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. 中国地震局地震预测研究所,北京 100036;
4. 中国地震局地壳应力研究所,北京 100085
2. Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
4. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
十年前,地电信号的潮汐波现象引起了地电学科较多关注.2000年前后,钱家栋和StevenPark考察了上海崇明台地电场潮汐波现象;2003 年,赵国泽等[1]在利用人工源超低频电磁波监测地震的试验分析中,指出视电阻率日变化存在与固体潮很好的关联;2006年,黄清华[2]定量分析了日本新岛台地电场固体潮汐的频谱特征及震前异常变化;2007年,张学民[3]探讨了昌黎台地电场固体潮汐波的远震前变异现象及机理.基于徐文耀等对空间Sq电流系[4-5]和黄清华等对地电场固体潮汐波[1-3, 6]的研究成果,2010 年,作者[7]将地电场潮汐波分成TGF-A、TGF-B 两类,认为其分别源于固体潮和空间Sq电流.地电场观测数据包含自然电场、大地电场[8-9]和干扰成分,潮汐波是大地电场的一种表现,但岩石、裂隙及裂隙水、构造应力等场地因素与其各方向潮汐波密切关联[1, 3, 10-11].
黄清华[12-13]、马钦忠[14-15]等认为强震前地电场异常存在场地的选择性,孕震区周边场地不一定都有明显的地电场变异或变异随震中距增大而逐步衰减.地震前兆存在源兆、场兆现象,基于VAN 法的分析注重孕震区的源兆信息研究[12-15],而青藏高原及邻区包含了数个大的构造块体,其应力变化剧烈而复杂[16-19],总结该区地电场波形的常态和异常形态特征、探讨其变化与构造活动的关联、寻求物理解析[20]自然电场与大地电场的方法,这些是分析该区域强震前地电场前兆信息的基础.
本文通过汶川5·12等地震,对青藏高原地电场数据进行常规波形、傅里叶谐波分析,采用Σ-Δ求和、潮汐谐波振幅比、一阶差分三种方法,依据地电场构成特征[8, 9]、选择性现象[12-15] 和潮汐机理[2-7, 10-11]的认识,开展了该区域中强地震前地电场变化研究,可能初步获得了高原及邻区地电场常态、异常变化特征和空间分布特点,以及初步的地电场构成的物理解析方法.
2 青藏高原及邻区地电场的常态特征通常,地电场常态特征主要包括波形及场地分布特征、频谱特征等.本节关于青藏高原及邻区的地电场常态特征也是这两方面的论述.
2.1 地电场波形及场地分布特征目前,该区域的30余个地电场台站多分布在高原东北缘,其波形有TGF-A、TGF-B 和无日变形态几种类型[7].图 1a显示,新疆和田台地电场曲线是近正弦形态持续全天的TGF-A 型,甘肃平凉台地电场是近正弦形态仅在午前午后出现的TGF-B型,云南弥渡台地电场波形显示了无日变现象.
以2009年数据对青藏高原及邻区地电场台站的波形统计,图 1b显示了这一区域36 个地电场台站的分布及数据曲线类型.四川盐源等4 个台站表现出TGF-A 波形,甘肃平凉等18 个台站表现出TGF-B波形,云南弥渡等14 个台站多数时间表现出无日变形态.这些台站正式观测多数始于2007年,2008、2009年数据形态的场地分布特征基本一致,2010年后个别场地的波形特征明显变换,其机理目前尚在研究中.
在图 1b中,TGF-A 波形台站分布离散,附近较大的水源有助其潮汐波的形成[2, 3, 7];TGF-B 波形台站基本位于岩石含水度高、透水性强、覆盖层厚的区域[7, 10-11];无日变波形的台站多集中在甘肃东南部、四川南部与云南的基岩山区,这两个地区构造活动剧烈、场地岩性和电性结构复杂[16-19]、同时是强震孕震区[18],2011年3月10 日云南盈江MS5.8、8 月9日云南腾冲MS5.2、11月1日四川青川MS5.4等地震就发生在这两个地区.
地下介质的电性非均匀性导致地面电场复杂,甘肃东南部、四川南部与云南的基岩山区的场地岩性、电性结构复杂,而且构造活动剧烈,这可能是该区部分地电场多数时间表现出无日变形态、变化大的不可忽视的影响因素.
黄清华[12, 13]、马钦忠[14, 15]等认为地震电信号(SES)存在场地的选择性现象,依据青藏高原地电场常态波形分布特征,以及中国大陆内部、沿海地区[7]和日本新岛台[2]的地电场波形特征,地电场常态波形也应存在场地的选择性.
