吉林四平、榆树台地电场与长春台地磁场、分量应变的变化分析

马铭志 李 飞 李雪梅

1 吉林省丰满地震台，吉林市江西路198号，132108 2 江苏省新沂地震台，新沂市新安镇官庄村，221400



吉林四平、榆树台地电场与长春台地磁场、分量应变的变化分析

马铭志1李 飞2李雪梅1

1 吉林省丰满地震台，吉林市江西路198号，132108 2 江苏省新沂地震台，新沂市新安镇官庄村，221400

对四平台、榆树台地电场北分量Ex和东分量Ey不同时段分钟值与长春台分量地磁、分量应变资料进行日变形态、日变幅等方面的对比分析，运用FFT将各观测资料的优势周期分解出来，以期进一步得到各物理量之间的相互关系，同时对地电场在地震前的对应性进行相关总结。结果表明：1)两台地电场日变化都以双峰单谷为主；两测向优势周期都是以12 h、8 h为主。与分量磁场相比，东分量By与Ex比较吻合，北分量Bx与Ey的对应性很高；与分量应变相比，12 h的优势周期为共有周期。2)两台地电场都能够记录到明显的地电暴同步变化。3)Ey与Bx的日变幅比较同步，Ex与By的日变幅比较同步，且呈现出较明显的季节变化。4)两台地电场都能够较为清晰地记录到一定的短临异常，但两台震前异常表现形式不尽相同，出现异常的时间也不同：震中距越近，出现异常越早，异常幅度也越大。

地电场；地磁场；分量应变；日变化；地电暴

地震前地电场存在着异常前兆变化信息，为地电场资料的分析与预报提供了理论依据和方法指南，对地震预测，特别是短临地震预测具有重要的意义[1-6]。由于地电场日变幅和主要周期成分存在区域性、季节性变化，就需要多途径、多方法地开展研究，以期对地电场的变化规律及其影响原因获得科学认识。本文通过对四平台和榆树台2015年地电场平静变化时段分钟值数据及连续1个月的资料进行处理和分析，同时结合长春台同时段的地磁分量、分量应变数据进行对比分析；再结合频谱分析结果，分析各物理量日变化的特征，进而认识地电场的变化机制。此外，对2013年前郭地震前后两台地电场数据进行分析，发现地电场长短极距的差值与比值在震前存在明显的短临异常。

1 台站及资料概况

1.1 台站概况

四平台位于吉林省中南部四平市，地处松辽平原西缘，测区附近有北东向四平-长春断裂和北西向团子山-白山断裂，地理坐标为124°45′E、43°25′N，海拔196 m；榆树台位于吉林省北部榆树市，地处松辽平原东部隆起区，测区附近有北东向四平-长春、伊通-舒兰两个深大断裂带和北西向卡岔河断裂，地理坐标为126°35′E、44°52′N，海拔204 m。两台测区地形开阔，地势平坦，相对高差不超过2 m。四平台测区内第四纪盖层约20 m，下伏白垩系基岩；榆树台测区内第四纪盖层约40 m，下伏白垩系基岩。两台测区地下水位稳定，一般在10 m以上。本项目所用台站的地理分布见图1左图。

图1 四平台和榆树台场地地质构造、布极示意图Fig.1 The geological structure and arrangement of Siping and Yushu station

两台观测仪器都为ZD9A-Ⅱ型地电场仪，测量频段为0～0.005 Hz，观测数据产出为1次/min。两台共布NS、EW向和N45°W向3个方向，每个方向又布长、短两种极距，其中四平台NS、EW向长极距为300 m，短极距为200 m，N45°W向长极距为420 m，短极距为280 m；榆树台的长极距为200 m，短极距为100 m，N45°W向长极距为280 m，短极距为140 m。电极为Pb-PbCl2不极化电极，电极埋深都为3 m，外线路采用架空方式，观测系统的建设及布极区的环境状况均符合观测规范[7]。两台的布极方式如图1右图。

1.2 资料概况

由于地电场数据受到观测场地、电磁环境及观测系统的稳定性等诸多因素的影响，致使资料呈现出多样性、复杂性等[8]。因此在资料的选取时，应综合考虑以上各因素对资料进行甄取，同时由于观测资料受到电极稳定性的影响，利用每天计算同一测向长短极距数据的相关性R值来衡量资料的可用性。本文主要采用两台R值大于0.7的2015年4月份及2015年不同季节的相关数据进行论述。

