2016年太原两次有感地震前太原台大地电场异常信号分析

李 艳，陈常俊，张亮娥

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一，根据不同场源，可将地电场划分为大地电场和自然电场。大地电场是由外部的各种场源(如电离层、磁层、对流层等中的各种电流体系)在地球表面感应产生的分布或较大地区的变化电场，具有广域性；自然电场场源是指地球内部各种因素形成的场，具有局部性。随着“九五”“十五”项目建设，大地电场观测得到普及，研究者也发现了地震前出现的异常电信号。统计发现，异常电信号一般出现在发震前数天至一个月左右[1-4]，最长为震前三个月以内[4]，属典型的短期异常或短临异常。

太原基准地震台大地电场(以下简称太原台电场)建设于2006年10月，2008年1月投入正式运行，已积累11 a年的观测数据。2016年11月18日，距台站北东方向5 km的小店区发生ML3.9地震，市区普遍有感;一个月后的12月18日，在台站正南方向11 km的清徐发生ML4.6中等地震，市区震感明显。根据多极距去噪音观测原理，对2016年7月以后的观测资料分析发现，10月至12月底共提取到5组异常。其中，10月有2组：1组为低频突跳、1组呈低频突跳并夹杂高频扰动；11月18日ML3.9地震前5 d又提取到2组，其特征与10月的2组一样；12月18日ML4.6地震前10 d提取到1组高频扰动异常信号。5组异常距2次地震最短5 d、最长76 d。

1 观测概况

太原台电场属于武家寨电磁台观测项目，其观测场地位于太原市晋源区晋源镇武家寨村，太原市西南20 km，电磁台占地面积约3 000 m2，电场测区地形平坦、开阔。台站地形地质构造上处于太原盆地中北部，交城大断裂(走向NE)东侧5 km，地势开阔平坦，第四纪沉积厚度约250 m，其下部岩层岩性为沙质泥岩、泥质沙岩、砂砾岩，成岩较好。

太原台电场观测仪器型号为ZD9A-II，采用Pb-PbC12固体不极化电极,埋设在地表冻土层以下的潮湿土壤中，深度3 m，“双L型”多极距布极方式(见第27页图1)。其中，O1A1为EW向长极距240 m，O1B1为NS向长极距240 m，A1B1为NW向长极距339 m，O2A2为EW向短极距160 m，O2B2为NS向短极距 160 m，A2B2为NW向短极距226 m。在无干扰、无地电暴影响等正常背景下，3个测向呈双峰、双谷弱日变化形态，两峰幅度一强一弱，两谷谷值接近，其中NS和NW向日变形态特征一致(见第27页图2)。

2 异常信号分析

该文异常信号识别以马钦忠老师提出的多极距去噪音方法为依据[1-4]，该方法原理为：地震异常电信号一般来自测区数公里以外远源场，该场是均匀的或准均匀的；工业游散电流、降雨、灌溉等噪音源一般具有近源特点，即噪音源位于测点不远的位置上,其在长短极距上产生的电场分量在测区局部不均匀性明显，即近源场是非均匀的。异常电信号至少同时满足三个条件：未被所有台站记录到，不是广域性的大地电磁效应；同时出现在同测向的长极距和短极距上，变化形态相同、幅度相近；长极距上记录到的电位极性必须与平行于它的短极距上记录到的电位极性相同。通过上述方法筛选确定与地震有关的异常电信号。

图1 太原台大地电场观测布极示意图Fig.1 Schematic diagram of geoelectric field observation distribution at Taiyuan station

图2 太原台电场2015年6月18日分钟值曲线图Fig.2 Minute value curve of Taiyuan station electric field on June 18, 2015

2.1 干扰信号

图3是噪音干扰类不均匀性的例子，如2015年10月23日记录到3组扰动信号(虚线框标识)。其中，EW向长短极距在5:00-6:00、17:00-19:00、23:00-24:00三组时间段内扰动形态相同，变化幅度差别大；NW向在5:00-6:00第1组的长短极距记录到信号形态相反(电位极性相反)，18:00-19:00第2组的短极距上记录到幅度为11 mV/km的负极性信号(向下)，长极距则未记录到类似信号；23:00-24:00第3组的长极距记录到最大幅度为18 mV/km的负极性信号，短极距则无相似信号出现。根据前述判据，3组扰动信号呈非均匀性特征，属于近源场的噪音干扰，噪音源应位于A1极附近。经现场巡查，发现在A1极东南约400 m处有市政在开挖供热管道和污水管道工程施工，期间的电焊施工可能是产生上述干扰的原因。

图3 太原台电场2015年10月23日分钟值曲线图Fig.3 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 23, 2015

2.2 震前信号

2016年11月18日，距电场测区北东方向5 km的太原小店区发生ML3.9地震；12月18日，距电场测区正南方向11 km的清徐发生ML4.6地震，如此近距离的2次地震事件为检验太原台电场监测效能提供了条件。据文献[4]所述，地震异常电信号最长出现在震前三个月内，基于此，对2016年7月至12月太原台电场6个测道的观测数据进行逐日分析。通过查询观测日志，排除各种已知干扰源(如漏电、降雨、农田灌溉、地电暴等)，再依据马钦忠老师提出的多极距去噪音观测原理的三项必要条件，提取到5组异常信号。其中有两组连续两天出现，小店和清徐地震均发生在此异常信号之后。

