基于大地电场岩体裂隙水渗流模型的地震前兆异常特征研究

2021-09-06张志宏李梦莹焦明若黄明威孙庆山孔祥瑞

大地测量与地球动力学 2021年9期

张志宏李梦莹焦明若黄明威孙庆山孔祥瑞

1 辽宁省地震局，沈阳市黄河北大街44号，110034

20世纪70年代，希腊、法国、日本等国家将地电场应用到地震等自然灾害的监测预警领域，国内地电场用于地震预测预报研究也有快速发展[1-4]，但研究方法大多有局限性，如对机理的解释不足或在复杂噪音信号干扰下不易辨识震前信号等。因此，黄清华等[5]提出将大地电场和自然电场分离研究的物理解析方法；谭大诚等[6-8]提出基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，并应用模型计算出场地岩体裂隙水的主渗流方位，得到一个地区的背景渗流方位，以此观测地震前后优势方位的变化特征；而辛建村等[9]模拟加入脉冲、电阻率观测人工供电、地电等典型干扰后发现，在干扰幅度小于观测台日变波峰值时，方位角α的计算结果基本不受影响。

基于此，本文利用地电场潮汐波建立岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，基于辽宁地区大地电场观测数据，研究典型干扰对岩体裂隙电荷移动的影响程度，并提取2013年辽宁灯塔MS5.1地震前后岩体裂隙电荷移动异常的时、空、强特征，探索和讨论异常产生的机理。

1 辽宁地区大地电场波形特征及场地岩石裂隙优势走向分析

大地电场ET日变源于电离层Sq电流和潮汐力[10-11]，根据大地电场ET日变波形，大地电场可以分为24 h持续的TGF-A型和时间选择形态的TGF-B型两种类型。近年研究表明，TGF-A型主要受日、月潮汐的影响，而TGF-B型是地球电离层Sq电流的作用。TGF-B型相对稳定的潮汐波是大地电场日变化主要的波形特征，前10阶谐波的周期为23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h及2.4 h，场地地质构造决定了日变波形的形态，且形态稳定[6-7]。因此，为了判定辽宁地区大地电场的波形形态，本文仅计算2019-06-01辽宁新城子、义县和阜新3个台站NS向ET分钟值和前10阶谐波振幅谱值。如图1(a)所示，3个台站的观测数据波形均为TGF-B型，且波形的波峰、波谷起止时间基本一致，可以明显地观测到最大波谷时间选择在12 h左右，对应台站前10阶的谐波振幅逐渐减小(图1(b) )。

图1 2019-06-01阜新、新城子和义县台地电场的波形和前10阶振幅谱Fig.1 The waveform and the first 10 order amplitude spectrum of the geoelectric field at Fuxin, Xinchengzi and Yixian stations on June 1, 2019

利用3个台站2019-06-01的数据计算其波形相关性，表1为3个台站不同方向之间的谐波相关性系数K1均值统计，06-02和06-03各台的相关性与表1基本一致。依据大地电场潮汐机理学说[6]，TGF-B型潮汐地电场主要是空间Sq电流在地面的反映，其受到地下岩体裂隙、渗透率及含水度等因素影响较大。表1说明同一台站不同方向之间岩体裂隙发育程度不一致。

表1 2019-06-01辽宁不同方向地电场K1均值统计

假设观测场地岩体为3层水平均匀介质，上层电阻率为ρ1，厚度为h1；渗流层的电阻率为ρ2，厚度为h2；下层介质不导电。在地面观测到的电场强度关系式中，系数C与岩体含水度、裂隙度、矿化度等因素有关，v为水中电荷渗流速度[12]，则大地电场强度计算公式如下：

(1)

根据式(1)计算辽宁地区3个大地电场的电场强度E，结果表明，同一台站不同方向之间的地电场潮汐波峰谷值差异较大，新城子台NS、NE和EW向峰谷值接近；义县台NS和NE向峰谷值相差不多，与EW向相差较大；阜新台NS和NW向峰谷值相差较小，与EW向差距较大(表2)。

表2 2019-06-01辽宁地电场潮汐波峰谷值

在地电场的观测数据中，ESP为自然电场，ET为大地电场，Er为干扰成分，则地电场E可以表示为：

E=ESP+ET+Er

(2)

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：

(3)

利用式(3)能够基本消除大地电场ET和干扰成分Er。设第j天的自然电场为ESP(j), 则自然电场ESP的稳定性可表示为：

ΔESP=ESP(j+1)-ESP(j)

(4)

