華北、東北地區地電場優勢方位角分析

張國苓 任印國 喬子云 賈立峰 羅 娜

1）中國石家莊050021 河北省地震局

2）中國石家莊050000 河北省水文勘測研究中心

0 引言

20 世紀中葉，Chapman 提出，地電場由大地電場和自然電場組成（孫正江等，1984）。1970 年以后，希臘、法國、日本、中國等國家把地電場觀測數據應用到地震、火山監測和地質災害預警中。Varotsos 等（1984）提出VAN 法并用于地震預測研究。我國在“九五”和“十五”期間開始大規模、規范化地開展電場觀測，迄今已建成由近120 個地電臺組成的觀測臺網。應用地電場數據開展了較多地震預測方法研究，如極化方位計算法（毛桐恩等，1999）、垂直極化強度投影法（阮愛國等，2000）、常規波形分析法（錢復業等，2005）、VAN 法（馬欽忠等，2008）、長短極距比值法（田山等，2009）、頻譜分析法（范瑩瑩等，2010）、優勢方位角法（譚大誠等，2013）等。

隨著對大地電場物理解析的深入研究，探索出自然電場、大地電場初步分離原理（譚大誠等，2012），并逐步發展出大地電場優勢方位角分析方法（譚大誠等，2011，2014，2019）。大地電場優勢方位角分析方法物理意義明確，可用來提取弱幅度異常變化，在2017—2020 年年度地震會商中得到了應用，所涉震例有：2008 年汶川MS8.0 地震、2013 年岷縣—漳縣MS6.7 地震、2014 年魯甸MS6.5 地震、2016 年12 月新疆呼圖壁MS6.2 地震分布、2017 年精河MS6.6 地震、2017 年四川九寨溝MS7.0 地震、2019 年張掖MS5.0 地震。以上震例主要分布在我國西部地區。

地電暴和雷電等干擾在地電場日變曲線上表現為脈沖擾動，高壓直流輸電干擾表現為臺階變化。辛建村等（2017）和張波等（2020）認為，這些常見地電場干擾對優勢方位角的影響不明顯。

收集整理了2000 年以來華北、東北地區20 余個地電場臺站的分鐘值數據，利用地電場潮汐波巖體裂隙水（電荷）流動模型計算臺站的大地電場優勢方位角，結合觀測系統變動、高壓直流輸電干擾等因素，分析其抗干擾能力，跟蹤不同地區的裂隙結構變化，總結中強地震前異常特征，為華北、東北地區震情跟蹤提供依據。

1 華北、東北地電場觀測臺網

華北、東北地區構造復雜。區域為張渤地震帶、河北平原帶、山西地震帶、郯廬斷裂帶的地震活動較強。2000 以來發生過多次5 級以上地震，其中9 次地震震中300 km 范圍為分布2 個以上地電場觀測臺站（圖1，圖2）。

圖1 東北地區地電場臺站、震中分布及地電場觀測數據時間進程Fig.1 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in Northeast China

圖2 華北地區地電場臺站、震中分布及地電場觀測數據時間進程Fig.2 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in North China

華北地區地電場觀測始于2001 年，之后陸續建立近20 多個地電場觀測臺站，其中大多數臺站于2007 年以后建設。該區臺站分布比較密集，而5 級以上地震較少。東北地區臺站分布比較稀疏，大部分建于2007 年以后。該區5 級以上地震較多，且深源地震多發于吉林琿春和黑龍江林口地區。

2 優勢方位角計算方法

2.1 計算原理

當地電場NS、NW 測向之間相關性較高時，大地電場ET優勢方位角α（北偏東）計算公式（譚大誠等，2014）為

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS 測向第i階潮汐諧波振幅。Ai的計算方法為對于一個數據序列y（t時間序列總數n），數學上可表示成

其中ai、bi計算公式為

則Ai為

2.2 計算過程

（1）數據選取。取全天24 小時分鐘值數據（數據源于數據庫原始或預處理數據），對于個別缺測點，用其前或后的可靠數據填補。若同一天缺數（含直線數據）累積超過100 min，則取消當天數據的相關計算。