2 地电场日变化

2.1 地电场静日变化波形

静日地电场变化是指1月内太阳活动最为平静的数天地电场变化。图2为2015-04-24～04-26两台地电场NS向(Ex)和EW向(Ey)与NS向分量地磁场(Bx)、EW向分量地磁场(By)、分量应变分钟值的对比曲线。从曲线上可以看出，Ey和Ex存在明显的潮汐波现象，其日变化基本上呈现出双峰单谷的特点，但出现峰谷的时间略有差异。对于Ex，第一峰值在每日8：00前后，谷值在中午12：00前后，第二峰值在下午16：00前后，且两个台站具有同步性；对于Ey，第一峰值在每日5：00～6：00前后，谷值在中午11：00前后，第2峰值在下午15：00～16：00前后，且两个台站具有同步性。分量地磁场日变化同样呈现出双峰单谷的特点，其中By出现峰谷的时间与Ex比较吻合，Bx出现峰谷的时间与Ey比较吻合。这是由于地电场与地磁场的快变化部分有相同的场源，其中地电日变化的场源是分布在电离层的电流体系，但地表结构对地电场的影响要比地磁场的影响大，因此，两者之间应具有类似变化[7]。而分量应变与地电场的对应关系，明显不如地磁场与地电场的对应关系。同时注意到，Ey出现的谷值时间和第二峰值时间与EW应变十分吻合，Ex在25～26日的第二峰值时间与NS向分量应变十分吻合，相关性不如与分量磁场的对应性。

图2 2015-04-24～26四平和榆树台地电场、地磁场、分量应变分钟值对比曲线Fig.2 Curves of minute value of geoelectric field, geomagnetic field and component strain between Siping and Yushu station, April 24-26, 2015

2.2 地电暴变化波形

地电暴和地磁暴是电场观测和地磁观测中记录到的同受远源空间电流体系剧烈扰动影响而产生的全球性扰动现象，电暴(或磁暴)发生时，所有电场观测项和地磁要素都要发生不同程度的变化[9]。

从图3的2015-08-15～08-16电磁暴过程可以看出(因磁暴是按照磁场H分量3 h变化量划分，因此图4运用H分量进行对比)，当磁暴发生时，地磁场H分量与两台地电场Ex、Ey同时出现突变。随着时间推移，地磁场快变化与地电场的变化基本同步，并且随后的变化特征基本同步。对于变化幅度，榆树台地电场Ex与Ey初始变化幅度基本相同，并且随后的发展也相同，仅不同测向略有差异；四平台地电场Ex变化明显高于Ey，两台地电场Ey的差值基本相同，地电场Ex存在明显差别。由于地表电性结构对电场的影响比对磁场的影响要大[7]，产生此差异的原因可能与两台第四纪覆盖层的差异、场地平整度不同以及两台深浅层电阻率不同有关。

图3 2015-08-15～16地电场、地磁场分钟值对比曲线Fig.3 Curves of minute value of geoelectric field and geomagnetic field, August 15-16, 2015

2.3 频谱特征分析

利用基于MATLAB的快速傅里叶变换对2015-04-24～04-26静日各物理量的分钟值及4月全月的分钟值进行频谱对比分析，结果如图4所示：1)四平台优势周期主要以12 h、8 h为主，最大优势周期都为12 h；榆树台优势周期较四平台更加丰富，24 h、12 h、8 h、6 h的优势周期都较明显，两台最大优势周期都为12 h。2)同方向，特别是Ex，四平台谱值较大；对于Ey，两台的谱值基本相同。与之对比的地磁频谱分析，Bx与Ey、By与Ex的优势周期吻合度都较高；分量应变频谱结果的对应性似无关联。为此，计算全月各物理量的频谱。从图4可以看出，地电场与地磁场的优势周期都存在12 h、8 h的周期；地电场与应变场都存在12 h、24 h的周期，且半月波似有反映。

以上地电场日变化说明，地电场变化既与地磁场变化有关，又与分量应变(固体潮)有关，通过频谱分析验证其间存在共有周期，这与李飞等[10]研究结果相类似。

图4 地电场、地磁场、分量应变频谱曲线Fig.4 Curves of amplitude spectrums of geoelectric field, geomagnetic field and strain component

3 日变幅的变化特征分析

为了体现两台地电场日变化幅度是否存在季节性变化，对相关物理量的日变幅进行相关分析。在计算日变幅的过程中，先剔除偶然干扰，然后对数据进行3点滑动平均，再分别选取每天最大值点、最小值点前后各3个数据计算平均值，之后计算出日变幅。图5为2015年1、4、7、9月份地电场、分量磁场、分量应变的日变幅曲线。从图中可以看出,地电场存在如下总体特征：

1)两台地电场在1月份无论是Ex还是Ey，日变幅都最低，4月份开始增大，9月最大。至于4月份地电场日变幅为何开始增大，根据史红军等[11]研究结果,这与吉林地区冰封解冻的时间(东部长白山地区为4～5月份，西部松辽平原为3～4月份)具有一定的关联性。

