基于大地電場巖體裂隙水滲流模型的地震前兆異常特征研究

2021-09-06 11:06:22張志宏李夢瑩焦明若黃明威孫慶山孔祥瑞

大地測量與地球動(dòng)力學(xué) 2021年9期

張志宏李夢瑩焦明若黃明威孫慶山孔祥瑞

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號(hào)，110034

20世紀(jì)70年代，希臘、法國、日本等國家將地電場應(yīng)用到地震等自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，國內(nèi)地電場用于地震預(yù)測預(yù)報(bào)研究也有快速發(fā)展[1-4]，但研究方法大多有局限性，如對(duì)機(jī)理的解釋不足或在復(fù)雜噪音信號(hào)干擾下不易辨識(shí)震前信號(hào)等。因此，黃清華等[5]提出將大地電場和自然電場分離研究的物理解析方法；譚大誠等[6-8]提出基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型，并應(yīng)用模型計(jì)算出場地巖體裂隙水的主滲流方位，得到一個(gè)地區(qū)的背景滲流方位，以此觀測地震前后優(yōu)勢方位的變化特征；而辛建村等[9]模擬加入脈沖、電阻率觀測人工供電、地電等典型干擾后發(fā)現(xiàn)，在干擾幅度小于觀測臺(tái)日變波峰值時(shí)，方位角α的計(jì)算結(jié)果基本不受影響。

基于此，本文利用地電場潮汐波建立巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型，基于遼寧地區(qū)大地電場觀測數(shù)據(jù)，研究典型干擾對(duì)巖體裂隙電荷移動(dòng)的影響程度，并提取2013年遼寧燈塔MS5.1地震前后巖體裂隙電荷移動(dòng)異常的時(shí)、空、強(qiáng)特征，探索和討論異常產(chǎn)生的機(jī)理。

1 遼寧地區(qū)大地電場波形特征及場地巖石裂隙優(yōu)勢走向分析

大地電場ET日變源于電離層Sq電流和潮汐力[10-11]，根據(jù)大地電場ET日變波形，大地電場可以分為24 h持續(xù)的TGF-A型和時(shí)間選擇形態(tài)的TGF-B型兩種類型。近年研究表明，TGF-A型主要受日、月潮汐的影響，而TGF-B型是地球電離層Sq電流的作用。TGF-B型相對(duì)穩(wěn)定的潮汐波是大地電場日變化主要的波形特征，前10階諧波的周期為23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h及2.4 h，場地地質(zhì)構(gòu)造決定了日變波形的形態(tài)，且形態(tài)穩(wěn)定[6-7]。因此，為了判定遼寧地區(qū)大地電場的波形形態(tài)，本文僅計(jì)算2019-06-01遼寧新城子、義縣和阜新3個(gè)臺(tái)站NS向ET分鐘值和前10階諧波振幅譜值。如圖1(a)所示，3個(gè)臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)波形均為TGF-B型，且波形的波峰、波谷起止時(shí)間基本一致，可以明顯地觀測到最大波谷時(shí)間選擇在12 h左右，對(duì)應(yīng)臺(tái)站前10階的諧波振幅逐漸減小(圖1(b) )。

圖1 2019-06-01阜新、新城子和義縣臺(tái)地電場的波形和前10階振幅譜Fig.1 The waveform and the first 10 order amplitude spectrum of the geoelectric field at Fuxin, Xinchengzi and Yixian stations on June 1, 2019

利用3個(gè)臺(tái)站2019-06-01的數(shù)據(jù)計(jì)算其波形相關(guān)性，表1為3個(gè)臺(tái)站不同方向之間的諧波相關(guān)性系數(shù)K1均值統(tǒng)計(jì)，06-02和06-03各臺(tái)的相關(guān)性與表1基本一致。依據(jù)大地電場潮汐機(jī)理學(xué)說[6]，TGF-B型潮汐地電場主要是空間Sq電流在地面的反映，其受到地下巖體裂隙、滲透率及含水度等因素影響較大。表1說明同一臺(tái)站不同方向之間巖體裂隙發(fā)育程度不一致。

表1 2019-06-01遼寧不同方向地電場K1均值統(tǒng)計(jì)

