地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (7): 1842-1853   PDF    
潮汐地电场谐波和各向波形的影响要素
谭大诚1,2 , 王兰炜3 , 赵家骝4 , 席继楼4 , 刘大鹏3 , 于华5 , 陈军营1,2     
1. 中国地震局兰州地震研究所,兰州 730000;
2. 中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,兰州 730000;
3. 中国地震局地壳应力研究所,北京 100085;
4. 中国地震局地震预测研究所,北京 100036;
5. 中国地震局江苏省海安地震台,江苏海安 226600
摘要: 潮汐地电场表现出近正弦形态,形态持续全天属TGF-A型,只在午前午后出现属TGF-B型,两类潮汐地电场前5阶谐波周期分别是23~24、12、7.9、6、4.8 h.不同场地的潮汐地电场振幅谱可能有差异,周期变化的径向、切向月球潮汐力的振幅谱也存在差异.岩石裂隙面分布不同,则各向潮汐力对裂隙的作用效果不同,这可能是导致潮汐地电场振幅谱差异的因素.同场地,岩石裂隙优势走向可能会导致潮汐地电场各向波幅、稳定性特征出现较大差异,沿裂隙优势走向的潮汐地电场波幅大、稳定,垂直裂隙优势走向的波幅小、稳定性差,网络状裂隙易使潮汐地电场各向波形特征接近.利用潮汐地电场波形特征及振幅谱,可能判断出岩石裂隙水渗流方位、裂隙面方向,在数个场地裂隙优势走向的分析结果与应用区域应力场或局部应力场的分析结果一致.
关键词: 潮汐地电场      谐波      各向波形      裂隙      应力场     
Influence factors of harmonic waves and directional waveforms of tidal geoelectrical field
TAN Da-Cheng1,2, WANG Lan-Wei3, ZHAO Jia-Liu4, XI Ji-Lou4, LIU Da-Peng3, YU Hua5, CHEN Jun-Ying1,2     
1. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
2. Lanzhou Base of Institute of Prediction, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
3. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China;
4. Institute of Prediction, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
5. Haian Seismostation, Earthquake Administration of Jiangsu Province, Jiangsu Haian 226600, China
Abstract: The waveform of tidal geoelectrical field is an approximate sine wave. The TGF-A waveform appears in all-day and the TGF-B only appears in the prenoon-postnoon. The first 5 order harmonic period of the waves is 23~24, 12, 7.9, 6 and 4.8 h. On different sites, the amplitude spectrum of tidal geoelectrical field could be different. The vertical tidal force and the horizontal tidal force, being produced by moon, change periodically, whose amplitude spectrums are also different. To the different directions of crack plane, the tidal forces gives different effect. This could be the reason for the different amplitude spectrum of tidal geoelectrical field. On the same site, the obvious difference of the directional waveform characteristics in wave amplitude and stability could be caused by the preferential orientation of cracks. The wave amplitude of tidal geoelectrical field is much larger and stable along the preferential orientation, and on the contrary, the wave amplitude is smaller and could be unstable in the direction vertical to the cracks. The cracks of mesh shape could cause similar waveform characteristics in all directions. The characteristics and amplitude spectrums may be used to estimate water seeping direction and crack plane direction. The analysis result of dominant crack orientations on several sites is basically consistent with regional or local stress field..
Key words: Tidal geoelectrical field      Harmonic wave      Directional waveforms      Crack      Stress field     
1 引言

中国大陆已建成一百余个地电场观测台,其观测曲线呈多样、复杂性,约50% 地电场台站可表现出峰-谷形态[1],峰-谷形态地电场主要有固体潮汐现象和与空间电离层相关两种观点[2~5].

峰-谷形态地电场性质是潮汐地电场,峰-谷波形全天连续的属TGF-A 型,仅在午前午后出现的属TGF-B型(Tidal Geoelectrical Field)[1].水平方向的TGF-A 型多分布在大水域附近,约占目前地电场台站总数的10%,TGF-B 型基本在水平方向,多分布在地下介质含水度、渗透率较高的广大区域,其占总地电场台站比例约40%[1].TGF-A 型地电场主要来自固体潮汐力,受岩石裂隙和区域构造应力-应变影响[1~4];TGF-B 型地电场则来自电离层Sq电流在大地的感应电场,同时与岩石含水度、渗透率等相关[15].

