基于地电场的裂隙水主体渗流方向两种计算方法及意义

谭大诚 杨立明 席继楼

1）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2）兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000

3）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

地电场是重要的地震前兆物理场，其观测数据包含了自然电场、大地电场和干扰成分。自然电场源于地下介质的物理、化学过程，通常具有相对稳定性；大地电场则来源于空间电流和潮汐力，较稳定的日变形态主要表现出TGF-A、TGF-B 两种波形。依据地电场的潮汐机理，邻近大水域的场地，潮汐力作用于岩石裂隙，易使裂隙水周期性渗流，产生周期性过滤电场，形成TGF-A 波形地电场；空间Sq电流在地表的感应电场易引起裂隙水周期性渗流，进而产生大地电流场，使地表出现TGF-B 波形地电场。以层状介质为例，设上层介质电阻率为ρ1，厚度为h1；水渗流层的电阻率为ρ2，厚度为h2；下层是不导电介质。在地面上观测到的TGF-A 波形地电场强度E 可写成：

在地面上观测到的TGF-B 波形地电场强度E 可写成：

(1)式中ε 为水介电常数，ρ 为水电阻率，Δu 为水渗流的电偶极层电位跃变值，Δp 为引起水渗流的压力梯度，μ 为水粘滞系数。(2)式中Vei为裂隙水的第 i 种电荷渗流速度,C 为与流体电导率、介电常数及电荷体密度等相关的常数。

在同一场地，TGF-A、TGF-B 波形地电场（DC-0.005 Hz）在各方向峰值通常有明显差异，可能说明（1）式压力梯度Δp、（2）式电荷渗流速度Vei在各方向不同。在岩石裂隙流管中，只有沿裂隙水主体渗流方向，水的压力梯度Δp、水中电荷的渗流速度Vei会最大。因此，应用地电场潮汐波幅度可计算出场地岩石裂隙水主体渗流方向及逐日变化，这增强了形变、流体、电磁观测数据分析的关联性，也可能是大震前兆分析的一种新尝试。

原理上，可应用任意时刻的地电场潮汐波数据进行计算，但实际观测中因多种原因，不同时刻的地电场潮汐波数值往往存在不规则的小幅扰动，用任意时刻的数值计算结果可能离散度大。

结论：

（1）在应用地电场计算裂隙水主体渗流方向时，潮汐谐波振幅法与峰-谷值法的结果基本一致，但可降低峰-谷值方法的取值误差。潮汐谐波振幅法是取前10 阶潮汐谐波进行计算，这说明了地电场近正弦波形的日变形态确实是潮汐波。

（2）TGF-A 潮汐波明显畸变时，裂隙水渗流方向有较大变化，这可能是应力变化导致裂隙或裂隙水渗流出现异常；TGF-B 潮汐波有高频电磁扰动成分时，裂隙水渗流方向有小幅变化。

（3）2008 年汶川MS8.0 地震前，四川泸沽湖、盐源场地的自然电场稳定性差异大，但岩石裂隙水主体渗流方向变化则具有较好的相关性，与这次大震也有对应性。因此，应用地电场计算岩石裂隙水的主体渗流方向具有前兆分析的价值。

（4）应用地电场观测数据，逐日计算场地裂隙水主体渗流方向的变化，目前依然处于初期阶段，其应用还需要深入研究。