黑龙江地电场方位角异常与中强地震的关系探讨

刘长生，张思萌，杨维辉，康 健，高双玲

（1.黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2.德都地震台，黑龙江 德都 164199；3.牡丹江地震台，黑龙江 牡丹江 157009）

0 引言

地震孕育和发生必然会导致地下介质电性结构发生改变，从而导致地表大地电场的变化。地电场是地表大地电磁场的一部分，由较稳定的自然电场和变化的大地电场构成[1]。1984 年Varotsos，Alexopoulos 和Nomicos 提出利用地电场观测资料提取地震电信号预报地震的方法，即VAN 法。近些年，国内地震学者利用多种方法对地震前地电场中可能包含的异常信息进行了分析和提取，毛桐恩[2]提取了河北张北M6.2地震前大地电场矢量方位的显著变化；马钦忠[3]基于地电场多极距原理论证了可能与汶川地震有关的地电场异常前兆，发现震前脉冲信号并非源于同一地点，不同的应力积累区可能是异常信号的源区。谭大城[4]应用大地电场岩体裂隙模型对国内典型震例进行分析，发现震前岩体裂隙优势方位出现偏转和大幅度突跳等结构变异。艾萨·伊斯马伊力等[5]分析新疆北天山地区两次6 级地震前岩体裂隙方位角也发现类似变化。上述研究表明，地电场可以很好的反应地下介质的电性变化，开展孕震过程中大地电场的变化特征研究对地震预测预报具有非常重要的意义。

中国“十五”数字化台网建设完成至今，黑龙江省及邻区发生多次M>4.0 中强地震，大多地震发生在松辽盆地内部，省内有六个的电场台布设在其中，本文使用大地电场方位角法分析和讨论裂隙方位角异常变化特征与中强地震之间的关系。

1 地质构造背景

黑龙江省位于中国东北部，北向和东向皆与俄罗斯接壤，西向与内蒙古自治区、南向与吉林省相连[6]本地区构造运动较为活跃，地震构造背景复杂，省内及邻区多次发生M4.5～6.0 的中强地震。黑龙江地区分布有北东东向的嫩江断裂带、依兰—伊通断裂带、敦化—密山断裂带共三条一级大型断裂带；北西向的滨州断裂和近北南的肇东—扶余断裂带等多条次一级断裂。它们组成了黑龙江地区活动断裂构造的基本框架（图1）。

图1 黑龙江省地电场台与断裂分布图Fig.1 Distribution of electric field stations and faults in the Heilongjiang region

表1 黑龙江省地电场观测台站基本参数

2 观测资料

黑龙江省地震局在中国地震局进行“十五”数字观测网络改造过程中新增了大地电场观测项目，该项目在黑龙江省共建立了7 个大地电场观测台站，它们分别为绥化地震台、德都地震台、通河地震台、林甸地震台、肇东地震台、望奎地震台、密山地震台，具体位置如图1 所示。观测外线路均采用双“L”形布极方式，长极距均为300m，短极距为150m，布设采用地埋的方式，电极的埋藏深度为3.0±0.5m，中心点在同一坑内埋设两个电极，从表1 中可以看到各个地震台站观测系统的配置参数。地电台网于2007 年6 月开始产出数据。

3 方法原理和计算过程

3.1 方法原理

在实际场地中，利用岩石裂隙水主体渗流模型原理计算方位角α 时，之前需先进行相关分析，通常会得出三条ET结果曲线，如果EW、NE 之间的ET相关性高，就表明裂隙优势走向介于EW 和NE 之间，即选取该相关性高的α 曲线作为岩石裂隙状态变化的判定标准曲线。但也可能出现NS、NE 或NS、EW 相关性高，则相应进行选取；本文结合各地电台站电极布设方式，给出大地电场优势方位角α（北偏东）计算公式如下：

公式（1）为绥化台渗流方位角计算公式。式中，α 为岩石裂隙优势方位走向；AEW和ANE表示地电场EW 和NE 向观测数据的潮汐谐波振幅值；n 为阶数，表示各台优势周期个数，可通过傅里叶变化得到，一般n 计算到n 阶即可[4]。