潮汐地电场前5 阶谐波周期基本是23~24、12、8、6、4.8h[2~6],作者进行不同台站的振幅谱对比、同一台站各方向波形对比,其差异明显.以峰-谷地电场是潮汐地电场的观点[1],振幅谱差异应获得潮汐理论的支持,各向波形差异应得到场地岩石及应力场等因素支持.为此,本文对中国大陆50 余个能表现出潮汐形态地电场台站中的48 台数据开展傅里叶谐波分析,依据潮汐理论导出径向和切向潮汐力及主要谐波频谱,获得了不同潮汐地电场振幅谱差异的力源依据;依据48 台的潮汐地电场数据,分析了潮汐地电场各向波形幅度和稳定性与岩石裂隙、应力场的联系,获得了其各向波形差异的主要影响因素.

2 中国大陆潮汐地电场振幅谱

中国大陆地电场采用定点、多极距、多方位、水平观测方式,测量频段基本在0~0.005Hz[7].2010年2月25日潮汐地电场的典型观测曲线如图 1 所示.图 1a是江苏海安地电场分钟值原始曲线,该曲线是近正弦波形全天连续的TGF-A 型;图 1b是甘肃平凉地电场分钟值原始曲线,形态是近正弦波形仅在午前午后出现的TGF-B型.

图 1 两类潮汐地电场及前15阶谐波振幅(2010-02-25) (a)海安台TGF-A 型地电场;(b)平凉台TGF-B型地电场;(c)海安地电场谐波振幅;(d)平凉地电场谐波振幅. Fig. 1 Tidal geoelectrical fields of 2 types and amplitudes of the first 15 order harmonic waves (2010-02-25) (a) The geoelectrical field of TGF-A type at Haian earthquake station; (b) The geoelectrical field of TGF-B type at Pingliang earthquakestation; (c) The amplitudes of first 15 order harmonic waves at Haian earthquake station (the amplitude on NS is superposition on EW);(d) The amplitudes of first 15 order harmonic waves at Pingliang earthquake station.

本文对地电场数据开展傅里叶谐波分析的基本方法是由各测向实际数据个数intRow, 再依据2N≥intRow的关系确定参与FFT 碟形运算的级数N,最后按级数N逐级进行碟形运算,由此完成整个FFT 的运算.所用FFT 程序按振幅大小顺序提取前15组谐波的频率,为与通常谐波分析中各阶谐波的含义一致,本文对这15组谐波在各阶表述上依然按照周期大小排序.

图 1(c, d)分别是江苏海安、甘肃平凉两地电场台站前15阶谐波振幅散点图,显示两个潮汐地电场谐波主要由前4~6 阶组成.海安、平凉地电场前5阶谐波振幅之和分别约占其前15 阶谐波振幅和的71%和61%,高阶谐波振幅小而相对稳定,其周期在图中基本未给出(横坐标为周期,刻度未按比例).两地电场台站的振幅谱前5 阶谐波周期包括23~24、12、7.9、6、4.8h, 其中海安地电场以7.9h谐波振幅最大,平凉地电场以6h谐波振幅最大,两台站地电场谐波振幅散点图差异明显.

2010年2 月21 日至3 月7 日,中国大陆约有53个地电场台站可清晰或断续显示出潮汐形态.笔者取得48 个台站数据,其中TGF-A 型有12 个台站,TGF-B型有37个台站,其中一个台站有两种波形.取这48个地电场台在这段时间内波形较稳定的两天数据,并以300m 左右的长极距为对象开展傅里叶谐波分析.

48个地电场台站共有144个长极距测道,其中有24个测道出现TGF-A 型潮汐波形,91个测道出现TGF-B 型潮汐波形,对这115 个测道进行的FFT 分析结果见表 1.

表 1 中国大陆潮汐地电场前5阶谐波周期及出现几率(2010-02-21~03-07) Table 1 Probability and periods of the first 5 order harmonic waves of tidal geoelectrical fields inChinesemainaind (2010-02-21 〜03-07)

表 1说明中国大陆潮汐地电场的前5阶谐波周期分别是23~24、12、7.9、6、4.8h, 其分析结果与近几年黄清华[2]、赵国泽[3]、张学民[4]、赵旭东[6]等给出的地电场固体潮汐波、Sq电流的前5阶谐波周期吻合.