假設(shè)觀測場地巖體為3層水平均勻介質(zhì)，上層電阻率為ρ1，厚度為h1；滲流層的電阻率為ρ2，厚度為h2；下層介質(zhì)不導(dǎo)電。在地面觀測到的電場強(qiáng)度關(guān)系式中，系數(shù)C與巖體含水度、裂隙度、礦化度等因素有關(guān)，v為水中電荷滲流速度[12]，則大地電場強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算遼寧地區(qū)3個(gè)大地電場的電場強(qiáng)度E，結(jié)果表明，同一臺(tái)站不同方向之間的地電場潮汐波峰谷值差異較大，新城子臺(tái)NS、NE和EW向峰谷值接近；義縣臺(tái)NS和NE向峰谷值相差不多，與EW向相差較大；阜新臺(tái)NS和NW向峰谷值相差較小，與EW向差距較大(表2)。

表2 2019-06-01遼寧地電場潮汐波峰谷值

在地電場的觀測數(shù)據(jù)中，ESP為自然電場，ET為大地電場，Er為干擾成分，則地電場E可以表示為：

E=ESP+ET+Er

(2)

設(shè)地電場觀測分鐘值數(shù)據(jù)為Ei，日均值計(jì)算自然電場ESP的表達(dá)式可簡化為：

(3)

利用式(3)能夠基本消除大地電場ET和干擾成分Er。設(shè)第j天的自然電場為ESP(j), 則自然電場ESP的穩(wěn)定性可表示為：

ΔESP=ESP(j+1)-ESP(j)

(4)

用α表示場地巖體裂隙水電荷移動(dòng)的主滲流方位，也稱為地電場ET優(yōu)勢方位[6]。當(dāng)臺(tái)站地電場NS、NW向之間的相關(guān)性高時(shí)，地電場ET的優(yōu)勢方位角α(北偏東)計(jì)算公式為：

(5)

式中，ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS向第i階潮汐諧波振幅。

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)序列yt(時(shí)間序列總數(shù)為n)，數(shù)學(xué)上可表示為：

(6)

式中，ai、bi的計(jì)算公式為：

(7)

則Ai為：

(8)

依據(jù)式(5)計(jì)算新城子、義縣和阜新臺(tái)的場地巖石裂隙水主體滲流方向(見表3，單位(°))，可以看出，義縣和新城子臺(tái)3 d的巖體裂隙水的平均滲流方向相差不多，而阜新臺(tái)有較大差別。

表3 2019-06-01～06-03遼寧地電臺(tái)站巖石裂隙水主體滲流方向

2 遼寧地區(qū)大地電場頻譜特征及潮汐波產(chǎn)生過程中的信噪比

傅里葉變換適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的頻域分析，而自然界中的信號(hào)多為非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，信號(hào)中不同頻率成分的出現(xiàn)時(shí)間無法判斷，快速傅里葉變換能夠克服這一困難。圖1(a)是對(duì)2019-06-01數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換諧波分析的結(jié)果，可以看出，前6階的諧波振幅明顯占優(yōu)，周期分別為23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h及4 h。表4為各臺(tái)站2019-06-01～06-03 NS向前10階潮汐諧波振幅之和與前100階諧波振幅之和的比值TA，可以看出，3個(gè)臺(tái)站的潮汐諧波影響的程度相差不大。

表4 2019-06-01～06-03遼寧地電場TA值

3 大地電場典型干擾對(duì)巖體裂隙優(yōu)勢方位計(jì)算結(jié)果的影響

3.1 地磁暴干擾影響

地磁暴是高速等離子體云到達(dá)地球空間后引發(fā)的最具代表性的全球空間環(huán)境擾動(dòng)事件，會(huì)導(dǎo)致大地電場觀測波形的相位變化。地磁暴的強(qiáng)度可以表征太陽風(fēng)暴中高速等離子體云的影響大小，其等級(jí)一般用KP指數(shù)來劃分，KP>5為強(qiáng)磁暴干擾。

圖2為2017-09-01～09-30新城子臺(tái)地電場NS、EW、NE三個(gè)方向的分鐘值電場強(qiáng)度E。由圖可知，09-08磁暴指數(shù)KP=8，09-27及09-28的KP=6，這3次磁暴期間的地電場強(qiáng)度受到了不同程度的影響，NS、EW向電場強(qiáng)度E影響的幅度最大，但新城子臺(tái)地電場在09-08磁暴期間的巖體裂隙優(yōu)勢方位角α增加幅度僅為0.5%，說明巖體裂隙優(yōu)勢方位角α受磁暴的影響較小。

