1, 2020 to Aug 22, 2021)(a) NES daily mean; (b) NWS daily mean; (c) NSS daily mean; (d) NES standard deviation; (e) NWS standard deviation; (f) NSS standard deviation.

2 地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序分析

2.1 時(shí)序分析方法

一般來說，地表觀測(cè)的地電場(chǎng)變化主要可分為三類：第一類，信號(hào)源與地電場(chǎng)臺(tái)站的直線距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)區(qū)觀測(cè)裝置系統(tǒng)的幾何尺寸，該地電場(chǎng)變化可視為“遠(yuǎn)源”場(chǎng)，具有較強(qiáng)的均勻性變化特征，如外空源產(chǎn)生的地電日變化、地電暴等背景變化；第二類，信號(hào)源與地電場(chǎng)臺(tái)站的直線距離比較接近測(cè)區(qū)觀測(cè)裝置系統(tǒng)的幾何尺寸，該地電場(chǎng)變化可視為“近源”場(chǎng)，具有一定的非均勻性和局部性特征，如近場(chǎng)地電磁環(huán)境干擾變化；第三類，當(dāng)信號(hào)源與地電場(chǎng)臺(tái)站的距離介于“遠(yuǎn)源”和“近源”之間時(shí)，如果該地電場(chǎng)的時(shí)空變化無明顯局部性特征，則可近似視為“準(zhǔn)遠(yuǎn)源”場(chǎng).

分析和研究顯示，與地震活動(dòng)性有關(guān)的地電場(chǎng)變化，由于其信號(hào)源距離觀測(cè)臺(tái)站的距離比測(cè)區(qū)尺寸大得多，一般具有“遠(yuǎn)源”場(chǎng)或“準(zhǔn)遠(yuǎn)源”場(chǎng)變化特征(馬欽忠，2008；馬欽忠等，2011).具體表現(xiàn)在，在圖3中所標(biāo)示各測(cè)道記錄到的地電場(chǎng)變化動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)具有較強(qiáng)同步性，且同測(cè)向的不同測(cè)道地電場(chǎng)變化具有較強(qiáng)的一致性，或近似一致性.

本文主要依據(jù)上述理論研究結(jié)果，以及地電場(chǎng)場(chǎng)源特性的分析和識(shí)別方法，基于圖4所示的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)資料，對(duì)大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化特征及可能變化機(jī)理，進(jìn)行分析和討論.

2.2 震前動(dòng)態(tài)變化

通過逐日查閱大武地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)的工作日志記錄，在排除雷電、磁暴和磁擾等空間因素、降雨等氣象因素、電磁環(huán)境干擾因素、以及觀測(cè)系統(tǒng)故障等影響的情況下，瑪多MS7.4地震之前大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)異常變化主要表現(xiàn)為單向階躍變化和雙向擾動(dòng)變化.

2.2.1 階躍變化

階躍變化是典型的地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化之一，在多次大地震之前有過記錄(馬欽忠，2008；馬欽忠等，2011；席繼樓等，2016a，2018a，2020).圖4所示瑪多地震前后的多發(fā)性地電場(chǎng)階躍變化，其時(shí)序變化過程具有一定的顯著性.

為進(jìn)一步分析和討論該階躍變化的客觀性和可靠性，首先對(duì)大武地震臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及臺(tái)站工作日志等資料，進(jìn)行了逐日分析和核準(zhǔn)，明確了圖4中各大幅度階躍變化的發(fā)生時(shí)間，以及電磁環(huán)境干擾、氣象因素以及場(chǎng)地因素等相關(guān)信息，如表1所示.在此基礎(chǔ)上，主要選取具有代表性的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，如圖5—7所示，對(duì)這種階躍變化的時(shí)序特征進(jìn)行量化分析.

