四川地區部分臺站大地電場優勢方位角震前異常特征分析

廖曉峰，王瑋銘，楊星，等.四川地區部分臺站大地電場優勢方位角震前異常特征分析［J］.地震工程學報，2024，46（2）：465472.DOI：10.20000j.10000844.20230116001

摘要：

使用大地電場優勢方位角方法對四川江油臺、鹽源臺和成都臺地電場數據進行計算，對方位角變化進行異常特征分析和震例研究，發現：（1）江油臺自2019年4月6日開始，3個測向出現顯著異常變化，其中2個測向的優勢方位角變化范圍（Δα）逐漸縮小，1個測向的Δα范圍增大;（2）鹽源臺自2021年8月1日開始，5個測向的Δα范圍逐漸縮小;（3）成都臺自2021年3月1日開始，5個測向的Δα范圍出現了明顯變化，其中，4個測向的Δα范圍逐漸縮小，1個測向的Δα范圍逐漸增大;（4）震例研究顯示，臺站優勢方位角異常對臺站周圍250km范圍內的中強地震有一定的指示意義，3個臺站均呈現出優勢方位角Δα范圍變小的異常特征，且地震發生在異常出現后約5個月甚至更長時間，因此大地電場優勢方位角方法在研究區可能呈現出中長期的指示能力;（5）3個臺站在震前出現的異常變化反映了場地附近巖體裂隙的變化，即隨著區域構造應力增大，臺站附近巖體裂隙發育并呈現出有序排列的結構變異。

關鍵詞：

地電場;優勢方位角;異常特征;震例研究

中圖分類號：P315.7文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0465-08

DOI：10.20000j.10000844.20230116001

0引言

地電場方法的提出和發展已有100多年的歷史，地電場包含了自然電場和大地電場［1］。早期地電場研究主要集中于大地電流場在中強地震前的變化或異常，地電場觀測最早采用的是單極距觀測方式，特點是測量某一方向上近地表兩個電極之間的電位差。1981年希臘學者提出了利用地震電信號及其選擇性特征，使用地電場多極距觀測來預測地震的方法，即VAN法［2］，自此地電場和布極方式等廣泛應用于地震前兆觀測和預報。多極距觀測的主要特點是在同一方向上同時布設不同極距的電極，以此測量出不同極距之間的電位差，這種電位差反映了測區內地電場的差異［34］。目前，國內約110個數字化地電場觀測臺站采用了以上的觀測方式。近幾年來，由于各臺站所在的當地經濟建設、市政施工、氣象等原因，地電場數據受干擾的情況持續增多［58］，在長短極距時間序列上識別異常已無法滿足工作需要。因此，地電場又發展了一些新方法對異常進行識別和分析，主要集中在頻域內，并且多側重研究大地電磁主要諧波的周期及能量等［9］。2014年，譚大誠等［10］應用大地電場潮汐波巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型，發展出了大地電場優勢方位角方法，并對國內地電場數據及典型震例進行分析，發現震前大地電場優勢方位角出現偏轉和大幅度突跳等異常，且具有典型的區域性準同步異常特征。此后，一些學者［1112］應用該方法發現在一些中強地震前，震中附近臺站的大地電場優勢方位角會出現明顯變化，而這種變化可能反映了臺站附近巖體的裂隙結構變化，進而反映了區域應力變化，從而建立起方位角的異常特征與強震之間的關系。

本文應用大地電場優勢方位角方法，分析四川江油臺、鹽源臺和成都臺方位角的異常變化特征，應用巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型［13］，探討所研究地電場附近臺站的巖體裂隙背景狀態及變化的機理解釋，以此加深對大地電場優勢方位角方法和物理機理的理解，為震情跟蹤工作提供一定參考。

1地電場方位角計算方法及巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型理論

大地電場ET潮汐機理說認為：在固體潮汐作用下，巖石裂隙水以天為周期沿裂隙往返滲流，或在電流電磁感應Sq下，裂隙水中電荷以天為周期沿裂隙往返移動，由此形成ET日變波［14］。在實際場地中可能會出現NS、NW測向之間的ET相關性高，這表明裂隙優勢走向應介于NS、NW之間;也可能出現EW、NW測向之間的ET相關性高，表明裂隙優勢走向應介于EW、NW之間。因此，實際計算裂隙優勢方位角α時，以相關系數高的測向計算為主，其他測向計算的結果為輔。如果NS、NW測向之間的ET相關性高，計算方位角公式為：

α≈180°-180π×arctan2∑ni=1ANW（i）∑ni=1ANS（i）-1（1）

式中：α為NS、NW測向ET相關性高時臺站的大地電場優勢方位，該方位可認為是接近場地內巖體裂隙結構的優勢方位，另外，以其他測向數據計算優勢方位角時，式（1）有調整;ANW（i）和ANS（i）分別表示地電場NW和NS向觀測數據的潮汐諧波振幅值;n為各方向經傅里葉變化后，前10階的優勢周期，即n=10。

