2014, Vol. 57
2. 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 兰州 730000;
3. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. Lanzhou National Observatory Geophysics, Lanzhou 730000, China;
3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
人类在19世纪初已经观测到地球表面存在电流，1940年S. Chapman和J. Bartels提出了大地电场、自然电场的概念(孙正江和王华俊，1984)；1984年，希腊学者提出从地电场观测资料中提取SES(Seismic Electric Signals)信号预报地震的VAN法，其原理主要应用了自然电场数据(马钦忠等，2004;马钦忠，2008)，但迄今也存在争议(Geller，1996；黄清华，2005；黄清华和林玉峰，2010).赵国泽等(2009)、汤吉等(2010)开展的MT测深反演主要应用大地电场数据，而频谱分析(黄清华和刘涛，2006；范莹莹等，2010)、常规波形分析(钱复业和赵玉林，2005；仇勇海等，2008)、极化方位计算(毛桐恩等，1999)、长短极距比值计算(田山等，2009)、数据处理(安张辉等，2010)等应用的地电场数据归类相对模糊.
近年，黄清华和林玉峰(2010)，Huang and Lin(2010)，Huang等(2011)，Ren等(2012)对SES信号数值模拟与分析以及对DC-ULF电磁信号微观机理与传输通道的研究、马钦忠和钱家栋(2003)提出的非均匀电性结构导致地表电场复杂、其他学者开展的数据分析(钱复业和赵玉林，2005；仇勇海等，2008)与观测方法(席继楼等，2013)等研究，使得自然电场局部场地的机理、特征与分析更深入，但应用自然电场动电效应、接触-扩散和氧化还原等微观机理(孙正江和王华俊，1984；钱复业和赵玉林，2005；Huang et al., 2011)，研究自然电场的区域变化特征、探寻微观机理与宏观现象的关联等方面，目前成果依然很少.
赵国泽和陆建勋(2003)指出视电阻率日变化与固体潮存在关联；黄清华(2005)，Huang等(2011)认为从复杂电磁环境中提取相对较弱的地震电磁信号，有必要探寻数学、信号处理与地震电磁物理过程结合的物理解析方法；2006—2007年，黄清华和刘涛(2006)，张学民等(2007)分析了地电场固体潮汐现象的频谱特征及震前异常.基于徐文耀(1992)，赵旭东等(2008)对空间Sq电流、黄清华等对地电场固体潮汐波的研究成果，谭大诚等(2010)将地电场潮汐波分类为TGF-A、TGF-B两类，探讨了自然电场、大地电场物理解析初步原理(谭大诚等，2012).
本文依据自然电场、大地电场起源分类原则(孙正江和王华俊，1984)，充实了地电场构成解析原理和方法(谭大诚等，2012)，通过对南北地震带附近有代表性的13个台站、66个月的自然电场分析，总结了该地区自然电场的场地、区域中长期变化特征，解析了其中2个场地短期裂隙水主体渗流方位逐日变化(谭大诚等， 2011，2013)与自然电场变化的关联，探讨了松山场地2年中自然电场变化与裂隙水渗流、主压应力、裂隙结构变化的微观机理过程. 2 地电场构成解析基础与方法
自然电场源于固体地球内部的物理、化学作用，场源主要包括地下矿体、岩体及界面、应力应变、地下流体等，这导致其具有局部性特征.依据自然电场形成的不同微观机理与过程，可分类为过滤电场、接触-扩散电场和氧化还原电场等(孙正江和王华俊，1984).通常，认为自然电场相对稳定(孙正江和王华俊，1984)，地震电磁前兆可能更易表现在自然电场变化中(马钦忠等，2004；马钦忠，2008).
大地电场源于固体地球外部的空间电流系和潮汐力(孙正江和王华俊，1984；黄清华和刘涛，2006；谭大诚等， 2010，2011，2012，2013)，场源主要包括电离层、月球和太阳的潮汐力、太阳风等，这使其具有全球性或区域性特征.依据大地电场形成的不同微观机理与过程，可分类为TGF-A、TGF-B、地电暴(孙正江和王华俊，1984；谭大诚等，2010)等.依据谭大诚等(2010，2011，2012，2013)近年的研究，TGF-A、TGF-B潮汐地电场和地电暴的强度受场地岩性结构、裂隙和裂隙水、应力应变等因素的明显影响，因此地震电磁前兆也能够表现在场地的大地电场变化中(黄清华和刘涛，2006；张学民等，2007；谭大诚等， 2010，2011，2012，2013).
