吉林四平、榆樹臺地電場與長春臺地磁場、分量應變的變化分析

馬銘志 李 飛 李雪梅

1 吉林省豐滿地震臺，吉林市江西路198號，132108 2 江蘇省新沂地震臺，新沂市新安鎮官莊村，221400

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吉林四平、榆樹臺地電場與長春臺地磁場、分量應變的變化分析

馬銘志1李 飛2李雪梅1

1 吉林省豐滿地震臺，吉林市江西路198號，132108 2 江蘇省新沂地震臺，新沂市新安鎮官莊村，221400

對四平臺、榆樹臺地電場北分量Ex和東分量Ey不同時段分鐘值與長春臺分量地磁、分量應變資料進行日變形態、日變幅等方面的對比分析，運用FFT將各觀測資料的優勢周期分解出來，以期進一步得到各物理量之間的相互關系，同時對地電場在地震前的對應性進行相關總結。結果表明：1)兩臺地電場日變化都以雙峰單谷為主；兩測向優勢周期都是以12 h、8 h為主。與分量磁場相比，東分量By與Ex比較吻合，北分量Bx與Ey的對應性很高；與分量應變相比，12 h的優勢周期為共有周期。2)兩臺地電場都能夠記錄到明顯的地電暴同步變化。3)Ey與Bx的日變幅比較同步，Ex與By的日變幅比較同步，且呈現出較明顯的季節變化。4)兩臺地電場都能夠較為清晰地記錄到一定的短臨異常，但兩臺震前異常表現形式不盡相同，出現異常的時間也不同：震中距越近，出現異常越早，異常幅度也越大。

地電場；地磁場；分量應變；日變化；地電暴

地震前地電場存在著異常前兆變化信息，為地電場資料的分析與預報提供了理論依據和方法指南，對地震預測，特別是短臨地震預測具有重要的意義[1-6]。由于地電場日變幅和主要周期成分存在區域性、季節性變化，就需要多途徑、多方法地開展研究，以期對地電場的變化規律及其影響原因獲得科學認識。本文通過對四平臺和榆樹臺2015年地電場平靜變化時段分鐘值數據及連續1個月的資料進行處理和分析，同時結合長春臺同時段的地磁分量、分量應變數據進行對比分析；再結合頻譜分析結果，分析各物理量日變化的特征，進而認識地電場的變化機制。此外，對2013年前郭地震前后兩臺地電場數據進行分析，發現地電場長短極距的差值與比值在震前存在明顯的短臨異常。

1 臺站及資料概況

1.1 臺站概況

四平臺位于吉林省中南部四平市，地處松遼平原西緣，測區附近有北東向四平-長春斷裂和北西向團子山-白山斷裂，地理坐標為124°45′E、43°25′N，海拔196 m；榆樹臺位于吉林省北部榆樹市，地處松遼平原東部隆起區，測區附近有北東向四平-長春、伊通-舒蘭兩個深大斷裂帶和北西向卡岔河斷裂，地理坐標為126°35′E、44°52′N，海拔204 m。兩臺測區地形開闊，地勢平坦，相對高差不超過2 m。四平臺測區內第四紀蓋層約20 m，下伏白堊系基巖；榆樹臺測區內第四紀蓋層約40 m，下伏白堊系基巖。兩臺測區地下水位穩定，一般在10 m以上。本項目所用臺站的地理分布見圖1左圖。

圖1 四平臺和榆樹臺場地地質構造、布極示意圖Fig.1 The geological structure and arrangement of Siping and Yushu station

兩臺觀測儀器都為ZD9A-Ⅱ型地電場儀，測量頻段為0～0.005 Hz，觀測數據產出為1次/min。兩臺共布NS、EW向和N45°W向3個方向，每個方向又布長、短兩種極距，其中四平臺NS、EW向長極距為300 m，短極距為200 m，N45°W向長極距為420 m，短極距為280 m；榆樹臺的長極距為200 m，短極距為100 m，N45°W向長極距為280 m，短極距為140 m。電極為Pb-PbCl2不極化電極，電極埋深都為3 m，外線路采用架空方式，觀測系統的建設及布極區的環境狀況均符合觀測規范[7]。兩臺的布極方式如圖1右圖。

