2008年5月12日在四川汶川发生M_S8.0大地震, 此次地震给人们生命和财产带来巨大损失.就在即将纪念汶川地震5周年之际, 在2013年4月20日四川芦山发生了M_S7.0强震, 人们的生命财产和心灵再次遭到巨大创伤.为逐步提高我国的防震减灾水平, 必须科学开展地震发生前夕各种观测手段相关资料的回溯性分析研究, 逐步积累和总结经验.地震孕育过程和地震时能够产生地震电磁信号得到国内外同行广泛认同^[1-4], 本文拟进行地电场观测资料, 在两次地震前夕出现的变异进行分析研究.

地电场是地球内部的电场, 由较稳定的自然电场和大地电场所组成, 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; 而大地电场主要是由空间电流体系和潮汐力作用产生^[5-8].汶川地震发生后, 研究人员利用地电场观测资料进行了许多分析研究并得到以下结论:震前中法国际合作天祝松山电磁台站出现大幅度自然电场变化、周期小于3h地电场低频成分的功率谱密度增大3个数量级; 震前泸沽湖、平凉和武都等地电场观测台站的资料显示, 在震前一个月内地电场出现波形畸变、高频突跳和背景值跃变等现象; 以及震前地电场同一测道长短极距测值异常变化等^[9-11].

上述研究结论仅对地震发生时间的判定具有初步的指导作用, 对地震可能发生的区域没有进行相关讨论.我国大陆地电场观测技术在“九五”和“十五”期间得到了较大发展, 汶川和芦山震中周围600 km左右的范围内, 地电场观测台站有15个之多, 这些观测台站大都在2007年下半年建成运行(表 1).本文将利用上述台站观测资料, 开展汶川和芦山震前地电场波形畸变和地电场极化特征的分析研究.

表 1(Table 1)

表 1 汶川和芦山地震地电场观测台站基本情况简表 Table 1 Basic information of geoelectric stations around Wenchuan and Lushan earthquake region

表 1 汶川和芦山地震地电场观测台站基本情况简表 Table 1 Basic information of geoelectric stations around Wenchuan and Lushan earthquake region

我国大陆地电场观测系统的布极方式有“十”字型和“L”型(见文献[12]中图 1), 观测极距在磁东西、磁南北和北东(或北西)方向布设, 每个测向都分别设置有长、短两道, 长、短道极距通常在百米量级, 观测仪器采用ZD9A-Ⅱ数字化地电场仪, 观测数据为分钟值采样, 仪器分辨率为10μV, 除装置系统检查和客观原因(如仪器故障等)停止观测之外, 台站24h连续运行^[13-14].当观测曲线形态出现阶跃或波形变异等情况时, 观测人员按相关规定进行相应检查并填写工作日志, 为资料使用过程中人为干扰情况的排除提供依据.

图 1

Fig. 1

图 1 平凉台正常与变异时段原始曲线和FFT频谱图 Fig. 1 The map of original curves and FFT spectrum during the normal and variation about Pingliang station

文中所使用分析资料的选择, 依据已有的研究结果^{[5, 6, 9-11]}, 震前异常出现时间段从几天到几个月, 因此, 对于汶川地震, 收集距震中700 km范围内观测台站2008年1月1日至5月14日之间的观测资料; 对于芦山地震, 收集距震中700 km范围内观测台站2013年1月1日至4月20日之间的观测资料.对波形变异的分析研究采用原始观测资料(即分钟值), 对地电场极化特性进行分析时采用日均值, 对缺失数据进行空白化处理.

关于震前地电场变异方法的判定本文给出两种:原始曲线波形变异和优势周期变化; 地电场极化特征的变化.