需指出,这前5阶谐波并非是每个潮汐地电场振幅最大的5阶谐波,但振幅第1、2 的谐波几乎全出现在这前5阶谐波中,其中以周期为7.9、12、6h的谐波出现几率最大;振幅排第3 的谐波含这前5阶谐波的几率超过90%;第4、5振幅的谐波含这前5阶谐波的几率则快速下降.

3 径向与切向潮汐力及振幅谱

潮汐力主要是月球、太阳对地球的引力与地月绕共同质心转动的惯性离心力的合力,太阳的引力不足月球的1/2.由此,以月球的潮汐力进行分析,并视月球在地球子午面中运行,如图 2a所示.地月绕公共质心旋转时,地球上各点处于平动状态,其惯性离心力是一均匀力场.在同一时刻,地表不同点受到的潮汐力大小、方向各异.

图 2 潮汐力理论波形 (a)潮汐力形成的示意图;(b)潮汐力谐波振幅;(c)同一时刻不同经度处潮汐力;(d)A点潮汐力的变化. Fig. 2 The theoretic waveforms of tidal force (a)Sketch of the formation of tidal force; (b) Amplitude of harmonic waves of tidal force; (c)Tidal force in different longitude at a same tme; (d) Variation of l^he tidal force at point A.

图 2a中,地球子午面上Δm质量元同时受月球引力F和惯性离心力f作用.在地表赤道上,分别设各点潮汐力的径向方向为正方向、沿地球自转方向为正方向;设月球(不考虑半径)质量M,地球半径R,月地距离60.3R,引力常数Gθ 角是OA连线逆时针旋转至Δm质量元处的角度,其取值范围为0°~360°,α 角是Δm质量元处切线与月球引力F之间的夹角(锐角).

径向引潮力Δf⊥ 和切线方向引潮力Δf// 可作如下推导:

图 2a中有几何关系:

得出:

(1)

(2)

M为7.35×1022kg, R为6.37814×106m, G为6.67259×10-11N·m2·kg-2,以图 2aA点为起点,由(1)、(2)式可绘出赤道各处的单位质量介质在此时受到的径向(竖直)方向、切线(水平)方向的潮汐力变化曲线如图 2c所示.需指出,按照推导公式的正方向设定,(1)式计算结果为正表示径向潮汐力竖直向上,反之是竖直向下,(2)式计算结果为正表示水平潮汐力沿地球自转方向,反之是与自转方向相反.

图 2c中,竖直潮汐力的大小在θ 角为0°、90°、180°、270°处达到极大值,在36°、144°、215°、325°处接近零;水平潮汐力的大小在θ 角为0°、90°、180°、270°处接近零,而在46°、134°、224°、316°处达到极大值.视地球自转为匀速,考虑月球环绕地球旋转,则地球子午面上A点随地球自转24.8h回到相对月球的同一位置,这过程中A点受到的竖直、水平潮汐力的正(+)、负(-)方向都在交替改变,以图 2aA点位置开始计时,则A点受到潮汐力持续及方向改变的时间如表 2,在时域范围的波形曲线如图 2d.

表 2 子午面内竖直(Δf⊥)、水平(Δf//)潮汐力变化时段 Table 2 Variation period of vertical and horizontaltidal forces in meridional plane

在频域范围,将不同角度代入(1)、(2)式,再对计算出的数据进行FFT 变换.按照谐波峰值由大至小顺序,径向(竖直)潮汐力振幅排前5 的谐波周期分别为8.16、12.62、4.96、6.17、4.14h, 切向(水平)潮汐力则为8.16、12.62、25.25、6.17、4.96h.因此,径向、切向潮汐力主要谐波的区别表现在第3振幅谐波上.潮汐地电场振幅谱中,振幅排前三的谐波中出现25h 左右长周期,切向潮汐力作用应明显;振幅排前三的谐波中出现4.9h左右短周期,径向潮汐力影响应大.

径向、切向潮汐力前15阶谐波振幅散点图见图 2b(横坐标为周期,取前2 位数,未按比例).周期为25.25、12.62、8.16、6.17、4.96h 的5 阶谐波振幅之和分别约占径向、切向前15 阶谐波振幅和的74%和91%,其他谐波振幅小而稳定,图中未给出其周期值.

表 2图 2d表明地球子午面任一点的径向、切向潮汐力处于周期变化,时域内径向和切向力在正、负方向的持续时间与频域内的谐波周期很接近.计算正弦曲线与径向、切向潮汐力曲线相关性,其相关系数均达到0.95以上,说明图 2(c, d)所示径向、切向潮汐力的理论波形较接近正弦形态.