2.2 地电场频谱特征图 1a显示了TGF-A、TGF-B、无日变形态的地电场典型波形,对图中这3天数据进行FFT 谐波分析,和田、平凉和弥渡台站的地电场前15 阶谐波振幅谱如图 2(a, b, c)所示.
在图 2 中,各分图的前5 阶谐波的周期均为23~24h、12h、7.9h、6h、4.8h, 这是地电场潮汐波的前5阶谐波周期[2, 3, 10, 11].在这3种波形的地电场中,前5阶潮汐谐波的影响都占优势,但优势程度不同,如计算前5阶谐波振幅之和与前15阶谐波振幅之和的比值,和田台站这3天的均值为0.893、平凉台为0.799、弥渡台则为0.603.
图 2a中,稳定的TGF-A 地电场每天的谐波振幅谱差异很小,周期为23~24h、12h、7.9h的谐波振幅占有明显优势,这与其波形源于潮汐力[7],受场地应力和裂隙结构等因素的影响[1, 10, 11]有关联.
图 2b中,稳定的TGF-B 地电场每天的谐波振幅谱差异不大,周期为7.9h、6h 的谐波振幅有优势,最大振幅的谐波周期变化也多在这两个周期值上互换,这与其源于电离层Sq电流[7]有关联.
图 2c中,无日变形态地电场每天的谐波振幅谱可能有较大差异,这应与场地的岩性、电性结构复杂及构造活动剧烈[15-19]关联.
需指出,2011 年3 月中旬至6 月中旬,作者对上述三个台站及青藏高原周边的其他共近20 个台站进行了逐日数据FFT 分析,通常情况下图 2显示的频谱特征没有明显变化.
3 青藏高原及邻区强震前的地电场短临变异现象青藏高原及周边是地震高发区,近3年中国大陆发生的强震多在该区域内.对这一区域强震前地电场变异现象的总结,有助于认识强震前地电场的短临信息.
3.1 汶川5·12地震前地电场的变异图 3是2008 年汶川MS8.0 地震前,青藏高原及周边5个地电场台站的分钟值曲线.图 3显示:
①四川泸沽湖TGF-A 波形在震前1~15天有波形畸变和高频突跳现象[7];
②甘肃平凉TGF-B波形在震前13~18天有背景值跃变,小幅高频突跳在震前37天出现[7];
③新疆和田TGF-A 在震前7~20天有背景值跃变、高频突跳和波形畸变现象;
④青海都兰TGF-B在震前20~31天有背景值跃变、波形变异现象,小幅高频突跳与平凉同步;
⑤甘肃武都无日变波形在震前3~23天有比通常更大的背景值跃变和高频突跳现象[21].这次地震前,该区其他十余个地电场台站也存在不同程度的数据变异现象,依据这些台站的工作记录和数据分析,其观测系统基本正常,电磁环境无重大改变.变异情况的统计见表 1.
图 4是2010 年玉树MS7.1 地震前,青藏高原周边5个地电场台站的分钟值观测曲线.图 4显示:
①四川甘孜TGF-A 波形在震前1~22天有波形畸变、背景值跃变和小幅高频突跳;
②新疆和田TGF-A 波形在震前20~22 天有清晰的波形畸变;
③云南曲江TGF-A 波形在3 月初、中旬有波形畸变,震前1~18天有波形转换和高频突跳;
④ 云南罗茨无日变形态地电场在震前17天有大幅背景值跃变;
⑤宁夏固原TGF-B波形在震前5~27 天有背景值跃变.
这次地震前,该区其他十余个地电场台站也存在不同程度的数据变异现象,依据台站的工作记录和数据分析,其观测系统基本正常,电磁环境无重大改变.变异情况统计见表 1.
表 1是2008-2010年青藏高原及邻区6 次较典型中强地震前的地电场变异统计,时间段为各次地震前40天至发震当天.需说明4 点:一是统计以图 1b所示36个地电场台站为基础;二是对地电场变异的认识未统一,表中统计变异的方法与图 3、图 4相同,主要依据台站数据通常的稳定性、变异的同步性和电磁环境等综合分析[2];三是最早的波形变异时间基本不以单个台站变化认定;四是依据台站每月报送至管理部门的运行报表等,变异台站的仪器系统基本可靠.