用α表示场地岩体裂隙水电荷移动的主渗流方位，也称为地电场ET优势方位[6]。当台站地电场NS、NW向之间的相关性高时，地电场ET的优势方位角α(北偏东)计算公式为：

(5)

式中，ANW(i)、ANS(i)分别为NW、NS向第i阶潮汐谐波振幅。

对于一个数据序列yt(时间序列总数为n)，数学上可表示为：

(6)

式中，ai、bi的计算公式为：

(7)

则Ai为：

(8)

依据式(5)计算新城子、义县和阜新台的场地岩石裂隙水主体渗流方向(见表3，单位(°))，可以看出，义县和新城子台3 d的岩体裂隙水的平均渗流方向相差不多，而阜新台有较大差别。

表3 2019-06-01～06-03辽宁地电台站岩石裂隙水主体渗流方向

2 辽宁地区大地电场频谱特征及潮汐波产生过程中的信噪比

傅里叶变换适用于稳态信号的频域分析，而自然界中的信号多为非稳态信号，信号中不同频率成分的出现时间无法判断，快速傅里叶变换能够克服这一困难。图1(a)是对2019-06-01数据进行快速傅里叶变换谐波分析的结果，可以看出，前6阶的谐波振幅明显占优，周期分别为23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h及4 h。表4为各台站2019-06-01～06-03 NS向前10阶潮汐谐波振幅之和与前100阶谐波振幅之和的比值TA，可以看出，3个台站的潮汐谐波影响的程度相差不大。

表4 2019-06-01～06-03辽宁地电场TA值

3 大地电场典型干扰对岩体裂隙优势方位计算结果的影响

3.1 地磁暴干扰影响

地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件，会导致大地电场观测波形的相位变化。地磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小，其等级一般用KP指数来划分，KP>5为强磁暴干扰。

图2为2017-09-01～09-30新城子台地电场NS、EW、NE三个方向的分钟值电场强度E。由图可知，09-08磁暴指数KP=8，09-27及09-28的KP=6，这3次磁暴期间的地电场强度受到了不同程度的影响，NS、EW向电场强度E影响的幅度最大，但新城子台地电场在09-08磁暴期间的岩体裂隙优势方位角α增加幅度仅为0.5%，说明岩体裂隙优势方位角α受磁暴的影响较小。

图2 新城子台地电场裂隙优势方位角α 在磁暴干扰前后的数据变化特征Fig.2 Data change characteristics of the dominant azimuth α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after the magnetic storm interference

3.2 温度、降雨干扰的影响

降雨量和温度的骤变是地电场观测中最常见的干扰因素。新城子台位于辽宁中部地区，相对锦州义县台降雨量较大，2018-05是近年来新城子台降雨量最大的月份，因此选取5月的降雨量数据分析Δα的变化特征。由图3可以看出，05-22的降雨量达到14.5 mm，α变化量Δα增大了12 %；05-03、05-16降雨量为零，但Δα分别减小了约40 %和48 %；05-27～05-29新城子台为持续降雨天气，对比05-26的α变化量Δα有减小的趋势。由此说明，新城子台地电场降雨量对优势方位角α的影响不显著。

图3 新城子台地电场裂隙优势方位角α 在降雨干扰前后的数据变化特征Fig.3 Data change characteristics of the dominant azimuth angle α of the electric field fissure at Xinchengzi station before and after rainfall interference

4 震例回溯

2013-01-23辽宁省灯塔地区(41.48°N，123.17°E)发生MS5.1地震，震源深度为7 km，辽宁大部分地区震感强烈，此次地震是继1999年岫岩MS5.4地震后辽宁地区发生的最大地震。灯塔MS5.1地震发生在NE向营口-佟二堡断裂北段，王岩等[13]根据地震参数计算分析认为，灯塔MS5.1地震破裂类型为走滑型，精定位结果为NE向破裂。图4为2013年灯塔MS5.1地震前沈阳新城子台大地电场岩体裂隙优势方位角α的计算结果，可以看出，2012年前11个月新城子台岩体裂隙优势方位角α处于50°～70°范围内，2012-12-04α突变为89.54°，保持10 d的持续突跳(间或剪裂)、偏转、剪裂，最大突变幅度Δα约为45°。2013-01-23灯塔MS5.1地震发生在异常恢复阶段，震中距约为67 km，当天的α为89.37°，震后2 d异常恢复。不同的是，α相比震前背景值有较大幅度的减小，变化范围在40°～50°，可能是震后区域应力场调整使得岩体结构收缩，α的背景值减小。2013年灯塔MS5.1地震后新城子台岩体裂隙优势方位角α的突变异常不明显，2013-11-17～11-24出现了一组突跳异常，异常的幅度Δα约为20°，异常期间距离台站295 km发生了吉林松原MS5.8震群。前兆场观测存在同震响应，新的一组突跳异常可能是吉林松原MS5.8震群的同震响应。

