0 引言

地电场是地球表面天然存在的电场，也是重要的地球物理场之一。按照不同的场源，地电场主要包含大地电场和自然电场（孙正江等，1984）。大地电场来自地球外部电离层中的各种电流体系，以及日、月潮汐作用，具有全球同步或区域性相似特征；自然电场源自于地下介质的物理、化学反应引起的正负电荷分离、运移而产生的电效应，具有局部相对稳定变化的特征（中国地震局监测预报司，2010）。

早在19世纪初地球表层存在电流就被认知到，但学者没有进行系统的研究（傅承义等，1985）。而19世纪中期，相关研究工作主要是解释地球变化磁场的成因（孙正江等，1984）。直到20世纪，苏联科学家Sobolev在Kamchatka地区一次地震前观测到了地电流异常变化现象（Sobolev，1975），研究人员才开始地震地电场观测和分析工作。较大规模的分析研究从希腊科学家Varotsos等提出VAN方法以后出现（Varotsos et al，1984a，b；Uyeda et al，2000，2001，2002；Ifantis et al，2007；Orihara et al，2009），并引起了国内外学者的广泛关注（Varotsos et al，1988，2003；冯志生等，1998；董颂声等，1999；郝建国等，2000）。

随着地电场观测资料和地震事件的不断积累，研究工作逐步深入的同时，也提高了地电场分析研究地震的影响力（Dologlou，1993；赵玉林等，2001；Telesca et al，2004；马钦忠等，2004；Varotsos et al，2006）。近年来，国内学者在地电场的变化特征和机理认识方面开展了很多有意义的研究工作。通过地电场波形的形态、幅度、周期、区域性变化等特征的分析研究，掌握了其正常背景特征（黄清华等, 2006, 2010；谭大诚等, 2010, 2013, 2014）。使用极化特性、频谱分析和数值模拟等方法（毛桐恩等，1999；Eftaxias et al，2001；黄清华等，2006；范莹莹等，2010；谭大诚等, 2014, 2019；安张辉等，2015；Ren et al，2015）获得了震前地电场的异常特征和相关物理机制。

在地电场异常识别方面，谭大诚等(2010, 2014, 2019)基于对岩石裂隙结构的认识，提出了大地电场优势方位角方法，目前应用较多。研究人员应用该方法对地震事件开展了回溯性分析研究（谭大诚等，2019；艾萨·伊斯马伊力等, 2020, 2021；刘长生等，2020；侯泽宇等，2021；辛建村等，2021；王宇等，2021；张志宏等，2021），并得出在地震发生前大地电场优势方位角有明显的异常变化，表明该方法对地震事件有较强适用性。

据中国地震台网中心（CENC）测定，北京时间2022年1月8日1时45分在青海省海北州门源县发生M_S 6.9地震，震中位于（37.77°N，101.26°E），震源深度10 km。本次地震位于青藏高原东北缘的冷龙岭断裂和拖莱山断裂交会处，震中周围平均海拔超3 600 m，区域内地质构造复杂，数条次级断裂交错分布发育，形成褶皱、逆冲和左滑的组合构造特征，导致门源地区成为中国境内构造运动和地震活动频繁的地区之一（刘洋等，2019；王铭浩等，2021）。为研究、总结门源M_S 6.9地震前后地电场的变化特征，拟利用谐波分析和大地电场优势方位角方法，对此次地震震中300 km范围内9个地电场台站近2年的观测资料进行分析，并对震前地电场谐波振幅和优势方位角的异常现象进行探讨，以期为地电场异常信号的研究提供一定参考。

1 资料选取

地电场观测主要通过测量固体不极化电极间的电位差，利用电位差除以电极距得到电场强度。由于地电场具有矢量特性，为了得到地电场强度及方位信息，在进行地电场观测时通常采用多方位、多极距的测量方式，通常电极布设方向是东西（EW）、北南（NS）和斜道（NW/NE），且沿每个方向布设长、短2个极距，共6个测道。电极布设采用“十”字型或“L”型方式。电极埋设在冻土层以下（通常为地面2 m以下），仪器产出为分钟值，频带范围为DC—0.005 Hz，分辨率为10 μV以上。

针对青海门源M_S 6.9地震，选取震中300 km范围内的门源、金银滩、武威、山丹、古丰、黄羊川、松山、兰州和高台共9个地电场台站记录进行分析。各个台站的概况见表 1，台站位置如图 1所示。所使用地电场观测资料来源于中国地震台网中心，时间范围为2020年1月至2022年1月，选取NS、EW和NE（NW）测向作为研究对象，部分台站观测资料波形见图 2。