按照地电场起源分类原则，自然电场、大地电场可部分具有同一种微观机理过程，例如TGF-A、TGF-B潮汐地电场形成过程中，裂隙水或裂隙水中电荷发生了周期性渗流或移动(谭大诚等， 2010，2011)；在构造活动中，应力应变导致含水岩体裂隙扩展、破碎过程也存在裂隙水和裂隙水电荷的渗流或移动，其形成的地电场属自然电场.因此，应用大地电场观测数据，可能探讨场地自然电场宏观变化的微观机理.
在地电场观测数据中，以 ESP代表自然电场(spontaneous field)，ET代表大地电场(telluric field)，干扰成分用 Er表示，则地电场 E 的构成可写成：
2008—2012年，中国大陆100余个台站的地电场日变形态基本有TGF-A、TGF-B和无日变波形三种，前两种波形约占总数的三分之二(谭大诚等， 2010，2011，2012)，无日变波形地电场在岩性和电性结构复杂、构造活动剧烈的南北地震带附近较集中(谭大诚等，2012).由此，可推论 ET稳定的主要成分是潮汐地电场，TGF-A、TGF-B日变波形分别与固体潮、Sq电流的波形对应，其前10阶潮汐谐波的周期是23~24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h(黄清华和刘涛，2006；赵旭东等，2008；谭大诚等， 2010，2011，2012，2013).
在电磁环境和观测系统较理想时，Er在较小范围内随机波动.设地电场观测给出的分钟值为 Ei，应用一天观测数据计算 ESP的表达式可简化为(谭大诚等，2012)：
应用(2)式计算 ESP时，因潮汐谐波的周期特点，潮汐地电场的主要影响基本消除(谭大诚，2012).对无日变波形的地电场，FFT频谱分析表明潮汐谐波存在，多数情况下还是主要谐波成分(谭大诚等，2012)，(2)式仍成立.
设第j天的自然电场为 ESP(j)，则 ESP逐日跳变可用(3)式描述(谭大诚等，2012).
场地岩体裂隙主要在构造作用下形成，小尺度岩石块体内的微裂隙分布、裂隙水渗流会十分复杂，但宏观大尺度岩体内的地下水渗流主要沿裂隙进行(周志芳等，2007；陈颙等，2009；谭大诚等， 2011，2013).数百米量级的地电场观测场地属宏观大尺度，观测到的裂隙水渗流电场方向则接近裂隙水主体渗流方位(谭大诚等， 2011，2013).
对图 1a装置系统，在场地裂隙水周期性主体渗流方位如图 1b所示时，则NS、NW方向地电场潮汐波相关性更高(谭大诚等，2011).设潮汐地电场(大地电场主要成分)为 ET，裂隙水主体渗流方位以北偏东角度α代表，应用日变波形前10阶潮汐谐波振幅和，逐日计算场地岩体α角的方法推导如下.
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图 1 基于潮汐地电场计算裂隙水主体渗流α角示意图 (a)L装置系统;(b)裂隙水主体渗流方位;(c)潮汐地电场分解;(d)潮汐波峰值与谷值. Fig. 1 Sketch of calculating α of the preferred orientation of crack water seepage based on tidal geoelectric field (a)Electrode L-layout of station;(b)Preferred orientation of crack water seepage;(c)Decomposition of the tidal geoelectric field;(d)Peak values and trough values of the tidal wave. |
中国地电场台站的NS、EW方向的极距通常相等，由图 1c得到：
故
潮汐地电场 ET是周期性变化场，原理上一天中任意时刻的 ET(NW)、 ET(NS)均可以用于(6)式计算.在潮汐波峰、谷前后，潮汐电场强度最大、稳定性相对好，故(6)式宜取峰值或谷值计算.