圖5為2020年11月16日秒采樣地電場(chǎng)日變化曲線，即圖4所示多發(fā)性大幅度階躍變化之一.從圖5可以看到，在該階躍變化的前后，均有一個(gè)相對(duì)緩慢的過渡性變化過程，同時(shí)伴隨著小幅度的擾動(dòng)變化，其變化特征主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①各測(cè)道的該地電場(chǎng)變化，具有較強(qiáng)的同步性和相關(guān)性；②同測(cè)向、不同測(cè)道地電場(chǎng)躍變幅度有一定的差別，比值約為0.3～0.5左右.

圖6為2020年11月12日地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變化曲線，其中在正常背景變化曲線之上，疊加了一段小幅度階躍變化，持續(xù)時(shí)間約8 h.該階躍變化的基本特征為：①各測(cè)道的該地電場(chǎng)變化，具有較強(qiáng)的同步性和相關(guān)性；②同測(cè)向、不同測(cè)道地電場(chǎng)變化幅度基本一致.

圖7為2020年6月28日地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變化曲線，其中在正常的背景變化曲線之上，短時(shí)間疊加了一段小幅度的階躍變化，持續(xù)時(shí)間約40 min，其基本特征與圖6所示的階躍變化基本相似.

圖5 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)大幅度階躍變化曲線(2020-11-16)(a) NEL日變化； (b) NWL日變化； (c) NSL日變化； (d) NES日變化； (e) NWS日變化； (f) NSS日變化.Fig.5 Large amplitude step change curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (Nov 16, 2020)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

圖6 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)小幅度階躍變化曲線(2020-11-12)(a) NEL日變化； (b) NWL日變化； (c) NSL日變化； (d) NES日變化； (e) NWS日變化； (f) NSS日變化.Fig.6 Small amplitude step change curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (Nov 12, 2020)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

圖7 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)疊加性脈沖變化曲線(2020-06-28)(a) NEL日變化；(b) NWL日變化；(c) NSL日變化；(d) NES日變化；(e) NWS日變化；(f) NSS日變化.Fig.7 Superimposed pulse variation curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (Jun 28, 2020)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

依據(jù)大武地震臺(tái)的工作日志記載，2020年10月10日—2021年1月31日期間，臺(tái)站內(nèi)部曾實(shí)施過打鉆作業(yè)兩處，該打鉆作業(yè)位置在B2電極附近，距離東圍墻直線距離約15 m左右，計(jì)劃在此開展鉆孔傾斜觀測(cè)，如表1所示.由于在該時(shí)段的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，未發(fā)現(xiàn)局部性或頻發(fā)性干擾變化，初步分析認(rèn)為，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的這種顯著性階躍變化，與臺(tái)站內(nèi)部實(shí)施的打鉆作業(yè)過程無明確關(guān)聯(lián)性.

表1 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)大幅度階躍變化的影響因素調(diào)查Table 1 Investigation on influencing factors about large step changes of the geoelectric field at Dawu seismic station

綜合分析顯示，圖5、圖6和圖7所示的階躍變化過程，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是該變化均具有單向性和變化同步性，以及比較典型的“遠(yuǎn)源”場(chǎng)或“準(zhǔn)遠(yuǎn)源”場(chǎng)變化特性.其波形特征主要表現(xiàn)為：在正常背景變化基礎(chǔ)上，不定期向某一個(gè)方向突然增大，并且在持續(xù)一段時(shí)間以后瞬間減小，隨后逐步恢復(fù)平穩(wěn).分析認(rèn)為，這種單向階躍變化，可能與較強(qiáng)地應(yīng)力和地應(yīng)變持續(xù)作用下，地下流體運(yùn)移過程和滲透作用的突發(fā)性變化有關(guān).

2.2.2 擾動(dòng)變化

擾動(dòng)變化也是瑪多MS4.7地震前出現(xiàn)的比較典型地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化.從2020年6月份開始，在大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)中，不定期疊加了如圖8所示的較高頻率突發(fā)性擾動(dòng)變化，該變化的出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間段以及變化幅度均具有一定不確定性.但總體來看，各個(gè)測(cè)道地電場(chǎng)變化同步性，以及同測(cè)向、不同測(cè)道地電場(chǎng)變化一致性均比較強(qiáng)，變化幅度與當(dāng)天日變化幅度大約在同一數(shù)量級(jí)，且與電磁環(huán)境、場(chǎng)地條件及氣象變化等影響因素?zé)o直接關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的“遠(yuǎn)源”場(chǎng)變化特性.