譚大誠等［13］在相關研究中指出：基于巖石物理學，巖體內部的裂隙發展過程大致可以分為生成、發育、長大和破碎四個階段；在不同階段，裂隙的大小、有序排列程度不同。復雜的裂隙動態過程可以視為由許多暫穩態過程組成，并且將每天視為一個暫穩態，而各個測向的方位角結果為每天一值，反映了每天場地內巖體裂隙的暫穩態過程，Δα為同測向方位角的變化范圍。定義50°lt;Δα為巖體裂隙的破碎階段，20°lt;Δα≤50°為發育差的階段，10°lt;Δαlt;20°為發育正常階段，7°lt;Δα≤10°為發育好階段，Δα≤7°為長大階段。本文根據以上定義分析并研究了江油臺、成都臺和鹽源臺的巖體裂隙特點與異常特征。

2研究臺站分布

本文選擇四川省內出現過大地電場優勢方位角明顯異常的江油臺、鹽源臺及成都臺來進行分析，從所處位置來看，江油臺、成都臺主要位于龍門山斷裂附近，鹽源臺主要位于川滇塊體內，靠近川滇塊體東邊界（圖1）。三個臺站觀測裝置均設計為三角形，且共用中心點電極（圖2）。成都臺地電場日變數據主要受城市軌道交通影響，江油臺和鹽源臺地電場場地內均為農田，數據受干擾情況較單一，環境相對較好。地電場數據的穩定性可由地電場分鐘采樣數據的日均值經過一階差分后得到的ΔEsp來反映［15］。從圖3可以看出，成都臺長極距在研究時段內大多數ΔEsp≤50mVkm，江油臺長極距在研究時段內ΔEsp≤4mVkm，鹽源臺長極距在研究時段內大多數ΔEsp≤10mVkm，顯示成都臺數據基本可用，江油臺、鹽源臺數據質量較好。

3四川多臺地電場優勢方位角變化特征

江油臺各測向自2019年4月6日開始，大地電場優勢方位角出現了明顯偏離背景值正常區間的異常變化，以長極距NSNW（文中稱NSNWL）、長極距EWNW（文中稱EWNWL，圖4紅框所示）、短極距EWNW向（文中稱EWNWS）最為明顯，顯著變化測向超過一半。從區域性地電場分析，同一時期陜西寶雞臺、甘肅漢王臺也出現了較為明顯的優勢方位角變化（如圖5紅框所示，寶雞臺自2019年9月3日后因場地原因停測），滿足方位角異常中區域性臺站準同步異常變化的特點。研究發現，自方位角異常開始前，江油臺各測向背景方位角值主要在10°～50°的區間。在異常變化期間，6個測向結果中有3個測向Δα范圍出現了明顯變化，其中有2個測向（即NSEWL、NSNWL向）Δα范圍逐漸縮小，還有1個測向（即EWNWS向）Δα范圍增大（表1）。

鹽源臺各測向自2021年8月1日開始，大地電場優勢方位角出現了明顯偏離背景值正常區間的異常變化，以短極距EWNE、短極距NSEW（圖6紅框）、長極距NSEW、長極距NSEW向最為明顯，測向顯著變化數量超過一半。從區域性地電場分析，同一時期云南曲江臺也出現了較為顯著的優勢方位角變化特征（圖7紅框），滿足方位角異常中區域性臺站準同步變化的典型特點。異常開始前，鹽源臺背景方位角數值主要在20°～50°的區間。在異常期間，6個測向結果中有5個測向Δα范圍出現了明顯變化，5個測向Δα范圍均逐漸縮小，顯示出一致的趨勢變化（表2）。

成都臺各測向自2021年3月1日開始，大地電場優勢方位角也出現了明顯偏離背景值正常區間的異常變化，5個測向較為明顯（短極距EWNE向、短極距NSNE向方位角異常如圖8紅框所示）。但該臺站異常期間，區域性其他臺站未表現出同步的優勢方位角異常。研究發現，成都臺在此次異常出現前，背景方位角值集中在20°～50°的區間;在異常期間，6個測向結果中有5個測向Δα范圍出現了明顯變化，其中，4個測向Δα范圍顯示逐漸縮小，1個測向Δα范圍顯示逐漸增大（表3）。

依據上述三個臺站所呈現的優勢方位角異常變化，梳理了與后續中強地震的對應情況，分析認為江油臺2019年4月6日開始出現的異常可能對應了四川威遠MS5.4、四川青白江MS5.1地震;鹽源臺2021年8月1日開始出現的異常可能對應了云南寧蒗MS5.5地震;成都臺2021年3月1日開始出現的異常可能對應了四川蘆山MS6.1、四川馬爾康MS6.0、四川瀘定MS6.8地震。三個臺站主要呈現出大地電場優勢方位角Δα范圍變小的異常特征，對應的地震主要發生在方位角出現異常后的5個月及更長時間，震中距離異常臺站的位置在250km以內（表4）。