在图 1d中，选取潮汐波零值为X轴，设 ET(NS)峰、谷值分别为A1、A2， ET(NW)峰、谷值分别为B1、B2，通常A1≠A2，B1≠B2，于是：
则
将 E T(NS)、 E T(NW)峰谷值分别以ANS、ANW表示，由(7)、(8)式可得：
对日变波形清晰的地电场，(9)式已可计算.在日变波形畸变或难于识辨时，ANS、ANW取值存在较大误差，而前10阶潮汐谐波周期稳定，日变波形幅度主要取决于潮汐谐波的前5阶幅度(谭大诚等， 2011，2012，2013).
图 2(a，e)是泸沽湖台TGF-A波形、古丰台TGF-B波形的分钟值曲线.图 2(b，f)是其日变峰谷值A、前10阶潮汐谐波振幅和AT的逐日取值曲线，在NS、NE(NW)两个方向，ANS、ANE(NW)变化趋势一致，AT(NS)、AT(NE/NW)变化趋势一致，且A、AT变化趋势相近，这说明图 1模型与原理基本符合这两个场地的实际情况.
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图 2 泸沽湖与古丰台地电场日变波形峰谷值与前10阶潮汐谐波振幅和(2009-03-15—04-15) (a)(e)地电场曲线;(b)(f)A与AT曲线;(c)(g)ANE(NW)与ANS、AT(NE/NW)与AT(NS)比值;(d)(h)裂隙水渗流方位变化. Fig. 2 Peak-to-trough values and amplitude sum of the first 10 order tidal harmonic waves of diurnal variations of the geoelectric field at Lugu Lake and Gufeng stations(2009-03-15—04-15) (a) and (e)Curves of geoelectric field;(b) and (f)Curves of A and AT;(c) and (g)Ratios of ANE(NW)to ANS and AT(NE/NW) to AT(NS);(d) and (h)Changes of preferred orientation of crack water seepage. |
图 2(c，g)是场地ANE(NW)与ANS、AT(NE/NW)与AT(NS)比值的逐日变化曲线，在这两个场地存在：
其中Ai是第i阶潮汐谐波振幅，由(9)、(10)式得到：
在观测数据FFT结果中，稳定的直流成分已排除(谭大诚等，2011)，因此依据潮汐地电场频谱特征按照(11)式计算α时，ESP的影响基本消除.应用该式计算α的误差，理论上主要源于图 1b模型与实际岩体的吻合度，这取决于场地岩体裂隙的发展阶段(周志芳等，2007；陈颙等，2009；谭大诚等， 2011，2013).一般来说，岩体裂隙的优势方位愈明显，计算α的误差应愈小、稳定性愈好.
在2008年汶川MS8.0地震前，泸沽湖、盐源两场地无明显干扰、观测系统正常.依据地电场前兆信息可信度的统计分析RTL(Region-Time-Length)方法(Huang，2006)，应用(11)式计算的两场地α的变异相互对应，其变异在时间、空间上与此次地震相关，且异常显著(谭大诚等，2013).
应用(9)、(11)式于泸沽湖、古丰场地，图 2(d，h)中α值逐日差异均值分别为1.86°和1.38°，可见两种计算方法的结果通常较稳定且相当接近，在多个场地应用这两式计算对比也没有明显差异(谭大诚等，2013).依据场地的主压应力σ1方位理论推算，在剪裂时这两式的计算结果通常会偏小5°左右(周志芳等，2007；陈颙等，2009；谭大诚等， 2011，2013).
应当指出，在装置系统变更或裂隙水主体渗流方位更接近EW向时，(9)、(11)表达式需相应调整；无潮汐日变的地电场，潮汐谐波通常也是其基本谐波(谭大诚等，2012)，这时(9)式中峰谷值已无法客观提取，但(11)式依然可逐日计算. 3 自然电场区域变化特征
2008—2013年，大震、强震频繁发生在南北地震带附近，区域构造活动剧烈.因此，本节在总结青藏高原东缘海原、渭河、龙门山和盐源断裂带附近 ESP区域特征中，采用了对多个场地数据长期变化的“趋势性改变”进行对比，并将各场地1、2天左右或短时不确定的大幅突跳数据删除，以显示出 ESP变化趋势.
