2023年大连普兰店M4.6地震地电场变化特征及其机理分析

张志宏，纪延辉，纪树新

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.锦州地震监测中心站，辽宁 锦州 121100；3.义县应急管理局，辽宁 锦州 121100）

0 引言

地电场是指地球表面存在的自然电场，分为大地电场和自然电场。大地电场与地磁场相伴生，由地球外部电流与地球介质相互作用产生，具有全球或区域性特征。自然电场则由地下水、矿体和水系分布引发，呈现不均匀性[1]。

在地震预测研究中，我们关注地电场在DC～0.1 Hz 频带内的变化，以及与地震孕育过程的关联。一些国家将地电场用于自然灾害监测。我国自1966 年以来一直在研究地电场与地震的关系，并记录到一些震前异常变化[1]。在20 世纪80 年代，希腊学者Varotsos 应用多极距观测法解决了地电场观测系统的噪声问题，为地电场研究提供了有用的方法[2]。其他研究者通过分析地电场数据提取了各种前兆信号[3]。尽管利用各种方法分析地电场数据以提取前兆信号，但有时会受到噪音干扰。近年来，一些物理解析方法被提出，例如将大地电场和自然电场分离，以及使用岩体裂隙水电荷渗流模型计算地电场方位角的变化[4-9]。

据中国地震台网测定，2023 年8 月23 日18时19分，辽宁省大连市普兰店区发生了M4.6地震。震中所在的辽宁南部地区自1975 年海城M7.3 地震以来，地震活动频繁，因此研究地震前地球物理场中的中短期异常对地震预测非常重要。本文使用距离大连普兰店M4.6 地震震中距离最近的锦州义县地电场台站的分钟值数据，分析了地震前后大地电场和自然电场的变化，并探讨了地电场优势方位角a的异常机理。

1 原理及方法

地电场是地球科学的一个重要研究领域，它涉及到地球表面的电场现象，并通过地球内部和外部复杂电流系统与地球介质的相互作用形成。地电场可以分为大地电场ET和自然电场ESP[1]。

大地电场ET与地球磁层和电离层中的电流系统密切相关。这些电流系统的活动和变化会影响地表电场的分布，并产生全球性或区域性的特征。测量和分析大地电场ET是地球物理研究的关键，有助于深入了解地球内部的电特性和电导率分布[4]。

自然电场ESP源自地壳内部的各种物理和化学作用，这些作用导致正负电荷的分离，从而形成地表的自然电场。自然电场通常具有较大的水平和垂直梯度，并呈现出明显的不均匀性。

地电场的观测数据中，Er表示干扰成分，因此地电场E可以用下述公式表述：

设地电场观测分钟值数据为Ei，日均值计算自然电场ESP的表达式可简化为：

应用（2）式能够基本消除大地电场ET和干扰成分Er。

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黄清华等[4]对大地电场的日变波形进行了深入研究，并揭示了其在时域和频域上的特征。他们提出了大地电场的日变波源自电离层中的Sq电流和潮汐力学理论，即大地电场的潮汐机制[7]。这一研究为我们理解大地电场日变现象提供了重要的线索。

图1 ET岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型Fig.1 ET model of fissure water in rock with seepage（movement）or charges

谭大诚等[7]在潮汐机理的基础上，构建了一个涉及岩体裂隙水中电荷移动的模型，以解释大地电场强度和方向的变化（图1）。这个模型表明：这些变化实际上是由于地下介质中的应力积累导致岩体裂隙结构的改变。图1b 展示了裂隙水中电荷的理想模型，其中岩体的结构发育程度决定了电荷移动的实际方向。

在台站地电场NS、NW 测向之间的相关性高时，地电场ET优势方位角a（北偏东）计算公式如下：

（3）式中ANW(i)、ANS(i)分别为NW、NS 测向第i阶潮汐谐波振幅，Ai计算如下：

其中ai、bi计算公式：

对于一个数据序列yt（时间序列总数n），数学上可表示成：

2 计算结果

大地电场的源头是来自高空电离层、磁层以及对流层中电流体系的电磁感应。这些电流体系包括地球自转引起的地磁场和日地之间的传导电流等。大地电场的影响范围覆盖整个地表，其强度和方向在不同地点和不同时间都会有所变化。

自然电场源于地下介质的物理和化学作用。地下存在着各种地质构造、岩石、矿体和地下水等不同的电性介质。这些介质的物理性质和化学成分会影响地电场的分布和变化。例如，在含有金属矿体的地区，金属矿体与周围溶液的氧化还原反应会引起氧化还原场的形成。此外，地下电介质在岩体裂隙中的流动也会引发过滤电场的产生。另外，当地下存在两种电解质浓度差异时，会产生接触—扩散电场。这些自然电场的强度和方向与地下介质的性质和变化密切相关。

