地電場數(shù)據(jù)分析方法在華北地區(qū)的應(yīng)用

張 波 杜睿攀 羅 娜 尹小兵 張明哲

1）中國邢臺 054000 河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站

2）中國河北 054000 邢臺地震監(jiān)測中心站

3）中國西安 710068 陜西省地震局

0 引言

地電場是重要的地球物理場。目前，地電場觀測數(shù)據(jù)分析方法有VAN 法（Varotsos et al，1984）、長短極距數(shù)據(jù)比值法（田山等，2009）、常規(guī)波形分析法（錢復(fù)業(yè)等，2005）、物理解析法（譚大誠等，2012）等。上述地電場數(shù)據(jù)分析方法在以往的一些震例中有所應(yīng)用，但對某一區(qū)域使用多種地電場數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究的報道較少。華北地區(qū)的地電場常態(tài)波形存在場地相關(guān)性現(xiàn)象，如臨海的昌黎地震臺、內(nèi)陸的延慶地震臺、太原地震臺的地電場日變化波形形態(tài)各不相同。場地的巖石結(jié)構(gòu)、裂隙及裂隙水、構(gòu)造活動等因素均可影響地電場的常態(tài)波形。本文應(yīng)用VAN 法、常規(guī)波形分析法、物理解析中的潮汐諧波分析法對華北地區(qū)觀測資料質(zhì)量較高、觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定的12 個地電場臺站進(jìn)行研究，分析不同方法的特點，以及該區(qū)域地電場波形常態(tài)、異常形態(tài)特征，探討其變化與構(gòu)造活動間的關(guān)系，以期獲得華北地區(qū)地電場變化特征及其對構(gòu)造活動的響應(yīng)。

1 華北地區(qū)地電場波形及場地分布特征

地電場日變波形主要為峰—谷形態(tài)，依據(jù)不同的峰—谷特征及機理，譚大誠等（2010，2011）將峰—谷形態(tài)地電場稱為潮汐地電場，并分為TGF-A、TGF-B 兩種類型。譚大誠等（2010）認(rèn)為：①峰—谷波形近正弦且持續(xù)全天的屬TGF-A 型，起源于固體潮汐力，受巖石裂隙與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變等影響，TGF-A 型多分布在大水域附近。徐慶鴻（2001）認(rèn)為，潮汐力作用于巖石，使巖石內(nèi)的孔隙、微裂縫等出現(xiàn)周期性的伸縮開合變化，因此裂隙水所受壓力也有周期性變化，這導(dǎo)致巖石裂隙水周期性滲流，產(chǎn)生過濾電場，此過程同時與附近水域面積和距離、場地巖性結(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造活動相關(guān)；② 峰—谷波形僅在午前午后（06:00—18:00）出現(xiàn)近正弦變化，早晚相對平靜呈近直線狀的屬TGF-B型，其起源于空間Sq 電流。Alexanderb 等（2002）認(rèn)為，午前午后地球電離層受潮汐作用而產(chǎn)生Sq 電流，同時固體潮（太陽）導(dǎo)致巖石裂隙水連通狀態(tài)較好，在地下巖石含水度高、滲透率好的區(qū)域，Sq 電流系通過磁場在地表產(chǎn)生的感應(yīng)電場（Thomson et al，2008；Muthusamy et al，2010）引起裂隙水中電荷周期性移動產(chǎn)生過濾電場。

目前，華北地區(qū)地電場臺站主要分布在首都圈周圍，其地電場波形有TGF-A、TGF-B、弱日變形態(tài)等3 種類型（譚大誠等，2010）。圖1 為2018 年9 月19—21 日華北地區(qū)地電場典型波形。由圖1 可見，河北昌黎地震臺地電場波形是近正弦形態(tài)持續(xù)全天的TGF-A 型；北京延慶地震臺地電場波形是近正弦形態(tài)且僅在午前午后出現(xiàn)的TGF-B 型；山西太原地震臺地電場波形顯示了弱日變現(xiàn)象。與昌黎地震臺、延慶地震臺對比，太原地震臺場地電磁環(huán)境相對復(fù)雜。