（2）不同方位間相關系數計算。根據選取的長或短極距數據，計算不同方位數據之間的相關系數。

（3）潮汐諧波振幅計算。對不同測向數據分別進行快速傅里葉變換，獲取周期為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h 的諧波并計算其振幅和。

（4）優勢方位角計算。一般選取相關系數最大的2 個方位。基于潮汐諧波振幅和，計算地電場優勢方位角。

3 地電場優勢方位角抗干擾能力分析

地電暴和雷電等干擾在地電場日變曲線上表現為脈沖擾動。經計算，脈沖擾動對優勢方位角影響較小。高壓直流輸電對地電場觀測數據的干擾主要是換流站接地極的回流干擾，對地電場觀測數據形態具有明顯影響，但是對大地電場優勢方位角的影響不明顯（張波等，2020）。辛建村等（2017）認為，當干擾幅度不大于地電場日變化峰值時，優勢方位角基本不受干擾影響；當干擾幅度較大時，優勢方位角當天會受到影響，但第二天以后所受影響不明顯。通過跟蹤近年來地電場方位角數據，認為在運行高壓線路干擾時間不固定、不連續，對優勢方位角的影響不明顯，但是試運行階段的高壓直流線路，連續漏電天數較多，換流站附近臺站的地電場日變數據和方位角均會受到明顯影響。2020 年2 月1 日—6 日鄭哈高壓直流線路試運行，位于換流站附近的洛陽、周口、菏澤、肥鄉臺等臺站的地電場日變波形出現方波形態（圖3），原雙峰雙谷的日變形態基本消失，優勢方位角出現同步偏轉變化（圖4），而線路兩側距換流站較遠的臺站受影響較小。

圖3 瓜州、菏澤、洛陽、肥鄉臺地電場日變曲線Fig.3 Diurnal variation of telluric field observations at Guazhou,Heze,Luoyang,and Feixiang stations

圖4 瓜州、菏澤、洛陽、周口、肥鄉臺分布及方位角變化Fig.4 The telluric field rock cracks at Guazhou,Heze,Luoyang,Zhoukou,and Feixiang stations

2020 年4 月19 日—30 日扎青線連續多天漏電，造成山東無棣大山、天津徐莊子、河北興濟臺地電場日變曲線出現臺階變化，優勢方位角偏轉（圖5），但各臺與換流站的距離不同，臺站布設方位不同，各臺優勢方位角受影響程度有差異。更換電極及外線路也可能使得日變波形出現臺階。臨汾臺在2020 年4 月3 日更換電極后，地電場觀測數據出現臺階，優勢方位角減小25°。安丘臺地電場觀測系統2020 年9 月21 日—22 日更換外線路，短極距部分時段缺數，系統恢復運行后地電場觀測數據出現臺階變化，優勢方位角偏轉20°（圖6）。裝置變動導致地電場觀測數據及優勢方位角出現明顯變化的原因復雜，需進一步研究。

圖5 2020 年無棣大山、徐莊子、興濟臺地電場日變曲線及優勢方位角Fig.5 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Wudi,Xuzhuangzi,and Xingji stations,2020

圖6 臨汾和安丘臺地電場日變曲線及方位角Fig.6 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Linfen and Anqiu stations

4 典型震例分析

2013 年1 月23 日遼寧遼陽燈塔發生MS5.1 地震，震中附近300 km 范圍內分布新城子、義縣、四平3 個地震臺。義縣臺（震中距約158 km）α自2012 年10 月底從約45°躍變至近88°，11 月底至12 月初短時復原，12 月中旬后基本在88°至-2°間跳變。新城子臺（震中距約66 km）α在2012 年8 月中間值出現約15°下降偏轉，12 月初跳變增加至約45°，震后基本穩定（圖7）。

圖7 2012—2013 年義縣、新城子臺地電場方位角變化Fig.7 The telluric field and rock cracks at Yixian and Xinchengzi stations from 2012 to 2013