4討論

三個臺站背景優勢方位角結果顯示：絕大部分測向的方位角數值均集中在10°≤Δα≤50°區間，處于巖體裂隙的發育階段。這一統計與譚大誠等［13］統計中國大陸40個臺站中32個臺站為此種結果的認識一致，他在文中指出中國大陸大部分地電場臺站巖體裂隙方位角多集中于10°≤Δα≤50°，顯示裂隙不大、排列較為有序，且長期構造活動使多數場地巖體亦處于發育階段。因此認為成都臺、江油臺和鹽源臺地電場的場地巖體亦處于此階段。

大地電場是地電場的重要組成部分，通過對三個臺站大地電場優勢方位角時序結果的分析發現，震前臺站存在優勢方位角顯著改變（Δα范圍變小）的現象。基于大地電場日變化的潮汐機理說，認為大地電場優勢方位角與巖體裂隙結構密切相關，三個地電場臺站出現異常變化的現象反映了臺站周圍應力的變化。此外，江油臺優勢方位角出現變化期間，區域附近還存在寶雞臺、漢王臺優勢方位角的準同步異常;鹽源臺優勢方位角異常期間，區域附近存在曲江臺優勢方位角的準同步異常現象。一方面，區域性臺站持續性準同步變化和大地電場優勢方位角的算法特點，能夠表明該方法具有一定抗干擾能力以及增加其為前兆異常的可信度;另一方面，這種區域性準同步異常特征，可能反映了在塊體實際構造作用下，相鄰較近的多個臺站地電場場地的巖體裂隙，因為區域應力的加載作用發生同步性改變，變得發育并呈現有序排列。

5結論

本文使用大地電場優勢方位角方法對四川江油臺、鹽源臺、成都臺地電場數據進行計算，對震前優勢方位角的變化進行了震例總結分析，結合大地電場潮汐波巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型，探討臺站方位角變化可能反映的地下巖體裂隙變化，發現如下特征：

（1）江油臺自2019年4月6日開始，三個測向出現顯著異常變化，其中NSEWL、NSNWL向Δα范圍逐漸縮小，顯示巖體裂隙結果由發育差破碎階段轉向了發育正常的階段;還有1個測向（EWNWS向）Δα范圍增大，顯示巖體裂隙結果由發育好階段轉向了發育正常的階段。分析發現，異常期間，6個測向中有5個測向方位角顯示了同一種巖體裂隙特點，即呈現發育正常的巖體裂隙結構;以上方位角的異常變化可能對應了四川威遠MS5.4、四川青白江MS5.1地震。

（2）鹽源臺自2021年8月1日開始，5個測向Δα范圍出現了明顯變化，Δα范圍均逐漸縮小，顯示出一致的趨勢變化。5個測向顯示巖體裂隙結果由發育差發育正常、發育正常發育好、破碎發育正常、破碎發育差的不同巖體裂隙轉變。分析發現，異常期間各個測向呈現的巖體裂隙特點并不一致，呈現了三種不同類型的裂隙結構;以上方位角的異常變化可能對應了云南寧蒗MS5.5地震。

（3）成都臺自2021年3月1日開始，5個測向Δα范圍出現了明顯變化，其中，4個測向Δα范圍顯示逐漸縮小，表現出巖體裂隙結果由發育差發育正常、破碎發育差的不同巖體裂隙轉變;1個測向Δα范圍顯示逐漸增大，表現出巖體裂隙結果由發育正常破碎的不同巖體裂隙轉變，因此分析認為，異常期間，各個測向呈現的巖體裂隙特點并不一致，分別為三種不同類型的裂隙結構;以上方位角的異常變化可能對應了四川蘆山MS6.1、四川馬爾康MS6.0、四川瀘定MS6.8地震。

（4）震例研究顯示，臺站大地電場優勢方位角異常對臺站周圍250km范圍內的中強地震有一定的指示意義。3個臺站均呈現出方位角Δα范圍變小的異常特征，且地震發生在異常出現后約5個月甚至更長時間，因此大地電場優勢方位角方法可能在本地區呈現出中長期的預測能力。

研究發現，成都臺、江油臺、鹽源臺的大地電場優勢方位角變化是多個方向的，6個測向至少有一半出現異常，并非只有一個測向出現變化。綜合分析認為臺站的多測向同步出現異常變化，異常持續時間較長，以及區域性臺站出現同步方位角異常變化均能顯著提高異常的可信度。另外，大地電場優勢方位角方法應與其他學科、其他方法相結合，力爭做出依據更加充分、更加科學的分析意見。

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（本文編輯：賈源源）

收稿日期：20230116

基金項目：國家重點研發計劃課題（2021YFC3000705）;2023年震情跟蹤定向工作任務（2023010412）;2022年震情跟蹤定向工作任務（2022010413）

第一作者簡介：廖曉峰（1988-），男，四川成都人，碩士，工程師，主要從事電磁數據處理及分析工作。Email：490551007@qq.com。