基于不同類型電極的地電場變化與活動斷裂關系

李學波

1 寧夏回族自治區地震局，銀川市北京東路244號，750001

地表的電磁信息與巖體形變、流體滲流的過程密切相關[1-2]，但對于地電場變化與區域性活動斷裂相關性的研究較少。本文分析了5個地電臺基于鉛電極和固體不極化電極觀測的地電場變化特征、地電場與區域氣壓及附近活動斷裂走向的關系，以探討地電場變化與活動斷裂的關系。

1 研究區域概況

研究區域的地電臺站均分布在活動斷裂附近，圖1(a)為研究區地電臺站分布，其中海原、固原地電臺附近為海原斷裂。海原斷裂位于青藏高原東北緣，是中國大陸重要的活動地塊邊界斷裂帶之一[3]，西起甘肅景泰，經寧夏海原，東至固原，寬1～3 km，長240 km。斷裂走向在海原以西為280°～290°，海原以東為320°[4]。石嘴山地電臺附近為賀蘭山東麓斷裂，該斷裂位于中國東西地質構造界線的南北地震構造帶北段，整體走向北北東[5]。銀川地電臺附近為平羅銀川隱伏斷裂，該斷裂地表無出露，勘探結果顯示其南段上斷點埋深11.8 m左右[6]。紅寺堡地電臺西側為煙筒山斷裂，呈北西走向。

圖1 地電臺站分布及臺站布極圖Fig.1 Geoelectric station distribution and station layout

表1為研究區地電臺站概況。基于鉛電極測量的地電場測量極距為200 m，是由ZD8M地電阻率儀所測自然電位差除以測量極距得到的，ZD8M地電阻率儀測量得到的地電場為直流DC頻段。基于固體不極化電極測量的地電場極距為300 m，由ZD9A系列地電場儀測量得到，ZD9A系列地電場儀測量得到的地電場為DC-0.05 Hz頻段。本文將基于固體不極化電極測得的地電場稱為地電場E，將基于鉛電極測得的地電場稱為地電場E1，本文主要研究地電場E和E1的日變化和月變化。由于2種電極測量的地電場背景基準有差異，為能直觀地比較二者的變化，E和E1均使用小時值，統一對E和E1的基準進行歸零處理，圖件中使用的地電場數據為原始數據減去背景基準后的值。圖1(b)為研究區各臺站布極圖。

表1 臺站概況

2 地電場E和E1的變化與活動斷裂關系

2.1 地電場E和E1的日變化與活動斷裂關系

圖2為2018-05-01～05-05各臺站地電場E和E1的日變化曲線。可以看出，同一臺站相同測向E和E1的日變化大小接近，而同一臺站不同測向E和E1的日變化大小有差異，不同臺站相同測向地電場E和E1的日變化大小也有差異。表2統計了各臺站地電場E和E1的日變幅及測向與附近斷裂走向的夾角，結果發現，與附近斷裂走向近平行的測向地電場E和E1的日變幅相對于同場地其他測向大，與附近斷裂走向近垂直的測向地電場E和E1的日變幅相對于其他測向小。

圖2 地電場E和E1日變化Fig.2 Diurnal variations of geoelectric field E and E1

表2 地電場E和E1日變幅及測向與附近斷裂走向夾角

從圖3可以看出，地電場E和E1對2019-10-25～10-27磁暴事件的響應有強有弱。表3統計了磁暴期間各臺站地電場E1最大變化幅度及測向與附近斷裂走向的夾角，可以看出，與附近斷裂走向近平行的測向地電場E1的最大變幅相對于同場地其他測向大，與附近斷裂走向近垂直的測向地電場E1的最大變幅相對于其他測向小。

圖3 地電場E和E1月變化Fig.3 Monthly Variations of geoelectric field E and E1

表3 磁暴期間地電場E1最大變幅及測向與附近斷裂走向夾角

2.2 地電場E和E1的月變化與活動斷裂關系

圖3為2019-10各臺站地電場E和E1的月變化曲線。可以看出，地電場E月變化相對平穩，個別測向有趨勢性變化；地電場E1部分測向月變化呈無序波動，且不同臺站無序波動的形態接近一致。整體來看，地電場E的變化比較平穩，除日變外沒有周期不定的無序變化，而地電場E1有部分測向除日變化外還有周期不定的無序變化。

對地電場E1部分測向的無序變化作進一步研究發現，其與氣壓的變化形態高度一致。選擇2019-10與各地電臺站海拔相同且距離最近的氣壓數據進行對比分析，結果見圖4。從圖中可以看出，固原臺NE向地電場E1的變化與氣壓呈正相關；海原臺NS向地電場E1的變化與氣壓呈負相關。統計2019-07～12地電場E1與氣壓的月相關性及各測向與附近斷裂走向的夾角，結果見表4。綜合觀測數據及表4統計結果發現，與活動斷裂走向近平行的測向，地電場E1觀測不到氣壓非周期性的變化形態，與氣壓變化相關性低；與活動斷裂走向近垂直的測向，地電場E1與氣壓變化的相關性高。地電場E1與氣壓變化的相關性與測向和斷裂走向的夾角有一定關系，與附近斷裂走向近垂直的測向地電場E1與氣壓的相關性隨夾角的減小而減弱。