1.2 資料概況

由于地電場數據受到觀測場地、電磁環境及觀測系統的穩定性等諸多因素的影響，致使資料呈現出多樣性、復雜性等[8]。因此在資料的選取時，應綜合考慮以上各因素對資料進行甄取，同時由于觀測資料受到電極穩定性的影響，利用每天計算同一測向長短極距數據的相關性R值來衡量資料的可用性。本文主要采用兩臺R值大于0.7的2015年4月份及2015年不同季節的相關數據進行論述。

2 地電場日變化

2.1 地電場靜日變化波形

靜日地電場變化是指1月內太陽活動最為平靜的數天地電場變化。圖2為2015-04-24～04-26兩臺地電場NS向(Ex)和EW向(Ey)與NS向分量地磁場(Bx)、EW向分量地磁場(By)、分量應變分鐘值的對比曲線。從曲線上可以看出，Ey和Ex存在明顯的潮汐波現象，其日變化基本上呈現出雙峰單谷的特點，但出現峰谷的時間略有差異。對于Ex，第一峰值在每日8：00前后，谷值在中午12：00前后，第二峰值在下午16：00前后，且兩個臺站具有同步性；對于Ey，第一峰值在每日5：00～6：00前后，谷值在中午11：00前后，第2峰值在下午15：00～16：00前后，且兩個臺站具有同步性。分量地磁場日變化同樣呈現出雙峰單谷的特點，其中By出現峰谷的時間與Ex比較吻合，Bx出現峰谷的時間與Ey比較吻合。這是由于地電場與地磁場的快變化部分有相同的場源，其中地電日變化的場源是分布在電離層的電流體系，但地表結構對地電場的影響要比地磁場的影響大，因此，兩者之間應具有類似變化[7]。而分量應變與地電場的對應關系，明顯不如地磁場與地電場的對應關系。同時注意到，Ey出現的谷值時間和第二峰值時間與EW應變十分吻合，Ex在25～26日的第二峰值時間與NS向分量應變十分吻合，相關性不如與分量磁場的對應性。

圖2 2015-04-24～26四平和榆樹臺地電場、地磁場、分量應變分鐘值對比曲線Fig.2 Curves of minute value of geoelectric field, geomagnetic field and component strain between Siping and Yushu station, April 24-26, 2015

2.2 地電暴變化波形

地電暴和地磁暴是電場觀測和地磁觀測中記錄到的同受遠源空間電流體系劇烈擾動影響而產生的全球性擾動現象，電暴(或磁暴)發生時，所有電場觀測項和地磁要素都要發生不同程度的變化[9]。

從圖3的2015-08-15～08-16電磁暴過程可以看出(因磁暴是按照磁場H分量3 h變化量劃分，因此圖4運用H分量進行對比)，當磁暴發生時，地磁場H分量與兩臺地電場Ex、Ey同時出現突變。隨著時間推移，地磁場快變化與地電場的變化基本同步，并且隨后的變化特征基本同步。對于變化幅度，榆樹臺地電場Ex與Ey初始變化幅度基本相同，并且隨后的發展也相同，僅不同測向略有差異；四平臺地電場Ex變化明顯高于Ey，兩臺地電場Ey的差值基本相同，地電場Ex存在明顯差別。由于地表電性結構對電場的影響比對磁場的影響要大[7]，產生此差異的原因可能與兩臺第四紀覆蓋層的差異、場地平整度不同以及兩臺深淺層電阻率不同有關。

圖3 2015-08-15～16地電場、地磁場分鐘值對比曲線Fig.3 Curves of minute value of geoelectric field and geomagnetic field, August 15-16, 2015