在表 1统计的青藏高原及邻区强震前,地电场短临变异现象主要有波形畸变、背景值跃变、高频突跳等现象,异常台站基本占该区台站40% 以上;空间上异常台站会出现在多个断层附近,相距可以达到上千千米[3];时间上异常多在震前10~35天集中出现,可能同步性较好,也可能相隔数天,与VAN法提到的地震电信号(SES)[2, 3, 7, 14]出现的时间基本吻合.
4 地电场构成的物理解析以原始曲线分析地电场,需要对数据、机理有较深刻的理解.黄清华[2, 12-13]、钱复业[6]、马钦忠[14-15]、张学民[3]、毛桐恩[22]等以多种方法进行了地电场数值分析,目前物理解析处于探索阶段[20].钱家栋等认为地电场是较稳定的自然电场Esp和变化电场的叠加,其中变化电场包括大地电场ET和干扰成分Er, 即
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在电磁环境和观测系统较理想时,干扰成分Er在一定范围内波动;源于地球内部介质物理、化学作用产生的电场构成自然电场Esp成分[8];大地电场ET 主要源自于空间电流系[8]和潮汐力[7],太阳的作用主要体现在对Sq等空间电流产生和影响方面,月球则更多以引潮力的影响出现.
4.1 大地电场ET 波形变化的解析-潮汐谐波振幅比TA 值徐文耀[4]认为Sq电流在午前午后表现明显、Ⅰ区场向电流和Ⅱ区场向电流则在早晚变化大,空间电流主要是Sq电流在地磁上影响明显.地电场日变化显示出较清晰的潮汐波形时,如TGF-A、TGF-B波形,大地电场的主体应是潮汐地电场.潮汐地电场是空间Sq电流和潮汐力在地面的反映[7],而这种反映又受制于地下岩石及裂隙结构、含水度及渗透率等因素影响[1, 7, 10, 11].当这些因素异常变化时,地电场潮汐波形可能随之改变,探寻一种表示地电场潮汐波形变化的方法及指数应有必要.
潮汐地电场振幅谱前5 阶谐波的周期为23~24h、12h、7.9h、6h、4.8h[2, 3, 5, 10, 11],图 2中地电场数据谐波分析的前10阶周期为23~24h、12h、7.9h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h、2.4h.2011年3月中旬至6月中旬,作者对青藏高原周边近20个台站进行了逐日数据FFT 分析,其前10阶谐波的周期基本不变.由此本文将这10个周期的谐波称为潮汐谐波,定义“潮汐谐波振幅比"为这10个潮汐谐波振幅之和与振幅谱前100 阶谐波振幅之和的比值,并以TA 表示(T 代表潮汐,A 代表振幅).第100 阶谐波周期约十余分钟,分钟采样可确保其完整性.有
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TA 值愈大表示变化地电场中的潮汐谐波振幅所占比例愈大,潮汐对地电场的波动影响愈大,地电场的日变愈易表现出潮汐形态;反之,潮汐谐波振幅所占比例小,地电场的日变愈不易表现出潮汐形态,更多是体现出自然电场和干扰的影响.应用(2)式,图 1a中新疆和田、甘肃平凉和云南弥渡台NS向TA 值在这3天中的数据见表 2.
由表 2可见,应用(2)式计算的TA 值相对于本文第2节取前5阶谐波振幅之和与前15 阶谐波振幅之和的比值稍小,但TA 值的物理依据可能更充分.青藏高原及邻区有36 个地电场台,排除这3 天未取得数据、存在系统问题和无测量数据的7个台,对其他29个地电场台站TA 值进行统计.统计取3天中相对平稳一天数据,个别台有一天出现日变波形就以该天数据为准,统计见表 3.
表 3说明地电场没有明显波形变异时,TGF-A地电场TA 值较大,TGF-B地电场TA 值次之,无日变形态地电场TA 值相对较小,这可能从数值上反映了地电场的潮汐现象强弱差异.在地电场波形有明显变异时,TA 值的变化相对复杂.
需指出,2011 年3 月中旬至6 月中旬,作者对青藏高原周边近20个台站的数据进行了逐日FFT分析,计算的TA 值与表 3的结论吻合.
