黑龍江地電場方位角異常與中強地震的關系探討

劉長生，張思萌，楊維輝，康 健，高雙玲

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.德都地震臺，黑龍江 德都 164199；3.牡丹江地震臺，黑龍江 牡丹江 157009）

0 引言

地震孕育和發生必然會導致地下介質電性結構發生改變，從而導致地表大地電場的變化。地電場是地表大地電磁場的一部分，由較穩定的自然電場和變化的大地電場構成[1]。1984 年Varotsos，Alexopoulos 和Nomicos 提出利用地電場觀測資料提取地震電信號預報地震的方法，即VAN 法。近些年，國內地震學者利用多種方法對地震前地電場中可能包含的異常信息進行了分析和提取，毛桐恩[2]提取了河北張北M6.2地震前大地電場矢量方位的顯著變化；馬欽忠[3]基于地電場多極距原理論證了可能與汶川地震有關的地電場異常前兆，發現震前脈沖信號并非源于同一地點，不同的應力積累區可能是異常信號的源區。譚大城[4]應用大地電場巖體裂隙模型對國內典型震例進行分析，發現震前巖體裂隙優勢方位出現偏轉和大幅度突跳等結構變異。艾薩·伊斯馬伊力等[5]分析新疆北天山地區兩次6 級地震前巖體裂隙方位角也發現類似變化。上述研究表明，地電場可以很好的反應地下介質的電性變化，開展孕震過程中大地電場的變化特征研究對地震預測預報具有非常重要的意義。

中國“十五”數字化臺網建設完成至今，黑龍江省及鄰區發生多次M>4.0 中強地震，大多地震發生在松遼盆地內部，省內有六個的電場臺布設在其中，本文使用大地電場方位角法分析和討論裂隙方位角異常變化特征與中強地震之間的關系。

1 地質構造背景

黑龍江省位于中國東北部，北向和東向皆與俄羅斯接壤，西向與內蒙古自治區、南向與吉林省相連[6]本地區構造運動較為活躍，地震構造背景復雜，省內及鄰區多次發生M4.5～6.0 的中強地震。黑龍江地區分布有北東東向的嫩江斷裂帶、依蘭—伊通斷裂帶、敦化—密山斷裂帶共三條一級大型斷裂帶；北西向的濱州斷裂和近北南的肇東—扶余斷裂帶等多條次一級斷裂。它們組成了黑龍江地區活動斷裂構造的基本框架（圖1）。

圖1 黑龍江省地電場臺與斷裂分布圖Fig.1 Distribution of electric field stations and faults in the Heilongjiang region

表1 黑龍江省地電場觀測臺站基本參數

2 觀測資料

黑龍江省地震局在中國地震局進行“十五”數字觀測網絡改造過程中新增了大地電場觀測項目，該項目在黑龍江省共建立了7 個大地電場觀測臺站，它們分別為綏化地震臺、德都地震臺、通河地震臺、林甸地震臺、肇東地震臺、望奎地震臺、密山地震臺，具體位置如圖1 所示。觀測外線路均采用雙“L”形布極方式，長極距均為300m，短極距為150m，布設采用地埋的方式，電極的埋藏深度為3.0±0.5m，中心點在同一坑內埋設兩個電極，從表1 中可以看到各個地震臺站觀測系統的配置參數。地電臺網于2007 年6 月開始產出數據。

3 方法原理和計算過程

3.1 方法原理

在實際場地中，利用巖石裂隙水主體滲流模型原理計算方位角α 時，之前需先進行相關分析，通常會得出三條ET結果曲線，如果EW、NE 之間的ET相關性高，就表明裂隙優勢走向介于EW 和NE 之間，即選取該相關性高的α 曲線作為巖石裂隙狀態變化的判定標準曲線。但也可能出現NS、NE 或NS、EW 相關性高，則相應進行選取；本文結合各地電臺站電極布設方式，給出大地電場優勢方位角α（北偏東）計算公式如下：

公式（1）為綏化臺滲流方位角計算公式。式中，α 為巖石裂隙優勢方位走向；AEW和ANE表示地電場EW 和NE 向觀測數據的潮汐諧波振幅值；n 為階數，表示各臺優勢周期個數，可通過傅里葉變化得到，一般n 計算到n 階即可[4]。