2.3 頻譜特征分析

利用基于MATLAB的快速傅里葉變換對2015-04-24～04-26靜日各物理量的分鐘值及4月全月的分鐘值進行頻譜對比分析，結果如圖4所示：1)四平臺優勢周期主要以12 h、8 h為主，最大優勢周期都為12 h；榆樹臺優勢周期較四平臺更加豐富，24 h、12 h、8 h、6 h的優勢周期都較明顯，兩臺最大優勢周期都為12 h。2)同方向，特別是Ex，四平臺譜值較大；對于Ey，兩臺的譜值基本相同。與之對比的地磁頻譜分析，Bx與Ey、By與Ex的優勢周期吻合度都較高；分量應變頻譜結果的對應性似無關聯。為此，計算全月各物理量的頻譜。從圖4可以看出，地電場與地磁場的優勢周期都存在12 h、8 h的周期；地電場與應變場都存在12 h、24 h的周期，且半月波似有反映。

以上地電場日變化說明，地電場變化既與地磁場變化有關，又與分量應變(固體潮)有關，通過頻譜分析驗證其間存在共有周期，這與李飛等[10]研究結果相類似。

圖4 地電場、地磁場、分量應變頻譜曲線Fig.4 Curves of amplitude spectrums of geoelectric field, geomagnetic field and strain component

3 日變幅的變化特征分析

為了體現兩臺地電場日變化幅度是否存在季節性變化，對相關物理量的日變幅進行相關分析。在計算日變幅的過程中，先剔除偶然干擾，然后對數據進行3點滑動平均，再分別選取每天最大值點、最小值點前后各3個數據計算平均值，之后計算出日變幅。圖5為2015年1、4、7、9月份地電場、分量磁場、分量應變的日變幅曲線。從圖中可以看出,地電場存在如下總體特征：

1)兩臺地電場在1月份無論是Ex還是Ey，日變幅都最低，4月份開始增大，9月最大。至于4月份地電場日變幅為何開始增大，根據史紅軍等[11]研究結果,這與吉林地區冰封解凍的時間(東部長白山地區為4～5月份，西部松遼平原為3～4月份)具有一定的關聯性。

2)在靜日，兩臺地電場無論是Ex還是Ey，日變幅都低于擾日時段的日變幅。

3)四平臺Ex與Ey的日變幅存在一定的差異性，特別是4月以來差異十分明顯；而榆樹臺兩測向基本無差異。

由于地表電性結構對電場的影響比對磁場的影響要大[7]，通過場地介紹可知，四平臺第四紀覆蓋層較榆樹臺少20 m，這可能是兩臺日變幅不盡相同，且四平臺日變幅總體略高的一個原因。通過淺層電測深計算結果可知，榆樹臺NS向5 m與10 m的電阻率觀測值分別為55 Ωm與51 Ωm左右，EW向5 m與10 m的電阻率觀測值分別為49 Ωm與44 Ωm左右；四平臺NS向5 m與10 m的電阻率觀測值都維持在19 Ωm左右，EW向5 m與10 m的電阻率觀測值維持在23 Ωm與21 Ωm左右。兩臺淺層電測深的結果不同，且不同方向存在差異，這可能是兩臺日變幅差異性的另一個原因。由深部電測深曲線知，兩臺電測深曲線都為HKH，榆樹臺NS向電阻率觀測值要略低于EW向的電阻率，20～100 m的電阻率觀測值維持在25～35 Ωm，100～400 m的電阻率觀測值維持在35～60 Ωm；對于四平臺NS向與EW向的電阻率觀測值基本相同，20～100 m的電阻率觀測值維持在20 Ωm左右，100～400 m的電阻率觀測值維持在18 Ωm左右。兩臺深部電阻率的各向異性，可能是兩臺日變幅差異性的另一個原因。四平臺Ex的日變幅較Ey高的原因，可能是在測區內，EW向存在2 m左右的高差，造成局部地質條件改變造成的，而榆樹臺場地無高差。總體上榆樹臺淺、深層的電阻率都較四平臺要高，但日變幅總體是前者小于后者，這與杜學彬等[12]的研究存在差異，可能與第四紀覆蓋層的差異及場地平整度不同有關，具體原因有待深入研究。

