2020年7月12日唐山古冶5.1级地震的电磁现象

范 晔 汤 吉 缪 杰 叶 青 崔腾发 董泽义 韩 冰 孙贵成

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国地震台网中心，北京 100045

3)山东省地震局陵阳地震台，陵阳 276521

4)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

5)承德地震监测中心站，承德 067000

0 引言

地震是一个力学过程，是应力积累快速释放的过程。根据多年的观测和预测实践(钱家栋等，1985；Parketal.，1996；汤吉等，2008；丁鉴海，2009；Du，2011；Luetal.，2016；Fanetal.，2018)以及理论模型和机理研究(Huangetal.，1998，2010；Sarlisetal.，1999；Ma，2002)，可证实在地震应力作用下的变形过程中，地下介质物理属性的变化会导致介质电磁性质的改变，因而能记录到一些相关的电磁异常现象。目前，电磁观测手段已发展成为地震预报最有效的观测方法之一。

中国从20世纪60年代开始大规模建设规范化、连续观测的电磁固定台网，经过几十年的发展已积累了大量电磁观测资料及相关研究成果，既有针对地震平静期的背景电磁场规律的探索(徐文耀，2009；谭大诚等，2011；范晔等，2020a)，又有各种典型干扰事件在时域、频域的特征归纳(王同利等，2013；李伟等，2014；席继楼等，2015；范晔等，2020b)，还包括地震电磁现象的震例观测记录及物理解释(杜学彬等，2007；汤吉等，2008，2010；贾立峰等，2017；席继楼等，2018；Yeetal.，2018)。总结电磁台网观测数据在不同地震事件下的变化特征，有利于在强电磁干扰背景下有效识别与地震有关的电磁异常。及时对中强地震前的电磁异常开展回溯性分析，对获取与地震孕育、发生有关的电磁异常，甚至是异常机理研究都具有实际意义。

本文针对发生在首都圈的此次中强地震，处理、分析了距震中400km范围内的地电台网观测数据，利用成熟的地震电磁波形分析方法对数据进行处理，归纳主震前具有一定规律的地电阻率，电、磁场中期、短临变化，并结合地质结构特点开展进一步分析。

1 数据来源

自1966年MS7.2 邢台地震发生至今已有50余年，中国目前已建成国际上独具特色的规范化、连续性并颇具规模的地电观测台网，观测内容包括地电阻率、地电场、电磁扰动和极低频数据等，在台站建设、仪器研发与检测、观测技术与方法等方面都严格按照标准规范执行。地电台网观测的规范化运行使利用同种手段获取的数据具有可对比性。本文主要使用地电阻率、地电场和极低频3种观测数据。

地电阻率观测用于监测主要地震活动区内与介质变形有关的电阻率变化，采用对称四极装置，在每个观测站布设2个或3个测道，一般有2个测道分别平行和垂直于地理N向，可观测1km尺度的地下介质视电阻率随时间的变化，具有大尺度的平均效应，异常变化的可靠性高。

地电场观测用于监测地震构造活动引起的DC-0.005Hz的近直流地电场变化，在每个观测站布设NS、EW、NE(或NW)3个方向的测道，为提高数据的信噪比，在每个方向上同时布设长极距和短极距以进行对比观测。

极低频观测目前主要用来监测首都圈和南北地震带地质构造活动引起的0.001～1000Hz感应电磁场和地下结构变化信息。该测项记录5个分量的电磁场原始时间序列，分别为NS向电、磁场，EW向电、磁场，垂直向磁场。观测仪器统一为德国Metronix公司生产的大地电磁仪ADU-07e升级改进版。