另外，從2021年5月2日開始，各測(cè)道同步出現(xiàn)如圖9所示另一類擾動(dòng)變化，其主要變化特征為：①變化過程持續(xù)性，2021年5月2日至5月24日期間，該擾動(dòng)性變化一直存在，中間未曾間斷過；②脈沖寬度漸變性，由最大約200多秒漸變至約2 s左右；③正反交替性，正反兩個(gè)方向脈沖變化交替出現(xiàn)；④變化間隔漸變性，每一組正反向脈沖變化的時(shí)間間隔，經(jīng)歷了由最大約710 s左右到最小約270 s漸變過程；⑤擾動(dòng)變化同步性，各個(gè)測(cè)道擾動(dòng)變化具有較強(qiáng)同步性，且每個(gè)測(cè)道的正反向脈沖幅度基本保持穩(wěn)定.

針對(duì)圖9b所示NWL測(cè)道與其他測(cè)道的變化不一致現(xiàn)象，2021年5月8日至5月9日期間，大武地震臺(tái)對(duì)觀測(cè)外線路進(jìn)行了全面檢查，并且將連接“ZD9A-2B地電場(chǎng)儀”長(zhǎng)、短極距測(cè)道的信號(hào)線進(jìn)行互換測(cè)試，以檢測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)可能存在的相關(guān)問題.測(cè)試結(jié)果顯示，圖9b所示的變化差異性與觀測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)無關(guān).通過對(duì)臺(tái)站周邊的環(huán)境因素的仔細(xì)考察，由于A1電極附近的地形地貌比較復(fù)雜(斜坡、斷崖式陡坎等)，目前尚不排除由此產(chǎn)生的可能影響.

綜合分析圖8和圖9所示地電場(chǎng)擾動(dòng)變化，其共同特點(diǎn)為同步性、相關(guān)性和雙向性，各測(cè)道地電場(chǎng)數(shù)據(jù)均在正反兩個(gè)方向同步出現(xiàn)交替性或非交替性的脈沖變化.其中，每一組脈沖變化均表現(xiàn)為突然增大，并在持續(xù)一段時(shí)間以后瞬間截止和快速恢復(fù)，基本特征與圖7所示的小幅度階躍變化比較類似.分析認(rèn)為，這種雙向擾動(dòng)變化，可能與較強(qiáng)地應(yīng)力和地應(yīng)變的持續(xù)作用下，地下流體運(yùn)移過程和滲透作用的震顫性變化有關(guān).

2.3 同震變化

2021年5月22日瑪多MS7.4地震發(fā)震期間，在大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)了圖10所示的同震變化，基本特征為：各個(gè)測(cè)道的地電場(chǎng)變化具有較好的同步性，但變化形態(tài)略具差異性，同測(cè)向、各測(cè)道數(shù)據(jù)變化的峰值時(shí)刻、峰峰值大小等特性也不盡相同.由于大武地震臺(tái)的“ZD9A-2B地電場(chǎng)儀”觀測(cè)不到大于1 Hz及以上較高頻率地電場(chǎng)變化，圖10所示各測(cè)道變化形態(tài)的差異性，可能與高頻信號(hào)欠采樣產(chǎn)生的頻率混疊效應(yīng)有關(guān).

