1 研究背景

岩石破裂实验结果表明, 地震是应力持续加载并最终导致岩体突然张裂、断裂和错动的结果, 伴随着应力应变的持续积累, 岩土介质的物性参数会发生变化, 在孕震晚期会产生电磁辐射, 而且, 地电场在多次中强地震前具有中短期异常。因此, 开展大地电场观测与研究, 有助于深入认识地壳构造运动规律, 同时对地震灾害短临预测研究具有重要意义。

在日常震情跟踪中发现, 地电场观测易受区域电磁环境、场地条件、观测装置和仪器以及气候因素等影响, 地震电信号容易淹没在干扰之中。近年来, 基于对大地电场物理解析的深入认识, 探索了自然电场、大地电场初步分离原理（谭大诚等, 2012）, 逐步发展出大地电场优势方位角分析方法（谭大诚等, 2019）。该方法具有机理解释较好、抗干扰性能强等优点（辛建村等, 2017）。本文将应用芦山M_S 7.0、玛多M_S 7.4地震震中周边地电场观测台站记录, 利用大地电场优势方位角分析方法, 对2次地震前地电场观测资料进行分析, 讨论震前地电场异常变化特征, 旨在从中证明强震前地电场观测资料存在中短期前兆变化信息, 为今后利用地电场方法预测地震积累经验和震例。

2 研究方法

大地电场优势方位角方法的基本原理是, 基于大地电场E_T日变波形的时域和频域特征, 提出大地电场的潮汐机理, 其日变化形成的物理过程是固体潮（或Sq电流）导致岩石裂隙水（电荷）沿裂隙的日周期渗流（移动）, 因此岩石裂隙结构改变会影响大地电场潮汐波强度、方向, 使得源于空间电流系和潮汐作用的大地电场与岩体裂隙结构密切关联（谭大诚等, 2019）。

而岩石物理学和岩石破裂实验表明, 加压初期的岩石裂隙小而无序, 压力增大会使裂隙发育并呈现有序排列, 破裂时有明显的剪裂、黏滑现象。在实际的构造活动中, 地下介质的应力积累会导致岩体裂隙结构发生变化, 从而使得大地电场E_T的强度或方向发生变化。因此, 岩体裂隙结构的优势方位基本就是大地电场的优势方位。故应用大地电场潮汐波岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型, 可跟踪和探寻岩体裂隙结构及演变过程。

其计算过程利用相对稳定的潮汐波（潮汐地电场）, 采取了抽取特定信号分析, 即对每日1 440个分钟值数据开展FFT信号数据处理, 并计算前10阶（周期为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的潮汐谐波）谐波振幅和的比值, 利用潮汐谐波振幅可计算场地岩体裂隙优势方位α角及其变化。设潮汐地电场（大地电场主要成分）为E_T, 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, 在实际场地中, NS、NW测向之间的E_T相关性可能会较高, 表明裂隙优势走向应介于NS、NW向, 表明裂隙优势走向应介于EW、NW之间。逐日计算场地岩体α角公式如下:

$ \alpha \approx 180^\circ - \left({180/{\rm{ \mathsf{ π} }}} \right) \times {\tan ^{ - 1}}\left({\sqrt 2 \frac{{\sum\limits_{i = 1}^{10} {{A_{{\rm{NW}}\left(i \right)}}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^{10} {{A_{{\rm{NS}}\left(i \right)}}} }} - 1} \right) $

(1)

3 研究结果

采用大地电场优势方位角分析方法, 应用大地电场岩体裂隙模型, 对2013年4月20日四川芦山M_S 7.0地震与2021年5月22日玛多M_S 7.4地震进行分析。

（1）芦山M_S 7.0地震。此次地震震中附近500 km范围内共分布11个地电场观测场地, 通过地电场优势方位角计算, 可知天水、汉王、成都、崇明、泸沽湖5个场地岩体裂隙结构在震前1—4个月出现明显的异常现象（图 1中空心三角形）, 结果见图 2。由图 2可见: 在震前4个月, 距震中100 km的成都场地, 方位角跳变出现明显收窄, 震中300 km的泸沽湖场地, 方位角跳变出现缓慢偏转；在震前2个月, 距300 km的汉王场地, 方位角跳变出现明显快速偏转；在震前1个月, 距震中500 km的天水与崇明场地, 方位角跳变出现明显突跳。可见, 方位角异常集中出现在震前1—4个月, 异常场地集中出现在同一级块体附近, 异常形态以优势方位角跳变范围出现持续突跳、偏转、明显收缩为主。此次地震发生后, 弥渡、元谋台2个场地岩体裂隙结构出现由无序到有序变化, 具有时间准同步性现象, 应为场地受应力挤压所致。

（2）青海玛多M_S 7.4地震。此次地震震中附近500 km范围内共分布8个地电场观测场地, 通过地电场优势方位角计算, 结果见图 3, 可知大武（2套）、玛曲、甘孜4个场地岩体裂隙结构在震前11个月出现明显的异常现象（图 4中空心三角形）。由图 3可见: 在2020年5月中旬, 大武（新旧2套观测场地）、玛曲、甘孜4个场地方位角跳变范围出现或快或慢的持续偏转趋势变化, 偏转最大范围近90°, 且场地异常出现具有准同步性, 处于同一次级块体, 异常形态相似, 说明由地电场优势方位角计算的异常台站受构造影响显著, 具有场地选择性。异常集中出现在震前11个月, 表现为方位角跳变范围出现明显的持续偏转现象, 偏转达45°或90°。与芦山地震相似, 玛多地震异常场地均处于同一次级块体, 而地处其他次级块体的台站均未出现异常, 显示异常响应受构造影响。

4 结束语

综合分析认为: 在复杂的构造环境下, 计算一个区域的大地电场优势方位角, 可以显示区域大震、强震、中小地震的大背景, 且随着震中附近孕震过程中应力的不断变化, 岩体裂隙结构也会相应发生变化。也就是说, 多个场地大震前出现准同步优势方位角跳变异常是真实存在的, 属于地下介质变化的真实反应, 异常形态主要以优势方位角跳变范围出现或快或慢的持续偏转、突跳为主, 且异常场地受构造影响, 与地震震中位于同一条构造上, 且震前异常具有准同步性, 但也存在场地选择性。

甘肃、青海、四川等省地震局为本研究提供了观测数据, 在此表示感谢。