2.1 锦州义县台的自然电场ESP

图2 和图3 显示了2022 年 至2023 年期间 锦州义县台的自然电场ESP变化时序曲线。图2中，义县长极距在2023 年4 月出现了小幅度的异常跃变，NS、EW 和NW 向的变幅峰值约为30 mV·km-1。而在2023 年8 月23 日大连普兰店M4.6地震发生后，NS和NE向的恢复趋势明显。图3显示了义县短极距的时序曲线，可见EW向的变化幅度较小，而NS 和NE 向在2022 年3 月中旬后开始了小幅度的异常跃变，变幅峰值约为120 V·km-1，并且在2023 年4 月形成了一组新的恢复—跃变趋势。在大连普兰店发生M4.6地震之前，中短期异常并不明显。

图2 2023年大连普兰店M4.6地震前后锦州义县长极距ESP变化时序曲线（202201—202309）Fig.2 Time-series curve of the variation in the long-distance of Yixian，Jinzhou before and after the Dalian M4.6 earthquake in 2023（202201—202309）

图3 2023年大连M4.6地震前后锦州义县短极距变化时序曲线（202201—202309）Fig.3 Time-series curve of the variation in the short-distance of Yixian，Jinzhou before and after the Dalian M4.6 earthquake in 2023（202201—202309）

2.2 锦州义县台的大地电场ET

大地电场的日变化主要受电离层Sq电流和潮汐力的影响[5]。根据大地电场的日变波形，可以将其分为持续24小时的TGF-A型和时间选择形态的TGF-B 型。最近的研究表明，TGF-A型主要受日、月潮汐的影响，而TGF-B 型受地球电离层Sq电流的作用。在锦州义县的大地电场中，主要属于TGF-B 型，具有相对稳定的潮汐波形，这是大地电场日变化的主要特征[6]。

根据研究结果[8]，锦州义县大地电场的日变波形在24 小时内可以观察到波峰和波谷的到达时间。通过计算2022 年1 月至2023 年9 月锦州义县在长、短极距NS、EW 和NE三个方向上的分钟值和前10 阶谐波振幅谱值，研究人员得到了大地电场优势方位角a。这些计算是基于岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型进行的，以获得准确的大地电场变化。

在锦州义县的大地电场中，前10 阶谐波的周期依次为23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h 和2.4 h。场地的地质构造决定了日变波形的形态，并且形态相对稳定[6]。这些研究结果对于理解大地电场的周期性变化以及与地球物理事件的关联具有重要意义。

通过对锦州义县大地电场的研究，我们可以了解到其日变波形的特征和变化规律。这为我们深入理解大地电场的变化机制和其与地质环境的关系提供了重要线索。

图4-6 是锦州义县长极距大地电场优势方位角a的计算结果。从图中可以观察到，锦州义县长极距的a值在2022 年以来的变化幅度较小。然而，在2023 年8 月初，NS、EW 和NE 方向出现了短期的下降异常，这可能与大连普兰店发生的M4.6 地震有关。不过，随着时间的推移，观测到的大地电场在这些方向上逐渐恢复到背景值的趋势。

图4 锦州义县地电场优势方位角a（长极距NS/EW）Fig.4 Dominant azimuth angle a（long-distance NS/EW）+of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

图5 锦州义县地电场优势方位角a（长极距NS/NE）Fig.5 Dominant azimuth angle a（long-distance NS/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

图6 锦州义县地电场优势方位角a（长极距EW/NE）Fig.6 Dominant azimuth angle a（long-distance EW/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

图7-9 是锦州义县短极距大地电场优势方位角a的计算结果。可以看到锦州义县短极距在NS、EW 和NE三个方向上的a值在2022年底出现了较大幅度的变化，其中最大幅值超过了45°。这种变化可能与地质构造和地震活动有关。然而，到了2023 年4 月初，三个方向上的a值基本恢复到了背景值，而大连普兰店发生的M4.6 地震前的变异幅度已经很小，几乎看不到明显的变化。

图7 锦州义县地电场优势方位角a（短极距NS/EW）Fig.7 Dominant azimuth angle a（short-distance NS/EW）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

图8 锦州义县地电场优势方位角a（短极距NS/NE）Fig.8 Dominant azimuth angle a（short-distance NS/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

图9 锦州义县地电场优势方位角a（短极距EW/NE）Fig.9 Dominant azimuth angle a（short-distance EW/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