上面公式僅是應用EW、NE 測向數據的計算公式。當應用其它測向計算α 時，其表達式需相應調整。

3.2 計算過程

具體計算過程如下：首先，利用中國地震前兆預處理數據庫中每日大地電場三個方向長極距分鐘值采樣數據，不同方位之間兩兩計算，共計算出三個相關系數，以其中兩個方位之間諧相關系數最大的結果計算方位角；其次，計算出電場中潮汐成分所占比例較高的前10 階振幅之和作為其諧波振幅；最后，基于諧波振幅計算最終方位角。

4 松遼盆地內六個地電場波形特征、巖石裂隙優勢走向分析

4.1 波形特征分析

譚大城[7]將全國地電場觀測波形分為兩類：一是TGF-A 型，其與固體潮密切相關的正弦型波形，二是TGF-B 型，其與氣體潮汐有關的空間Sq電流產生的近梯形波形。認為在沒有或離地表水域稍遠處，地下巖石含水度高、透水性好的區域Sq電流系在地表的感應引起裂隙水周期性滲流產生大地電場可能是主要原因[8]。黑龍江省七個電場臺站中除了密山臺波形為無序型外，松遼盆地內六個臺均表現出較好的TGF-B型，如圖2，表2 所示。

圖2 黑龍江省大地電場臺日變化波形對比（20180501）Fig.2 Comparison of waveform characteristics of platform diurnal variation in Heilongjiang electric field

表2 黑龍江省地電場臺觀測波形分類

基于巖石物理學[9]，巖體內部的裂隙發展過程分為生成、發育、長大、破碎，而后[4]利用中國大陸地電場臺網中的40 個觀測環境較好及裝置相對穩定的臺站，計算了2017 年上半年的場地巖體裂隙方位角正常變化背景，結果顯示，80%的場地巖體裂隙處于發育階段，15%的場地處于長大階段，5%的場地處于破碎階段。本文共計算了黑龍江省六個臺站方位角結果，其中德都臺、望奎臺、肇東臺、綏化臺和林甸臺是發育階段、通河臺是長大階段，處于發育階段的臺站占多數。

4.2 松遼盆地內六個電場臺站巖石裂隙優勢走向分析

依據珧立珣[10]、張鳳鳴[11]等的構造應力場研究資料表明，黑龍江地區的構造應力場主壓應力方向σ1約為54°，接近整個東北地區地殼應力場N58°E，在研究區內不同的臺站場地內主壓應力σ1變化明顯，本地區主要以水平應力為主（圖3）。巖石力學理論認為：兩組共軛剪裂面與主壓應力方向的理論夾角為45°，圖4a 左圖是由σ1方位繪出的兩組共軛剪裂面L1 和L2，走向分別為N9°E、N99°E，這是最大剪應力作用的兩個理論走向，α 是巖石裂隙的大致走向。

圖3 黑龍江及鄰區斷裂帶的斷層錯動及大地電場臺分布（據姚立珣，1992）Fig.3 Fault movement and distribution of geoelectric station in Heilongjiang and its adjacent area

圖4 黑龍江省六個地電場臺裂隙優勢走向分析Fig.4 Analysis of the preferential crack orientation of the geoelectrical field at six earthquake stations in Heilongjiang province

巖石裂隙實際走向會小于理論計算值[4]，從表3 中可知，望奎、肇東、綏化臺和通河臺的值與巖石學理論得出的可能走向更加接近，其差的形成可能是因為主壓應力與剪裂面的夾角稍小于45°所引起；德都和林甸臺方位角度偏小，與理論走向相差較大，可能與各臺站局部場地、裂隙度、含水度和滲透率等因素差異明顯有關。

表3 2018 年5 月1 日松遼盆地內六臺站巖石裂隙水主體滲流方向

5 典型震例分析

2007 年國家“十五”數字地震臺網建設以來，黑龍江省及鄰區發生多次M≥4.5 地震，選取其中較為典型，同時震中周圍地電臺站數量較多的地震進行分析，其中震前原始分鐘值數據曲線出現異常的唯一典型震例為2009 年5 月10 日安達M4.5 地震，而分析方位角結果與地震關系則出現三次典型震例，分別為：2009 年5 月10 日安達M4.5、2013 年6 月20 日內蒙古莫力達瓦M5.0，2017 年7 月至2018 年3 月吉林松原M4.0 級叢集地震等共3 組（6 個）地震，如表4 所示。