关于原始曲线波形变异和优势周期变化方法.根据已有研究结果^{[6, 15-16]}, 地电场台站的观测波形依据其地理位置和台站周围环境的不同而表现出不同的波形特征, 主要有:近似正弦形、近似梯形和其他形态三种.如对本文所使用的平凉地电场台站, 正常情况时的观测波形呈现近梯形变化, 当这种变化特征消失或变化时, 我们称之为地电场波形变异, 这种变异现象通常在频谱分析上表现为优势频率发生变化.以甘肃省平凉地电场观测台站2008年4月6-8日正常时段和4月24-26日变异时段资料为例进行说明, 图 1为平凉地电场观测台站南北和东西测道在上述时段相对应的分钟值曲线图和FFT变换频谱图.从图中可以看出该台正常时段内, 地电场日变形态表现为有规律的近似梯形的峰-谷形态(这种特征在图 2中表现的更为直观), FFT频谱分析得到该台正常时段优势周期为8 h (约3.472 × 10^-5 Hz), 其次是4h (约6.944 × 10^-5 Hz); 在波形出现变异阶段, 尽管EW测道保留8 h优势周期, 但其幅度已经减小了许多, 而4h优势周期则完全消失了.依据地电场变异阶段的这些特点, 结合台站工作日志以及空间天气环境, 进行地电场变异现象判定.

图 2

Fig. 2

图 2 两次地震前部分台站地电场观测曲线.(a)汶川地震前; (b)芦山地震前 Fig. 2 The curves of geo-electric field observed in part of the station before the two earthquakes

地电场极化特性变化方法:地电场是矢量场, 在地电场观测时, 测量仪器对各测道的正方向进行了约定, 即以笛卡尔直角坐标系的第一象限为正方向(地球磁东、北为正方向).总地电场大小和方向可以由南北和东西两测道的计算得到.关于地震过程中地电场极化特征的分析, 相关文献[17-18]利用时均值和分钟值对地震过程中的极化特性进行过分析研究, 所得极化特征稳定性很差, 主要是由大地电场变化所引起.为了避免变化的大地电场对计算结果的影响, 依据谭大诚等最新研究结果^[10], 采用地电场观测的日均值, 能够有效避免由于空间电流体系和潮汐力等引起的大地电场变化成分, 在观测场地电磁环境没有明显变化期间, 地电场日均值能够较好地反映自然电场的变动情况.利用不同台站所测地电场极性变化情况, 对可能发生地震区域进行尝试性判定.

汶川地震和芦山地震前, 震中周围部分地电场观测台站的分钟值曲线变化情况如图 2所示, 第一列小图表示汶川地震前2008年4月1日至5月14日部分台站分钟值曲线动态, 第二列是芦山地震前2013年1月1日至4月20日相应台站分钟值曲线图, 由于汉王台受到成渝铁路建设的干扰, 将其换成了甘孜台, 曲线上的空白部分由于观测数据的缺失造成.

从图 2中能够发现, 汶川地震前夕, 甘肃省陇南汉王地电场台站的原始曲线在4月20日和5月8日NS测道与3月10日至4月10日之间的相对平静期相比, 出现了较大幅度的变异现象; 四川省盐源地电场台站的原始曲线在4月25日至5月5日左右EW测道出现了大幅度的下降变异; 甘肃省平凉地电场台站在4月24日左右NS测道出现与正常日变形态不一样的上升变化现象; 而四川省泸沽湖地电场台站在4月27日、28日和5月4日、10日左右出现台阶式的变化.在芦山地震前夕, 甘孜台在4月15日EW测道出现大幅台阶式的变化; 四川省盐源台在4月10日左右出现大幅度变化, 其变化情况与汶川地震前比较类似, 但波形变异情况在震前的出现时间和极性不太一致; 甘肃省平凉台震前变异主要出现在4月7日以后的EW测道, 反复出现阶跃; 洱源台出现的变异情况则表现为阶跃, 幅度达到100 mV/km.