中国大陆基本位于中低纬度,各地电场台站所在位置的潮汐力变化规律基本与赤道上的场地接近.表 1统计的中国大陆潮汐地电场主要谐波周期与潮汐力谐波理论周期基本符合,其数值小的差异可能主要源于地月旋转运行和地球构造的复杂性,以及太阳潮汐的作用.

4 潮汐地电场的各向波形及影响要素

钱家栋等[8]认为坚硬岩石裂隙度多不超过粘土类岩石裂隙度1/10,深度增加时其原生裂隙度会减小;而岩石中裂隙和微裂缝的发育组合、截切关系及交叉角度有着高度一致性[9],坚硬、半坚硬岩石裂隙往往呈线状、脉状、网络状分布[10].因此,当固体潮导致坚硬、半坚硬岩石裂隙部分连通时,可能使裂隙在较大范围内呈线状、脉状、网络状.

砂岩、砂砾岩等松散岩石的颗粒之间的孔隙度通常在27%~42%,孔隙水的渗透率可达数百米/昼夜;粘土类岩石内孔隙多而细微,渗透系数很小[10].地下的砂岩、砂砾岩层在构造应力作用下,岩石会出现张裂或剪裂的裂隙优势走向.

4.1 潮汐地电场各向波形差异

中国大陆地电场台站基本分布在中低纬度.2010年2月21 日至3 月7 日期间,中国大陆两类潮汐地电场的长极距各向波形统计情况见表 3,其中各向峰值差是指同场地、同一天各方向潮汐波的最小峰值与最大峰值的相对差,即:

各向峰值差=[(方向1最大峰值-方向2最小峰值)/方向1最大峰值]×100%

表 3 中国大陆两类潮汐地电场各向波形统计(2010-02-21~03-07) Table 3 The statistic of directional waveforms of 2 types tidal geoelectrica fields inChina continent (2010-02-21~03-07)

表 3说明同场地的潮汐地电场各向波形基本相同,TGF-B型地电场在3个测向出现波形的几率相对较高,仅1个台站同时出现两类波形;两类地电场各向峰值差异明显,TGF-A 型峰值差异范围较小,TGF-B型峰值差异范围大.需指明统计中有11 个台站是单个测向出现波形,这些台站没有进行峰值差异统计.

不同场地的岩石类型、裂隙走向与分布、含水度、应力变化等因素,可能影响潮汐地电场的波形及变化[1],同时可能与黄清华[21112]、马钦忠[1314]和钱家栋[814]等提出的地震电信号选择性现象相关.

4.2 TGF-A型地电场各向波形影响要素

邻近大水域的区域,潮汐力作用于岩石裂隙,易使裂隙水周期性渗流,产生周期性过滤电场,形成TGF-A 型潮汐地电场[1].

不同场地岩石裂隙分布、走向各异,则潮汐力不同的分力所起作用会有差异.图 3a裂隙面呈竖直分布、NS走向,这时EW 向潮汐力挤压、拉张在NS向形成的过滤电场峰-峰值大、与EW 向力的变化趋势对应、同步;图 3b裂隙面竖直分布、EW 走向,则NS向潮汐力挤压、拉张在EW 向形成的地电场峰-峰值大、与NS向力的变化趋势对应、同步;图 3c裂隙面水平分布,则垂向潮汐力挤压、拉张形成的过滤电场与垂向力变化趋势对应、同步;图 3d裂隙面与三个平面成立体角,这时三个方向的力对裂隙都有挤压、拉张效果,力与裂隙面愈接近垂直,这个力的影响愈大.以径向、切向潮汐力振幅排前三的谐波差异为依据,对场地的潮汐地电场进行振幅谱分析,有助于了解岩石裂隙面的分布状况.

图 3 力对不同分布的裂隙面作用示意图 Fig. 3 The different crack planes and the effective forces

孙正江等[15]计算了压力差导致裂隙水渗流产生的过滤电势差.以层状介质为例,设上层介质电阻率为ρ1,厚度为h1;水渗流层的电阻率为ρ2,厚度为h2;下层是不导电介质.在地面上观测到的电场强度E可写成:

(3)

式中ε为水介电常数,ρ 为水电阻率,Δu为水渗流的电偶极层电位跃变值,Δp为引起水渗流的压力梯度,μ 为水黏滞系数.