2020年古冶5.1级地震的震中位于1976年唐山地震震中的东北部，在阴山-燕山块体与华北平原块体交会处的NE向断裂——唐山断裂上，该区整体的地质结构较复杂，分布了很多小断裂。与1976年唐山地震烈度异常区吻合的是，在远离震中的塘沽—宁河—宝坻三角区域也有异常大的地震动(温瑞智等，2020)，在开展地震回溯性分析时需重点关注这些区域。由于中国的地电台网布局较为稀疏，本文将数据分析范围扩大到距古冶地震震中400km的范围内(图1)，该区内分布了15个地电阻率观测站、14个地电场观测站和9个极低频观测站。38个台站的运行情况如表1 所示。由于多数地电阻率数据受城市轨道交通干扰影响，可采用夜间时段的数据规避干扰。首都圈的电磁干扰环境较为复杂，对时间域波形分析影响较大。由于极低频观测数据量大、数据格式复杂，且目前通过服务器进行数据传输，容易出现服务器数据不全的情况，需要人为补传数据，对数据的及时处理分析影响较大。

图1 古冶 MS5.1 地震震中距400km范围内的地电台站分布情况Fig.1 Distribution of geo-electrical stations within 400km of the epicenter of Guye MS5.1 earthquake.

表1 地电台网运行情况Table 1 The operation status of the geo-electrical network

2 地电阻率变化分析

2.1 波形趋势性变化异常

(1)

其中，ρ1为地电阻率异常的起始值，ρ2为异常电阻率最小(大)值。将地电阻率的绝对变化幅度除以异常起始值所得的结果作为最终相对变化幅度。

由于地电阻率受季节和地下水位等因素的影响，往往具有比较规律的年变化，故可使用滑动傅式去年变法进行分析(杜学彬等，2017)。以{y}={y1，y2，…，yN}表示观测数据，用{x}={x1，x2，…，xN}表示年变成分，其中N为有限长度，令n=1，2，…，N。设年变周期为T，将1a的观测数据分为T个等间隔测值，利用傅里叶级数公式基于{y}序列中的T个观测值{yn-T+1，yn-T+2，…，yn}计算出xn、基于{yn-T+2，yn-T+3，…，yn+1}计算出xn+1：

(2)

(3)

(4)

当i=n时，xn=an；当n=(T，T+1，…，N)时，就可得到x序列；令Gn=yn-xn，n=(T，T+1，…，N)，即可得到排除年变化的新序列。

图2a 和2b为后土桥台2015—2020年地电阻率的趋势性下降异常变化，近5年NS向电阻率趋势性下降近20Ω·m，EW向电阻率下降约50Ω·m，但在2020年4—5月2个测道的数据在下降的异常背景下均加速下降，地震后有所回升，目前仍未回升到震前状态。天津徐庄子台有类似异常出现，2个测道的电阻率在2020年6月发生加速下降的异常变化(图2d，e)，相对变化分别达3.3%和1.35%，震后电阻率有所回升。后土桥和徐庄子台的震中距分别为56km和163km。

图2 地电阻率原始(a、b、d、e)和日均值(c、f)时间序列的趋势性下降变化曲线Fig.2 The original(a，b，d，e) and the daily average(c，f) time series of geo-resistivity decreasing trend curve.

图3 地电阻率的滑动傅式去年变分析Fig.3 Sliding Fourier analysis of geo-resistivity with annual variation removed.

延庆张庄台和阳原台的原始曲线存在高频扰动，为更清晰地看到地电阻率的趋势性变化，这里使用日均值绘图。延庆台EW测道的电阻率自2017年下半年出现下降异常变化，相对变化约为1.87%，并出现震前加速下降、震后回升的现象(图2c)。阳原台NW测道的电阻率自2017年有趋势性下降异常变化，并在震后恢复到震前状态(图2f)。2个台站均在震中NW向200km以外，且震后电阻率均有回升现象。

平谷台和塘沽台都存在地铁运行干扰，因此选用每天0—5时无干扰时段的数据做日均值绘图分析(图3a，c)，2个台的NS测道在2018年下半年开始年变化都有整体下降的现象，为更清晰地看出趋势性变化，对这2个台站开展滑动傅式去年变分析(图3b，d)。平谷台自2018年异常下降的相对变化率为1.2%，塘沽台异常下降的相对变化率约为1.5%。2个台站的震中距分别为126km和105km，且都只有NS测道有下降趋势。

2.2 归一化变化速率法

波形分析方法多用来判断与地震孕育有关的中长期电阻率的趋势变化，而中短期异常多为叠加在长趋势变化上的弱变化，较难识别。“九五”期间，Du等(2001)和Du(2011)提出了地电阻率归一化变化速率法(NVRM)，对数据下降、上升变化时段的分辨力高。从长期应用的效果来看，该方法对提取中短期异常的效果最好。本文采用月均值曲线计算了15个电阻率台站全部测道观测值对时间轴的斜率，保留原始曲线的变化形态，并排除随机干扰引起的偶然变化，计算方法为

(5)

图4 地电阻率归一化变化速率曲线Fig.4 The monthly mean value NVRM curves of geo-resistivity.