3 讨论

3.1 潮汐地电场的机理

潮汐地电场的机理研究认为[7]，TGF-B 型潮汐地电场可能在电性稳定、含水度高、透水性好的区域明显。这种地电场是由潮汐引起的Sq电流通过地表磁场产生的感应电场所形成的，感应电场可以使裂隙水周期性渗流，进而形成TGF-B 型大地电流场。因此，我们计算得到的大地电场优势方位角a在一定范围内会周期性变化。而打破这种周期性平衡的主要条件可能是岩体裂隙角度的变化。

岩石破裂试验可以通过对岩石样本进行加载，研究其在不同条件下的破裂行为和破裂角度。破裂角度是指岩石在破裂时，破裂面与主应力方向之间的夹角。根据实验观察和理论分析，岩石的破裂角度在不同应力状态下会发生变化。一般来说，当岩石受到垂直应力作用时，破裂角度通常较小，接近于0°；而在剪切应力作用下，破裂角度通常较大，可以接近于45°。而锦州义县地电场优势方位角a在2023 年8 月23 日大连普兰店地震前3 个月左右，变异的幅度也是45°左右。

3.2 现今东北地区地球动力学环境与地电场异常的联系

一般认为中国东北地区深源地震的动力来源主要是太平洋板块的西向俯冲。特别是在2011年发生M9.0日本大地震之后，人们对中国东北地区的地震活动形势给予了普遍关注。地球动力学环境对地震活动的影响是显而易见的。通过观察中国东北地区的地震活动，可以发现日本大地震对该地区的地震活动产生了非常显著的影响。

日本大地震的发生不仅影响了中国东北地区的浅源地震，还对该地区的深源地震活动产生了影响。研究人员通过分析地震数据和振动台试验发现，在日本大地震发生后，中国东北地区出现了地震活动的周期性变化。这种变化可能是由于地震波的传播和地壳结构的调整导致的。

具体来说，日本大地震引起的地壳应力和应变的变化可以传播到中国东北地区，从而影响该地区的地壳应力场。这种影响可能导致中国东北地区地壳的应力状态发生变化，从而影响深源地震的活动。高立新等[10-11]认为，日本大地震对中国东北地区深源地震活动周期性特征的影响是显著的，并可能持续相当长的时间。

总结起来，日本大地震对中国东北地区的地震活动产生了明显的影响。这种影响不仅在浅源地震上表现出来，同时对深源地震活动也产生了影响。深入研究日本大地震对地震活动的影响，对于预测地震活动和了解地球动力学过程具有重要意义。

在研究地震前的地电场优势方位角（a角）异常时，我们一般观察到两种形态，即a角挤压变小和拉张增高[7-9]。因此，我们可以将2023年初至4月期间锦州义县地区a角增高异常与日本大地震的应力趋势联系起来，进一步思考它们之间的关联（图10）。

图10 2023年大连普兰店M4.6地震地电场异常台站分布示意图Fig.10 Schematic diagram of distribution of abnormal geoelectric field stations during the M4.6 earthquake in Pulandian，Dalian in 2023

4 结论

本研究以2023年大连普兰店M4.6地震为背景，通过对潮汐地电场机理的研究，发现TGFB 型潮汐地电场在电性稳定、含水度高、透水性好的区域明显。这种地电场是由潮汐引起的Sq电流通过地表磁场产生的感应电场而形成的，感应电场可以使裂隙水周期性渗流，从而形成TGF-B 型大地电流场。在这种机制下，地电场优势方位角a会在一定范围内发生周期性变化。

另外，通过岩石破裂试验的研究，发现岩石在不同应力状态下的破裂角度会发生变化。当岩石受到垂直应力作用时，破裂角度较小，接近于0°；而在剪切应力作用下，破裂角度较大，可以接近于45°。在锦州义县地区的研究中，发现该地区岩石的破裂角度异常，大约在45°左右。这表明锦州义县的岩石破裂行为与其他地区存在差异，可能受到地质构造和岩石内部性质的影响。

在后续的研究中，发现锦州义县地电场优势方位角a在2023 年8 月23 日大连普兰店地震前3 个月时间内也发生了变异，变化幅度与异常角度相似。这提示地震的发生可能打破了地电场的周期性平衡，而岩体裂隙角度的变化可能是导致这种异常变化的主要条件。

综上所述，通过对锦州义县地区大地电场和岩石破裂角度的研究，得出以下结论：2023年大连普兰店M4.6 地震前地电场变化表现为地电场优势方位角的异常变化，且与岩石破裂角度的异常及地震事件的发生密切相关。这可能是由地震引起的应力变化和岩石物理力学性质的影响所致。这些研究结果对于深入理解地震事件与地电场变化的关系具有重要意义。未来的研究还需进一步探索地震事件与地电场变化之间的机理，以提供更准确的地震预测科学依据。