在(3)式中,不同场地的各项数据可能有差别,因此各地的TGF-A 型地电场幅度有差异.在同一场地,表 3 表明了TGF-A 型地电场各向峰值也有明显差异,这说明(3)式中的压力梯度Δp在各方向不同.在岩石裂隙流管中,只有沿裂隙优势走向的压力梯度最大,潮汐地电场峰值幅度大、波形稳定的方向应更接近裂隙水渗流方向,即更接近岩石裂隙优势走向.

4.2.1 区域构造活动平静区

江苏海安地电场台(E120.66°,N32.49°)地表第四系土层、砂砾层厚约270 m, 270~830 m 左右为第三系砂砾岩、泥质粉细砂岩,台站位于构造活动相对平静的华南板块.

2009年5 月8 日,图 4a下图显示在距海安地电场台站西南约165km 的江宁钻孔形变台EW 方向形变峰、谷交替约6 小时12 分,其形变波形与图 2d理论上水平潮汐力波形吻合,说明当天该地区构造应力-应变变化小,形变主要是潮汐力所致[1].因此,竖直方向虽没有钻孔形变测量,可依照图 2d所示的理论波形拟合竖直方向形变曲线,拟合结果如图 4b下图.图 4(a, b)中的地电场曲线是取相反数进行绘图.

图 4 海安地电场与江宁钻孔形变波形 (a),(b)海安地电场与江宁钻孔形变(2009-05-08);(c)电极布极和岩石裂隙走向分析;(d)海安地电场(2009-11-28~12-08). Fig. 4 The waveforms of tidal geoelectrical field at Haian earthquake station and borehole tensor strain at Jiangning earthquake station (a), (b)Tidal geoelectrical field at Haian earthquake station and borehole tensor strain at Jiangning earthquake station (2009-05-08) ; (c)The electrode layout and analysis of crack orientation at Haian earthquake stationed)Tidal geoelectrical field at Haian earthquake station (2009-11-28 〜12-08).

图 4a上图显示EW 向地电场峰-峰值约4mV/km、波形稳定性差.通常大水域附近的TGF-A 型潮汐地电场稳定、峰-峰值可达10mV/km以上[1].因此EW 向不是岩石裂隙水渗流的主方向.

图 4b上图显示NS、N45°W 向地电场稳定、同步,NS向峰-峰值达12 mV/km、N45°W 向峰-峰值7mV/km 左右,说明岩石裂隙接近NS走向.

依据汪素云[16]、许忠淮[17]等的江苏构造应力场研究资料,海安地电场台场地的构造压应力σ1 方位约是N60°E 左右.图 4c左图是由σ1 方位绘出的两组共轭剪裂面L1 和L2,其走向分别为N15°E、N105°E,这是最大剪应力作用的两个方向,也是岩石在应力作用下可能出现剪裂的走向.图 4c的中、右图是海安地电场台的电极布设和裂隙优势走向的地电场分析图,图中标示出海安台NS、N45°W 地电场峰-峰值ANS和ANW ,这两方向地电场幅度大、稳定性好、相关性较高(见表 4).为提高计算精度用峰-峰值ANS和ANW 分析岩石裂隙水周期性渗流方位角α(文中此后α 角均指北偏东角度),α 也是岩石裂隙的大致走向.取2009年每月前5天中较稳定的一天数据,计算渗流方位α 角的结果如表 4.表中K是当天NS、N45°W 长极距的小时相关系数均值(剔除明显差的小时K值),对这两测向当天数据进行FFT,T是振幅排前3谐波中出现的4.8h或23h周期.

表 4 海安地电场台α 角、相关系数K和谐波周期T(2009) Table 4 The a, K and T of the geoelectrical field at Haian earthquake station (2009)
表 5 高邮地电场台α 角、相关系数K和谐波周期T(2009) Table 5 The a, K and T of the geoelectrical field at Gaoyou earthquake station (2009)

表 4α 角有小幅波动,但岩石裂隙优势走向应是N7°E 左右.α 角的这一数值接近局部应力场分析的N15°E,其差应是区域应力场σ1 方位准确度和地电场数据选取的相对随机或裂隙水渗流方向正常的小幅变动引起.K值较高,说明图 4c中用地电场峰-峰值分析α 角的结果较可靠.T值两测向都有4.8h、23h出现,说明该台岩石裂隙面分布较复杂,可能类似图 3d的倾斜分布.

需指出,在计算表 4中小时相关系数均值时,剔除明显差的小时K值后,该台的小时相关K值平均应用率约是77%.