圖8 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)高頻擾動(dòng)變化曲線(2020-09-06)(a) NEL日變化； (b) NWL日變化； (c) NSL日變化； (d) NES日變化； (e) NWS日變化； (f) NSS日變化.Fig.8 High frequency disturbance variation curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (Sep 6, 2020)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

圖9 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)持續(xù)性擾動(dòng)變化曲線(2021-05-03)(a) NEL日變化； (b) NWL日變化； (c) NSL日變化； (d) NES日變化； (e) NWS日變化；(f) NSS日變化.Fig.9 Continuous disturbance variation curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (May 3, 2021)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

圖10 大武地震臺(tái)秒采樣地電場(chǎng)同震變化曲線(2021-05-22)(a) NEL同震變化； (b) NWL同震變化； (c) NSL同震變化； (d) NES同震變化； (e) NWS同震變化； (f) NSS同震變化.Fig.10 Co-seismic variation curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (May 22, 2021)(a) NEL co-seismic variation; (b) NWL co-seismic variation; (c) NSL co-seismic variation; (d) NES co-seismic variation; (e) NWS co-seismic variation; (f) NSS co-seismic variation.

圖11 大武地震臺(tái)秒采樣地電(磁)場(chǎng)同震變化對(duì)比分析曲線(a) N地震波形； (b) E地震波形； (c) Z地震波形； (d) H地磁場(chǎng)變化； (e) Z地磁場(chǎng)變化； (f) D地磁場(chǎng)變化； (g) 合成地電場(chǎng)變化.Fig.11 Co-seismic variation comparative analysis curve of second sampling geoelectric (magnetic) field data at Dawu seismic station(a) N seismic waveform; (b) E seismic waveform; (c) Z seismic waveform; (d) H geomagnetic field variation; (e) Z geomagnetic field variation; (f) D geomagnetic field variation; (g) Synthetic geoelectric field variation.

圖12 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)典型震后變化曲線(2021-08-08)(a) NEL日變化； (b) NWL日變化； (c) NSL日變化； (d) NES日變化； (e) NWS日變化； (f) NSS日變化.Fig.12 Typical post-earthquake variation curve of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (Aug 8, 2021)(a) NEL daily variation; (b) NWL daily variation; (c) NSL daily variation; (d) NES daily variation; (e) NWS daily variation; (f) NSS daily variation.

圖13 大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣數(shù)據(jù)變化功率譜密度(2020-01-01—2021-08-22)(a) NEL功率譜密度； (b) NWL功率譜密度； (c) NSL功率譜密度； (d) NES功率譜密度； (e) NWS功率譜密度； (f) NSS功率譜密度.Fig.13 Power spectral density of second sampling geoelectric field data at Dawu seismic station (from Jan 1, 2020 to Aug 22, 2021)(a) NEL power spectral density; (b) NWL power spectral density; (c) NSL power spectral density; (d) NES power spectral density; (e) NWS power spectral density; (f) NSS power spectral density.

為進(jìn)一步分析圖10所示地電場(chǎng)同震變化的基本特性，首先對(duì)該同震變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了矢量合成(以NES和NWS兩個(gè)正交測(cè)道為例)，計(jì)算結(jié)果如圖11g所示.與此同時(shí)，仔細(xì)分析和核對(duì)大武地震臺(tái)“GM4磁通門磁力儀”記錄的地磁場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，截取了相關(guān)時(shí)間段的H、Z、D三個(gè)分量的相對(duì)地磁變化，如圖11d—f所示.特別是，專門提取了大武地震臺(tái)“CTS-1E寬頻帶地震計(jì)”記錄到的瑪多地震的波形信息(1 Hz抽樣)，如圖11a—c所示.

在圖11中，為完整呈現(xiàn)和分析地電場(chǎng)的同震變化，分別截取了瑪多MS7.4主震前后的500 s測(cè)震、地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)資料.其中，GM4磁通門磁力儀和CTS-1E寬頻帶地震計(jì)的時(shí)間信息，已經(jīng)利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)進(jìn)行授時(shí)，與世界時(shí)(Greenwich Mean Time，GMT)自動(dòng)同步；ZD9A-2B地電場(chǎng)儀的時(shí)間信息，則利用地電場(chǎng)變化與地磁場(chǎng)變化的時(shí)序相關(guān)性，按照GM4磁通門磁力儀時(shí)間信息進(jìn)行了校對(duì)和同步.

