和田台地电场岩体裂隙优势方位角变化特征分析①

艾萨·伊斯马伊力， 陈界宏， 次 旦， 邱大琼，赵江涛， 周 斌

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地质大学，湖北 武汉 430074；3.西藏自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队，西藏 拉萨 854100)

在应力积累过程中，地震震源区的岩石受压而发生错位、张裂或断裂等，并造成大量微破裂的形成，从而有可能导致各种各样的物理、化学、生物现象和效应，其中地电场异常就是一种常见的物理现象[1-2]。地电场长期受控于地球外部各种电流体系和地球内部的介质电性性质，蕴涵了丰富的电性结构及电流源信息，积累了大量震例资料，受到地学界高度关注[3-7]。伴随地电场观测台站的建立，很多台站都积累了长期连续观测的地电场资料，充分、有效地利用这些信息，对于提取震前电场异常积累经验和改善分析方法很有意义。

位于新疆维吾尔自治区西南部的和田地震台，对监测阿尔金―西昆仑地震多发地区的地震极为重要。为提升新疆及藏北地区地震监测能力，2007年中国地震局在和田地区建成了一个数字化地电场观测台[8-9]，本文中以和田地震台地电场长期观测资料为基础，运用大地电场岩体裂隙模型[5]，对中强地震前后和田地电台的岩体裂隙结构及变化特征进行了深入研究，对异常信息的机理进行了探讨，以期为和田和其他构造特征相似地区地震预测预报提供可靠参考。

1 台站介绍和数据选取

1.1 台站介绍

和田地电场观测台位于阿尔金和西昆仑断裂带的交汇处，靠近塔里木盆地南部。台基处于山前北西―南东向展布的和田―柯克亚挤压构造带上[10](图1)。地层以新近系第四纪松散沉积物为主，高程约1 409 m。2006年12月完成台站架设，2007年5月正式运行，其中2015年10月进行了电极更换[11]。电极在观测室外的农田区域布设，地形开阔、平坦，周围无高压直流输电等大的干扰源。电极布设两分向测道EW和NS向成正交的“L”型观测装置，电极埋深约4 m[12](图2)。外线路采用屏蔽电缆，并埋地敷设。观测室内配备专用的避雷接线装置，仪器具体参数见表1。

图1 和田台及周边地区地质构造、地震震中及地电场台站分布图Fig.1 Geological structure, earthquake epicenter and distribution of geoelectric field stationsin Hetian station and its surrounding areas

图2 和田台地电场布极示意图Fig.2 Poles layout of geoelectric field in Hetian station

表1 地电仪器参数[11-12]

1.2 数据选取

因2007年只有3个月的连续观测数据，为保证数据资料的完整性和可靠性，本文中采用2008年3月至2018年12月和田地电场连续观测分钟值数据进行岩体裂隙优势方位角(α)计算。根据众多学者对岩体裂隙优势方位角(α)历史典型震例的分析[3-6,10,13]，异常多集中于震中300 km范围内，故本文中主要选取台站300 km内、震级MS≥5.5的浅源地震进行映震效果分析，其中2008年3月于田MS7.3地震(深度276 km)属于深源地震且震前缺数。地震目录来源于中国地震台网中心，选取的地震参数见表2。

表2 和田地电台周边300 km范围内MS≥5.5地震参数

2 方法原理

采用2009年3月1日至3月3日地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型(图3)，对和田地电场台基岩体裂隙优势方位角(α)进行估计[5-6]。地电场是地球地表大地电磁场的重要组成部分，由大地电场(ET)和自然电场(ESP)构成。大地电场(ET) 起源于地球外空电流系。近些年研究认为，与日、月潮汐也关联，其方向沿岩体裂隙呈现日周期变化。孕震过程场地应力变化，理论上岩体裂隙结构会变化[5,14-15]。

图3 ET的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型(a) 和田台日变化曲线 (b) 优势方向示意图Fig.3 ET model of fissure water in rock with seepage (movement) or charges

大地电场优势方位角方主要是计算大地电场(ET)方向的逐日变化情况。在地表观测地电场时，一般因其矢量性会在两个正交方向同时观测。以NS、EW两个正交方向为例，对图2所示的和田台装置布设，设一天中i时刻的大地电场为ET(i)，则任一时刻ET(i)的北偏东或南偏西αi角为

(1)

式中，ET(SN)i、ET(EW)i分别表示第i分钟NS、EW方向大地电场值。αi将台站分钟值带入(1)计算，获得稳定的变化曲线，分析其方向表现出的特性，找出该场地αi存在的主体方位角度。

分析和田地电场台的所有数据曲线类型，基于不同类型的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，即可找出ET的主体方位，其实就是场地岩体裂隙优势方位，其优势方位(α)的计算公式为

(2)