在地电场波形变异分析过程中, 我们查阅了观测台站的工作日志, 对部分变异情况进行了核实和排查, 使上述分析结果的可信度有了很大的提高.如芦山地震前, 四川省盐源台对4月11日开始出现大幅变化进行了相关检查, 仪器工作状态正常, 环境正常, 故认为该变化为地震疑似异常的可信度较高; 洱源台对3月19日出现的阶跃, 在当天的工作日志中描述为:“23:40出现台阶, 无干扰, 疑似异常”.作者对其他台站波形变化也进行了核实, 认为上述台站的波形变异与地震的可信度较高.对前述波形变异时段资料进行FFT频谱分析能够发现, 正常时段和变异时段各自的优势频率也有所变化.从上面的描述能够得到震前地电场变异主要表现为:日变波形的畸变(如盐源台和泸沽湖台)和背景值的变化(如平凉台); 相应时段地电场频谱特性出现变化.此外, 在部分台站的原始曲线上也能观测到同震现象.

汶川和芦山地震前地电场极化特性的变化情况如图 3所示, 第一列图显示的是汶川地震前部分台站地电场极化方位的变化情况, 第二列为芦山地震前部分台站地电场极化方位的变化情况.在汶川地震前, 甘肃省平凉台地电场极化方位在正常时段变化较为平稳, 变化幅度在2°~3°之间, 但在5月1日左右出现较大变化, 最大幅度为10°;成都台地电场极化方位正常时间段为-60°左右, 相应变化幅度不超过10°, 但在3月1日左右开始出现大的变化, 最大幅度约为150°左右; 泸沽湖台地电场正常时段极化方位角在-85°左右, 最大变化幅度出现在4月28日从-85°跃变为65°左右.在芦山地震前, 平凉台地电场极化方位在4月16日出现大幅变化, 达到160°之多; 盐源台在正常时段的极化方位角在-70°左右, 变化幅度在10°内, 该台的最大变化幅度可达145°左右; 洱源台在正常时段极化方位在65°左右, 变化幅度不超过3°, 但在3月19日变化出现最大变化幅度30°左右.

图 3

Fig. 3

图 3 两次地震前部分台站极化方位角曲线.(a)汶川地震前; (b)芦山地震前 Fig. 3 The curves of polarization orientation angle in part of the station before the two earthquakes

在地电场原始曲线图中, 我们发现汶川和芦山地震震中周围台站的曲线动态在地震发生前出现波形畸变现象, 这说明地电场台站记录到了一些与地震相关联的信号.由于在大磁暴时会出现这种情况, 为此, 我们查证了中国气象局国家空间天气监测预警中心的空间天气月报, 发现在2008年4月22日、23日和2013年3月17日、29日和30日有小磁暴外, 其余研究时段的磁场活动水平均较低.对于地震之前会产生电磁信号, 国内外都有许多报道, 研究人员也进行过大量的实验研究, 观测到岩样破裂前能产生电磁辐射信号, 但对产生机制的解释都不完全相同^[19], 目前, 地震电磁信号的产生机制仍处于多样化阶段, 近年来在国际上较受关注的主要有动电效应^[20-22]、压电效应^[23-25]和应力激发电荷^[26]等.黄清华等基于断层的电荷补偿和弹性位错理论提出了一个模型, 用于对断层破裂期间产生电信号, 以及野外条件下压电效应的理论估算等, 对实际观测中能否观测到地震电信号进行了理论解释; 此外, 还对地震电信号的传播和选择性进行数值模拟^[27-28], 研究结果对文中观测现象提供了理论支撑.对地电场的观测中出现的同震现象, 任恒鑫和高永新等利用地震学的反透射系数法^[21-22], 对地震破裂和地震波传播产生的电磁耦合现象进行了数值模拟, 对地电场的同震现象能够较好地进行解释.张丹等的进一步研究显示地震电磁信号的波形、振幅和持续时间等都不同程度受到模型结构、震源时间函数类型等条件的影响^[29].