图 4d显示在2009年11月28 日至12 月8 日期间,NS向地电场峰值大而稳定,EW 向峰值小、稳定性相对差,该台站在这两个方向地电场峰值及稳定性差异的现象具有持续性.

刘百篪[18]、张培震[19]、徐纪人[20]等认为华南板块主压应力方位在E20°S~E30°S,取江苏高邮地电场台(E119.44°,N32.73°)位置的主压应力方位为E25°S,则两组共轭剪裂面走向应分别为N70°E 和N160°E 左右.以2009年每月下旬该台站较稳定的一天数据,计算岩石裂隙水周期性渗流方位α 角的结果如表 5.

表 5 中地电场计算出的岩石裂隙优势走向约N73°E,与主压应力给出的N70°E 吻合.T值的无序与海安台站类似,可能是该地区岩石裂隙面分布较复杂,类似图 3d的倾斜分布.在计算K值中,该台小时相关K值平均应用率同海安台相同,约为77%.

4.2.2 区域构造活动剧烈区

四川泸沽湖地电场观测场地(E100.86°,N27.73°)处于基岩山区,表层土薄,下覆岩石为二叠纪,属透水性较好的半坚硬岩石.台站距泸沽湖约2km, 该地区为构造活动剧烈的川滇板块.此处,潮汐力作用于岩石裂隙水形成的TGF-A 型地电场不仅受潮汐力和岩石裂隙分布、走向影响,可能还明显受到当地构造应力-应变变化影响.

2009年5 月15 日,在泸沽湖地电场台偏东约140km 处,西昌小庙钻孔形变台的水平向形变如图 5(a、b)中的下图所示,与图 2d理论固体潮曲线差异大,说明当天该地区岩石形变偏离固体潮汐现象较明显,这应是当地构造应力-应变变化的影响[1].

图 5a显示泸沽湖NS、N45°E 地电场波形稳定、峰-峰值分别约98mV/km 和87mV/km, 与西昌小庙EW 向形变波形趋势对应好、同步现象明显.

图 5 泸沽湖地电场与小庙钻孔形变(2009-05-15) (a),(b)泸沽湖地电场与小庙钻孔形变;(c)泸沽湖地电场台布极图;(d)岩石裂隙走向分析. Fig. 5 Tidal geoelectrical field at Luguhu earthquake station and borehole tensor strainat Xiaomiao earthquake station (2009-05-15) (a) »(b)Tidal geoelectrical field at Luguhu earthquake station and borehole tensor strain at Xiaomiao earthquake station;(c)The electrode layout of Luguhu earthquake station; (d) Analysis of the orientations of rock cracks.

图 5b显示泸沽湖EW 地电场波形稳定差、波形的峰-峰约10mV/km, 与西昌小庙NS向形变趋势有对应,在NS 形变转折期间有阶跃、突跳现象.构造活动剧烈区使用图 2d所示理论波形拟合泸沽湖地区的竖直方向钻孔形变曲线可能不适用.

图 5(c, d)是泸沽湖地电场台站电极布设和岩石裂隙走向分析.赵国泽等[21]的电磁测深资料,许忠淮[17]、刘百篪[18]、张培震[19]等的构造应力场和构造速度场资料均认为川滇菱形板块主压应力是SE方向,主压应力σ1 方向约S25°E 左右.由岩石力学理论,两组共轭剪裂面与主压应力方向的理论夹角为45°,实际岩石破裂时夹角可能会稍小.图 5d左图标示出两组共轭剪裂面L1L2,因β≈25°,则θ≈20°,即L1L2 的方位分别为N110°E 和N20°E,这是裂隙的可能走向.图 5d右图标示出泸沽湖台NS、N45°E 地电场峰-峰值ANS和ANE,由此可计算出流体渗流走向α.

表 6是2009年上半年该处裂隙水渗流方位的计算结果.选取每月中旬地电场连续几天稳定时段的中间1天数据计算;K是所选数据当天NS、N45°E长极距小时相关系数的均值(剔除明显差的小时K值),对这两测向当天数据进行FFT,T是振幅排前3谐波中出现的4.8h或23h周期.