3 地电场矢量方位分析

中国地电场台网观测的是直流—准直流频段的极低频成分，可分析周期T>120s的变化成分，且产出的数据为每测道的分钟值，因此难以观测到地电的同震现象。已有研究表明，地电场主要反映地震短临信息，故地电场观测资料的时段选取一般为震前半年至震后一段时间。

基于多年来对地电场观测数据的应用，目前常用的地电场分析方法包括日变波形畸变、长短极距测值比值、矢量方位变化、垂直极化投影和相关分析法等。对距古冶MS5.1 地震400km范围内的地电场台网数据进行整体分析发现，宝坻台、兴济台的地电场在震前有日变波形畸变的现象，但2020年7月初有雷雨天气，不能排除此异常与天气有关，故不作为异常开展分析。徐庄子台和延庆张庄台的地电场数据分别在2020年6月和7月有上升或下降变化，在震后仍未恢复，可能是电极老化或极化电位导致，也不做进一步分析。随着经济的发展，首都圈电磁环境日益复杂，而观测仪器分辨率较高，很多地电场台站都存在城市轨道交通、高压直流输电、工农业用电漏电等干扰，这些干扰对地电场变化波形都会产生影响，较难从复杂环境中提取出微弱的地震电磁信号，目前亟需发展异常数据提取方法。本文重点针对距震中最近且观测数据质量较好的河北滦县台开展分析。

图5 滦县台长极距测道的地电场时间序列曲线(a—c)、矢量方位角(d)和台站点位图(e)Fig.5 The geo-electric field time series(a—c)，azimuth angle(d)and the station map(e)of Luanxian station.

通过测量地电场NS向分量ENS和EW向分量EEW，计算测点处地电场的强度和方位角，方位角的计算公式为

α=arctan(EEW/ENS)

(6)

已有研究表明，电场矢量的方向与活动断裂的走向有关(章鑫等，2016)，方位角的变化对震中位置有一定指示作用(安张辉等，2013)。

滦县台NS和NW测道的地电场数据在2020年4月底均出现下降变化(图5a，c)，并在5月开始逐步回升，期间该台并没有发生测区和观测系统的干扰事件。计算得到的滦县地电场方位角如图5d 所示，地电场的矢量方向在4月中旬之前一直约为 N20°W ，而台站附近主要的活动断裂构造为滦县-乐亭断裂，断裂带方向约为 N20°W ，可见矢量方向与断裂走向较吻合。4月底地电场的方位角突然开始向W偏移，最大偏移约90°后开始慢慢恢复。参照古冶地震与台站的位置(图5e)，古冶地震的震中正好位于滦县台的NW向，与其地电场2个测道、方位角的变化较符合。

4 极低频电磁场同震信号

极低频台站天然源观测的频段范围为0.001～1000Hz，仪器连续不间断地记录16Hz的低频数据，同时在非人工源时段，每10min采集时长为4s的4096Hz数据和64s的256Hz数据。最终产出的数据包括观测区域的电磁场时间序列、电磁场各分量的自互功率谱、大地电磁响应(视电阻率、阻抗相位、倾子等)、区域电磁场的变化和地下结构变化等。每天产出的文件格式有仪器运行状态Log格式文件、原始时间序列ATS格式文件和EDI格式数据文件3种。本文选用天然源连续观测的16Hz原始时间序列文件开展时间序列波形曲线分析。

