2017年九寨沟地震前地电场异常现象分析

辛建村

(陕西省地震局，陕西 西安 710000)

0 引言

2017年8月8日21点19分，四川阿坝州九寨沟县发生MS7.0强烈地震，震源深度约20 km。该地震发生在巴颜喀拉块体东北缘、近南北向的岷江断裂和北西向的东昆仑断裂东部交汇地带，是青藏高原巴颜喀拉块体向东滑移过程中发生的一次中强地震[1-2]。

大量研究表明，地震地电场异常现象是客观存在的[3-9]，围绕九寨沟地震已开展的科学研究也较多[1,10-11]。文章应用九寨沟地震震中周围18个地电场台站的观测资料，分析了震前自然电场、地电场潮汐谐波成分的异常变化，旨在从中得到一些有意义的异常前兆信息。

1 震中地电场台站分布

图1为九寨沟地震震中500 km范围内21个地电场台站分布图，第23页表1为台站的基本状况。其中，四川甘孜台在2017年8月初停测，青海拦隆口和金银滩台、甘肃玛曲台数据连续率较低，故采用其他18个台站的地电场观测数据进行相关分析。

2 九寨沟地震前地电场异常变化分析

2.1 自然电场异常变化

地电场观测环境复杂，数据波形多样，一般通过原始波形很难确定异常变化[8]。地电场的构成可表示为：

E=ESP+ET+Er，

(1)

式中：ESP为自然电场；ET为大地电场；Er为干扰成分。即地电场观测数据包含了大地电场、自然电场和干扰成分。其中，ET稳定的主要成分是潮汐地电场，其日变波形与固体潮、Sq电流等相关[9]；ESP源于固体地球内部的物理、化学作用，场源主要包括地下矿体、岩体及界面、应力应变、地下流体等，这导致其具有局部性特征，也相对稳定。因此，地震电磁前兆可能更易表现在自然电场的变化中。

图1 九寨沟地震震中500 km范围内地电场台站分布图Fig.1 Distribution of electric field stations within 500 km of Jiuzhaigou earthquake

根据谭大诚等[8]提出的∑-Δ方法，在电磁环境和观测系统较理想时，Er在较小范围内随机波动，潮汐谐波因周期特点可基本消除，应用一天观测数据计算自然电场的表达式可简写为：

表1 九寨沟地震震中500 km范围内地电场台站分布情况Table 1 Statistics of distribution of electric field stations within 500 km of Jiuzhaigou earthquake epicenter

(2)

选取较为典型的大武、天水、固原、周至、成都、汉王等台站，应用式(2)计算2017年各场地的自然电场(见图2)。其中，成都台选取EW测项，其他台均为NS测项。所用数据为预处理数据，选用的时间段内各观测场地或多或少都存在一些干扰。一方面值班人员对每日的干扰进行了初步处理，另一方面本文主要研究自然电场的长期趋势变化，短时间的干扰基本不影响对长期趋势变化的判断。

图2中，大武台在1月底自然电场背景值发生较大阶变，阶变后较为稳定，6月初开始呈逐渐下降趋势，这种变化持续到九寨沟地震发生，地震后一段时间内较为稳定；固原台4月中旬自然电场发生较大阶变，5月下旬这种变化较为频繁，8月恢复稳定。大武和固原台的自然电场变化形态相似，时间上较为同步，可能反映了一定的临震前兆异常信息。图2中，天水、周至、成都、汉王等台站从4月底开始自然电场出现同步或准同步突跳，突跳变化形态相似，且突跳幅度渐增，九寨沟地震后这种突跳幅度逐渐变小或消失。地震孕育过程中，应力场逐渐发生变化，地下流体的冲流、过滤、定向迁移是各台站自然电场异常的主要原因[12]。需要说明，图2中各台站自然电场的异常变化较为典型，其他台站无明显异常变化或难以确定。实际上，同一台站不同测向自然电场表现出的临震前兆异常变化现象也有可能不同。图3a中，成都台EW向4月底开始出现明显的异常变化，NS和NW向则无可识别的明显异常变化；周至台三个测项自然电场4月底开始出现同步突跳，变化形态相似(见图3b)，这一现象可能跟地震电信号的选择性有关[3-5]。

图2 震前自然电场典型变化Fig.2 Typical variation of natural electric field before earthquake

图3 成都和周至台三个测项自然电场对比Fig.3 Comparison of natural electric fields between Chengdu and Zhouzhi stations

2.2 地电场潮汐成分变化

基于FFT谐波分析方法，对每日观测数据进行处理，按周期大小排列，前10阶谐波周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h，这些谐波称为潮汐谐波[5-6]。以平凉台为例，对平凉台2017年1月地电场数据做FFT频谱分析(见图4)，周期为24 h、12 h、8 h、6 h的谐波振幅明显占优势，NS、EW两个测项优势周期相同，这与已有的研究成果相吻合[5-6]。

图4 平凉台2017年1月地电场FFT谱Fig.4 FFT spectrum of geoelectric field at Pingliang station in January 2017

为对震前地电场潮汐响应进行定量分析，基于地电场每日分钟值观测数据，调用MATLAB中的y=fft(x)函数做频谱分析，将频率转换成周期，提取出周期为24 h、12 h、8 h的潮汐成分。选取数据波形较好的乾陵、平凉和固原台进行分析探讨。图5和图6分别对乾陵、平凉、固原台NS和EW测项2017年周期为24 h、12 h、8 h的潮汐成分进行对比。

通过分析不同台站不同潮汐成分的变化情况，可得到以下两点：第一，临震前各周期的潮汐成分出现突跳现象，其中平凉和乾陵台24 h潮汐成分临震前出现准同步突跳；第二，通过对比图5和图6，同一台站不同测项不一定同时出现大幅突跳，固原台NS向震前突跳较少，而EW向突跳较多、在时间上较为集中。

3 结论与讨论

2017年8月8日九寨沟MS7.0地震震中500 km范围内地电场台站共21个，有18个台站的数据可用。分析一些典型台站自然电场、地电场潮汐成分的临震异常变化，初步得到以下结论：

(1) 大武、天水、固原、周至、成都、汉王等台站自然电场临震前都出现明显的异常，大武和固原台自然电场震前出现趋势转变，时间上较为同步。天水、周至、成都、汉王等台4月底开始出现突跳，且突跳幅度渐增，地震后突跳逐渐变小或消失。此外，同一台站有的测项自然电场有异常变化，有的则无。

图5 乾陵、平凉、固原台NS向24 h、12 h、8 h谐波成分对比Fig.5 Comparison of 24, 12 and 8h harmonic components in NS direction of Qianling, Pingliang and Guyuan stations

图6 乾陵、平凉、固原台EW向24 h、12 h、8 h谐波成分对比Fig.6 Comparison of 24, 12 and 8h harmonic components in EW direction at Qianling, Pingliang and Guyuan stations

(2) 乾陵、平凉、固原等台站不同周期潮汐成分临震前出现突跳，其中，平凉和乾陵台24 h潮汐成分临震前出现准同步突跳。固原台NS向震前突跳较少，而EW向突跳较多、在时间上也较为集中。

该研究得到青海、甘肃、四川、宁夏、陕西等省市地震局提供的地电场数据，在此表示感谢！