2018-05-28松原MS5.7地震地电场变化特征研究

李梦莹 张志宏 焦明若 方禹心

1 辽宁省地震局，沈阳市黄河北大街44号， 110034 2 沈阳地震监测中心站，沈阳市东陵路208巷32号，110161

根据中国地震台网(http:∥www.ceic.ac.cn)正式测定，2018-05-28 01:50吉林松原发生MS5.7地震。本次地震为2013-11-23吉林前郭MS5.8地震后的首次较大地震，震中区也是中国东部1975-02-04辽宁海城MS7.3地震和1976-07-28河北唐山MS7.8地震后地震活动性最强的地区，对研究地震前地球物理场中短期异常有着重要意义。

我国地电场观测与地震预测研究始于1966年邢台MS7.2地震后，曾记录到不少震前异常变化[1]，Varotsos等[2-3]用多极距观测法解决了地电场观测系统噪声问题，自此国内地电场地震预测预报方法得到快速发展[4-8]。本文使用2018-05-28吉林松原MS5.7地震震前1 a以上及震后6个月震中500 km范围内13个地电场台站分钟值数据，分析地震前后自然电场变化，得到震前自然电场ESP异常特征，并结合岩体裂隙水电荷渗流模型计算异常台站地电场优势方位角a，讨论地电场优势方位角在地震预测方面的优势。

1 原理及方法介绍

1.1 自然电场和大地电场

地电场是指固体地球内部和外部的各种非人工电流系与地球介质相互作用，在地球表面产生的电场，包括大地电场ET和自然电场ESP。ET与磁层和电离层中电流系的运动有关，ESP则是地壳内部各类物理化学作用引起的正负电荷分离产生的地电场[1]。ET和ESP通过测量地表每个测向两点之间的电位差，得到其随时间的变化，如图1所示，通过埋设在地表下的测量电极A和B，以一定时间间隔测量2个电极的自然电位差序列(VAB)i(i=N-1，N-2，…，2，1，0)，其中i=0表示当前时间，i=1表示当前时间之前第1个时间点，i=N-1表示当前时间之前第N-1个时间点。按式(1)计算得出的自然电位差序列(VAB)i算术平均值，即为当前时间的自然电场ESP；按式(2)计算此方向上的大地电场ET分量值，其中负号表示大地电场的方向由高电位指向低电位。

(1)

式中，(VAB)i(i=N-1，N-2，…，2，1，0)为电极A和B之间的自然电位差值序列，单位mV；N为参与计算的自然电位差值序列数据总数，不少于24 h之内的所有测量数据个数。

(2)

图1 地电场观测基本原理示意图Fig.1 Schematic diagram of basic principle of geoelectric field observation

大地电场矢量由2个正交方向的大地电场分量值合成，2个正交方向分别为x轴(东向分量)和y轴(北向分量)，由2个大地电场分量值Ex和Ey按式(3)和式(4)计算大地电场的幅值E和方位角a：

(3)

(4)

式中，Ex为大地电场东向分量，Ey为大地电场北向分量，单位均为mV/km。

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可表达为：

E=ESP+ET+Er

(5)

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：

(6)

应用式(6)能够基本消除大地电场ET和干扰成分Er。

1.2 地电场优势方位角a

中国学者基于大地电场ET日变波形的时域和频域特征，提出了大地电场ET日变波源于电离层Sq电流和潮汐力学说，即大地电场的潮汐机理[5-6]。谭大诚等[8]在潮汐机理的基础上建立了大地电场ET的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，解释了大地电场ET强度和方向的变化是地下介质应力的积累改变岩体裂隙结构的过程。图2(b)为裂隙水电荷日周期移动的理想模型，岩体结构发育程度决定了实际的电荷移动方向。用a表示场地岩体裂隙水电荷移动的主渗流方位，也可称之为地电场优势方位角a。

图2 ET岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型Fig.2 ET model of fissure water in rock with seepage(movement)or charges

