华北、东北地区地电场优势方位角分析

张国苓 任印国 乔子云 贾立峰 罗 娜

1）中国石家庄050021 河北省地震局

2）中国石家庄050000 河北省水文勘测研究中心

0 引言

20 世纪中叶，Chapman 提出，地电场由大地电场和自然电场组成（孙正江等，1984）。1970 年以后，希腊、法国、日本、中国等国家把地电场观测数据应用到地震、火山监测和地质灾害预警中。Varotsos 等（1984）提出VAN 法并用于地震预测研究。我国在“九五”和“十五”期间开始大规模、规范化地开展电场观测，迄今已建成由近120 个地电台组成的观测台网。应用地电场数据开展了较多地震预测方法研究，如极化方位计算法（毛桐恩等，1999）、垂直极化强度投影法（阮爱国等，2000）、常规波形分析法（钱复业等，2005）、VAN 法（马钦忠等，2008）、长短极距比值法（田山等，2009）、频谱分析法（范莹莹等，2010）、优势方位角法（谭大诚等，2013）等。

随着对大地电场物理解析的深入研究，探索出自然电场、大地电场初步分离原理（谭大诚等，2012），并逐步发展出大地电场优势方位角分析方法（谭大诚等，2011，2014，2019）。大地电场优势方位角分析方法物理意义明确，可用来提取弱幅度异常变化，在2017—2020 年年度地震会商中得到了应用，所涉震例有：2008 年汶川MS8.0 地震、2013 年岷县—漳县MS6.7 地震、2014 年鲁甸MS6.5 地震、2016 年12 月新疆呼图壁MS6.2 地震分布、2017 年精河MS6.6 地震、2017 年四川九寨沟MS7.0 地震、2019 年张掖MS5.0 地震。以上震例主要分布在我国西部地区。

地电暴和雷电等干扰在地电场日变曲线上表现为脉冲扰动，高压直流输电干扰表现为台阶变化。辛建村等（2017）和张波等（2020）认为，这些常见地电场干扰对优势方位角的影响不明显。

收集整理了2000 年以来华北、东北地区20 余个地电场台站的分钟值数据，利用地电场潮汐波岩体裂隙水（电荷）流动模型计算台站的大地电场优势方位角，结合观测系统变动、高压直流输电干扰等因素，分析其抗干扰能力，跟踪不同地区的裂隙结构变化，总结中强地震前异常特征，为华北、东北地区震情跟踪提供依据。

1 华北、东北地电场观测台网

华北、东北地区构造复杂。区域为张渤地震带、河北平原带、山西地震带、郯庐断裂带的地震活动较强。2000 以来发生过多次5 级以上地震，其中9 次地震震中300 km 范围为分布2 个以上地电场观测台站（图1，图2）。

图1 东北地区地电场台站、震中分布及地电场观测数据时间进程Fig.1 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in Northeast China

图2 华北地区地电场台站、震中分布及地电场观测数据时间进程Fig.2 Telluric field observation stations,earthquakes,and the time progress chart of telluric field observation in North China

华北地区地电场观测始于2001 年，之后陆续建立近20 多个地电场观测台站，其中大多数台站于2007 年以后建设。该区台站分布比较密集，而5 级以上地震较少。东北地区台站分布比较稀疏，大部分建于2007 年以后。该区5 级以上地震较多，且深源地震多发于吉林珲春和黑龙江林口地区。

2 优势方位角计算方法

2.1 计算原理

当地电场NS、NW 测向之间相关性较高时，大地电场ET优势方位角α（北偏东）计算公式（谭大诚等，2014）为

式中，ANW(i)、ANS(i)分别为NW、NS 测向第i阶潮汐谐波振幅。Ai的计算方法为对于一个数据序列y（t时间序列总数n），数学上可表示成

其中ai、bi计算公式为

则Ai为

2.2 计算过程

（1）数据选取。取全天24 小时分钟值数据（数据源于数据库原始或预处理数据），对于个别缺测点，用其前或后的可靠数据填补。若同一天缺数（含直线数据）累积超过100 min，则取消当天数据的相关计算。