圖1 2018 年9 月19—21 日華北地區(qū)地電場EW 測向典型波形（a）昌黎地震臺；（b）延慶地震臺；（c）太原地震臺Fig.1 Typical waveform of geoelectric field in EW direction in North China (September 19-21,2018)

選取2018 年華北地區(qū)地電場觀測資料質(zhì)量較高、觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定的12 個臺連續(xù)3 天波形正常日變幅度進(jìn)行統(tǒng)計（表1）。由表1可見，華北地區(qū)地電場波形日變幅度峰峰值為2.35—11.12 mV/km，符合以往結(jié)果（譚大誠等，2010），可以看出該區(qū)域日變幅正常。圖2顯示了華北地區(qū)地電場臺站的分布及地電場數(shù)據(jù)曲線類型。其中，河北昌黎地震臺表現(xiàn)出TGF-A 型；河北的大柏舍地震臺等4 個臺、天津的寶坻地震臺等2 個臺、北京延慶地震臺、山西的臨汾地震臺等2 個臺多數(shù)時間表現(xiàn)為TGF-B 型；山西的大同地震臺等2 個臺多數(shù)時間表現(xiàn)為弱日變現(xiàn)象。這些臺多在2000 年以后正式開始觀測，自觀測以來臺站波形數(shù)據(jù)形態(tài)基本一致，僅個別場地波形不穩(wěn)定，其原因待研究。

表1 2018 年華北地區(qū)地電場臺站波形形態(tài)及地電場日變幅度Table 1 Statistical table of daily variation amplitude of geoelectric field stations in North China (2018)

圖2 華北地區(qū)地電場臺站典型波形分布Fig.2 Distribution of typical waveform of geoelectric field stations in North China

圖2 顯示，TGF-A 波形臺站分布在較大水源附近，這有助于潮汐波的形成（譚大誠等，2010）；TGF-B 波形臺站基本位于巖石含水度高、透水性強、覆蓋層厚地區(qū)（譚大誠等，2010，2011）；弱日變的臺站多集中在山西的基巖山區(qū)，場地巖性、電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這可能是該地區(qū)多數(shù)時間內(nèi)地電場波形表現(xiàn)為弱日變形態(tài)且變化不大的原因之一。

2 3 種分析方法

（1）VAN 法。VAN 法是利用多極距地電場觀測來排除觀測站附近噪聲的方法。該方法是在EW、NS 方向布設(shè)多道長短不一的電極距（圖3），來自臺站附近的噪聲，如電極極化噪聲、降雨引起的臺站附近地下介質(zhì)電性局部不均勻性的噪聲、溫度變化引起的噪聲在不同長、短極距上都會被記錄到。但這些噪聲在同方向不同長、短極距上所呈現(xiàn)的信號形態(tài)特征是不同的；而大地磁場的感應(yīng)電場會在所有臺站的長、短極距上同時被記錄到。根據(jù)上述特點，就可識別出噪聲信號。圖4 為長、短電極距比較的示意圖。由圖4 可見，長極距AB 和短極距A′B′ 上，長極距上所觀測到的電場強度EAB與短極距上所觀測到的電場強度EA′B′間的表達(dá)式如下

圖3 臺站電極布設(shè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrode layout at the seismic station

圖4 長短電極距的比較示意圖Fig.4 Schematic diagram of long dipoles and short dipoles

其中，VA、VB、VA′、VB′分別為各點 A、B、A′、B′的電位；LAB、LA′B′分別為相應(yīng)的電極長度；r為觀測點到地電場信號源點的距離。

當(dāng)來自近處信號源的信息被觀測到時，由于電位V與距離r間存在V∝(1/r)的關(guān)系，即各點的電位與該點距信號源的距離成反比，所以各點的電位相差就較明顯，故長極距AB 觀測到的電場強度EAB與短極距A′B′ 觀測到的電場強度EA′B′會相差很大，因此二者觀測曲線形態(tài)存在較大差異；電極化引起的曲線變化在長、短極距上則差異更明顯。