圖5 地電場、地磁場、分量應變日變幅曲線Fig.5 Curves of daily variation amplitude of geoelectric field, geomagnetic field and component strain

地電場與地磁場的日變幅相比，當出現擾動時，兩者的日變幅都增大，而在靜日明顯較低；并且Ey與Bx、Ex與By的日變幅對應，這就進一步驗證了兩者存在同一物理源。

地電場與分量應變日變幅的對應性明顯低于與磁場的對應性，但在靜日時段，還是存在當應變出現大潮時，地電場的日變幅略大；應變出現小潮時，地電場的日變幅略小。為此，選取兩臺2015年7月部分時段的靜日日變幅進行對比，其對應關系見表1。從表1基本可以看出兩個物理量的對應性：北分量Ex與NS分量應變對應，東分量Ey與EW分量應變對應。

表1 地電場與分量應變靜日日變幅的對應關系

4 地電場異常分析

地震發生前，電、磁場會出現日變化波形畸變及高頻成分，接近地震發生時高頻能量會加大[13]。2013-10-12吉林前郭發生M5.8級震群型地震：10-31最先發生M5.5級地震，之后11-23發生最大震級M5.8級地震。四平臺距離震中約140 km，榆樹臺距離震中約210 km。

4.1 差值異常分析

首先去掉地電場的背景值，即將每天所有數據與第一個數據進行相減，再計算同測向的差值序列。圖6為2013-09-01～11-30兩個臺NS、EW向的分鐘值差值曲線。從圖中可以看出，四平臺分別于2013-09-10～16、10-23～28、11-07～15出現“下降-平緩-陡升-陡降”的形態變化，兩個測向的3次變化形態基本相同，打破了正常的日變形態，并且兩個測向最大變化量基本在30 mV/km左右，明顯大于正常靜日變化。從首次出現異常到第一次地震的時間為51 d，最后出現異常到最后一次地震的時間為17 d。榆樹臺自2013-09-24開始兩個測向同時出現高頻變化，改變了正常的日變波形(月初的高頻變化為雷電影響)，同期四平臺也出現一定的高頻變化；到10-24高頻變化幅度明顯增大，在持續的過程中發生第一次地震，從首次出現異常到第一次地震的時間為39 d。震后異常變化并未結束，一直持續到11-17，平靜6 d之后發生5.8級震群。兩次震群前，四平臺兩測向最大變化幅度基本在20 mV/km左右，EW向變化更為明顯。

圖6 2013-09-01～11-30地電場差值曲線Fig.6 Geoelectric field difference curves, September 1-November 30, 2013

4.2 比值異常分析

比值法是田山等[14]提出的提取地電場短臨異常的一種方法，即采用同測向長極距觀測值比上短極距觀測值，因此比值是無量綱的。圖7為2013-09-01～11-30兩個臺NS、EW向的分鐘值差值曲線，從曲線可以看出，同臺比值法與差值法曲線變化形態一致，異常出現的時間也一致，都表現出較為明顯的短臨異常。

通過以上差值法、比值法的對比可以看出，兩臺震前異常表現形式不盡相同，出現異常的時間也不同，其中四平臺要早于榆樹臺，這與震中距有關：震中距越近，出現異常越早，異常幅度也越大。

圖7 2013-09-01～11-30地電場比值曲線Fig.7 Geoelectric field ratio curves, September 1- November 30, 2013