表4 2019-07～12各臺站各測向地電場E1與氣壓的月相關性及各測向與附近斷裂走向的夾角

圖4 2019-10地電場E1和氣壓Fig.4 Geoelectric field E1 and atmospheric pressure in October 2019

3 討論及分析

3.1 不同測向地電場E和E1日變化大小差異

通過分析發現，與附近斷裂走向近平行的測向地電場E和E1日變幅相對于其他測向大，與附近斷裂走向近垂直的測向地電場E和E1日變幅相對于其他測向小，與章鑫等[7]的研究結果一致。

圖5為固原臺、銀川臺地電場E1日變幅的實測值(黑色)與計算值(紅色)，可以看到，通過2個正交的測向得到的地電場總場在NE方向的分量比實際測量結果大。將NE方向實際測量的地電場投影在NS、EW方向上發現，平行于斷裂的NS測向，實測數據大于計算結果。因此認為，造成活動斷裂兩側不同測向地電場日變化大小產生差異的原因可能與斷裂有關。

圖5 地電場E1日變幅實測值與計算值Fig.5 Measured values and calculated values of geoelectric field E1

研究表明，斷層帶及其兩側滲透率不一致[8-9]。斷層泥及兩側的原巖由于滲透率低，阻礙了流體跨斷層帶流動，斷層帶內的流體活動局限在高滲透率的破碎帶中。所以，斷裂帶及其附近電阻率較低，宏觀上表現為電流通道效應[10]，可能會出現地下與地面的電流聯系通道。斷裂帶兩側下方存在低阻層，在近似均勻變化的磁場作用下，低阻層內感應產生的是渦旋電流。根據塊導體的渦旋電流理論[11-12]可知，渦旋中心的電流強度最小，邊緣處最大，感應電流在電性橫向不均勻處可能會促使電荷累積。破裂導致巖層的電性結構發生改變，使斷裂帶的自然電流與周邊塊導體中的感應渦旋電流部分疊加[7]，最終導致平行斷裂走向的地電場日變化相對較大，而垂直斷裂走向的地電場日變化相對較小；地電場對磁暴的響應也是平行于斷裂走向的變化相對較大，垂直于斷裂走向的變化相對較小。

3.2 地電場E和E1月變化差異原因分析

對于同一位置，使用固體不極化電極觀測的地電場E沒有出現氣壓非周期變化形態，而使用鉛電極觀測的地電場E1有部分測向出現明顯的氣壓非周期變化形態。分析地電場E和E1的產出過程發現，地電場E是由地電場儀通過固體不極化電極測量得到的，測量頻段為DC-0.05 Hz；地電場E1是由地電阻率儀通過鉛電極測量得到的，測量頻段為DC頻段。從觀測儀器來看，理論上地電場E的信號里面應該含有地電場E1的所有信號。從觀測裝置的差異來看，固體不極化電極和鉛電極最大的差別在于電極的類型及電極埋設工藝。圖6為固體不極化電極的埋設示意圖及裝配完成的固體不極化電極實物，可以看出，固體不極化電極經過處理后與大地接觸的是最上方直徑10 cm左右的圓盤。而鉛電極是將長100 cm、寬100 cm的正方形鉛板卷成直徑30 cm、高100 cm的圓筒埋入地下。固體不極化電極與大地主要在垂直方向接觸，鉛電極與大地主要在水平方向接觸。

圖6 固體不極化電極埋設示意圖和實物Fig.6 The schematic and practical diagram of the burying of solid nonpolarized electrode

根據2種電極埋入地下的形狀、埋設工藝分析2種觀測電極的接地電阻。圓盤形接地極的接地電阻[13]為：

(1)

式中，ρ為土壤電阻率，r為圓盤半徑。

垂直接地體的接地電阻為：

(2)

式中，ρ為土壤電阻率，l為垂直接地極的長度，d為圓筒的直徑。

相同埋設環境下，固體不極化電極直徑約10 cm的圓盤與土壤接觸，鉛電極則是直徑約30 cm、高度100 cm的圓筒與土壤接觸。通過式(1)和式(2)計算可知，固體不極化電極的接地電阻是鉛電極的10倍以上。該結果符合實際測量得到的接地電阻，即鉛電極接地電阻為50 Ω左右，固體不極化電極埋入地下正常工作情況下的接地電阻在500 Ω左右[14]。

地電場觀測是觀測裝置、觀測環境及觀測方法的綜合反映。從觀測原理、觀測儀器及觀測裝置的差異性來看，在產出過程中，地電場E和E1的觀測電極類型、接地面積和接地電阻大小是造成數據產生差別的主要因素。為探討地電場E和E1月變化的差異是否與觀測電極類型、接地面積和接地電阻有關，下一步計劃在海原地電臺埋設與固體不極化電極接地面積和接地電阻相似的直徑10 cm、厚0.5 cm的圓盤狀鉛板電極進行對比實驗，并通過觀測結果研究產生差異的原因。

4 結 語

1) 基于固體不極化電極和鉛電極測量的地電場中，與附近活動斷裂近垂直的測向日變幅相對較小，與附近斷裂近平行的測向日變幅相對較大。

2) 活動斷裂附近，基于鉛電極測量的地電場有氣壓非周期變化形態，且地電場和氣壓變化的相關性與測向和附近斷裂走向的夾角有關，夾角近垂直時兩者相關性高，隨著夾角的減小，相關性逐漸減弱。隱伏斷裂附近的地電場和基于固體不極化電極測量的地電場沒有此特征。