表 6 泸沽湖地电场台α、相关系数K和第1、2阶谐波周期T Table 6 The T,Kand T of the geoelectrical fieldat Luguhu earthquake station

表 6说明2009年前6个月,泸沽湖台站岩石裂隙优势走向可能是N13°E 左右,这与主压应力给出的N20°E 接近,其差可能是剪裂面与主压应力夹角实际稍小于45°引起.T值明显表现出23h 谐波影响大,这是潮汐力水平分力的影响,可能说明岩石裂隙面呈近垂向分布.在计算K值中,该台小时相关K值平均应用率约92%.

图 5(a, b)东西向形变更小,其对NS、N45°E 向地电场影响大,EW向地电场波形不稳定、波幅小得多,这也说明岩石裂隙面可能接近NS 走向的竖直分布.

需指出,表 6没有给出7月后的α 角变化情况,原因是9月中观测系统出现问题,同时其他月份α角与上半年有较大变化.该台站与青海玉树相距717km, 2009年后6 个月α 角的大幅变化与2010年4月14日玉树Ms7.1地震的关系可能还需深入研究.

同一台站TGF-A 型地电场各向波形幅度差异是因各向裂隙水的压力梯度不同,而压力梯度不同可能是源于岩石裂隙优势走向不同.TGF-A 型的各向波形差异表现出沿岩石裂隙优势走向的波形稳定、幅度大,与裂隙优势走向垂直方向的幅度小得多,稳定性差.裂隙面近垂向或水平向分布时,潮汐地电场振幅排前三的谐波可能表现出水平潮汐力或竖直潮汐力的影响.

4.3 TGF-B型地电场各向波形影响要素

依据潮汐发电机理论,潮汐力作用于高层大气后形成空间Sq电流系.徐文耀[22]认为在中低纬度Sq逐日变化主要表现在强度上,相位、日变形态变化不大,其影响远大于其他几个电流系统的地磁效应.

空间Sq电流在地表的感应电场易引起裂隙水周期性渗流,进而产生较强的大地电流场,使地表出现TGF-B型地电场[123].

左恒等[23]认为正向电场增强、反向电场减缓裂隙水电荷渗流速度.设Ve 为电渗流速度,ΔU为电压梯度,L是与流体电导率、介电常数等相关的常数,则

电场强度:

设电荷体密度为n,则

由此,

(4)

在(4)式中,Vei为裂隙水的第i种电荷渗流速度;C为与流体电导率、介电常数及电荷体密度等相关的常数.

Sq电流在地表的感应电场导致的裂隙水电荷移动,其结果类似裂隙水的渗流.以层状介质为例,地表电场类似孙正江[15]计算的过滤电场.设上层介质电阻率为ρ1,厚度为h1;水渗流层的电阻率为ρ2,厚度为h2;下层是不导电介质.在地面上观测到的电场强度为

(5)

在(5)式中,不同场地的系数C不同,岩性结构不同,因此各台站的TGF-B 型地电场幅度有差异.地电场台站多建于地势较平坦场地[24],表现出TGF-B型的台站附近多有小水域或离大水域稍远,无地表水域的台站基本在水饱和度较高、透水性强的砂土、砂砾石、砂岩层等较厚的地区[1],介质水平方向相对均匀.表 3中,作者统计的30余个TGF-B型地电场各向峰值均存在明显差异,同时各台地电场最大峰-峰值的方位没有一致性,这说明(5)式中电荷渗流速度Ve 在同一台站各方向不相等.地电场波形幅度大、稳定的方向应更接近岩石裂隙水电荷的主要移动方向,即更接近岩石裂隙优势走向.

甘肃平凉地电场台(E106.93°,N35.90°)各向地电场波形属TGF-B 型.图 6是该台站的2010 年2月21~28日三个测向地电场曲线和电极布设、岩石裂隙走向分析图.

图 6 平凉地电场各向波形及裂隙优势走向分析(2010-02-21~28) (a)平凉台NS向地电场;(b)平凉台NW 向地电场;(c)平凉台EW 向地电场;(d)台站电极布设和裂隙走向分析. Fig. 6 The directional waveforms of the geoelectrical field at Pingliang earthquake station and analysis of the preferential crack orientation (2010-02-21 〜28) (a) » (b) » (c)The directional geoelectrical fields at Pingliang earthquake station;(d)The electrode layout and analysis of crack orientations.

图 6(a~c)显示EW 向地电场波幅明显大,同时NS、NW 测向波幅基本相同,波形稳定,各测向同步性好.可能是岩石裂隙呈网络状,但裂隙优势走向应接近东西方位.