2018 年5 月28 日吉林松原發生MS5.7 地震。望奎臺（震中距約225 km）在2018 年2月中旬至3 月中旬，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，并且α跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線。肇東臺（震中距約124 km）在2017 年10 月開始出現明顯的偏轉和收窄變化（圖8）。

圖8 2017—2018 年肇東、望奎臺地電場方位角變化Fig.8 The telluric field and rock cracks at Zhaodong and Wangkui stations from 2017 to 2018

2013年10月31日吉林前郭發生MS5.7震群。吉林四平臺（震中距約158 km）在2013年9月，α中間值逐步從10°左右上升至近55°，偏轉45°。黑龍江肇東臺（震中距約209 km）在10 月，α中間值逐步從45°左右下降至近0°，且跳變范圍明顯收窄。望奎臺（震中距約282 km）在2013 年3 月，α中間值逐步從45°左右下降至接近0°，且跳變范圍明顯收窄，幾乎變成一條直線（圖9）。

圖9 2012—2013 年四平、肇東、江望奎臺地電場方位角變化Fig.9 The telluric field and rock cracks at Siping,Zhaodong,and Wangkui stations from 2012 to 2013

2020 年7 月12 日唐山古冶發生MS5.1 地震。延慶臺（震中距約226 km）方位角2019 年11 月下旬至2020 年4 月中旬具有跳變范圍收窄、偏轉異常，與天津寶坻臺（震中距約80 km）的異常有準同步現象，構成區域異常（圖10）。

圖10 2019—2020 年延慶、寶坻臺地電場方位角變化Fig.10 The telluric field and rock cracks at Yanqing and Baodi stations from 2019 to 2020

對于華北、東北地區5級以上地震，地電場優勢方位角具有較好的異常變化特征（表1）。基于此，可總結得出華北、東北地區5 級以上地震異常判據和預測指標。

表1 華北東北地區5 級地震前地電場方位角變化分析Table 1 The variation of telluric feild and rock cracks before MS ≥5 earthquakes in Northeast and North China

（1）異常判據。異常判據為任一場地的大地電場優勢方位角α會在一定范圍內隨機跳變，在一個區域內（約300 km）或同一條斷裂帶附近，多個場地的大地電場優勢方位角α的隨機跳變范圍、或跳變的中間值發生準同步顯著改變，并且持續至少1 周時，可判定α變化異常。

（2）預測指標為：①發震時間，異常出現后6 個月內發震幾率高；②發震地點，臺站附近300 km 以內，通常，α出現約45°偏轉和收窄變化的場地更靠近震中；③發震強度，5 級以上。

5 結論

當地電臺站位于高壓直流線路換流站周邊時，地電場觀測數據受影響較大。在高壓直流供電開始和結束時，地電觀測數據出現臺階形態。當同一高壓直流輸電線路漏電僅一天或者不連續的幾天時，換流站附近臺站地電場優勢方位角表現為個別突跳。當同一高壓輸電線路連續多天漏電時，地電場優勢方位角明顯偏轉，換流站越近，影響越大。

華北、東北地區5 級以上淺源地震發生前，震中300 km 范圍內地電場優勢方位角出現顯著中短期異常，多為45°偏轉或者收窄變化。優勢方位角震前偏轉45°的場地巖體可能發生了共軛剪裂，收窄變化則說明場地裂隙由發育階段轉變為長大階段，裂隙長度增大、連通性增強、排列逐漸有序。根據以往研究，巖石裂隙會隨深度增加而閉合，20—30 km深度的巖石裂隙率相對大，50 km 深度以下巖石裂隙率顯著下降（錢家棟等，1985）。大地電場優勢方位方法對淺源地震有較好的響應，對深源地震基本無反映，這種現象進一步說明大地電場優勢方位角可能與巖石裂隙結構相關。

感謝甘肅省地震局譚大誠研究員在本項工作開展過程中提供幫助。