來自遠(yuǎn)處的地下電信號在觀測站長、短電極處所產(chǎn)生的電位VA、VB、VA′、VB′變化相差不大，長電極距上的電場強度與短電極距上的電場強度差別就更小，故只有來自臺站遠(yuǎn)處的地電信號源的信息被觀測到時，在長電極距和短電極距上觀測到的電場強度EAB和EA′B′的曲線形態(tài)才一致。因此，來自震源區(qū)的地電信號在長、短極距上會表現(xiàn)出相同的特征。如果是來自遠(yuǎn)處的噪聲源的信號，則可用更長的電極距觀測來排除，其識別特征是長電極距上記錄到的地電信號與短電極距上記錄到的地電信號極化方向相反（Varotsos 等，1984）

（2）常規(guī)波形分析方法是一種分析震前短臨信號的地電場觀測波形的方法。震前地電場波形一般呈現(xiàn)多臺對比準(zhǔn)同步性的波形畸變、高頻突跳、大幅度躍變（破年變）等3 種波形變化特征（譚大誠等，2010，2012）。

（3）潮汐諧波分析法的諧波分析又稱調(diào)和分析，指用三角函數(shù)來擬合數(shù)字信號或數(shù)字序列。根據(jù)擬合函數(shù)可以了解不同的信號周期、位相、振幅。

3 結(jié)果

3.1 VAN 法

與地震有關(guān)的地震電信號（seismic electric signal，簡稱SES），是希臘“VAN”小組進(jìn)行地震預(yù)報的主要根據(jù)（馬欽忠，1997）。在華北地區(qū)，如何判斷地電場異常數(shù)據(jù)是否SES，對于VAN 法在地電場數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用有著重要的意義。下面以2010 年3 月6 日灤縣ML4.7 地震前2010 年2 月11 日昌黎地震臺地電場異常信號為例進(jìn)行探討。圖5 為昌黎地震臺2010 年2 月11 日地電場分鐘值曲線。由圖5 可見，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時間段為15:54—16:13，異常形態(tài)為突跳，同一測向長、短極距突跳方向一致，且3 個測向的突跳方向全部向下。異常數(shù)據(jù)變化的持續(xù)時間、形態(tài)及數(shù)據(jù)變化的長、短極距方向一致性等均符合 SES 同測向方向一致的特征。

圖5 2010 年2 月11 日昌黎地震臺地電場SES（a）長極距；（b）短極距Fig.5 SES of geoelectric field at Changli Seismic Station on February 11,2010

表2 為2010 年2 月11 日15:54—16:13 三個測向長、短極距地電場異常幅度計算結(jié)果。由表2 可見，NS 向長、短極距地電場異常幅度差為0.61，EW 向為0.54，NE 向為0.13，3 個測向長、短極距地電場異常幅度較接近，符合SES 同測向長、短極距地電場異常數(shù)據(jù)變化幅度大致相同的特征。

表2 2010 年2 月11 日15:54—16:13 長、短極距地電場異常幅度（單位：mV/km）Table 2 Abnormal amplitudes of long dipoles and short dipoles of geoelectric field

在分析、排除干擾噪聲過程中，我們查閱了昌黎地震臺2010 年2 月11 日工作日志，對異常數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行了核實和排查，經(jīng)檢查觀測系統(tǒng)和測區(qū)環(huán)境均正常；從異常數(shù)據(jù)持續(xù)時間上（小于3 h）分析，排除了地磁感應(yīng)引起的變化，且河北省和全國其他臺同日期、同時刻均未出現(xiàn)同樣變化，排除了遠(yuǎn)場信號中大地電場信號的可能；通過對受4 條高壓線路干擾的昌黎地震臺與興濟(jì)地震臺、大柏舍地震臺、肥鄉(xiāng)地震臺等3 個臺當(dāng)天該時段數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，排除了昌黎地震臺受4 條高壓線路干擾的可能。

對2010 年2 月11 日異常數(shù)據(jù)進(jìn)行每個測向異常幅度ΔV的計算。計算方法：以EW測向為例，先計算EW 向長極距的異常幅度ΔEWL異常信號出現(xiàn)時段各分鐘測值，取其均值，該均值再分別與異常變化前1 min 和異常恢復(fù)后1 min 的正常值相減，得到2 個異常變化量A1、A2，將這2 個異常變化相加后取平均，即代表EW 測向長極距的異常幅度ΔEWL，用此方法再計算出EW 測向短極距的異常幅度ΔEWS，再進(jìn)行長、短極距異常幅度比值ΔEWL/ΔEWS的計算，依次算出NE、NS 測向地電場異常幅度比值（表3）。