图 6d说明由主压应力σ1 方位可分析出两组共轭剪裂面L1 和L2.该台站处于华北块体西区西南,主压应力σ1 方位在N30°E 左右[18],以岩石力学理论,两组共轭剪裂面L1、L2 走向分别为N75°E 及N165°E 左右.

表 7是2009年甘肃平凉地电场台裂隙水渗流方位角α 的计算值,选取每月上旬地电场连续几天稳定时段的中间1天数据计算;表中K是所选数据当天EW、NS长极距小时相关系数的均值,对这两测向当天数据进行FFT,T是振幅排前3谐波中出现的4.8h或23h周期.

表 7 平凉地电场台α 角、相关系数K和谐波周期T(2009) Table 7 The α, K and T of the geoelectrical field at Pingliang earthquake station (2009)

表 7 说明该台场地岩石裂隙优势走向可能是N67°E 左右,这与主压应力给出的N75°E 接近,其差可能是剪裂面与主压应力夹角实际稍小于45°引起.需指出,表 7中在计算K值时,所选数据在任意两个测向间的相关系数均达到0.95以上,同时该台小时相关K值平均应用率接近100%.

图 6d右图显示,若沿裂隙L方向测量潮汐地电场,其值可能在台站现在的三个测向上符合矢量分解,这说明该台潮汐地电场表现出较好的均匀性.岩石裂隙的网络状和稳定的背景地电场可能是潮汐地电场均匀性的主要因素.钱家栋等[25]起草的地震台站电磁观测环境技术要求,马钦忠[14]讨论的介质非均匀性对地电场的影响,张学民[26]就电极及干扰对地电场的影响等,都说明了背景地电场稳定性差或有较明显干扰情况时,这种均匀性可能会被破坏.

T值数据无一次出现23h 的周期.依据竖直、水平潮汐力的谐波频谱分析结果,岩石裂隙面主要受潮汐力的竖直分力影响,因此平凉地电场台站的岩石裂隙面应接近水平分布.

需指出,同处于华北块体西区的宁夏固原地电场台站(E106.16°,N36.08°),与甘肃平凉地电场台相邻,地电场波形属TGF-B 型.利用固原地电场计算出的裂隙优势走向接近N72°E,与平凉计算结果N67°E相差接近5°,其差是局部应力场变化引起.

同一台站,TGF-B型地电场各向波形幅度差异是因各向裂隙水的电荷移动速度不同,速度不同可能源于岩石裂隙优势走向不同.沿岩石裂隙优势走向的地电场波形稳定、幅度大,与裂隙优势走向垂直的方向,其波形幅度相对小.裂隙面接近垂向或水平向分布时,潮汐地电场振幅排前三的谐波表现出水平潮汐力或竖直潮汐力影响是可能的.

5 结论及展望

(1) 周期变化的月球潮汐力和潮汐地电场的主要谐波周期十分接近,径向、切向潮汐力的振幅谱稍有差异.潮汐地电场前5阶谐波周期是23~24、12、7.9、6、4.8h, 径向、切向潮汐力的振幅排第1、2 谐波的周期接近7.9h 和12h, 第3 振幅的谐波周期分别是4.9h 和25h.潮汐地电场谐波振幅排前3的周期差异,可能反映了岩石裂隙面方位和潮汐力源的差异.

(2) 影响潮汐地电场波形的要素有岩石、裂隙和裂隙水、应力等.岩石裂隙的优势走向使潮汐地电场各向波形特征易出现差异,接近裂隙优势走向的波幅大、稳定,垂直裂隙优势走向的波幅小、稳定性差;裂隙呈网络状或第四纪覆盖层较厚时,潮汐地电场易表现出各向波形特征较接近.

(3) 应用潮汐地电场波形特征、振幅谱,分析岩石裂隙分布和优势走向是地电场理论研究首次尝试,数个场地的裂隙优势走向分析结果与区域或局部应力场得到的岩石剪裂面走向对应,当然这方面还需更深入的研究.

致谢

感谢中国地震局地震预测研究所钱家栋研究员和中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地刘百篪研究员的建议;感谢上海市地震局马钦忠研究员,中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地袁道阳、张元生、陆阳泉研究员,甘肃省地震局唐九安研究员的支持;感谢中国地震局地壳形变台网中心提供的钻孔形变数据;感谢江苏、四川、甘肃、宁夏等省市地震局提供的地电场数据;感谢审稿专家和编辑部的意见和建议.

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