（2）不同方位间相关系数计算。根据选取的长或短极距数据，计算不同方位数据之间的相关系数。

（3）潮汐谐波振幅计算。对不同测向数据分别进行快速傅里叶变换，获取周期为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h 的谐波并计算其振幅和。

（4）优势方位角计算。一般选取相关系数最大的2 个方位。基于潮汐谐波振幅和，计算地电场优势方位角。

3 地电场优势方位角抗干扰能力分析

地电暴和雷电等干扰在地电场日变曲线上表现为脉冲扰动。经计算，脉冲扰动对优势方位角影响较小。高压直流输电对地电场观测数据的干扰主要是换流站接地极的回流干扰，对地电场观测数据形态具有明显影响，但是对大地电场优势方位角的影响不明显（张波等，2020）。辛建村等（2017）认为，当干扰幅度不大于地电场日变化峰值时，优势方位角基本不受干扰影响；当干扰幅度较大时，优势方位角当天会受到影响，但第二天以后所受影响不明显。通过跟踪近年来地电场方位角数据，认为在运行高压线路干扰时间不固定、不连续，对优势方位角的影响不明显，但是试运行阶段的高压直流线路，连续漏电天数较多，换流站附近台站的地电场日变数据和方位角均会受到明显影响。2020 年2 月1 日—6 日郑哈高压直流线路试运行，位于换流站附近的洛阳、周口、菏泽、肥乡台等台站的地电场日变波形出现方波形态（图3），原双峰双谷的日变形态基本消失，优势方位角出现同步偏转变化（图4），而线路两侧距换流站较远的台站受影响较小。

图3 瓜州、菏泽、洛阳、肥乡台地电场日变曲线Fig.3 Diurnal variation of telluric field observations at Guazhou,Heze,Luoyang,and Feixiang stations

图4 瓜州、菏泽、洛阳、周口、肥乡台分布及方位角变化Fig.4 The telluric field rock cracks at Guazhou,Heze,Luoyang,Zhoukou,and Feixiang stations

2020 年4 月19 日—30 日扎青线连续多天漏电，造成山东无棣大山、天津徐庄子、河北兴济台地电场日变曲线出现台阶变化，优势方位角偏转（图5），但各台与换流站的距离不同，台站布设方位不同，各台优势方位角受影响程度有差异。更换电极及外线路也可能使得日变波形出现台阶。临汾台在2020 年4 月3 日更换电极后，地电场观测数据出现台阶，优势方位角减小25°。安丘台地电场观测系统2020 年9 月21 日—22 日更换外线路，短极距部分时段缺数，系统恢复运行后地电场观测数据出现台阶变化，优势方位角偏转20°（图6）。装置变动导致地电场观测数据及优势方位角出现明显变化的原因复杂，需进一步研究。

图5 2020 年无棣大山、徐庄子、兴济台地电场日变曲线及优势方位角Fig.5 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Wudi,Xuzhuangzi,and Xingji stations,2020

图6 临汾和安丘台地电场日变曲线及方位角Fig.6 Diurnal variation of the telluric field and rock cracks at Linfen and Anqiu stations

4 典型震例分析

2013 年1 月23 日辽宁辽阳灯塔发生MS5.1 地震，震中附近300 km 范围内分布新城子、义县、四平3 个地震台。义县台（震中距约158 km）α自2012 年10 月底从约45°跃变至近88°，11 月底至12 月初短时复原，12 月中旬后基本在88°至-2°间跳变。新城子台（震中距约66 km）α在2012 年8 月中间值出现约15°下降偏转，12 月初跳变增加至约45°，震后基本稳定（图7）。

图7 2012—2013 年义县、新城子台地电场方位角变化Fig.7 The telluric field and rock cracks at Yixian and Xinchengzi stations from 2012 to 2013

