2017年九寨溝地震前地電場異常現(xiàn)象分析

辛建村

(陜西省地震局，陜西 西安 710000)

0 引言

2017年8月8日21點(diǎn)19分，四川阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0強(qiáng)烈地震，震源深度約20 km。該地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體東北緣、近南北向的岷江斷裂和北西向的東昆侖斷裂東部交匯地帶，是青藏高原巴顏喀拉塊體向東滑移過程中發(fā)生的一次中強(qiáng)地震[1-2]。

大量研究表明，地震地電場異常現(xiàn)象是客觀存在的[3-9]，圍繞九寨溝地震已開展的科學(xué)研究也較多[1,10-11]。文章應(yīng)用九寨溝地震震中周圍18個(gè)地電場臺站的觀測資料，分析了震前自然電場、地電場潮汐諧波成分的異常變化，旨在從中得到一些有意義的異常前兆信息。

1 震中地電場臺站分布

圖1為九寨溝地震震中500 km范圍內(nèi)21個(gè)地電場臺站分布圖，第23頁表1為臺站的基本狀況。其中，四川甘孜臺在2017年8月初停測，青海攔隆口和金銀灘臺、甘肅瑪曲臺數(shù)據(jù)連續(xù)率較低，故采用其他18個(gè)臺站的地電場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 九寨溝地震前地電場異常變化分析

2.1 自然電場異常變化

地電場觀測環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)波形多樣，一般通過原始波形很難確定異常變化[8]。地電場的構(gòu)成可表示為：

E=ESP+ET+Er，

(1)

式中：ESP為自然電場；ET為大地電場；Er為干擾成分。即地電場觀測數(shù)據(jù)包含了大地電場、自然電場和干擾成分。其中，ET穩(wěn)定的主要成分是潮汐地電場，其日變波形與固體潮、Sq電流等相關(guān)[9]；ESP源于固體地球內(nèi)部的物理、化學(xué)作用，場源主要包括地下礦體、巖體及界面、應(yīng)力應(yīng)變、地下流體等，這導(dǎo)致其具有局部性特征，也相對穩(wěn)定。因此，地震電磁前兆可能更易表現(xiàn)在自然電場的變化中。

圖1 九寨溝地震震中500 km范圍內(nèi)地電場臺站分布圖Fig.1 Distribution of electric field stations within 500 km of Jiuzhaigou earthquake

根據(jù)譚大誠等[8]提出的∑-Δ方法，在電磁環(huán)境和觀測系統(tǒng)較理想時(shí)，Er在較小范圍內(nèi)隨機(jī)波動，潮汐諧波因周期特點(diǎn)可基本消除，應(yīng)用一天觀測數(shù)據(jù)計(jì)算自然電場的表達(dá)式可簡寫為：

表1 九寨溝地震震中500 km范圍內(nèi)地電場臺站分布情況Table 1 Statistics of distribution of electric field stations within 500 km of Jiuzhaigou earthquake epicenter

(2)

選取較為典型的大武、天水、固原、周至、成都、漢王等臺站，應(yīng)用式(2)計(jì)算2017年各場地的自然電場(見圖2)。其中，成都臺選取EW測項(xiàng)，其他臺均為NS測項(xiàng)。所用數(shù)據(jù)為預(yù)處理數(shù)據(jù)，選用的時(shí)間段內(nèi)各觀測場地或多或少都存在一些干擾。一方面值班人員對每日的干擾進(jìn)行了初步處理，另一方面本文主要研究自然電場的長期趨勢變化，短時(shí)間的干擾基本不影響對長期趨勢變化的判斷。

圖2中，大武臺在1月底自然電場背景值發(fā)生較大階變，階變后較為穩(wěn)定，6月初開始呈逐漸下降趨勢，這種變化持續(xù)到九寨溝地震發(fā)生，地震后一段時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定；固原臺4月中旬自然電場發(fā)生較大階變，5月下旬這種變化較為頻繁，8月恢復(fù)穩(wěn)定。大武和固原臺的自然電場變化形態(tài)相似，時(shí)間上較為同步，可能反映了一定的臨震前兆異常信息。圖2中，天水、周至、成都、漢王等臺站從4月底開始自然電場出現(xiàn)同步或準(zhǔn)同步突跳，突跳變化形態(tài)相似，且突跳幅度漸增，九寨溝地震后這種突跳幅度逐漸變小或消失。地震孕育過程中，應(yīng)力場逐漸發(fā)生變化，地下流體的沖流、過濾、定向遷移是各臺站自然電場異常的主要原因[12]。需要說明，圖2中各臺站自然電場的異常變化較為典型，其他臺站無明顯異常變化或難以確定。實(shí)際上，同一臺站不同測向自然電場表現(xiàn)出的臨震前兆異常變化現(xiàn)象也有可能不同。圖3a中，成都臺EW向4月底開始出現(xiàn)明顯的異常變化，NS和NW向則無可識別的明顯異常變化；周至臺三個(gè)測項(xiàng)自然電場4月底開始出現(xiàn)同步突跳，變化形態(tài)相似(見圖3b)，這一現(xiàn)象可能跟地震電信號的選擇性有關(guān)[3-5]。