第28页图4显示2016年10月2日太原台电场记录到第1组异常，根据多极距去噪音原理方法，确定为异常电信号。异常形态为显著的低频突跳，各测道上的突跳形态相似、极性相同(见线框标识)，持续约2 h。其中，NS向扰动幅度最大为15 mV/km，EW向和NW向约5m V/km,第1组异常距11月18日太原ML3.9地震46 d，距离12月18日清徐ML4.6地震76 d。

第28页图5显示10月14日太原台电场记录到第2组异常，根据多极距去噪音原理方法，确定为异常电信号。异常特征以低频突跳为主，同时夹杂有少许高频扰动信息，各方向扰动形态相似、极性相同(见线框标识)，持续近一个半小时。NS向扰动幅度最大约14 mV/km，NW向约8 mV/km,EW向约3 mV/km,第2组异常距11月18日太原ML3.9地震34 d，距12月18日清徐ML4.6地震64 d。

第28页图6显示11月12日至13日，太原台电场连续两天记录到3组异常信号，根据多极距去噪音原理方法研判，有大地电磁效应(虚线框)，也有异常电信号(实线框)。其中，12日的异常为低频突跳，六测道扰动形态相似、极性相同，持续约2 h。突跳幅度特征与第1组类似，NS向突跳幅度最大为11 mV/km，EW向和NW向扰动幅度为6 mV/km，此为第3组异常；第4组异常发生在13日，异常特征以低频突跳为主，同时夹杂有高频扰动信息，各方向长短测道扰动形态相似、极性相同，持续6小时左右。扰动幅度特征与第2组类似，NS向扰动幅度最大为17 mV/km，NW向约10 mV/km,EW向约6 mV/km,此组异常距11月18日太原ML3.9地震5 d，距12月18日清徐ML4.6地震35 d。

图4 太原台电场2016年10月2日分钟值曲线图Fig.4 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 2, 2016

图5 太原台电场2016年10月14日分钟值曲线图Fig.5 Minute value curve of Taiyuan station electric field on October 14, 2016

上述4组异常信号与随后2次地震事件间隔在5 d至两个半月不等，符合文献[4]中最长3个月的异常统计。因2次地震事件震中位置不同，无法准确判断某组异常归因于某个地震，仅从异常信号形态和幅度来看，1、3组有一定的相似性，即变化形态相近，异常信号呈负极性变化(向下)，NS向异常幅度最大，EW和NW两测向变化幅度近似相等，前者是后者变化的2～3倍；2、4组异常存在相似性，即形态特征相近，各方向长短测道极性相同，异常幅度NS向最大，NW向次之，EW向最小；4组异常在三测向的扰动幅度明显大于日变形态幅度。

图6 太原台电场2016年11月12日至13日分钟值曲线图Fig.6 Minute value curve of Taiyuan station electric field from November 12 to 13, 2016

11月18日距电场北东方向5 km发生ML3.9地震，20天后(即12月8日)出现连续的高频扰动信号，持续约4 h(见图7线框标识)。与前4组异常不同的是此次异常幅度不大，NS向扰动幅度最大约7 mV/km，EW向和NW向分别约4 mV/km，均未超当日最大变化幅度；扰动信号以高频形式出现，其中NS向和EW向高频信号特征比NW向明显。根据多极距去噪音观测原理方法排除了噪音干扰的可能，确定为异常电信号(第5组)。图中显示，各测道长短极距异常形态和幅度呈高度一致性，10 d后的12月18日，距电场观测场地正南11 km的清徐发生ML4.6地震。

图7 太原台电场2016年12月8日分钟值曲线图Fig.7 Minute value curve of Taiyuan station electric field on December 8, 2016

3 结论与讨论

通过以上分析可知，太原台电场在2016年11月18日ML3.9地震、12月18日ML4.6的2次地震前提取到5组显著异常信号。其中，第1组异常时间距第一次地震约一个半月，距第二次地震两个半月；第5组异常信号在第一次地震发生后20 d，在ML4.6地震前10 d。异常信号特征如下：

(1) 异常信号存在方向指示性。5组异常信号中，NS向异常扰动幅度大于EW和NW向，说明来自NS方向的地震异常电信号强度优于其他两测向，2次震中的位置分别位于台站的北东和正南，说明异常信号似乎有一定的方向指示性。

(2) 异常信号距震中非常近。太原台电场测区距2次地震震中分别为5 km和11 km，查阅有关电场异常信号的震例研究文献，发现电场信号源一般距震中几十公里到几百公里不等，位于震源区附近的异常震例文献更是少见，震源区附近出现的异常电信号，可能在异常机理上需要更明确的物理解释。

(3) 不同组异常信号图像存在“相似性”特征。10月2日和11月12日出现的第1、3组异常为低频信号，其变化幅度相近、变化极性相同，在图像特征方面存在“相似性”；10月14日和11月13日记录到的2、4组异常电信号(低频+高频扰动)，在幅度、极性等方面也存在“相似性”，两者可能反映了不同地震事件的电场信号属性；12月8日记录的第5组异常(高频扰动)，可能是18日清徐ML4.6地震前的异常反应。

(4) 5组异常信号持续时间不等。第1、3组异常持续约2 h；第2组异常(11月12日出现)持续时间最短，约一个半小时；第4组异常(11月13日)持续时间最长，约6 h；第5组持续约4 h。