表3 SES 長、短極距地電場異常幅度比值（單位：mV/km）Table 3 Amplitude ratio of SES long dipoles and short dipoles of geoelectric field

表3 結(jié)果顯示，EW、NS、NE 三個測向長、短極距地電場異常幅度比值均接近1.00，依照VAN 法原理，該結(jié)果表明2010 年2 月11 日15:54—16:13 昌黎地震臺地電場數(shù)據(jù)異常信號為遠(yuǎn)源信號。有關(guān)遠(yuǎn)源信號距離的規(guī)定：信號源距離r≥ 10L長極距時，通常認(rèn)為是遠(yuǎn)源距離范圍。昌黎地震臺EW 測向長極距270 m，因此遠(yuǎn)源信號距離≥ 2.7 km。表4 為昌黎地震臺SES 與地震間的對應(yīng)關(guān)系。從表4 可見，在異常出現(xiàn)23 天后，昌黎地震臺西邊56 km 處唐山灤縣發(fā)生ML4.7 地震。該震例震源點到臺站的距離、震前異常數(shù)據(jù)持續(xù)時間、間隔天數(shù)等都符合SES 出現(xiàn)前的特征。

表4 昌黎地震臺SES 與地震間的對應(yīng)關(guān)系Table 4 Correspondence of SES at Changli Seismic Station and earthquakes

綜上所述，2010 年2 月11 日15:54—16:13 昌黎地震臺地電場異常數(shù)據(jù)為地震前電信號，即SES。

3.2 常規(guī)波形分析法

查閱全國地震目錄發(fā)現(xiàn)，2007 年以來華北地區(qū)以中小地震居多，進(jìn)入全國地電臺網(wǎng)前兆數(shù)據(jù)庫中查看華北地電場臺觀測數(shù)據(jù)，未能找到與華北地區(qū)4 級以上地震相對應(yīng)的地震前準(zhǔn)同步性變化。下面的震例為2008 年5 月12 日汶川MS8.0 地震前地電場多臺準(zhǔn)同步異常變化。

圖6 為2008 年汶川MS8.0 地震前青藏高原及周邊3 個地電場臺站地電場分鐘值。由圖6 可見：①四川瀘沽湖地震臺震前1—15 天地電場NS 向分鐘值出現(xiàn)波形畸變、高頻突跳；②鹽源地震臺震前1—17 天地電場NE 向分鐘值出現(xiàn)背景值躍變、小幅度高頻突跳；③平?jīng)龅卣鹋_震前13—18 天地電場NS 向分鐘值出現(xiàn)背景值躍變。

圖6 2008 年4 月14 日至5 月13 日汶川MS 8.0 地震前地電場分鐘值（a）瀘沽湖地震臺NS 向；（b）鹽源地震臺NE 向；（c）平?jīng)龅卣鹋_NS 向Fig.6 Variation of geoelectric field before WenchuanMS 8.0 earthquake (from 2008-4-14 to 5-13)

3.3 潮汐諧波分析法

已有研究結(jié)果表明，相對穩(wěn)定的潮汐波（潮汐地電場）是大地電場日變化主要的波形特征，周期為24.0 h、12.0 h、8.0 h、6.0 h、4.8 h、4.0 h、3.4 h、3.0 h、2.7 h、2.4 h 的潮汐諧波是前10 階諧波（譚大誠等，2011），應(yīng)用這些潮汐諧波可計算場地巖體裂隙優(yōu)勢方位α角及其變化（譚大誠等，2010，2013，2014）。

圖7 為華北地區(qū)大柏舍地震臺、昌黎地震臺、大同地震臺巖體裂隙優(yōu)勢方位α角。選取華北地區(qū)觀測資料質(zhì)量較好、數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的11 個地電場觀測臺站，以2016—2017 年地電場觀測數(shù)據(jù)作為背景值，給出11 個地電場臺巖體裂隙優(yōu)勢方位α角計算結(jié)果（表5）。華北地區(qū)11 個地電場臺站巖體裂隙優(yōu)勢方位α角背景值見圖8。