古冶地震震中距400km范围内共有9个极低频台站，因服务器传输问题，有5个台站在地震当天的时间序列数据不全，不能开展进一步分析。怀来台和莱阳台在地震当天的数据背景噪声大，不能清楚地分辨出电磁场同震信号，而文安台和丰宁台记录到了较清晰的电磁同震现象。由于GPS授时有误差，需基于当天仪器运行的状态文件对2个台站的时间序列进行时差修正，并转换为北京时间进行绘图分析。研究电磁场的变化需关注空间电磁环境影响，经查询，2020年6月1日—7月13日地磁活动较平稳(1)http：∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html。，因此地震当天的电磁场时间序列数据可排除空间电磁场的影响。

解译距丰宁台4.4km、采样率为100Hz的地震检波器数据并进行对比(图6)。丰宁台的同震电场扰动较弱，被淹没在背景噪声中，只能看到较清晰的磁场同步扰动，与地震仪记录的地震波形十分类似，且同步到达。通过曲线可以看出在无震时也有类似的电磁扰动，与地震引发的电磁同震曲线变化有很大不同，不好判断是台站电磁场的背景噪声扰动还是也包含临震激发的电磁信号，这里仅对确定的地震同震电磁信号做初步分析。

丰宁台记录的地震波的最大震动位移在Dx、Dy和Dz方向分别为0.0183m、0.0146m和0.01m。极低频磁场同震幅度Hx、Hy和Hz的最大变化量分别为61.3894nT、44.4848nT和186.7215nT。由于震中距较远、震级较小，地震波的震动位移在3个方向上相差不大，而磁场垂直向振幅的变化超过水平方向幅度变化的3倍。

图6 丰宁台的地震波形与极低频16Hz电磁场的同震现象Fig.6 Seismic wave and the 16Hz ELF EM coseismic signal of Fengning station.

此外，在文安台也能看到电磁场同步扰动现象，磁场扰动较明显，如图7 所示。极低频电场有同步高频扰动，与背景起伏变化相比很微弱；磁场同震幅度Hx、Hy和Hz的最大变化分别为51.9695nT、35.3264nT和103.1192nT。该数据同样显示垂直向磁场的振幅变化明显偏大。

图7 文安台极低频16Hz电磁场的同震现象Fig.7 The 16Hz ELF EM coseismic signal of Wen′an station.

综上，同震电磁信号的特点为：1)与地震波同步到达，而不是在地震发生时出现；2)磁场的同震信号与地震仪记录的地震波形类似，呈现脉冲丛集现象；3)磁场同震信号的幅度是正常地球感应磁场波动幅值的数倍；4)电场地震同步扰动很微弱，磁场垂直向扰动幅度变化最大。有学者推测分析(汤吉等，2010)，地震的同震磁场信号可能是由于地震机械波震动引起的，台站接收到地震波的波动时，电磁仪器同时接收到因探头震动、切割地磁场磁力线而产生的感应磁场，可以解释为与地震发电机机制或地震波的微观动电效应相关。

5 讨论与结论

地电阻率观测在地震中短期预测中发挥着重要的作用，目前这些测项的观测技术成熟，观测系统长期稳定，与地震孕育的物理机理的关系较为清晰。一般距离中强地震一定空间范围内的地电阻率数据曲线能呈现清晰的异常变化形态，即“震前中期下降—短期加速下降—准同震阶跃—震后恢复”的地电阻率异常变化过程。古冶地震中出现的地电阻率波形的趋势性变化异常与之前其他震例出现的异常变化形态较为吻合，且以负异常为主，台站不同测道存在各向异性变化的异常特征。

图8 地壳10km深处的电性结构及台站分布图Fig.8 The stations’ distribution and electric structure at a depth of 10km.