圖2 新城子臺(tái)地電場裂隙優(yōu)勢方位角α 在磁暴干擾前后的數(shù)據(jù)變化特征Fig.2 Data change characteristics of the dominant azimuth α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after the magnetic storm interference

3.2 溫度、降雨干擾的影響

降雨量和溫度的驟變是地電場觀測中最常見的干擾因素。新城子臺(tái)位于遼寧中部地區(qū)，相對(duì)錦州義縣臺(tái)降雨量較大，2018-05是近年來新城子臺(tái)降雨量最大的月份，因此選取5月的降雨量數(shù)據(jù)分析Δα的變化特征。由圖3可以看出，05-22的降雨量達(dá)到14.5 mm，α變化量Δα增大了12 %；05-03、05-16降雨量為零，但Δα分別減小了約40 %和48 %；05-27～05-29新城子臺(tái)為持續(xù)降雨天氣，對(duì)比05-26的α變化量Δα有減小的趨勢。由此說明，新城子臺(tái)地電場降雨量對(duì)優(yōu)勢方位角α的影響不顯著。

圖3 新城子臺(tái)地電場裂隙優(yōu)勢方位角α 在降雨干擾前后的數(shù)據(jù)變化特征Fig.3 Data change characteristics of the dominant azimuth angle α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after rainfall interference

4 震例回溯

2013-01-23遼寧省燈塔地區(qū)(41.48°N，123.17°E)發(fā)生MS5.1地震，震源深度為7 km，遼寧大部分地區(qū)震感強(qiáng)烈，此次地震是繼1999年岫巖MS5.4地震后遼寧地區(qū)發(fā)生的最大地震。燈塔MS5.1地震發(fā)生在NE向營口-佟二堡斷裂北段，王巖等[13]根據(jù)地震參數(shù)計(jì)算分析認(rèn)為，燈塔MS5.1地震破裂類型為走滑型，精定位結(jié)果為NE向破裂。圖4為2013年燈塔MS5.1地震前沈陽新城子臺(tái)大地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的計(jì)算結(jié)果，可以看出，2012年前11個(gè)月新城子臺(tái)巖體裂隙優(yōu)勢方位角α處于50°～70°范圍內(nèi)，2012-12-04α突變?yōu)?9.54°，保持10 d的持續(xù)突跳(間或剪裂)、偏轉(zhuǎn)、剪裂，最大突變幅度Δα約為45°。2013-01-23燈塔MS5.1地震發(fā)生在異常恢復(fù)階段，震中距約為67 km，當(dāng)天的α為89.37°，震后2 d異常恢復(fù)。不同的是，α相比震前背景值有較大幅度的減小，變化范圍在40°～50°，可能是震后區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整使得巖體結(jié)構(gòu)收縮，α的背景值減小。2013年燈塔MS5.1地震后新城子臺(tái)巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的突變異常不明顯，2013-11-17～11-24出現(xiàn)了一組突跳異常，異常的幅度Δα約為20°，異常期間距離臺(tái)站295 km發(fā)生了吉林松原MS5.8震群。前兆場觀測存在同震響應(yīng)，新的一組突跳異常可能是吉林松原MS5.8震群的同震響應(yīng)。

圖4 燈塔MS5.1地震前后新城子臺(tái)地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的數(shù)據(jù)變化Fig.4 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Xinchengzi station

圖5為錦州義縣臺(tái)巖體裂隙方位在燈塔MS5.1地震前后的變化曲線，義縣臺(tái)位于錦州-阜新斷裂上，歷史地震活動(dòng)水平較低。由圖可知，義縣臺(tái)巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全，α基本保持在45°左右。2012-01-16巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剪裂，方位角α為-10.45°，01-23α變?yōu)?8.36°，后恢復(fù)背景水平，突跳異常期間臺(tái)站觀測系統(tǒng)正常，臺(tái)站所屬區(qū)域或構(gòu)造單元無較大地震發(fā)生。2012-12-16α再次持續(xù)突跳(間或剪裂)、偏轉(zhuǎn)、剪裂，持續(xù)變化至2013-03-09，α突變期間距離臺(tái)站158 km處發(fā)生2013-01-23燈塔MS5.1地震，在近3個(gè)月α的突變過程中最大Δα約為45°。2013-11-10α由44.38° 突變?yōu)?5.4°，12-02恢復(fù)至44.97°，突變?chǔ)う良s為40°。異常期間觀測系統(tǒng)正常，距離臺(tái)站420 km發(fā)生2013-11-22松原MS5.8震群。

