2016年太原兩次有感地震前太原臺大地電場異常信號分析

李 艷，陳常俊，張亮娥

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一，根據不同場源，可將地電場劃分為大地電場和自然電場。大地電場是由外部的各種場源(如電離層、磁層、對流層等中的各種電流體系)在地球表面感應產生的分布或較大地區的變化電場，具有廣域性；自然電場場源是指地球內部各種因素形成的場，具有局部性。隨著“九五”“十五”項目建設，大地電場觀測得到普及，研究者也發現了地震前出現的異常電信號。統計發現，異常電信號一般出現在發震前數天至一個月左右[1-4]，最長為震前三個月以內[4]，屬典型的短期異常或短臨異常。

太原基準地震臺大地電場(以下簡稱太原臺電場)建設于2006年10月，2008年1月投入正式運行，已積累11 a年的觀測數據。2016年11月18日，距臺站北東方向5 km的小店區發生ML3.9地震，市區普遍有感;一個月后的12月18日，在臺站正南方向11 km的清徐發生ML4.6中等地震，市區震感明顯。根據多極距去噪音觀測原理，對2016年7月以后的觀測資料分析發現，10月至12月底共提取到5組異常。其中，10月有2組：1組為低頻突跳、1組呈低頻突跳并夾雜高頻擾動；11月18日ML3.9地震前5 d又提取到2組，其特征與10月的2組一樣；12月18日ML4.6地震前10 d提取到1組高頻擾動異常信號。5組異常距2次地震最短5 d、最長76 d。

1 觀測概況

太原臺電場屬于武家寨電磁臺觀測項目，其觀測場地位于太原市晉源區晉源鎮武家寨村，太原市西南20 km，電磁臺占地面積約3 000 m2，電場測區地形平坦、開闊。臺站地形地質構造上處于太原盆地中北部，交城大斷裂(走向NE)東側5 km，地勢開闊平坦，第四紀沉積厚度約250 m，其下部巖層巖性為沙質泥巖、泥質沙巖、砂礫巖，成巖較好。

太原臺電場觀測儀器型號為ZD9A-II，采用Pb-PbC12固體不極化電極,埋設在地表凍土層以下的潮濕土壤中，深度3 m，“雙L型”多極距布極方式(見第27頁圖1)。其中，O1A1為EW向長極距240 m，O1B1為NS向長極距240 m，A1B1為NW向長極距339 m，O2A2為EW向短極距160 m，O2B2為NS向短極距 160 m，A2B2為NW向短極距226 m。在無干擾、無地電暴影響等正常背景下，3個測向呈雙峰、雙谷弱日變化形態，兩峰幅度一強一弱，兩谷谷值接近，其中NS和NW向日變形態特征一致(見第27頁圖2)。

2 異常信號分析

該文異常信號識別以馬欽忠老師提出的多極距去噪音方法為依據[1-4]，該方法原理為：地震異常電信號一般來自測區數公里以外遠源場，該場是均勻的或準均勻的；工業游散電流、降雨、灌溉等噪音源一般具有近源特點，即噪音源位于測點不遠的位置上,其在長短極距上產生的電場分量在測區局部不均勻性明顯，即近源場是非均勻的。異常電信號至少同時滿足三個條件：未被所有臺站記錄到，不是廣域性的大地電磁效應；同時出現在同測向的長極距和短極距上，變化形態相同、幅度相近；長極距上記錄到的電位極性必須與平行于它的短極距上記錄到的電位極性相同。通過上述方法篩選確定與地震有關的異常電信號。

圖1 太原臺大地電場觀測布極示意圖Fig.1 Schematic diagram of geoelectric field observation distribution at Taiyuan station

圖2 太原臺電場2015年6月18日分鐘值曲線圖Fig.2 Minute value curve of Taiyuan station electric field on June 18, 2015

2.1 干擾信號

圖3是噪音干擾類不均勻性的例子，如2015年10月23日記錄到3組擾動信號(虛線框標識)。其中，EW向長短極距在5:00-6:00、17:00-19:00、23:00-24:00三組時間段內擾動形態相同，變化幅度差別大；NW向在5:00-6:00第1組的長短極距記錄到信號形態相反(電位極性相反)，18:00-19:00第2組的短極距上記錄到幅度為11 mV/km的負極性信號(向下)，長極距則未記錄到類似信號；23:00-24:00第3組的長極距記錄到最大幅度為18 mV/km的負極性信號，短極距則無相似信號出現。根據前述判據，3組擾動信號呈非均勻性特征，屬于近源場的噪音干擾，噪音源應位于A1極附近。經現場巡查，發現在A1極東南約400 m處有市政在開挖供熱管道和污水管道工程施工，期間的電焊施工可能是產生上述干擾的原因。

圖3 太原臺電場2015年10月23日分鐘值曲線圖Fig.3 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 23, 2015

2.2 震前信號

2016年11月18日，距電場測區北東方向5 km的太原小店區發生ML3.9地震；12月18日，距電場測區正南方向11 km的清徐發生ML4.6地震，如此近距離的2次地震事件為檢驗太原臺電場監測效能提供了條件。據文獻[4]所述，地震異常電信號最長出現在震前三個月內，基于此，對2016年7月至12月太原臺電場6個測道的觀測數據進行逐日分析。通過查詢觀測日志，排除各種已知干擾源(如漏電、降雨、農田灌溉、地電暴等)，再依據馬欽忠老師提出的多極距去噪音觀測原理的三項必要條件，提取到5組異常信號。其中有兩組連續兩天出現，小店和清徐地震均發生在此異常信號之后。