對(duì)比分析圖11所示的同震變化曲線，其基本特征為：①地電場(chǎng)變化和地磁場(chǎng)變化具有較強(qiáng)的時(shí)序相關(guān)性；②地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)的主要變化過程與直達(dá)橫波(Sg波)基本同步；③與直達(dá)縱波(Pg波)相關(guān)的地電場(chǎng)變化幅度比較微弱；④地電(磁)場(chǎng)變化尾波衰減均比較快，未識(shí)別到與面波相關(guān)的變化過程.

由于圖11顯示的地電(磁)場(chǎng)變化形態(tài)與地震波形具有較大差異，分析認(rèn)為，圖10所示該頻段(DC～0.5 Hz)地電場(chǎng)的同震變化，主要與強(qiáng)震動(dòng)過程中，在橫波(S波)作用下，臺(tái)站及周邊地區(qū)地下流體振蕩性運(yùn)移及滲流作用有關(guān)，與地表介質(zhì)的彈性振動(dòng)過程的關(guān)聯(lián)性不是太大.

2.4 震后變化

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2021年8月13日12時(shí)21分35秒，在青海省果洛州瑪多縣(E97.54°，N34.58°)又發(fā)生了一次MS5.8地震，震源深度8 km，距離瑪多MS7.4地震震中的直線距離約73 km，如圖1所示.由于兩次地震的可能關(guān)聯(lián)性，在這里特別對(duì)大武地震臺(tái)2021年5月份至8月份的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了補(bǔ)充分析和討論.

逐日分析結(jié)果顯示，在瑪多MS7.4地震的震后時(shí)間段，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要經(jīng)歷了如下變化過程：①2021年5月22日瑪多MS7.4地震主震過后，圖9所示持續(xù)性擾動(dòng)變化于2021年5月24日開始大幅度減小，并在5月27日之后基本恢復(fù)平穩(wěn)；②在2021年5月27日—7月15日期間，在排除降雨、雷電、磁暴和磁擾等影響因素的情況下，該地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)明顯異常變化；③從2021年7月16日開始，該地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)中，又一次不定期出現(xiàn)多種形態(tài)的突發(fā)性脈沖變化和擾動(dòng)變化；④從2021年7月26日開始，該地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中再次出現(xiàn)如圖9所示持續(xù)性擾動(dòng)變化過程；⑤2021年8月7以后，在持續(xù)性擾動(dòng)變化波形中，每天不定期疊加了如圖12所示的較高頻率、較大幅度的隨機(jī)性擾動(dòng)變化.

從上述分析結(jié)果可以看到，在2021年8月13日發(fā)生的瑪多MS5.8地震前后，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了與瑪多MS7.4地震前后比較類似的動(dòng)態(tài)變化過程，顯示了在該發(fā)震區(qū)域的不同地震前后，地電場(chǎng)的異常特征及演化過程可能具有的重現(xiàn)性.

3 地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析

結(jié)合前面的時(shí)序分析結(jié)果，基于開源計(jì)算機(jī)編程軟件Numerical Python的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)數(shù)字信號(hào)處理算法，對(duì)大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日頻譜分析.同時(shí)，利用周期圖方法，對(duì)每一天的不大于1小時(shí)周期的地電場(chǎng)功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)進(jìn)行計(jì)算、分析和討論.

主要分析過程如下：①針對(duì)每一天的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，以7200 s周期長(zhǎng)度加漢寧窗(Hanning)函數(shù)；②采用單邊快速傅里葉變換(FFT)算法，分段計(jì)算加窗函數(shù)之后的地電場(chǎng)離散傅里葉變化數(shù)據(jù)(Discrete Fourier Transform，DFT)，并進(jìn)一步計(jì)算其功率譜密度(PSD)；③將每天加窗函數(shù)以后分段得到的多組功率譜密度，逐頻點(diǎn)計(jì)算其算術(shù)平均值；④將計(jì)算得到的功率譜密度(PSD)數(shù)值換算為分貝值(dB)表示；⑤利用Matplotlib Python繪圖函數(shù)，針對(duì)上述分析和計(jì)算結(jié)果，繪制地電場(chǎng)功率譜密度的時(shí)頻圖像.