表4 黑龍江及鄰區M＞4.0 地震目錄

5.1 安達M4.5 地震綏化臺大地電場分鐘值曲線異常

2009 年5 月10 日安達發生M4.5 地震，發震斷層為濱州斷裂。綏化地震臺距離震中128km，從地震發生前的4 月20 日左右開始，綏化臺大地電場六條曲線均出現明顯的短期異常變化，如圖5 所示。異常結束的時間基本與發生地震時間一致。經過核實，異常存續期間臺站周邊并未發現干擾源。

圖5 2009 年5 月10 日安達M4.5 地震前綏化臺地電場異常變化（2009.03.01—2009.05.31）Fig.5 Abnormal change of electric field at Suihua Seismic Station before Anda M4.5 earthquake on May 10th，2009

5.2 吉林寧江M4.0 叢集地震前望奎方位角異常

2017 年7 月至2018 年3 月間，吉林松原寧江出現M4.0 地震叢集現象，震級分別為M4.9、M4.5、M4.3、M4.2，距 離 該 震 中 約230km 的望奎臺大地電場出現方位角α 突跳的異常現象。由圖6 可以看到2017 年望奎方位角出現明顯的由“長大”階段轉變為“破碎”階段，由正常的30°以內變化變幅轉變為大于45°變化，變化顯著。

圖6 吉林松原M4.0 叢集地震發生前望奎大地電場方位角變化特征Fig.6 Azimuth variation characteristics of Heilongjiang Wangkui geoelectric field before Jilin Songyuan M4.0 cluster earthquake

5.3 2009 年5 月10 日安達4.5 級地震

2008 年11 月至2009 年1 月綏化臺電場方位角數據出現大幅度改變，如圖7 所示，方位角從之前的穩定的30°～50°范圍波動，表現為“發育”階段，變幅為20°左右，逐漸演變成為幅度為45°上下波動，即從“長大”階段轉變成“破碎”階段，在此期間發生了震中距120km 的安達4.5 地震，而后方位角恢復至正常狀態。

圖7 2009 年黑龍江安達M4.5 地震前綏化大地電場方位角變化特征Fig.7 Azimuth variation characteristics of Suihua geoelectric field before Heilongjiang Anda M4.5 earthquake in 2009

6 結論

通過對黑龍江省七個大地電場臺分鐘值數據進行梳理和方位角計算結果與中強地震的對應關系進行分析，可以得出以下結論：

（1）黑龍江地區地震臺站地電場和地磁場日變化具有同步性和相關性。地電場觀測的日變化波形形態屬于“峰-谷-峰”型，其中綏化、德都、通河屬于峰-谷-峰型；林甸屬于峰-谷型；望奎北南向和北西屬于雙峰-雙谷型，東西向是雙峰-單谷型；所有臺站觀測波形都屬于TGF-B 型，波形形態受空間Sq電流系產生的感生電流控制。

（2）與前人對本地區構造應力場方位走向進行對比，得到望奎臺、肇東臺、綏化臺和通河臺等臺的值更符合巖石學理論的可能走向，其差可能是因為主壓應力與剪裂面的夾角稍小于45°所引起；德都和林甸臺方位角度偏小，與理論走向相差較大，可能與各臺站局部場地、裂隙度、含水度和滲透率等因素差異明顯有關。

（3）省內七個大地電場臺原始數據受干擾（如電極引線破損、外界環境、降雨等）變化幅度超100mv/km 以上時，方位角數值會受到顯著影響，幅度在30mv/km 以下時，方位角基本不受干擾。

（4）通過對大地電場滲流方位角結果與歷史中強地震之間分析，發現黑龍江及鄰區顯著地震前會出現巖體裂隙剪裂變現象，兩者之間存在較好的對應關系。

總體上，對黑龍江及鄰區2 組（5 次）典型震例進行分析發現，在強震震中200km 范圍內，巖體裂隙處于“長大”或“發育”好的場地較集中，并且這些場地在中強震前更容易發生巖體剪裂和大幅度突跳或集中等結構變異的變化特征。

致謝：甘肅省地震局譚大城研究員提供方位角計算軟件和給予的指導和幫助，黑龍江省地震局監測中心提供的觀測數據。