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图 3 主断层附近典型台站 ESP、Δ ESP趋势转折(2008-01-01—2013-06-30) (a)台站、断层分布;(b)海原、渭河断层附近的 ESP变化;(c)龙门山断层附近的 ESP变化;(d)盐源弧形断层附近的 ESP变化. Fig. 3 Trend turnings of ESP and Δ ESP at representative stations adjacent to major faults(2008-01-01—2013-06-30) (a)Distribution of stations and faults;(b)Changes of ESP nearby the Haiyuan and Weihe faults;(c)Changes of ESP adjacent to the Longmenshan fault;(d)Changes of ESP adjacent to the Yanyuan fault. |
图 3a是上述断裂带附近有代表性的13个台站分布图；图 3b绘制了海原断裂带东西两端的景泰和固原、渭河断裂带附近西安和宝鸡的自然电场变化曲线.可见：①同一场地 ESP、Δ ESP变化具有方向性和局部场地特征.②在同一断裂带附近的不同场地，ESP发生大幅跃变、突跳或渐变的趋势性转折点多具有时间同步或准同步性，同时段数据稳定性大致类似，但形态变化不具相关性.此外，Δ ESP跳变曲线反映了 ESP突跳变化，对其渐变过程反映弱.
图 3c中，2012年6月初，成都和汉王 ESP、Δ ESP大幅跃变、突跳等趋势性转折点时间对应较好；10月后，甘孜 ESP(NS)出现与这两台时间准同步的大幅突跳、阶跃.图 3d中，西昌台阵泸沽湖、盐源和小庙台在2008—2009、2012—2013年间的数据变动大.总体上，将龙门山、盐源断裂带附近各场地的 ESP、Δ ESP数据曲线分别对比，其特征与图 3b中的①、②结论基本相同.
应指出，2008—2013年中期，上述台站观测系统基本没有出现长时间故障，成都、汉王、宝鸡、小庙等场地存在相对复杂的电磁环境，图 3(b—d)表明其 ESP、Δ ESP趋势性转变仍然与相邻场地具有较好的时间同步性；图 3(b，d)的小黑色箭头表明电极更换可能导致 ESP出现阶跃；2010年5月初前后，小庙 台布极区内埋设金属管道的影响在4个月内较明显. 3.2 局部区域内自然电场变化特征
青藏高原东缘2个地电场台阵建于2007年，西昌台阵 ESP变化特点在3.1小节已分析，天祝台阵由古丰、景泰、松山、红沙湾和黄羊川5个台组成，相邻间距不超过50 km.
图 4a是天祝台阵地电场台、邻区断层分布图.图 3a表明景泰、古丰分别接近海原和祁连山主断裂带，图 4a表明其他3个台附近还有较小的断裂带.
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图 4 天祝台阵台站分布及 ESP、Δ ESP趋势转折(2008-01-01—2013-06-30) (a)台站、断层分布;(b)古丰、松山和红沙湾台 ESP变化. Fig. 4 Distribution of stations and the trend turnings of ESP and Δ ESP of the Tianzhu array(2008-01-01—2013-06-30) (a)Distribution of stations and faults;(b)Changes of ESP at Gufeng，Songshan， and Hongshawan stations. |
图 4b绘出了古丰、松山和红沙湾场地 ESP和Δ ESP曲线，景泰场地曲线见图 3b.2008—2012年，这四个场地 ESP显示出年变形态，但不同方向、不同时段，ESP年变波形及稳定性不同.2009年2月、2010年10月、2012年2月，古丰 ESP、Δ ESP趋势转折前后，松山、红沙湾场地数据有相应剧变对应.可 见，在这一局部区域，各场地 ESP、Δ ESP变化特征与图 3b中的①、②结论同样基本相同.
