成都地震台地电场观测数据变化与地震活动的关联分析

赵乃千

(四川省康定地震中心站，四川 康定 626001)

0 引言

几十年来，我国的地震地电观测技术和理论得到不断的发展。通常，基本认为地电阻率对邻区强震会表现出中短期的异常信息，地电场则反映出短临的前兆信息[1-2]。近年来，应力应变和空间电流等与地电场关联的理论研究发展迅速，新的研究表明大地电场源于空间电流系和潮汐力，其波形、方位、幅度等异常现象，以及自然电场跃变等异常现象均与地震孕育和发生关系密切[1-3]。为应对破坏日益严峻的电磁环境，地电深井、垂向等新观测技术不断推出。在地电场预测方法研究中，VAN法[4]、极化方位计算法[5]、物理解析[6]、频谱分析法[7]、长短极距比值法[8]等不断推出，为开展地电场观测数据的分析提供理论依据。文章基于这些理论方法，对成都台2012年后的地电场观测数据进行分析，选取适合的分析方法，探寻该台地电场异常与周边300 km范围内灾害性地震的关联及区域强震预测方法。

1 地电场观测系统与电磁环境

成都台测区平坦，位于川西郫县与都江堰市交界的走石山，海拔653 m，处于龙门山构造带前沿的成都凹陷盆地内。该台地电场与地电阻率为同场地观测，布极中心O点距离观测室约300 m，观测装置采用“L”型布设(见图1)。在中心O点向西、向南布设电极，每个方向均有长、短2个测道，其中NS向长极距296 m、短极距196 m，EW向长极距300 m、短极距202 m，N45°W向长极距420 m、短极距282 m。电极采用兰州地震研究所生产的固体不极化专用电极，埋设在地表下约2.0 m的潮湿土壤中，各电极基本处于同一平面，坑中土质相同。外线路使用定制的铜芯绝缘电缆线，采用架空方式。仪器采用ZD9A-Ⅱ型地电场仪，采样率为1/m。按照地震地电台站技术规范[9]和台网管理技术要求，成都台定期对仪器、装置进行检测，近年每次的检测结果均符合相关技术规范要求。

图1 成都台地电场观测装置示意图Fig.1 The observation device for geoelectric field in Chengdu station

台站地电场测区基本是农田耕作区，周边电磁环境较复杂。2008年汶川Ms8.0地震后，修建一条成都至青城山的高速铁路，离布极中心约1.5 km，离最近电极约1 km，2013年6月开始运行的地铁2号线距成都台约26 km。同时，测区外也有工业设施，存在游散电流干扰。图2是该台典型的地电场日变曲线，每日06：00～23:30会出现高频脉冲，幅度较小。

图2 大地电场典型日变曲线Fig.2 Typical diurnal variation of geoelectric field

2 地电场数据动态特征

2.1 数据可用性分析

成都台于2013年10月初至12月初对地电场观测装置进行改造，使用不极化电极更换铅板电极、架设铜芯绝缘电缆线，并将同场地的地电阻率N58°E测道供电极A极外移约50 m，以降低地电阻率供电影响。此次改造后，地电场观测装置的可靠性、电磁环境得到一定程度的改善。连续率、完整率、相关系数、差值是衡量地电场数据质量高低的主要指标，使用《地电处理软件》(学科版)对成都台2014年1月—2015年3月的数据进行分析，主要质量指标如表1所示。

表1中，数据连续率、完整率满足地震地电台网技术要求，相关系数、差值基本处于全国地电场台站的中偏上水平。

2.2 地电场观测数据变化特征

(1) 正常变化。

大地电场源于中低纬度上空电离层电流系和潮汐力，具有一定的日变波形[1]。图2是成都台在连续3天地磁平静日的地电场分钟值曲线，可见其日变化主要表现出“2峰1谷”的TGF-B波形。基于大地电场潮汐机理，成都台大地电场日变波形主要源于电离层Sq电流[1]。图中，NS、EW测向长、短极距日变形态稍有区别，但基本保持同步，其日变幅度差异较小，一般在7 mV/km左右。对3天的分钟值数据进行FFT处理，前5阶谐波周期分别为24、12、8、6、4.8 h，与其他环境好的地电场台站处理结果一致[3,6]。