式中，Ai是第i阶潮汐谐波振幅。选取一天的数据，将该天数据进行FFT处理，按照式(2)计算可获得场地岩体裂隙优势方位(α)。

异常判定：大地电场(潮汐地电场)的方位(方向以日周期变化)在震中附近，任何场地的方位角都在一个范围内波动，不超出其范围是正常，明显变大或变小并持续，则不正常[5-6]。地电场易受各类短时间性或突发性干扰，如地电暴、高压直流输电[16-17]等，故异常持续一周以上，有利于提高异常可信度。图4为和田地电场优势方位角正常变化曲线。从图4(a)可知，和田地电场优势方位角(Δα)正常情况下在175～185 °范围内波动，波动幅度约10 °。2015年底进行电极更换后，和田台地电场优势方位角(Δα)背景值出现变化，即(Δα)70°左右规律性波动变化，如图4(b)所示。如果以更换电极之前方位角(α)变化幅度进行预测，则存在地震虚报。

图4 和田台地电场优势方位角正常变化曲线(a) 2008年 (b) 2017年Fig.4 Normal variation curves of dominant azimuth of Hetian electric field

3 异常特征和震例分析

和田台在2008～2017年期间的优势方位角(α)变化(图5)，计算得出满足异常判据要求的优势方位角(α)异常事件共7次，其中5次异常对应地震，虚报2次(表3)。从2009年6月初至2009年9月中旬，该台优势方位角(α)出现25°持续跳跃，异常过程中或异常结束后并没有MS≥5.5地震发生。通过对此次异常虚报原因的分析，此次异常前2009年5月21日新疆皮山县发生MS5.4地震，优势方位角(α)异常发生在该次地震后，认为是震后效应导致的(图5a)。

在2011年9月于田MS5.5、2012年3月洛浦MS6.0、2012年8月于田MS6.2地震前，该台优势方位角(α)均出现异常变化，且异常特征基本类似。即该台优势方位角(α)值从正常背景值转换下降到90°左右，优势方位角(α)出现90°的剪裂偏转，异常持续时间均超过2个月以上，其中于田MS5.5和洛浦MS6.0地震发生在异常转折-恢复上升过程中，于田MS6.2地震则发生在异常刚恢复背景值不久的时间点，具体异常形态和异常参数特征如图5b和表3所示。

在2014年2月于田MS7.3地震前，自2012年10月中旬起，该台优势方位角(α)发生45°快速偏转，2012年12月底后开始转折-恢复上升,2013年3月底出现上升恢复，此后优势方位角继续出现间断跳跃，变化幅度远远大于背景变化，最大幅度90°左右，异常持续过程中2014年2月发生于田MS7.3强震，2014年4月中下旬异常结束恢复优势方位角(α)值背景值范围，具体异常形态和异常参数特征如图5b和表3所示。

图5 和田地电场优势方位角(α)变化曲线(a) 2008～2009年 (b) 2012～2014年 (c) 2015～2017年Fig.5 α variation characteristics of Hetian station

在2015年7月皮山MS6.5地震前[18]，该台优势方位角(α)集中分布出现跃变，其范围最大接近90°，异常持续过程中发生皮山MS6.5地震，震后仍然持续40 d左右，异常恢复正常背景值，具体异常形态和异常参数特征如图5c和表3所示。

表3 优势方位角异常参数

从2016年8月上旬至2016年9月下旬，该台优势方位角(α)出现45°偏转，异常转折—恢复上升过程中或异常后3个月，该台300 km内并没有MS≥5.5地震发生，而在约560 km左右的西昆仑的阿克陶县发生了MS6.7强震。由于该台周边没有其它台站可对比，震中较远，暂时无法对应该地震。

4 结论

(1) 和田地震台地电场岩体裂隙优势方位角(α)异常在强震前主要显示了类似电阻率“下降—转折—恢复上升”异常变化，台站周围300 km内MS≥5.5地震多发生在异常转折—恢复上升或异常持续过程中，震后异常仍然持续30 d左右之后恢复正常背景值。

(2) 异常形态特征跟发震构造断层性质有一定的关联性，如阿尔金断裂的于田县发生的几次地震前以偏转下降——转折—恢复上升特征为主，西昆仑断裂的皮山MS6.5地震前则显示为持续跳跃的异常特征。说明异常形态特征一定程度上指示震中方位，但也跟震源区的活动构造和破裂过程有关[3-4]，本文中收集震例样本较少，需要更多震例或预测实践来检验。

(3) 研究表明，若地震强度越大，则其异常出现得越早，一般为震前3个月左右；该台方位角(α)多出现约45°或90°的偏转、下降或持续跳跃，预示着岩体出现剪裂的异常现象；异常特征多表现为短期异常信息，一般45～90 d内易发震，与谭大成等[5]的研究结论一致。

(4) 和田地电场优势方位角(Δα)跳动范围小，反映场地岩体裂隙发育好，在孕育中强地震区域常见这种背景。但电极更换后出现跳跃范围明显扩散，且显示规律性异常特征。该台方位角(α)背景值电极更换之后出现这种变化的原因不详，需进一步落实及研究。

总之，运用相对稳定的潮汐谐波振幅计算得到和田台岩体裂隙优势方位角(α)(该方法具有一定抑制干扰能力[5,14])与周围的中强地震发生有较好的眏震效能，以便为今后地电场方法在和田地区实用推广提出总结震例和建议。

致谢：在本文撰写过程中，与中国地震局兰州地震研究所谭大诚研究员和新疆维吾尔自治区和田地震台的同志们就排除干扰和异常分析进行了诸多有益探讨，在此一并表示感谢。