圖5 燈塔MS5.1 地震前后義縣臺(tái)地電場巖體裂隙優(yōu)勢方位角α的數(shù)據(jù)變化Fig.5 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Yixian station

因此，從新城子臺(tái)和義縣臺(tái)的α背景值、異常時(shí)間、對(duì)應(yīng)地震可以看出，α的前兆短臨異常或同震響應(yīng)特征顯著。

5 討論

5.1 異常臺(tái)站水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造概況

圖6為異常臺(tái)站的空間分布，新城子臺(tái)地電場地位于依蘭-伊通斷裂沈陽段，該段處于隱伏狀態(tài)，是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，活動(dòng)時(shí)期主要在早中更新世，晚更新世以來沒有活動(dòng)。義縣臺(tái)位于錦州盆地東北部，醫(yī)巫閭山西側(cè)斷裂、義縣-金嶺寺斷裂及大凌河斷裂的交會(huì)部位，歷史上中強(qiáng)地震活動(dòng)平靜。也就是說，新城子地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)破碎，應(yīng)力不易集中，巖體裂隙方位角α的角度分布區(qū)間離散，而義縣地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育完整，應(yīng)力相對(duì)集中，巖體裂隙方位角α的角度分布區(qū)間相對(duì)集中。

圖6 遼寧義縣與新城子大地電場臺(tái)站分布Fig.6 Distribution of telluric field stations in Yixian and Xinchengzi, Liaoning

2015年新城子觀測場地深井(603 m)鉆孔取樣分析結(jié)果表明，其水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)在0～82.0 m深度處為Q3時(shí)期的灰褐色粉土及褐黃色含水度低、滲透率低的粉質(zhì)粘土，82.0～404.5 m深度處為Nq時(shí)期的含水度低的砂巖。義縣地電場區(qū)域地層上部為砂、圓礫混土(Q4)，下部為砂質(zhì)頁巖(K2s)，0.0～4.2 m深度處主要為黃褐色的含水度高的粉質(zhì)粘土，4.2～6.1 m深度處為黃褐色含水度高的細(xì)砂，9.0～240.0 m深度處主要為全風(fēng)化、含水度低的砂質(zhì)頁巖。從2個(gè)臺(tái)站的水文地質(zhì)概況可以看出，新城子場地明顯比義縣場地巖體結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，因此基于大地電場巖體裂隙水滲流模型計(jì)算得到的2個(gè)異常臺(tái)站α的結(jié)果可靠。

5.2 異常可靠性分析

地震孕育前兆場的形成是預(yù)測地震的重要指標(biāo)，也是三大前兆學(xué)科相互配合驗(yàn)證異常可靠性的過程。焦明若等[14]在震后總結(jié)震例時(shí)提出8項(xiàng)前兆異常，其中3項(xiàng)是趨勢性異常，5項(xiàng)是短期異常(表5)，異常主要集中在震中100 km范圍內(nèi)。震中距僅為67 km的新城子臺(tái)地電與遼陽臺(tái)水氡(震中距26.8 km)、營口臺(tái)石英擺傾斜(110 km)和鞍山臺(tái)水溫(53.8 km)等數(shù)據(jù)的異常持續(xù)時(shí)間在3個(gè)月以內(nèi)；錦州義縣臺(tái)地電(震中距158 km)與震中距較近的形變(遼陽臺(tái)伸縮、遼寧臺(tái)大面積區(qū)域水準(zhǔn)及撫順臺(tái)伸縮)和震中距較遠(yuǎn)的流體類(盤錦臺(tái)水氡)等測項(xiàng)的異常持續(xù)時(shí)間超過6個(gè)月。綜合2013年燈塔MS5.1地震前兆場的時(shí)、空特征可以看出，新城子和義縣臺(tái)地電場的異常不是孤立的異常信號(hào)，是孕震區(qū)形變、流體相互作用的電異常信號(hào)，證實(shí)了異常的客觀存在。