4.2 自然电场Esp的解析---Σ-Δ 求和值地电仪的A-D 转换器应用Σ-Δ 方法,以消除某些周期性干扰,如工频干扰等.在地电场数据分析中,Σ-Δ 方法的原理[23]是将地电场分钟测量值看成是一份Δ,在时间t内对每一份Δ 进行Σ 求和,只要t的长度是正弦形干扰周期T的整数N倍,即t=NT,则Σ 求和的结果就能消除这一正弦形周期干扰;当t≈NT时,Σ 求和结果对正弦形干扰的抑制取决于t与NT的差值,差值愈小抑制效果愈好.地电场测量值是自然电场、大地电场和干扰的集合,其中自然电场、干扰成分一般不存在分钟数量级的正弦周期性.对地电场E以傅里叶级数展开,t时间内连续采样的地电场数据,其Σ-Δ 求和的数学表达式为
Ti为第i阶谐波的周期,ai、bi为第i阶谐波的正弦、余弦项系数.对地电场数字采样值进行FFT 后,ai、bi两系数已是常数,设Σ求和时间t=NiTi+ΔTi,则有
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对地电场数据FFT 变换后,谐波周期顺序是23~24h、12h、7.9h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h、2.4h、…,前10阶谐波周期的最小公倍数接近24h.取Σ 求和时间t为24h, 即24=NiTi+ΔTi,则:
①周期为12h、6h、4.8h、4h、3h、2.4h的谐波,整数Ni分别为2、4、5、6、8、10,而ΔTi均为0,由(3)式可知Σ 求和的结果可滤除这些周期的谐波影响.
②周期为23~24h、7.9h、3.4h、2.7h 的谐波,其影响均大幅度降低.例如,23~24h周期的第一阶谐波,正弦项幅度不超过原来的0.6%,余弦项幅度不超过原来的4.0%;7.9h 周期的第三阶谐波,正弦项幅度不超过原来的0.15%,余弦项幅度不超过的1.3%.
③依据(3)式,取更大的Ni值可降低谐波的影响.地电场数据FFT 变换后,前10阶潮汐谐波周期Ti不变,因t=NiTi+ΔTi,增大Σ 求和时间t则能取更大的Ni值.这就要求t取24h的整数倍,即取48h、72h、96h等.
对实际地电场分钟测量数据,(3)式的一种应用是一天数据的分钟值求和,再除以24h 的分钟数,可得到一个接近自然电场Esp、干扰成分Er 之和的分钟均值.即
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在场地电磁环境没有明显变化期间,白噪声类干扰成分Er 通过(4)式的计算,其影响基本稳定在一定范围内.如果场地条件好,Er 的影响就很小,(4)式计算结果就反映了自然电场的变动情况.需指出,24h的Σ-Δ 求和的结果恰好与地电场分钟采样日均值相同.过去地电场分钟采样的日均值受制于物理意义不清楚,应用有限,Σ-Δ求和的原理提供了应用地电场分钟采样日均值的理论依据.
4.3 高频突跳的解析---一阶差分ΔE值在图 3、图 4和表 1中,青藏高原及邻区发生中强地震前,部分台站地电场出现了高频突跳的现象,这可能是临震前的电磁辐射现象.
导致地电场的高频突跳现象的因素[1, 4, 6, 24]可能较多,如空间电流的变化、岩石的压电效应、电磁环境的强干扰等,在数据分析中有时确需要对高频突跳信息的了解.
目前,中国地震地电场观测的采样时间间隔是1min.潮汐地电场主要谐波周期是小时数量级,自然电场通常较平稳,对地电场分钟采样数据进行一阶差分计算,可有效消除潮汐地电场和自然电场的主要成分,其计算结果主要反映了地电场分钟数量级的突跳现象.
取地电场一阶差分计算式如下:
(5) |
从(5)式可见,当Δt趋于零时,地电场一阶差分的计算结果实质上是地电场E对时间变化率.在电磁学中,电场E对时间变化率是位移电流JD.需指出,一阶差分是数据分析中的常用方法,其对地电场分钟值数据进行计算的物理意义清楚.
5 强震前地电场的构成解析曲线2008年汶川MS8.0地震是近年中国大陆最具典型的强震,依据Σ-Δ 求和、潮汐谐波振幅比、一阶差分的原理,选取图 3中的四川泸沽湖、甘肃平凉台分析.图 5(a, b)是这两个场地的NS地电场分钟值原始曲线及构成解析曲线.
①Σ-Δ 求和曲线的讨论
图 5 中两台站的Σ-Δ 曲线与各自原始曲线趋势吻合.5.12地震前的4月24-28日期间,两台同步出现Σ-Δ 曲线跃变,平凉台因该曲线稳定性好而反映出更清晰的异常.由于Σ-Δ 曲线反映了自然电场Esp的趋势变化,两台站原始曲线的背景值几乎同步跃变现象应是各自场地的自然电场的跃变.