上面公式仅是应用EW、NE 测向数据的计算公式。当应用其它测向计算α 时，其表达式需相应调整。

3.2 计算过程

具体计算过程如下：首先，利用中国地震前兆预处理数据库中每日大地电场三个方向长极距分钟值采样数据，不同方位之间两两计算，共计算出三个相关系数，以其中两个方位之间谐相关系数最大的结果计算方位角；其次，计算出电场中潮汐成分所占比例较高的前10 阶振幅之和作为其谐波振幅；最后，基于谐波振幅计算最终方位角。

4 松辽盆地内六个地电场波形特征、岩石裂隙优势走向分析

4.1 波形特征分析

谭大城[7]将全国地电场观测波形分为两类：一是TGF-A 型，其与固体潮密切相关的正弦型波形，二是TGF-B 型，其与气体潮汐有关的空间Sq电流产生的近梯形波形。认为在没有或离地表水域稍远处，地下岩石含水度高、透水性好的区域Sq电流系在地表的感应引起裂隙水周期性渗流产生大地电场可能是主要原因[8]。黑龙江省七个电场台站中除了密山台波形为无序型外，松辽盆地内六个台均表现出较好的TGF-B型，如图2，表2 所示。

图2 黑龙江省大地电场台日变化波形对比（20180501）Fig.2 Comparison of waveform characteristics of platform diurnal variation in Heilongjiang electric field

表2 黑龙江省地电场台观测波形分类

基于岩石物理学[9]，岩体内部的裂隙发展过程分为生成、发育、长大、破碎，而后[4]利用中国大陆地电场台网中的40 个观测环境较好及装置相对稳定的台站，计算了2017 年上半年的场地岩体裂隙方位角正常变化背景，结果显示，80%的场地岩体裂隙处于发育阶段，15%的场地处于长大阶段，5%的场地处于破碎阶段。本文共计算了黑龙江省六个台站方位角结果，其中德都台、望奎台、肇东台、绥化台和林甸台是发育阶段、通河台是长大阶段，处于发育阶段的台站占多数。

4.2 松辽盆地内六个电场台站岩石裂隙优势走向分析

依据珧立珣[10]、张凤鸣[11]等的构造应力场研究资料表明，黑龙江地区的构造应力场主压应力方向σ1约为54°，接近整个东北地区地壳应力场N58°E，在研究区内不同的台站场地内主压应力σ1变化明显，本地区主要以水平应力为主（图3）。岩石力学理论认为：两组共轭剪裂面与主压应力方向的理论夹角为45°，图4a 左图是由σ1方位绘出的两组共轭剪裂面L1 和L2，走向分别为N9°E、N99°E，这是最大剪应力作用的两个理论走向，α 是岩石裂隙的大致走向。

图3 黑龙江及邻区断裂带的断层错动及大地电场台分布（据姚立珣，1992）Fig.3 Fault movement and distribution of geoelectric station in Heilongjiang and its adjacent area

图4 黑龙江省六个地电场台裂隙优势走向分析Fig.4 Analysis of the preferential crack orientation of the geoelectrical field at six earthquake stations in Heilongjiang province

岩石裂隙实际走向会小于理论计算值[4]，从表3 中可知，望奎、肇东、绥化台和通河台的值与岩石学理论得出的可能走向更加接近，其差的形成可能是因为主压应力与剪裂面的夹角稍小于45°所引起；德都和林甸台方位角度偏小，与理论走向相差较大，可能与各台站局部场地、裂隙度、含水度和渗透率等因素差异明显有关。

表3 2018 年5 月1 日松辽盆地内六台站岩石裂隙水主体渗流方向

5 典型震例分析

2007 年国家“十五”数字地震台网建设以来，黑龙江省及邻区发生多次M≥4.5 地震，选取其中较为典型，同时震中周围地电台站数量较多的地震进行分析，其中震前原始分钟值数据曲线出现异常的唯一典型震例为2009 年5 月10 日安达M4.5 地震，而分析方位角结果与地震关系则出现三次典型震例，分别为：2009 年5 月10 日安达M4.5、2013 年6 月20 日内蒙古莫力达瓦M5.0，2017 年7 月至2018 年3 月吉林松原M4.0 级丛集地震等共3 组（6 个）地震，如表4 所示。