第28頁圖4顯示2016年10月2日太原臺電場記錄到第1組異常，根據多極距去噪音原理方法，確定為異常電信號。異常形態為顯著的低頻突跳，各測道上的突跳形態相似、極性相同(見線框標識)，持續約2 h。其中，NS向擾動幅度最大為15 mV/km，EW向和NW向約5m V/km,第1組異常距11月18日太原ML3.9地震46 d，距離12月18日清徐ML4.6地震76 d。

第28頁圖5顯示10月14日太原臺電場記錄到第2組異常，根據多極距去噪音原理方法，確定為異常電信號。異常特征以低頻突跳為主，同時夾雜有少許高頻擾動信息，各方向擾動形態相似、極性相同(見線框標識)，持續近一個半小時。NS向擾動幅度最大約14 mV/km，NW向約8 mV/km,EW向約3 mV/km,第2組異常距11月18日太原ML3.9地震34 d，距12月18日清徐ML4.6地震64 d。

第28頁圖6顯示11月12日至13日，太原臺電場連續兩天記錄到3組異常信號，根據多極距去噪音原理方法研判，有大地電磁效應(虛線框)，也有異常電信號(實線框)。其中，12日的異常為低頻突跳，六測道擾動形態相似、極性相同，持續約2 h。突跳幅度特征與第1組類似，NS向突跳幅度最大為11 mV/km，EW向和NW向擾動幅度為6 mV/km，此為第3組異常；第4組異常發生在13日，異常特征以低頻突跳為主，同時夾雜有高頻擾動信息，各方向長短測道擾動形態相似、極性相同，持續6小時左右。擾動幅度特征與第2組類似，NS向擾動幅度最大為17 mV/km，NW向約10 mV/km,EW向約6 mV/km,此組異常距11月18日太原ML3.9地震5 d，距12月18日清徐ML4.6地震35 d。

圖4 太原臺電場2016年10月2日分鐘值曲線圖Fig.4 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 2, 2016

圖5 太原臺電場2016年10月14日分鐘值曲線圖Fig.5 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 14, 2016

上述4組異常信號與隨后2次地震事件間隔在5 d至兩個半月不等，符合文獻[4]中最長3個月的異常統計。因2次地震事件震中位置不同，無法準確判斷某組異常歸因于某個地震，僅從異常信號形態和幅度來看，1、3組有一定的相似性，即變化形態相近，異常信號呈負極性變化(向下)，NS向異常幅度最大，EW和NW兩測向變化幅度近似相等，前者是后者變化的2～3倍；2、4組異常存在相似性，即形態特征相近，各方向長短測道極性相同，異常幅度NS向最大，NW向次之，EW向最小；4組異常在三測向的擾動幅度明顯大于日變形態幅度。

圖6 太原臺電場2016年11月12日至13日分鐘值曲線圖Fig.6 Minute value curve of Taiyuan station electric field from November 12 to 13, 2016

11月18日距電場北東方向5 km發生ML3.9地震，20天后(即12月8日)出現連續的高頻擾動信號，持續約4 h(見圖7線框標識)。與前4組異常不同的是此次異常幅度不大，NS向擾動幅度最大約7 mV/km，EW向和NW向分別約4 mV/km，均未超當日最大變化幅度；擾動信號以高頻形式出現，其中NS向和EW向高頻信號特征比NW向明顯。根據多極距去噪音觀測原理方法排除了噪音干擾的可能，確定為異常電信號(第5組)。圖中顯示，各測道長短極距異常形態和幅度呈高度一致性，10 d后的12月18日，距電場觀測場地正南11 km的清徐發生ML4.6地震。

圖7 太原臺電場2016年12月8日分鐘值曲線圖Fig.7 Minute value curve of Taiyuan station electric field on December 8, 2016

3 結論與討論

通過以上分析可知，太原臺電場在2016年11月18日ML3.9地震、12月18日ML4.6的2次地震前提取到5組顯著異常信號。其中，第1組異常時間距第一次地震約一個半月，距第二次地震兩個半月；第5組異常信號在第一次地震發生后20 d，在ML4.6地震前10 d。異常信號特征如下：

(1) 異常信號存在方向指示性。5組異常信號中，NS向異常擾動幅度大于EW和NW向，說明來自NS方向的地震異常電信號強度優于其他兩測向，2次震中的位置分別位于臺站的北東和正南，說明異常信號似乎有一定的方向指示性。

(2) 異常信號距震中非常近。太原臺電場測區距2次地震震中分別為5 km和11 km，查閱有關電場異常信號的震例研究文獻，發現電場信號源一般距震中幾十公里到幾百公里不等，位于震源區附近的異常震例文獻更是少見，震源區附近出現的異常電信號，可能在異常機理上需要更明確的物理解釋。

(3) 不同組異常信號圖像存在“相似性”特征。10月2日和11月12日出現的第1、3組異常為低頻信號，其變化幅度相近、變化極性相同，在圖像特征方面存在“相似性”；10月14日和11月13日記錄到的2、4組異常電信號(低頻+高頻擾動)，在幅度、極性等方面也存在“相似性”，兩者可能反映了不同地震事件的電場信號屬性；12月8日記錄的第5組異常(高頻擾動)，可能是18日清徐ML4.6地震前的異常反應。

(4) 5組異常信號持續時間不等。第1、3組異常持續約2 h；第2組異常(11月12日出現)持續時間最短，約一個半小時；第4組異常(11月13日)持續時間最長，約6 h；第5組持續約4 h。