圖13為2020年1月1日至2021年8月22日(橫坐標(biāo)每段標(biāo)識(shí)的間隔時(shí)間為四個(gè)月)期間，大武地震臺(tái)地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)功率譜密度計(jì)算結(jié)果，頻率范圍約為0.0002～0.5 Hz(對(duì)數(shù)坐標(biāo)).其中，2020年4月8日—5月30日期間數(shù)據(jù)空缺(未及時(shí)收集)，為了繪圖方便，用2020年4月7日數(shù)據(jù)進(jìn)行填充.

分析圖13所示地電場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)，其基本變化特征為：①各測(cè)道的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜密度計(jì)算結(jié)果，具有較強(qiáng)一致性；②從2020年4月份開始，地電場(chǎng)功率譜密度較之前逐步抬升，最高可達(dá)50～60 dB左右，并經(jīng)歷了“抬升-回落-平穩(wěn)-再抬升”變化過程，該變化過程與時(shí)間序列分析結(jié)果基本對(duì)應(yīng)；③從瑪多MS7.4地震發(fā)生之后，至瑪多MS5.8地震發(fā)生之前，地電場(chǎng)功率譜密度再一次經(jīng)歷了“(抬升)-回落-平穩(wěn)-再抬升”的變化過程，該變化過程與瑪多MS7.4地震之前的變化過程基本類似.

從上述功率譜密度的變化特征可以看到，在瑪多MS7.4地震前后，大武地震臺(tái)秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程，在“時(shí)間域”和“頻率域”分析結(jié)果具有比較強(qiáng)的一致性，進(jìn)一步檢驗(yàn)了該地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的客觀性和可靠性.與此同時(shí)，圖13所示的分析結(jié)果，也從“頻率域”再一次佐證，在該發(fā)震區(qū)域的不同地震前后，地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征及演化過程可能具有的重現(xiàn)性.

4 結(jié)論與討論

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)，本文利用傳統(tǒng)的時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)分析方法和FFT信號(hào)處理方法，從“時(shí)間域”和“頻率域”兩個(gè)方面，對(duì)瑪多MS7.4地震前后，距離震中約170 km的青海省果洛州大武地震臺(tái)記錄到的秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的基本特征，進(jìn)行了多方面的分析和討論.

研究結(jié)果顯示：(1)瑪多地震前后，大武地震臺(tái)記錄到了比較典型的地電場(chǎng)震前異常變化和同震變化，該變化過程在不同的觀測(cè)裝置下，具有較強(qiáng)的同步性和相關(guān)性；(2)在瑪多地震發(fā)生之前，大武地震臺(tái)的地電場(chǎng)異常變化，主要表現(xiàn)為不定期交叉和交疊出現(xiàn)的單向階躍變化和雙向擾動(dòng)變化，其中雙向擾動(dòng)變化延續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間段，并在不同階段，表現(xiàn)為突發(fā)性或持續(xù)性變化特征；(3)瑪多地震的地電場(chǎng)同震變化，其主要變化過程與橫波(S波)相關(guān)，而與縱波(P波)相關(guān)的變化幅度比較微弱，未識(shí)別到與面波相關(guān)的波形記錄；(4)在瑪多地震前后，大武地震臺(tái)的秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程，在“時(shí)間域”和“頻率域”具有較強(qiáng)一致性.