表1 地电场观测数据统计表Table 1 Statistics of geoelectric field observation data

(2) 磁暴影响。

当发生全球性强烈地磁场扰动时，太阳表面辐射出的带电粒子形成的电流剧烈冲击地球磁场，产生一种称为磁暴的电磁效应，在磁暴期间记录到的地电场剧烈变化称为地电暴。正常观测的地电场台站，在磁暴期间均会记录到地电暴现象。第22页图3为2015年3月17日04时45分(世界时)磁暴起始(K=7)时，成都台地电场的数据变化情况。磁暴发生时，地电场观测数据发生同步变化，六测道观测数据同步出现畸变，畸变形态表现为高频突跳脉冲，脉冲幅度远远超过正常地电场日变幅度，记录到明显的地电暴现象。

(3) 地铁干扰。

2013年6月开始运行的地铁2号线离成都台约26 km，其正式投入运营给成都台地电场观测带来明显影响(见图2)。每日06：00～23：40地铁运行时段，地电场观测的各测道数据均同步出现高频脉冲，但幅度较小，对日变波形影响不大。因此，尽管成都台地电场观测明显受地铁干扰，但日变波形可见，且FFT分析结果与正常地电场台站一致，说明成都台地电场观测数据仍具有一定程度的可用性。

3 地电场观测数据映震特征分析

3.1 成都台邻区地震概况

图3 磁场强度与地电场曲线对比图Fig.3 Comparison of magnetic field intensity and geoelectric field curve

近年，南北地震带处于地震高发期，龙门山断裂带及邻区强震频发。在2012—2015年，成都台周边300 km范围内共发生4次Ms≥5.0地震，4次地震的参数及震中分布如表2和第23页图4所示。

表2 震中距300 km范围内5.0级以上地震一览表Table 2 Earthquakes with magnitude greater than 5.0 in the range of epicenter from 300 km

3.2 地电场数据映震特征

目前，对地电场观测数据进行分析的方法有多种，如VAN法、极化方位计算法、物理解析、频谱分析法、长短极距比值法等，文章选用长短极距比值法进行分析。长短极距比值法的应用机理尚不十分清楚，但研究表明该方法在部分台站对地震异常信息提取具有一定效果[8]。如上分析，成都台地电场观测存在地铁等导致的高频干扰，为减弱干扰带来的影响，文章在应用长短极距比值处理时采用地电场日均值，可基本消除地铁的高频干扰影响[3，6]。

运用该方法获得成都台2012年1月1日至2015年3月15日，地电场三测向日均值长短极距的比值时序图(见第23页图5)。

图5中，以±2倍标准方差线(虚线)为控制线，将超出的部分视作异常值，来提取地震异常信息。

图4 震中距300 km范围内Ms5.0级以上地震分布Fig.4 Earthquakes with Ms greater than 5.0 in the range of epicenter from 300 km

图5 地电场长短极距比值时序图Fig.5 Time sequence diagram of the ratio of long and short distance to the geoelectric field

(1) 2013年10—12月，成都台进行地电观测场地改造，陆续更换地电场外线路和不极化电极，认为图中对应时间段内出现的比值异常为观测场地改造施工造成，非地震前兆信息。

(2) 分析发现地震发生和地电场比值异常存在一定关联性。比值异常特征主要有：NS测向上，芦山地震发生前9个月起至发震前多次出现下降异常，越西、康定、乐山地震前几个月比值多次出现先下降后上升的异常变化；EW测向上，芦山地震前9个月起多次出现比值上升异常，越西、康定、乐山地震前近一年开始出现比值上升异常；N45°W测向上，上述4次地震前比值无明显异常；地电场长短极距比值多出现在地震发生前9个月至10天左右，异常结束后发生地震。

4 结论

成都台地电场观测环境相对复杂，大地电场日变波形明显、地电暴记录清晰、地铁干扰幅度小，表明该台地电场观测数据具有可用性。运用地电场日均值和长短极距比值法分析发现，在选取的地震发生前，成都台地电场NS、EW测向比值出现明显异常，异常出现时间为震前9个月至十天不等，表明地电场异常变化与地震孕育发生存在一定的关联。由于文章仅采用长短极距比值法，未开展相邻台站对比分析，得出的上述结论还需做进一步的验证分析。

参考文献：

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[6] 谭大诚，赵家蹓，刘小凤，等.自然电场的区域性变化特征[J].地球物理学报,2014,57(5):1588-1598.

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[9] 中国地震局兰州地震研究所，中国地震局地震预测研究所，中国地震台网中心，等.DB/T 18.2-2006地震台站建设规范 地电台站 第2部分：地电场台站[S].北京：地震出版社，2006.