2018 年5 月28 日吉林松原发生MS5.7 地震。望奎台（震中距约225 km）在2018 年2月中旬至3 月中旬，α中间值逐步从45°左右下降至接近0°，并且α跳变范围明显收窄，几乎变成一条直线。肇东台（震中距约124 km）在2017 年10 月开始出现明显的偏转和收窄变化（图8）。

图8 2017—2018 年肇东、望奎台地电场方位角变化Fig.8 The telluric field and rock cracks at Zhaodong and Wangkui stations from 2017 to 2018

2013年10月31日吉林前郭发生MS5.7震群。吉林四平台（震中距约158 km）在2013年9月，α中间值逐步从10°左右上升至近55°，偏转45°。黑龙江肇东台（震中距约209 km）在10 月，α中间值逐步从45°左右下降至近0°，且跳变范围明显收窄。望奎台（震中距约282 km）在2013 年3 月，α中间值逐步从45°左右下降至接近0°，且跳变范围明显收窄，几乎变成一条直线（图9）。

图9 2012—2013 年四平、肇东、江望奎台地电场方位角变化Fig.9 The telluric field and rock cracks at Siping,Zhaodong,and Wangkui stations from 2012 to 2013

2020 年7 月12 日唐山古冶发生MS5.1 地震。延庆台（震中距约226 km）方位角2019 年11 月下旬至2020 年4 月中旬具有跳变范围收窄、偏转异常，与天津宝坻台（震中距约80 km）的异常有准同步现象，构成区域异常（图10）。

图10 2019—2020 年延庆、宝坻台地电场方位角变化Fig.10 The telluric field and rock cracks at Yanqing and Baodi stations from 2019 to 2020

对于华北、东北地区5级以上地震，地电场优势方位角具有较好的异常变化特征（表1）。基于此，可总结得出华北、东北地区5 级以上地震异常判据和预测指标。

表1 华北东北地区5 级地震前地电场方位角变化分析Table 1 The variation of telluric feild and rock cracks before MS ≥5 earthquakes in Northeast and North China

（1）异常判据。异常判据为任一场地的大地电场优势方位角α会在一定范围内随机跳变，在一个区域内（约300 km）或同一条断裂带附近，多个场地的大地电场优势方位角α的随机跳变范围、或跳变的中间值发生准同步显著改变，并且持续至少1 周时，可判定α变化异常。

（2）预测指标为：①发震时间，异常出现后6 个月内发震几率高；②发震地点，台站附近300 km 以内，通常，α出现约45°偏转和收窄变化的场地更靠近震中；③发震强度，5 级以上。

5 结论

当地电台站位于高压直流线路换流站周边时，地电场观测数据受影响较大。在高压直流供电开始和结束时，地电观测数据出现台阶形态。当同一高压直流输电线路漏电仅一天或者不连续的几天时，换流站附近台站地电场优势方位角表现为个别突跳。当同一高压输电线路连续多天漏电时，地电场优势方位角明显偏转，换流站越近，影响越大。

华北、东北地区5 级以上浅源地震发生前，震中300 km 范围内地电场优势方位角出现显著中短期异常，多为45°偏转或者收窄变化。优势方位角震前偏转45°的场地岩体可能发生了共轭剪裂，收窄变化则说明场地裂隙由发育阶段转变为长大阶段，裂隙长度增大、连通性增强、排列逐渐有序。根据以往研究，岩石裂隙会随深度增加而闭合，20—30 km深度的岩石裂隙率相对大，50 km 深度以下岩石裂隙率显著下降（钱家栋等，1985）。大地电场优势方位方法对浅源地震有较好的响应，对深源地震基本无反映，这种现象进一步说明大地电场优势方位角可能与岩石裂隙结构相关。

感谢甘肃省地震局谭大诚研究员在本项工作开展过程中提供帮助。