图4 灯塔MS5.1地震前后新城子台地电场岩体裂隙优势方位角α的数据变化Fig.4 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Xinchengzi station

图5为锦州义县台岩体裂隙方位在灯塔MS5.1地震前后的变化曲线，义县台位于锦州-阜新断裂上，历史地震活动水平较低。由图可知，义县台岩体结构发育不完全，α基本保持在45°左右。2012-01-16岩体结构出现剪裂，方位角α为-10.45°，01-23α变为88.36°，后恢复背景水平，突跳异常期间台站观测系统正常，台站所属区域或构造单元无较大地震发生。2012-12-16α再次持续突跳(间或剪裂)、偏转、剪裂，持续变化至2013-03-09，α突变期间距离台站158 km处发生2013-01-23灯塔MS5.1地震，在近3个月α的突变过程中最大Δα约为45°。2013-11-10α由44.38° 突变为85.4°，12-02恢复至44.97°，突变Δα约为40°。异常期间观测系统正常，距离台站420 km发生2013-11-22松原MS5.8震群。

图5 灯塔MS5.1 地震前后义县台地电场岩体裂隙优势方位角α的数据变化Fig.5 Data changes of geoelectric field rock fracture dominant azimuth angle α before and after the Dengta MS5.1 earthquake at Yixian station

因此，从新城子台和义县台的α背景值、异常时间、对应地震可以看出，α的前兆短临异常或同震响应特征显著。

5 讨论

5.1 异常台站水文地质和地质构造概况

图6为异常台站的空间分布，新城子台地电场地位于依兰-伊通断裂沈阳段，该段处于隐伏状态，是第四纪活动断裂，活动时期主要在早中更新世，晚更新世以来没有活动。义县台位于锦州盆地东北部，医巫闾山西侧断裂、义县-金岭寺断裂及大凌河断裂的交会部位，历史上中强地震活动平静。也就是说，新城子地区岩体结构破碎，应力不易集中，岩体裂隙方位角α的角度分布区间离散，而义县地区岩体结构发育完整，应力相对集中，岩体裂隙方位角α的角度分布区间相对集中。

图6 辽宁义县与新城子大地电场台站分布Fig.6 Distribution of telluric field stations in Yixian and Xinchengzi, Liaoning

2015年新城子观测场地深井(603 m)钻孔取样分析结果表明，其水文地质结构在0～82.0 m深度处为Q3时期的灰褐色粉土及褐黄色含水度低、渗透率低的粉质粘土，82.0～404.5 m深度处为Nq时期的含水度低的砂岩。义县地电场区域地层上部为砂、圆砾混土(Q4)，下部为砂质页岩(K2s)，0.0～4.2 m深度处主要为黄褐色的含水度高的粉质粘土，4.2～6.1 m深度处为黄褐色含水度高的细砂，9.0～240.0 m深度处主要为全风化、含水度低的砂质页岩。从2个台站的水文地质概况可以看出，新城子场地明显比义县场地岩体结构更加发育，因此基于大地电场岩体裂隙水渗流模型计算得到的2个异常台站α的结果可靠。

5.2 异常可靠性分析

地震孕育前兆场的形成是预测地震的重要指标，也是三大前兆学科相互配合验证异常可靠性的过程。焦明若等[14]在震后总结震例时提出8项前兆异常，其中3项是趋势性异常，5项是短期异常(表5)，异常主要集中在震中100 km范围内。震中距仅为67 km的新城子台地电与辽阳台水氡(震中距26.8 km)、营口台石英摆倾斜(110 km)和鞍山台水温(53.8 km)等数据的异常持续时间在3个月以内；锦州义县台地电(震中距158 km)与震中距较近的形变(辽阳台伸缩、辽宁台大面积区域水准及抚顺台伸缩)和震中距较远的流体类(盘锦台水氡)等测项的异常持续时间超过6个月。综合2013年灯塔MS5.1地震前兆场的时、空特征可以看出，新城子和义县台地电场的异常不是孤立的异常信号，是孕震区形变、流体相互作用的电异常信号，证实了异常的客观存在。