圖2 震前自然電場典型變化Fig.2 Typical variation of natural electric field before earthquake

圖3 成都和周至臺三個(gè)測項(xiàng)自然電場對比Fig.3 Comparison of natural electric fields between Chengdu and Zhouzhi stations

2.2 地電場潮汐成分變化

基于FFT諧波分析方法，對每日觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按周期大小排列，前10階諧波周期分別為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h，這些諧波稱為潮汐諧波[5-6]。以平?jīng)雠_為例，對平?jīng)雠_2017年1月地電場數(shù)據(jù)做FFT頻譜分析(見圖4)，周期為24 h、12 h、8 h、6 h的諧波振幅明顯占優(yōu)勢，NS、EW兩個(gè)測項(xiàng)優(yōu)勢周期相同，這與已有的研究成果相吻合[5-6]。

圖4 平?jīng)雠_2017年1月地電場FFT譜Fig.4 FFT spectrum of geoelectric field at Pingliang station in January 2017

為對震前地電場潮汐響應(yīng)進(jìn)行定量分析，基于地電場每日分鐘值觀測數(shù)據(jù)，調(diào)用MATLAB中的y=fft(x)函數(shù)做頻譜分析，將頻率轉(zhuǎn)換成周期，提取出周期為24 h、12 h、8 h的潮汐成分。選取數(shù)據(jù)波形較好的乾陵、平?jīng)龊凸淘_進(jìn)行分析探討。圖5和圖6分別對乾陵、平?jīng)觥⒐淘_NS和EW測項(xiàng)2017年周期為24 h、12 h、8 h的潮汐成分進(jìn)行對比。

通過分析不同臺站不同潮汐成分的變化情況，可得到以下兩點(diǎn)：第一，臨震前各周期的潮汐成分出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，其中平?jīng)龊颓昱_24 h潮汐成分臨震前出現(xiàn)準(zhǔn)同步突跳；第二，通過對比圖5和圖6，同一臺站不同測項(xiàng)不一定同時(shí)出現(xiàn)大幅突跳，固原臺NS向震前突跳較少，而EW向突跳較多、在時(shí)間上較為集中。

3 結(jié)論與討論

2017年8月8日九寨溝MS7.0地震震中500 km范圍內(nèi)地電場臺站共21個(gè)，有18個(gè)臺站的數(shù)據(jù)可用。分析一些典型臺站自然電場、地電場潮汐成分的臨震異常變化，初步得到以下結(jié)論：

(1) 大武、天水、固原、周至、成都、漢王等臺站自然電場臨震前都出現(xiàn)明顯的異常，大武和固原臺自然電場震前出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)變，時(shí)間上較為同步。天水、周至、成都、漢王等臺4月底開始出現(xiàn)突跳，且突跳幅度漸增，地震后突跳逐漸變小或消失。此外，同一臺站有的測項(xiàng)自然電場有異常變化，有的則無。

圖5 乾陵、平?jīng)觥⒐淘_NS向24 h、12 h、8 h諧波成分對比Fig.5 Comparison of 24, 12 and 8h harmonic components in NS direction of Qianling, Pingliang and Guyuan stations

圖6 乾陵、平?jīng)觥⒐淘_EW向24 h、12 h、8 h諧波成分對比Fig.6 Comparison of 24, 12 and 8h harmonic components in EW direction at Qianling, Pingliang and Guyuan stations

(2) 乾陵、平?jīng)觥⒐淘扰_站不同周期潮汐成分臨震前出現(xiàn)突跳，其中，平?jīng)龊颓昱_24 h潮汐成分臨震前出現(xiàn)準(zhǔn)同步突跳。固原臺NS向震前突跳較少，而EW向突跳較多、在時(shí)間上也較為集中。

該研究得到青海、甘肅、四川、寧夏、陜西等省市地震局提供的地電場數(shù)據(jù)，在此表示感謝！