各地电场观测台站正常曲线动态变化特征受周围大型水域分布、构造活动和观测站岩性等影响, 据黄清华等^[5]研究认为, 地电场的半日变、日变和半月变等特征是地电场潮汐响应的表现, 谭大诚等^[6]进行了更进一步分析研究, 将潮汐地电场分类为近正弦形的TGF-A型和近梯形的TGF-B型, 其中TGF-A型地电场与固体潮汐密切关联, 基本分布在大面积水域附近, 并与附近水域面积和距离、岩性结构、构造活动等有关系, TGF-B型地电场与气潮作用的空间Sq电流关系密切, 并与岩石饱和度、渗透率等有关.也就是说, 不同的台站由于台址的岩性和活动构造等情况的不同, 在观测波形上可能表现出差异.对于一个固定台站来讲, 如果观测波形出现了变异, 则很可能意味着台站附近的岩性和构造情况出现了变化, 在强地震孕震晚期阶段介质内部微裂隙定向排列并非线性发展, 加之DD模式^[30-36]中地下水的作用, 孕震晚期震源区介质中电子导电, 从而激发出了低频电磁波信号, 波形上表现为临震前地电场脉冲式或阶跃型干扰信号(波形变异).

从极化方位角变化的结果容易发现, 在两次地震前夕, 靠近龙门山破裂带方向延长线方向的平凉台和盐源台等在汶川和芦山地震发生前后, 极化特性表现较为一致, 这或许可以从两次地震震源及发震断层的性质得到较好的解释.从这两次地震震源性质的反演结果来看^[37-38], 两次地震断层都显示为逆冲性质为主, 主震机制解的界面I都呈现NE-SW走向, 两次地震所在断裂带走向也基本一致, 因此, 不管震前电场现象由何种机制产生, 两次地震前所产的电场性质都应有极大的相似性.初步分析还发现, 对图 3所示时间段内, 汶川地震前地电场极化方位极值与观测台站的位置相结合, 极化方位的正向或反向延长线汇集地点非常有意义, 对地震发生地点的判断有一定的启示作用(图 4所示), 开展大量震例的统计研究将是下一步的工作重点.

图 4

Fig. 4

图 4 震中位置、部分台站和极化方位示意图 Fig. 4 The sketch map of the epicenter of the two earthquakes, part of stations and polarization orientation

利用芦山M_S7.0和汶川M_S8.0地震前, 震中周围部分地电场观测台站的数据, 通过原始波形比较、FFT频谱分析和极化特性的比较分析, 得到了以下结论:

(1) 本文通过对汶川和芦山地震前, 震中周围地电场台站观测数据原始曲线动态的回溯性研究, 发现震前地电场观测台站的原始波形, 及其相应的FFT频谱中优势频率会出现变异, 各台站出现变异的时间不是非常一致, 这可能与各观测台站下方的电性结构不同有较大联系.此外, 依据地震电信号产生机制, 以及震电效应数值模拟方面的最新结果, 对观测到的波形现象和出现的同震效应进行了简单讨论.

(2) 才对各观测台站地电场极化特性的进一步分析研究得出, 观测台站与地震破裂带延长线附近或台站附近断裂带走向相接近的条件下, 地电场极化特性表现出比较稳定的特征; 并从两次地震的震源机制解及发震断裂的走向基本一致方面, 对地电场表现出来的相似性进行了说明.

(3) 对地电场极化特性的初步分析, 发现震前地电场极化方位角的指向, 对地震震中的判定或许有某种指导意义.相信将来通过大量震例的统计研究, 能够得到比较有价值的结论, 有助于地震预测预报向更深入方向发展.

由于地震预报仍处于经验性阶段, 上述结论仅限于芦山M_S7.0和汶川M_S8.0地震, 要想得到科学性的结论, 仍需进行大量震例的统计分析研究.此外, 深入开展基础理论和某些特定条件的数值模拟工作是非常有价值和意义的, 也只有这样才能对我们在实际观测中的现象进行合理的解释, 推动地震电磁学科不断前进.

为在地震中失去生命的人默哀, 向抗震救灾一线所有同志表示崇高敬意, 对观测台站同志默默无闻的付出, 以及本文编辑和评审专家的辛勤劳动和有益建议表示衷心感谢!