綜合分析認(rèn)為，在排除電磁暴、雷電等空間電磁信號(hào)變化的情況下，在瑪多MS7.4地震前后，大武地震臺(tái)秒采樣(DC～0.5 Hz頻段)地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程，主要與較強(qiáng)地應(yīng)力和地應(yīng)變作用下，地下流體在構(gòu)造斷層、孔隙及裂隙中的運(yùn)移過程和滲流作用的突發(fā)性、振蕩性和震顫性變化有關(guān).其中：①單向階躍變化，可能與大區(qū)域較強(qiáng)應(yīng)力和地應(yīng)變持續(xù)作用下，地下流體的突發(fā)性變化有關(guān)，并且該突發(fā)性變化可能不定期源自震源構(gòu)造體、以及臺(tái)站及周邊區(qū)域構(gòu)造斷層帶，從而產(chǎn)生“遠(yuǎn)源”或“準(zhǔn)遠(yuǎn)源”地電場(chǎng)階躍變化；②雙向擾動(dòng)變化，可能與裂隙發(fā)育過程、以及非震構(gòu)造斷層帶的蠕滑過程中，地下流體震顫性變化有關(guān)，該震顫性變化可能源自震源構(gòu)造體、以及震源臨近區(qū)域的斷層構(gòu)造帶等，從而產(chǎn)生“遠(yuǎn)源”或“準(zhǔn)遠(yuǎn)源”地電場(chǎng)擾動(dòng)性變化；③地電場(chǎng)同震變化則主要與橫波(S波)到達(dá)臺(tái)站及周邊區(qū)域時(shí)，該區(qū)域的地下流體在構(gòu)造斷層及孔隙、裂隙中的振蕩性變化過程有關(guān).

青海省大武地震臺(tái)位于庫(kù)瑪斷裂帶東段北側(cè)，巴顏喀拉山和阿尼瑪卿山之間，與瑪多MS7.4地震的發(fā)震構(gòu)造(昆侖山口—江錯(cuò)斷裂)，同屬于巴顏喀拉塊體邊界構(gòu)造帶.由于這種地理位置和地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，瑪多地震活動(dòng)過程中，在較強(qiáng)地應(yīng)力和地應(yīng)變作用下，地下流體在發(fā)震構(gòu)造體和臺(tái)站周邊構(gòu)造斷層中發(fā)生運(yùn)移和滲流的可能性均比較大，可以較好的支持上述分析和討論過程及結(jié)論.特別是，當(dāng)?shù)叵铝黧w在臺(tái)站周邊所在構(gòu)造斷層中突發(fā)性運(yùn)移和滲流時(shí)，由此產(chǎn)生的地電場(chǎng)變化過程，在高導(dǎo)介質(zhì)的近距離傳播時(shí)，由地面記錄到的相關(guān)動(dòng)態(tài)變化可能具有一定的顯著性.從這個(gè)角度來看，本文所討論的瑪多MS7.4地震前后，大武地震臺(tái)秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過程及變化特征，以及所揭示的可能物理機(jī)制和變化機(jī)理等，對(duì)于地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站勘址、建設(shè)及觀測(cè)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用，以及地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，均具有一定的啟迪和借鑒意義.

總體而言，在瑪多MS7.4地震前后，大武地震臺(tái)記錄到的地電場(chǎng)震前變化和同震變化，是我國(guó)在7.0級(jí)以上的大地震前后，首次近距離觀測(cè)記錄的秒采樣地電場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化信息，相關(guān)數(shù)據(jù)資料彌足珍貴.本文通過對(duì)該數(shù)據(jù)及其動(dòng)態(tài)變化信息的綜合性分析和討論，在地電場(chǎng)場(chǎng)源特性及變化機(jī)理等方面，獲得了一些比較明確的認(rèn)識(shí)，積累了一定的數(shù)據(jù)、資料和經(jīng)驗(yàn).該研究結(jié)果，可望在地震監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)研究方面發(fā)揮積極的參考、促進(jìn)和推進(jìn)作用.

致謝感謝上海市地震局馬欽忠研究員、甘肅省地震局譚大誠(chéng)研究員的多方面交流和指導(dǎo)，感謝云南省地震局李文新高級(jí)工程師，重慶市地震局陳敏高級(jí)工程師、董蕾工程師，四川省地震局顏曉曄高級(jí)工程師，甘肅省地震局牛延平高級(jí)工程師、張彩艷高級(jí)工程師等提供的不同區(qū)域和時(shí)段的地電場(chǎng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，感謝中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所王斌高級(jí)工程師提供的測(cè)震數(shù)據(jù)資料，感謝審稿專家及編輯部的全方位指導(dǎo)意見和建議.