圖8 華北地區(qū)11 個地電場臺站巖體裂隙優(yōu)勢方位α角背景值Fig.8 Map of background value of primary azimuth of rock fractures of 11 geoelectric field stations in North China

表5 2016—2017 年華北地區(qū)地電場臺巖體裂隙優(yōu)勢方位α角計算結(jié)果Table 5 Calculation results of primary azimuth of rock mass fissures at geoelectric field stations in North China from the year of 2016 to 2017

圖7 大柏舍地震臺、昌黎地震臺、大同地震臺地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位α角（a）大柏舍地震臺；（b）昌黎地震臺；（c）大同地震臺Fig.7 Calculation results of primary azimuth of rock mass fissures at geoelectric field stations in Dabaishe Station,Changli Station and Datong Station

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)2016—2017 年共發(fā)生3 級以上地震40 次，其中，M3.0—3.9地震33 次；M4.0—4.9 地震 6 次；M5.0 地震1 次。由此可見，華北地區(qū)2016—2017 年發(fā)生的地震主要為中小地震。

4 結(jié)論與討論

基于華北地區(qū)觀測資料質(zhì)量較好、數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的12 個地電場臺站的資料，使用VAN法、常規(guī)波形分析法、物理解析法中的諧波分析法等3 種方法進(jìn)行地電場數(shù)據(jù)分析，分析不同方法的特點、局限性及該區(qū)域地電場波形常態(tài)和異常形態(tài)特征，得到以下結(jié)論。

（1）華北地區(qū)的地電場常態(tài)波形存在場地相關(guān)現(xiàn)象，其潮汐波形有TGF-A、TGF-B、弱日變形態(tài)等3 種類型。其中，華北地區(qū)觀測資料質(zhì)量較好、數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的12 個地電場臺站中，9 個臺潮汐波形為TGF-B，1 個臺潮汐波形為TGF-A，2 個臺潮汐波形為弱日變。TGF-B 潮汐波型臺站數(shù)量比例為75%，該波形為華北地區(qū)地電場臺主要波形形態(tài)。通過對12 個臺連續(xù)3 天正常日變波形的幅度進(jìn)行統(tǒng)計和計算，得到華北地區(qū)地電場波形日變幅度峰峰值為2.35—11.12 mV/km，可以看出該區(qū)域日變幅正常。

（2）VAN 法中多極距觀測可以有效識別近場、遠(yuǎn)場信號，為判定電極極化、降雨、人為、大地磁場等干擾提供依據(jù)。華北地區(qū)的地電場臺站，如昌黎地震臺在震前更易捕捉到相應(yīng)的SES，這可能與華北地區(qū)地下構(gòu)造活動相對穩(wěn)定、電性結(jié)構(gòu)相對接近 VAN 法的模型設(shè)計（地下電性結(jié)構(gòu)相對均勻）有關(guān)。VAN 法在華北地區(qū)有一定的震例對應(yīng)，比如2003 年5 月22 日河北唐山ML4.1 地震、2006 年7 月4 日河北文安ML5.1 地震、2010 年3 月6 日河北灤縣ML4.7 地震，但存在震前地電場SES 的敏感點效應(yīng)，也就是場地效應(yīng)。但在場地電磁環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)域，SES 的查找與識別相對較繁瑣，SES識別可能存在一定困難。

（3）從華北地區(qū)地電場臺巖體裂隙優(yōu)勢方位α角計算結(jié)果可知，華北地區(qū)臺站巖體裂隙優(yōu)勢方位α角都為正值，方位都為北偏東向，但不存在大范圍的方位一致性。華北地區(qū)地電場臺站的巖體裂隙優(yōu)勢方位角正常波動范圍為20°，一致性較差，表明華北大部分區(qū)域巖體裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育正常。

綜上所述，針對華北地區(qū)地電場的不同數(shù)據(jù)分析方法存在一定程度相互對應(yīng)關(guān)系，這客觀上反映了華北地區(qū)地電場波形常態(tài)和異常形態(tài)特征，表明華北大部分區(qū)域巖體裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育正常。