平凉台位于龙门山断裂带北端以北,泸沽湖台位于川滇交界的南北地震带附近.以地震动力学[25]及电性资料分析[16],青藏高原隆升导致高原物质东流,东流物质部分向北东方向流动,平凉台就受到北东方向流动的影响;部分物质向南东方向流动,泸沽湖台则受到南东方向流动的影响.4月24-28日期间,两台自然电场Esp同步变异,可能反映了高原物质东流的一种异常,这种异常在北东、南东方向的局部场地同步出现应力、岩石及裂隙、地下水等异常是可能的.
在图 3中,甘肃武都台位于川甘交界附近,基本位于龙门山断裂带北端,该台在震前的异常基本不与平凉台同步,而且图中的5 个台站的地电场异常大多没有同步,因此这些台站地电场的异常可能更多是场兆现象,是局部场地的应力、岩石及裂隙、地下水等因素变异,而这些变化应与高原块体的构造活动关联[1, 7].
②潮汐谐波振幅比TA 值曲线的讨论
TA 值曲线从定量角度表示潮汐波形的畸变程度.图 5中,两台站潮汐波形愈清晰、幅度愈大,TA值愈大;反之,TA 值愈小.
5月4日、10日两天,泸沽湖台TA 值下跳幅度明显变大,地电场潮汐波形畸变严重.说明这两天地电场潮汐谐波能量所占比例大幅降低,其他谐波能量所占比例明显增加,而中国大陆多数TGF-B地电场早晚平稳,午前午后没有明显波形变异现象,即空间Sq电流、Ⅰ 区场向电流和Ⅱ 区场向电流均无异常,也无明显地电暴.同时,泸沽湖台与相邻约70km的盐源台的波形畸变同步[7].因此,泸沽湖台TA 值这两天大幅降低,应是来自地下介质的其他谐波能量明显增加.
平凉台TA 值从4 月5 日开始降至0.4 以下,此后基本维持这种状态,其间仅4月15、22日回跳,5月7 日后逐步恢复.从图 5 原始曲线可见,TA 值下降是受高频成分出现的影响.
③一阶差分ΔE值曲线的讨论
图 5 中ΔE值在零值附近跳动,说明通常的高频突跳是一种随机电磁信息,且幅度在一定范围内.临震前2天,该台出现短时、大幅度高频突跳,该现象与相邻的盐源台在5月11日有同步性[7],但青藏高原周边其他台站基本没有出现同步高频突跳,因此不是空间电流的变化或场地电磁环境的干扰,局部场地岩石的压电效应[1, 4, 6, 24]可能性更大.
平凉台4 月5 日开始出现的小幅高频突跳现象,也在新疆、甘肃、陕西、江苏、黑龙江等省的许多地电场台站同步出现,其现象应与空间电流变化或大区域电磁扰动关联[1, 4].
6 结论及展望(1) 青藏高原及邻区的地电场常态波形可能存在场地的选择性现象,不同场地的岩石结构、裂隙及裂隙水、构造活动等因素影响地电场的常态波形.较大湖泊有助于附近出现TGF-A 波形,第四纪沉积层较厚、岩石含水度高、透水性强的地区多以TGF-B波形出现,构造活动剧烈的基岩山区可能更易出现无日变形态地电场.
(2) 青藏高原及邻区中强地震前,地电场短临变异存在时间上的丛集、空间上离散的现象.印度块体对青藏高原的异常挤压,使高原及周边应力变化剧烈,这可能导致高原部分地区岩石的电性结构、裂隙及裂隙水、应力应变等因素在时间上较集中异常,而在空间上则较离散.地电场在时间上丛集、空间上离散的异常是该区域前兆短临特征.
(3) 地电场数据包含了自然电场、大地电场和干扰信息,Σ-Δ 求和值、潮汐谐波振幅比TA 值、一阶差分ΔE值分别解析了地电场不同构成的变化,其对地电场数据的物理解析进行了尝试,这方面需更深入的研究.
致谢感谢北京大学黄清华教授关于潮汐谐波影响的计算建议;感谢中国地震局预测所钱家栋研究员、上海市地震局马钦忠研究员关于数据可靠分析的建议;感谢地壳应力研究所王兰炜研究员和兰州地震研究所杨立明、杜学彬、张元生研究员的支持;感谢四川、甘肃、陕西、云南、新疆、青海、江苏、黑龙江等省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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