由于北京通州西集地表观测场地的干扰较为严重，故于同场地建设小极距井下地电阻率观测设施。虽然通州台的地表电阻率在本次地震前没有出现异常现象，但自2020年2月开始观测的井下地电阻率在4月出现趋势性下降，并于6月中旬出现转折回升现象(解滔等，2020)。距离较近的宝坻台、兴济台的地电阻率在震前1—5月有归一化速率达到阈值、之后很快恢复的现象。河北阳原台、辽宁阜新台距离震中近400km，电阻率观测出现异常的时间较早、持续较长、幅度也较大，可能与近期周边小地震频发有关，也可能与区域内断裂分布有关。京津唐地区具有NEE和NW向共轭断裂构造，一般来说，震中与台站在同一构造上，“远”也是“近”；不在同一构造上，“近”也是“远”。有待进一步研究地震电磁现象产生的源和传播途径，来解释出现电阻率异常选择性现象的原因。

分析台站的视电阻率曲线数值和形态特征可初步了解台站所处位置的深部电性结构特征和观测环境情况。文安台的视电阻率曲线自高频到低频呈现出“高—低—高”的变化特点(图9a)，反映出文安台站自地表到地下一定深度的电阻率存在“高—低—高”3层结构，整体电阻率曲线数值较低，且测区存在电磁干扰。丰宁台测区环境较优良，视电阻率曲线光滑且呈现“低—高—低”的特点(图9b)，整体电阻率曲线数值较高，与图8 所示的地下10km深处的电性结构分布图中丰宁台位于高阻区、文安台位于局部低阻区的结果相符。丰宁台位于古冶的NW向，文安台位于古冶的SW向，2个台站的震中距相当，地下电性结构却完全不同，因电场容易受到局部地下结构效应的影响，处于不同地质结构上的测点观测到的电场现象往往有很大区别，但由于磁场较稳定，2个台站都能观测到清晰的地震磁场同震现象，且均表现为垂直向磁场振幅最大的特征。

图9 文安台(a)和丰宁台(b)的视电阻率和相位图Fig.9 The apparent resistivity and phase curves of Wen′an(a)and Fengning(b)station.

本文利用距古冶地震震中400km范围内的地电阻率、地电场和极低频3种观测数据，使用目前较为成熟的地震电磁时间域数据分析方法进行处理，在排除各种可能的非震影响因素后，总结出可能与古冶地震有关的电磁现象：

(3)本文结合地理位置特点，重点分析距离古冶地震震中35km且运行稳定的滦县台的数据，发现该台自2020年4月底起地电场NS和NW向测道数据有下降后回升的现象，地电场的矢量方位角也出现长期指向断裂走向、震前向古冶方向偏移后恢复的现象。

(4)文安台和丰宁台的极低频数据记录到较清晰的地震同震现象，电场扰动较弱淹没在背景噪声中，磁场扰动较明显。地震波3个方向的最大震动位移值相似，而2个台站的垂直向磁场变化都超过水平方向2倍。

虽然本文充分参考了各台站的仪器运行情况、台站观测环境、空间电磁活动等信息，并进行了数据处理分析归纳，但这些电磁异常现象是否确实为古冶地震造成的异常信号，还需进一步落实核查，继续跟踪后续观测数据的变化。

3种观测手段的台站电磁异常出现的空间范围并不与震中距严格相关，其中一些台站并非全部测道都出现异常现象，除观测环境、仪器运行条件所限外，需要深入研究地震电磁异常出现的机理。欲了解地震电磁信号的传播机理，应从源、传播路径和其对地下介质的灵敏性等方面开展深入分析。而地震电磁同震现象可能是研究传播机理的突破口，它是地震传播机制、地震能量转换以及信号接收区近地表介质特性的有效信号。由于仪器观测频段的限制，地电场和地磁场测项很难观测到地震的同震电磁信号，而极低频频带范围较宽，一般可以清晰观测到地震同震信号。

准确确定地震发生的时间窗、幅度等信息和电磁异常的规律性特征属于世界性难题，需要积累大量震例、及时地对震例进行回溯归纳，并从中寻求新的突破。随着电磁仪器观测精度的提高，观测到的现象也越来越丰富，研究更为有效的数据处理方法，恰当地加密地电台网布局，使异常信息能相互佐证，并发展基于多种手段的融合对比分析，是从强干扰背景中提取与地震有关弱信号的有效途径。

致谢审稿专家对本文提出了宝贵的意见和建议；中国地震台网中心解滔副研究员在地电阻率数据处理上给了有益建议；邓文泽博士帮忙解译了测震数据格式。在此一并表示感谢！