5 結 語

1)兩臺地電場Ex和Ey存在明顯的潮汐波現象，日變化基本上呈現出雙峰單谷的特點，但出現峰谷時間略有差異。對于Ex，第一峰值在每日8：00前后，谷值在中午12：00前后，第2峰值在下午16：00前后；對于Ey，第一峰值在每日5：00-6：00前后，谷值在中午11：00前后，第2峰值在下午15：00～16：00前后，且兩個臺站具有同步性。與分量磁場相比，By與Ex比較吻合，Bx與Ey的對應性很高，與分量形變相比，兩者對應性不如與分量磁場的對應性。產生地電場日變化主要周期成分的可能原因是在日月引潮力作用下，地球介質的潮汐作用和電離層、大氣層等電磁活動的共同作用。

2)從兩臺地電場頻譜結果來看，兩臺優勢周期主要以12 h、8 h為主，最大優勢周期都為12 h。與分量磁場、分量應變相比，兩臺地電場既與地磁場存在關聯，又與應變分量存在關聯：地電場與地磁場的優勢周期都存在12 h、8 h的周期；地電場與應變場都存在12 h、24 h周期，且半月波似有反映。

3)榆樹臺地電場兩測向的日變幅基本相同，四平臺兩測向的日變幅相差較大。總體上，Ex的日變幅與By的日變幅比較同步，Ey的日變幅與Bx的日變幅比較同步。在擾日，地電場的日變幅更與分量磁場的日變幅變化同步。在靜日，地電場日變化在大潮時的日變幅較出現小潮時的日變幅要大。這與分量應變日變幅變化的結果同步。

4)不同季節兩臺地電場日變幅及優勢周期的譜值呈現出明顯的季節變化，4月份日變幅突然變大，可能與該地區特有的季節性氣候變化有關，特別是冰封解凍期有一定的關聯，其變化特點也和Sq電流系的季節變化一致。

5)地電場的譜值大小與觀測臺址的淺層電阻率有關，電阻率越高，地電場各種周期成分譜值越大。兩臺地質構造、第四紀覆蓋層、淺表、深部層電阻率各不相同，同時裂隙的發育和走向不盡相同，致使兩臺地電場呈現出不同的變化形態與日變幅存在一定的差異性。

6)兩臺地電場都能夠較為清晰地記錄到一定的短臨異常，但兩臺震前異常表現形式不盡相同，出現的異常的時間也不同：震中距越近，出現的異常越早，異常幅度也越大。

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About the first author:MA Mingzhi, engineer,majors in earthquake monitoring, prediction,E-mail:jilinmmz@sina.com.

Analysis of Geoelectric Field at Siping and Yushu Station, Geomagnetic Field and Strain Component at Changchun Station of Jilin Province

MAMingzhi1LIFei2LIXuemei1

1 Fengman Seismic Station of Jilin Province, 198 Jiangxi Road, Jilin 132108, China 2 Xinyi Seismic Station of Jiangsu Province, Guanzhang Village, Xinyi 221400, China

Bycomparing minute value of the geoelectric fieldsExandEyat different times at Siping and Yushu stations with the geomagnetic and strain components of Changchun station, this article analyzes the relations of all physical quantities by further calculating their dominant period with FFT. The results demonstrate that: firstly, daily variation of the geoelectric fields at the two stations presentdouble peaks and one valley, and the dominant period of NS and EW trending is 12 h, 8 h. Compared with geomagnetic field,ByandExhave high suitability of fit andBxandEyhave suitability of fit. The dominant period 12 h is the common period. Secondly, the geoelectric storm recorded has obvious synchronous change. Thirdly, daily variation amplitude betweenEyandBxhas a relative synchronous change, as does that betweenExandBy. Moreover, it varies obviously with the season. Finally, some short-impending anomalies may be clearly recorded at two stations, but the form and occurrence time of anomaly before earthquakes differ: the nearer the epicentral distance, the earlier occurrence time and the bigger amplitude of anomaly.

geoelectric field; geomagnetic field; strain component; daily variation; geoelectric storm

National Natural Science Foundation of China,No.41374080.

2015-12-28

項目來源：國家自然科學基金(41374080)。

馬銘志，工程師，主要從事地震監測、預報研究,E-mail:jilinmmz@sina.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.015

1671-5942(2016)011-1014-06

P315

A