表4 黑龙江及邻区M＞4.0 地震目录

5.1 安达M4.5 地震绥化台大地电场分钟值曲线异常

2009 年5 月10 日安达发生M4.5 地震，发震断层为滨州断裂。绥化地震台距离震中128km，从地震发生前的4 月20 日左右开始，绥化台大地电场六条曲线均出现明显的短期异常变化，如图5 所示。异常结束的时间基本与发生地震时间一致。经过核实，异常存续期间台站周边并未发现干扰源。

图5 2009 年5 月10 日安达M4.5 地震前绥化台地电场异常变化（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 吉林宁江M4.0 丛集地震前望奎方位角异常

2017 年7 月至2018 年3 月间，吉林松原宁江出现M4.0 地震丛集现象，震级分别为M4.9、M4.5、M4.3、M4.2，距 离 该 震 中 约230km 的望奎台大地电场出现方位角α 突跳的异常现象。由图6 可以看到2017 年望奎方位角出现明显的由“长大”阶段转变为“破碎”阶段，由正常的30°以内变化变幅转变为大于45°变化，变化显著。

图6 吉林松原M4.0 丛集地震发生前望奎大地电场方位角变化特征Fig.6 Azimuth variation characteristics of Heilongjiang Wangkui geoelectric field before Jilin Songyuan M4.0 cluster earthquake

5.3 2009 年5 月10 日安达4.5 级地震

2008 年11 月至2009 年1 月绥化台电场方位角数据出现大幅度改变，如图7 所示，方位角从之前的稳定的30°～50°范围波动，表现为“发育”阶段，变幅为20°左右，逐渐演变成为幅度为45°上下波动，即从“长大”阶段转变成“破碎”阶段，在此期间发生了震中距120km 的安达4.5 地震，而后方位角恢复至正常状态。

图7 2009 年黑龙江安达M4.5 地震前绥化大地电场方位角变化特征Fig.7 Azimuth variation characteristics of Suihua geoelectric field before Heilongjiang Anda M4.5 earthquake in 2009

6 结论

通过对黑龙江省七个大地电场台分钟值数据进行梳理和方位角计算结果与中强地震的对应关系进行分析，可以得出以下结论：

（1）黑龙江地区地震台站地电场和地磁场日变化具有同步性和相关性。地电场观测的日变化波形形态属于“峰-谷-峰”型，其中绥化、德都、通河属于峰-谷-峰型；林甸属于峰-谷型；望奎北南向和北西属于双峰-双谷型，东西向是双峰-单谷型；所有台站观测波形都属于TGF-B 型，波形形态受空间Sq电流系产生的感生电流控制。

（2）与前人对本地区构造应力场方位走向进行对比，得到望奎台、肇东台、绥化台和通河台等台的值更符合岩石学理论的可能走向，其差可能是因为主压应力与剪裂面的夹角稍小于45°所引起；德都和林甸台方位角度偏小，与理论走向相差较大，可能与各台站局部场地、裂隙度、含水度和渗透率等因素差异明显有关。

（3）省内七个大地电场台原始数据受干扰（如电极引线破损、外界环境、降雨等）变化幅度超100mv/km 以上时，方位角数值会受到显著影响，幅度在30mv/km 以下时，方位角基本不受干扰。

（4）通过对大地电场渗流方位角结果与历史中强地震之间分析，发现黑龙江及邻区显著地震前会出现岩体裂隙剪裂变现象，两者之间存在较好的对应关系。

总体上，对黑龙江及邻区2 组（5 次）典型震例进行分析发现，在强震震中200km 范围内，岩体裂隙处于“长大”或“发育”好的场地较集中，并且这些场地在中强震前更容易发生岩体剪裂和大幅度突跳或集中等结构变异的变化特征。

致谢：甘肃省地震局谭大城研究员提供方位角计算软件和给予的指导和帮助，黑龙江省地震局监测中心提供的观测数据。