当台站地电场NS和NW测向之间的相关性高时，地电场ET的优势方位角a(北偏东)计算公式如下：

(7)

式中，ANW(i)、ANS(i)分别为NW、NS测向第i阶潮汐谐波振幅，Ai的计算公式如下：

(8)

对于一个数据序列yt(时间序列总数为n)，数学上可表示为：

(9)

2 台站地质构造概况

本文选取2018年松原MS5.7地震震中500 km范围内采样时间间隔为1 min、测量频段为0～0.005 Hz、“双L”6测道长短极距布设、不极化电极的13套ZD9A-Ⅱ型仪器和2套GEF-2型仪器地电场台站[9](表1)，图3为台站所处现今地质构造区域。钟以璋等[10]通过研究卫星影像数据和地球物理场观测数据发现，研究区地壳构造由断块组成，地震震中沿断裂带分布，且展布方向与区域内主要断裂带的走向大体一致。研究区地属松辽盆地，该盆地为中国东北部的一个大型中-新生代NE向沉积盆地，地跨中国东北三省和内蒙古自治区[11]。21世纪以来，松辽盆地及周边地区地震活动明显增强，2002年至今已连续发生5级以上天然地震16次，高立新等[12-13]认为2011年日本MW9.0地震对中国东北地区地球动力学环境影响显著，地壳运动状态由挤压转为拉张。2011年以来中国东北地区相继发生辽宁灯塔MS5.1地震、内蒙古科尔沁MS5.3地震、吉林前郭MS5.8震群等7次5.0级以上浅源地震。

图3 2018年松原MS5.7地震震中及500 km内地电场台站分布Fig.3 Schematic diagram of the distribution of the 2018 Songyuan MS5.7 earthquake epicenter and the distribution of electric field stations within 500 km

表1 研究区地电台站概况

3 分析研究

3.1 自然电场变化

根据场源的不同，可将地电场E分为大地电场ET和自然电场ESP，大地电场ET的起源是空间Sq电流系和固体潮，自然电场ESP则源于地下介质的物理、化学作用。自然电场ESP包括地下金属矿体与周围溶液经过氧化还原反应的氧化还原场、地下电介质在岩体裂隙中流动的过滤电场及由2种电解质浓度差异引起的接触-扩散电场。膨胀和压力实验表明，岩体在应力变化作用下，能够激发自然电场的变化[1]。因此，监测孕震过程的应力变化可能观测到自然电场短期异常[14]。

图4为2017～2018年本文所选台站中自然电场ESP变化较大，且观测系统和场地较好的4个场地数据。图4(a)表明，2017-03林甸台ESP的EW、NW测向开始出现小幅度异常跃变，持续至 7 月初跃变幅度峰值约为400 mV·km-1，2018-03开始第2次异常跃变，且异常测向变幅方向相反、幅度差较小；5月初ESP的EW、NW测向恢复背景值，松原MS5.7地震后ESP没有观测到同震响应。图4(b)表明，2018-02绥化台ESP三测向出现同步异常，跃变幅度峰值较小，小于 50 mV·km-1。图4(c)表明，2018-03初望奎台ESP的NS、N45°W测向出现跃变异常，跃变峰值约为500 mV·km-1，且两异常测向的变幅同步性较高，地震发生在ESP异常幅度恢复期，震后 6 个月ESP恢复正常。图4(d)表明，2018-03初肇东台ESP的EW、NS测向观测值突增，异常起始幅度已达峰值500 mV·km-1。

由表2可知，绥化台ESP的异常幅度相对于背景值变化并不显著，异常信度最低；肇东台、望奎台和林甸台异常变化显著，异常信度较高，其中林甸台的异常幅度相对较小，异常起始时间较早。从图4也可看出，肇东台、望奎台和林甸台ESP异常测向表现为两道，其中望奎台和林甸台同属富裕-明水断裂(图3)，而肇东台ESP异常变化速率显著，短时期内达到了峰值，发震构造研究结果[15-16]也支持肇东台的异常特征。