2)在静日，两台地电场无论是Ex还是Ey，日变幅都低于扰日时段的日变幅。

3)四平台Ex与Ey的日变幅存在一定的差异性，特别是4月以来差异十分明显；而榆树台两测向基本无差异。

由于地表电性结构对电场的影响比对磁场的影响要大[7]，通过场地介绍可知，四平台第四纪覆盖层较榆树台少20 m，这可能是两台日变幅不尽相同，且四平台日变幅总体略高的一个原因。通过浅层电测深计算结果可知，榆树台NS向5 m与10 m的电阻率观测值分别为55 Ωm与51 Ωm左右，EW向5 m与10 m的电阻率观测值分别为49 Ωm与44 Ωm左右；四平台NS向5 m与10 m的电阻率观测值都维持在19 Ωm左右，EW向5 m与10 m的电阻率观测值维持在23 Ωm与21 Ωm左右。两台浅层电测深的结果不同，且不同方向存在差异，这可能是两台日变幅差异性的另一个原因。由深部电测深曲线知，两台电测深曲线都为HKH，榆树台NS向电阻率观测值要略低于EW向的电阻率，20～100 m的电阻率观测值维持在25～35 Ωm，100～400 m的电阻率观测值维持在35～60 Ωm；对于四平台NS向与EW向的电阻率观测值基本相同，20～100 m的电阻率观测值维持在20 Ωm左右，100～400 m的电阻率观测值维持在18 Ωm左右。两台深部电阻率的各向异性，可能是两台日变幅差异性的另一个原因。四平台Ex的日变幅较Ey高的原因，可能是在测区内，EW向存在2 m左右的高差，造成局部地质条件改变造成的，而榆树台场地无高差。总体上榆树台浅、深层的电阻率都较四平台要高，但日变幅总体是前者小于后者，这与杜学彬等[12]的研究存在差异，可能与第四纪覆盖层的差异及场地平整度不同有关，具体原因有待深入研究。

图5 地电场、地磁场、分量应变日变幅曲线Fig.5 Curves of daily variation amplitude of geoelectric field, geomagnetic field and component strain

地电场与地磁场的日变幅相比，当出现扰动时，两者的日变幅都增大，而在静日明显较低；并且Ey与Bx、Ex与By的日变幅对应，这就进一步验证了两者存在同一物理源。

地电场与分量应变日变幅的对应性明显低于与磁场的对应性，但在静日时段，还是存在当应变出现大潮时，地电场的日变幅略大；应变出现小潮时，地电场的日变幅略小。为此，选取两台2015年7月部分时段的静日日变幅进行对比，其对应关系见表1。从表1基本可以看出两个物理量的对应性：北分量Ex与NS分量应变对应，东分量Ey与EW分量应变对应。

表1 地电场与分量应变静日日变幅的对应关系

4 地电场异常分析

地震发生前，电、磁场会出现日变化波形畸变及高频成分，接近地震发生时高频能量会加大[13]。2013-10-12吉林前郭发生M5.8级震群型地震：10-31最先发生M5.5级地震，之后11-23发生最大震级M5.8级地震。四平台距离震中约140 km，榆树台距离震中约210 km。

4.1 差值异常分析

首先去掉地电场的背景值，即将每天所有数据与第一个数据进行相减，再计算同测向的差值序列。图6为2013-09-01～11-30两个台NS、EW向的分钟值差值曲线。从图中可以看出，四平台分别于2013-09-10～16、10-23～28、11-07～15出现“下降-平缓-陡升-陡降”的形态变化，两个测向的3次变化形态基本相同，打破了正常的日变形态，并且两个测向最大变化量基本在30 mV/km左右，明显大于正常静日变化。从首次出现异常到第一次地震的时间为51 d，最后出现异常到最后一次地震的时间为17 d。榆树台自2013-09-24开始两个测向同时出现高频变化，改变了正常的日变波形(月初的高频变化为雷电影响)，同期四平台也出现一定的高频变化；到10-24高频变化幅度明显增大，在持续的过程中发生第一次地震，从首次出现异常到第一次地震的时间为39 d。震后异常变化并未结束，一直持续到11-17，平静6 d之后发生5.8级震群。两次震群前，四平台两测向最大变化幅度基本在20 mV/km左右，EW向变化更为明显。

图6 2013-09-01～11-30地电场差值曲线Fig.6 Geoelectric field difference curves, September 1-November 30, 2013

4.2 比值异常分析

比值法是田山等[14]提出的提取地电场短临异常的一种方法，即采用同测向长极距观测值比上短极距观测值，因此比值是无量纲的。图7为2013-09-01～11-30两个台NS、EW向的分钟值差值曲线，从曲线可以看出，同台比值法与差值法曲线变化形态一致，异常出现的时间也一致，都表现出较为明显的短临异常。