由图 3、图 4可知，南北地震带附近多数场地 ESP不具有清晰年变波形，天祝台阵内多数场地 ESP年变波形不稳定；在 ESP的变化形态中，持续数月较平稳的升降、数日内的快速跃变、阶跃、突跳等现象常见；通常，场地 ESP、Δ ESP变化表现出方向性和局部场地特征.同一主断裂带附近、局部区域内，不同场地 ESP大幅跃变、突跳或渐变等趋势转折点多具有时间同步或准同步性，同一时段数据稳定性可能类似，但形态变化存在场地因素而不具相关性. 4 自然电场变化机理初步解析 4.1 自然电场跃变、突跳的可能性
场地 ESP不具有明显的短时周期性，震情复杂 区域其跃变、突跳等变化的可信度较难判断.在图3、图 4中，同一主断裂带附近或局部区域内，多台 ESP跃变、突跳等趋势性转折点时间同步或准同步性表明了其现象具有相当的可靠性.对前几年的震例分析中，这种大幅阶跃、突跳也常见(谭大诚等，2012)；图 5(a，b)分别是新疆温泉、四川甘孜台站的体应变与地电场观测曲线，在数百米范围内，场地应变变异或部分波形转折处，地电场出现了明显的跃变、突跳.20世纪80年代后，郭自强等(1999)、郝锦绮等(2003)，钱书清等(1996)在岩石破裂实验中也检测到电磁信号跃变、突跳现象，只是这些实验检测的电磁信号频率更高.
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图 5 地电场(上)与体应变(下)对应变化 (a)温泉台；(b)甘孜台. Fig. 5 Corresponding variations of the spontaneous field(upper) and the volume strain(lower) (a)Wenquan station;(b)Garze station. |
图 5中的地电场E曲线以分钟观测值绘制，在其发生跃变、突跳时，周围其他台地电场没有类似变异现象，这期间温泉NS、甘孜EW方向的地电场日变波形基本清楚.可见，这两台E曲线的跃变、突跳是 ESP变化导致.
应指出，ESP源于地下介质的物理、化学过程，其机理不仅与应变关联，也与流体渗流、流体与介质的化学作用等相关，因此场地 ESP的跃变、突跳并不能始终与应变变异对应，但图 5所示情况表明场地 ESP在构造活动中能够发生跃变、突跳等现象. 4.2 自然电场变化机理初步解析
应用主断裂带附近或局部区域内多台 ESP、Δ ESP变化的对应关系，基本可识别其可靠性，但不能认识其变化的微观机理.地电场是自然电场 ESP、 大地电场 ET的叠加. ET虽起源于空间电流、潮汐力，但在具体观测场地，各方向 ET的日变波形特征与 ESP都受场地水文地质、应力应变、流体渗流等因 素的影响(陈颙等，2009；谭大诚等， 2011，2012，2013). 因此，同场地的 ESP、 ET的变化应存在关联性.
以南北地震带南段的盐源、北段的松山台站为例，分别选取这2个台站 ESP变化较剧烈的一段时间，依照(11)式解析其场地裂隙水主体渗流α角，结果如图 6所示.
2012年9月7日云南彝良发生MS5.6地震(104.03°E，27.33°N)，图 6a是震前30余天的盐源场地 ESP(EW)、α变化曲线，上、下两曲线变化形态具有时间对应性，说明场地 ESP(EW)的临震变化可能与裂隙水α角不稳定相关.在甘肃天祝附近，2010年10月11日发生MS3.4(102.2°E，37.5°N)、11月20日发生MS3.6(102.9°E，37.5°N)地震，图 6b是松山场地 ESP(EW)、α变化曲线，在 ESP(EW)剧变期间，α角也发生了间断性跳变.
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图 6(a)盐源和(b)松山 ESP(EW)(上)与裂隙水主体渗流方位(下)的对应变化 Fig. 6 Corresponding variations of ESP(EW)(upper) and preferred orientation of crack water seepage(lower)at(a)Yanyuan and (b)Songshan stations |
在图 6b和图 4b中，松山场地 ESP和Δ ESP自2010年8月底出现剧烈变化，图 7a是其3个方位地电场 E 在剧变前后的分钟值原始曲线.8月28日，EW方位地电场 EEW出现大幅度跃变，而 ENS、 ENW却稳定.图 7b是该台持续2年的 ESP(EW)曲线，明显跃变一次发生在2009年4月8、9日，另一次始于2010年8月28日.