表2 松原MS5.7 地震地电场异常台站数据统计

3.2 大地电场岩体裂隙优势方位

图5为基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型计算的4个异常场地岩体裂隙水主渗流方位。图5(a)为林甸台大地电场优势方位角α的变化散点分布，可以看出，2017-03林甸台方位角α的突变范围出现了大幅度的发散，Δα约为90°，对比图4(a)中林甸台自然电场ESP的变化开始时间发现，两者的变化初始时间明显对应。由此可见，2017-03林甸台自然电场ESP大幅变化的物理机理可能是场地岩体裂隙结构在应力加卸载作用下发生了较大改变，表现为间断的岩体裂隙偏转或剪裂现象。图5(c)和5(d)为望奎台和肇东台大地电场优势方位角α的变化散点分布，可以看出，两者方位角α的突变范围呈大幅度的挤压状态，Δα在45°左右。对比图4(c)和4(d)可知，望奎台自然电场ESP同步发生异常变化，松原MS5.7地震后望奎台大地电场优势方位角α的挤压状态持续至9月，后恢复发散状态，而肇东台震前由挤压恢复至扩张。

图4 异常台站在地震前后地电场变化(2017-1-30～2019-01-30)Fig.4 Variation of electric field of abnormal stations before and after earthquake(January 30, 2017 to January 30, 2019)

图5 异常台站大地电场优势方位角α的变化散点分布Fig.5 Variation scatter diagram of the dominant azimuth angle α of the telluric field at anomalous stations

4 结 语

李永生等[15]的全波形矩张量反演结果表明，扶余-肇东断裂东段为2018年松原MS5.7地震的发震构造；李君等[16]利用双差定位法对地震序列进行重新定位，并利用MSATSI软件反演得到松原地区应力场，结果表明，松原地区应力场既受太平洋板块对北东亚板块的西向俯冲，又受区域构造运动的控制，在中国东北地区产生了近 EW向的主压应力。因此，自然电场变化量ΔESP最大的台站应位于扶余-肇东断裂，且EW测向异常显著，这就解释了肇东台ESP的EW测向异常显著和岩体裂隙优势方位角出现高达45°挤压的异常特征。震中周边场地的孕震过程是应力不断加卸载的过程，岩体裂隙结构会因应力加卸载的变化而变化。但实际结果是，场地岩体结构的差异导致不同场地观测到的地电场ESP变化差异较大，这可能是异常台站只有两道显著异常的原因。

本文通过研究近年来我国东北地区地震活动最为活跃的吉林松原地区地电场观测资料，结合2018-05-28松原MS5.7地震，分别对地震前后自然电场ESP和大地电场ET的背景、临震、震后响应时序变化进行对比分析，并应用岩体裂隙水电荷移动渗流模型计算了研究区所有地电场台站的电荷移动优势方位，得到如下结论：

1)多极距、多方向的地电场布极方式可有效识别干扰，但不易提取前兆异常信息；

2)2018-05-28松原 MS5.7 地震前后，绥化台、林甸台、肇东台、望奎台自然电场ESP的异常起始时间存在准同步特征；

3)基于岩体裂隙水电荷渗流模型及大地电场优势方位的结果，可得出岩体结构发育状况；

4)松原MS5.7 地震前后异常台站自然电场ESP的大幅度变异现象，可能是松原地区的区域应力场受到构造板块应力的影响,望奎台及肇东台的大地电场优势方位角α呈挤压异常。

利用岩体裂隙水电荷渗流模型计算得到的电荷移动方向可有效捕捉场地孕震岩体结构的微变化，由于孕震过程复杂，对该研究方法的适用可能存在区域性，后续需要更多震例支持。

致谢:感谢甘肃省地震局谭大诚研究员提供地电分析程序，黑龙江省地震局和吉林省地震局提供地电场观测数据。