通过以上差值法、比值法的对比可以看出，两台震前异常表现形式不尽相同，出现异常的时间也不同，其中四平台要早于榆树台，这与震中距有关：震中距越近，出现异常越早，异常幅度也越大。

图7 2013-09-01～11-30地电场比值曲线Fig.7 Geoelectric field ratio curves, September 1- November 30, 2013

5 结 语

1)两台地电场Ex和Ey存在明显的潮汐波现象，日变化基本上呈现出双峰单谷的特点，但出现峰谷时间略有差异。对于Ex，第一峰值在每日8：00前后，谷值在中午12：00前后，第2峰值在下午16：00前后；对于Ey，第一峰值在每日5：00-6：00前后，谷值在中午11：00前后，第2峰值在下午15：00～16：00前后，且两个台站具有同步性。与分量磁场相比，By与Ex比较吻合，Bx与Ey的对应性很高，与分量形变相比，两者对应性不如与分量磁场的对应性。产生地电场日变化主要周期成分的可能原因是在日月引潮力作用下，地球介质的潮汐作用和电离层、大气层等电磁活动的共同作用。

2)从两台地电场频谱结果来看，两台优势周期主要以12 h、8 h为主，最大优势周期都为12 h。与分量磁场、分量应变相比，两台地电场既与地磁场存在关联，又与应变分量存在关联：地电场与地磁场的优势周期都存在12 h、8 h的周期；地电场与应变场都存在12 h、24 h周期，且半月波似有反映。

3)榆树台地电场两测向的日变幅基本相同，四平台两测向的日变幅相差较大。总体上，Ex的日变幅与By的日变幅比较同步，Ey的日变幅与Bx的日变幅比较同步。在扰日，地电场的日变幅更与分量磁场的日变幅变化同步。在静日，地电场日变化在大潮时的日变幅较出现小潮时的日变幅要大。这与分量应变日变幅变化的结果同步。

4)不同季节两台地电场日变幅及优势周期的谱值呈现出明显的季节变化，4月份日变幅突然变大，可能与该地区特有的季节性气候变化有关，特别是冰封解冻期有一定的关联，其变化特点也和Sq电流系的季节变化一致。

5)地电场的谱值大小与观测台址的浅层电阻率有关，电阻率越高，地电场各种周期成分谱值越大。两台地质构造、第四纪覆盖层、浅表、深部层电阻率各不相同，同时裂隙的发育和走向不尽相同，致使两台地电场呈现出不同的变化形态与日变幅存在一定的差异性。

6)两台地电场都能够较为清晰地记录到一定的短临异常，但两台震前异常表现形式不尽相同，出现的异常的时间也不同：震中距越近，出现的异常越早，异常幅度也越大。

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About the first author:MA Mingzhi, engineer,majors in earthquake monitoring, prediction,E-mail:jilinmmz@sina.com.

Analysis of Geoelectric Field at Siping and Yushu Station, Geomagnetic Field and Strain Component at Changchun Station of Jilin Province

MAMingzhi1LIFei2LIXuemei1

1 Fengman Seismic Station of Jilin Province, 198 Jiangxi Road, Jilin 132108, China 2 Xinyi Seismic Station of Jiangsu Province, Guanzhang Village, Xinyi 221400, China

Bycomparing minute value of the geoelectric fieldsExandEyat different times at Siping and Yushu stations with the geomagnetic and strain components of Changchun station, this article analyzes the relations of all physical quantities by further calculating their dominant period with FFT. The results demonstrate that: firstly, daily variation of the geoelectric fields at the two stations presentdouble peaks and one valley, and the dominant period of NS and EW trending is 12 h, 8 h. Compared with geomagnetic field,ByandExhave high suitability of fit andBxandEyhave suitability of fit. The dominant period 12 h is the common period. Secondly, the geoelectric storm recorded has obvious synchronous change. Thirdly, daily variation amplitude betweenEyandBxhas a relative synchronous change, as does that betweenExandBy. Moreover, it varies obviously with the season. Finally, some short-impending anomalies may be clearly recorded at two stations, but the form and occurrence time of anomaly before earthquakes differ: the nearer the epicentral distance, the earlier occurrence time and the bigger amplitude of anomaly.

geoelectric field; geomagnetic field; strain component; daily variation; geoelectric storm

National Natural Science Foundation of China,No.41374080.

2015-12-28

项目来源：国家自然科学基金(41374080)。

马铭志，工程师，主要从事地震监测、预报研究,E-mail:jilinmmz@sina.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.015

1671-5942(2016)011-1014-06

P315

A