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图 7 松山 ESP(EW)变化的物理解析 (a)地电场分钟值曲线;(b)ESP(EW)变化;(c)裂隙水主体渗流方位逐日变化;(d)主压应力偏转与裂隙发展;(e)松山与古丰台站的α变化. Fig. 7 Physical analysis of variations of ESP (EW)at Songshan station (a)Curve of minute values of the geoelectric field;(b)Variations of ESP(EW);(c)Diurnal variations of preferred orientation of crack water seepage;(d)Variations of orientation of principal compressive stress and development of cracks;(e)Variations of preferred orientation of crack water seepage at Songshan and Gufeng stations. |
剪切破裂与主压应力夹角小于45°，当围压十分高时，默雷尔(Murrell)的结论是破裂面与最大主应力的夹角趋于45°(陈颙等，2009).松山场地岩石是含水度低的碎屑岩，NS、NW方向潮汐波相关性更好，场地α角在2009年3月前基本稳定在图 7(c，d)所示的N160°E(N20°W)左右(谭大诚等，2013)，基本符合该区域主压应力σ1的方位(约N20°E)(刘百篪，1979；许忠淮等，1989；张培震等，2002；崔效锋等，2006；徐纪人等，2008).
2009年3月中旬，场地α角剧烈变化，4月底稳定在N180°E(NS方位)附近；2010年10月10日及后期多次、大幅度变化均使α角接近N90°E(EW方位).
图 7d左图内的绿色虚线标示出了2009年3月前裂隙水主体渗流α角(N20°W)，则理论上σ1方位接近N25°E；2009年4月后，α角如图 7d中图的绿线L1方位，场地σ1可能已偏转至N45°E附近；如果推论2010年8月28日场地岩体发生了沿另一共轭剪裂面L2方位的裂隙扩展，如图 7d右图的红色虚线方位，则当天地电场 E 在EW方向就应剧变.由于观测曲线在NS、NW方位没有明显变化，可进一步推测场地出现了2个共轭剪裂面L1、L2并存的状况，NS方位裂隙水主体渗流受制于L1剪裂面，EW方位裂隙水主体渗流受制于L2剪裂面.
图 7e是松山、古丰场地2009—2011年α角的变化曲线(取每月5、15、25日计算)，两台分布、 E 变化曲线见图 4.松山场地在2009年3、4月间，α角由N20°W偏转至近NS方位，而古丰场地这一现象则发生在2010年10月，与松山场地同时期α角的大幅变化对应.这可能反映了陈颙等(2009)指出的岩石裂隙膨胀过程存在局部性.应说明，该区域各场地近年基本都有这一趋势，但时间不一致.
局部场地σ1变化可能复杂(崔效锋等，2006)，而应用潮汐地电场频谱特征及α角，可能对场地岩体裂隙水渗流、裂隙及σ1方位变化进行逐日跟踪.这对 ESP变化的机理理解、应用地电场观测资料研究区域震情的发展，以及多学科的交叉分析可能重要. 5 结论与展望
(1)自然电场 ESP、大地电场 ET可能具有同一种微观机理过程，但其不是各自的全部微观机理过程.以年尺度分析，ESP的稳定性因区域、场地及方位而异，不同场地 ESP年变波形差异可能大.南北地震带附近多数场地 ESP不具有清晰的年变波形，天祝台阵局部范围内近几年的年变波形不稳定.
(2)在 ESP变化形态中，持续数月较平稳的升降、数日内的快速跃变、阶跃、突跳等现象常见.同一主断裂带附近、局部区域内，ESP大幅跃变、突跳或渐变等趋势转折点多具有时间同步或准同步性，同一时段数据稳定性可能类似，但形态变化存在场地因素而不具相关性.
(3)ET相对稳定的主体成分是潮汐地电场，依据其频谱特征逐日计算裂隙水主体渗流α角，这既是 ET在局部场地的定量应用，也是探寻 ESP变化机理的方法之一，其应用可能揭示场地岩体裂隙水渗流、裂隙、主压应力与地电场内在关联性.
总体上，本文分析的场地、数据有限，全面、深入解析地电场台网主布局区和局部场地的数据应是学科发展的需要.
致谢 感谢中国地震局地震预测研究所钱家栋研究员、中国地震局地质研究所赵国泽研究员、北京大学黄清华教授的支持；感谢甘肃、四川、新疆、宁夏、陕西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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