这些台站自建台以来运行规范，数据较为稳定且数据背景变化特征显著。以门源和山丹台为例，利用谐波分析方法对地电场分钟值数据进行了计算，得出前10阶谐波周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h，图 3是2个台站的日变波形及前10阶谐波振幅。由图 3可见，地电场日变化谐波振幅的前3阶占主体地位。因此，将主要对前3阶谐波振幅的累加进行分析。

2 分析方法 2.1 谐波分析方法

本文应用谐波分析法对地电场观测的分钟值数据进行数字信号处理，该方法的本质是快速傅里叶变换（FFT）的三角函数展开。因此，谐波振幅A_i的计算过程如下。

对于一个数据序列y_t，从数学上可以表示为

$\mathrm{y}_t=\bar{y}+\sum\limits_{i=1}^{n / 2} A_i \cos \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{π} }} i t}{n}-\phi_i\right)=\bar{y}+\sum\limits_{i=1}^{n / 2} a_i \cos \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{π} }} i t}{n}\right)+b_i \sin \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{π} }} i t}{n}\right)$

(1)

$\phi_i=\left\{\begin{array}{cl} \arctan \left(\frac{b_i}{a_i}\right) & a_i>0 \\ \arctan \left(\frac{b_i}{a_i}\right) \pm {\rm{ \mathsf{π} }} & a_i<0 \\ \frac{{\rm{ \mathsf{π} }}}{2} & a_i=0 \end{array}\right.$

(2)

其中

$a_i=\frac{2}{n} \sum\limits_{i=1}^n y_t \cos \frac{2 {\rm{ \mathsf{π} }} i t}{n}$

(3)

$b_i=\frac{2}{n} \sum\limits_{i=1}^n y_t \sin \frac{2 {\rm{ \mathsf{π} }} i t}{n}$

(4)

因此，谐波周期及振幅计算公式为

$T_i=\frac{n}{i}, \quad A_i=\sqrt{a_i^2+b_i^2}$

(5)

式中，i表示阶数，n是1天内地电场观测的1 440个分钟值。

2.2 大地电场优势方位角方法

基于大地电场的潮汐机理（黄清华等，2006；谭大诚等，2010），岩体裂隙水中的电荷在潮汐力作用下以日为周期渗流，这样就建立了大地电场E_T的岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型（谭大诚等, 2014, 2019），岩体裂隙结构的优势方位基本就是大地电场E_T的优势方位。当地电场观测中NS、NW测向之间相关系数最大时，地电场优势方位角的计算模型如图 4所示（谭大诚等，2014）。前人的研究结果表明，大地电场优势方位角出现异常现象可能与研究区域的断裂（断层）走向有关，当地电场测向与发震断裂（断层）走向一致或夹角相差不大时，可能更容易观测到地震异常现象（侯泽宇等，2021）。

因此，NS、NW测向之间的大地电场优势方位角α计算如公式（6）（谭大诚等, 2014, 2019）。如果计算其他测向之间的大地电场优势方位角α时，需对公式进行相应的变化（王宇，2021）。

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

(6)

式中，A_NW(i)、A_NS(i)分别为NW、NS测向的第i阶潮汐谐波振幅。

通常情况下，大地电场的方位会在一定范围内波动变化。优势方位角变化异常的判断依据是，在一个区域内或同一条断裂带附近，多个台站优势方位角随机跳变的范围或跳变的中间值发生准同步显著变化，一般为45°左右或90°左右，且持续1周以上。

3 数据处理结果

从结果来看，谐波分析和大地电场优势方位角方法均能发现与此次门源M_S 6.9地震相关的疑似异常现象。

3.1 谐波振幅

图 5是震中周围部分地电场台站的谐波振幅结果。由图 5可见，门源台自2021年8至12月振幅变化范围出现明显的增大，但在震前急剧减小；武威和松山台出现的异常现象比较相似，并且2个台站出现此异常现象的时间比较同步；古丰台在2021年9至11月相比于2020年相同时期的振幅变化离散度更大；金银滩台振幅变化相对于其他台站来讲，异常现象并不显著，更像是一种周期性的变化，而山丹台则没有出现明显的异常现象。

3.2 大地电场优势方位角结果

图 6是震中周围部分台站的地电场优势方位角结果，表 2是此次地震地电场台站的优势方位角变化详细情况。在9个地电场台站中，有7个台站位于甘肃省境内，其中5个出现明显的异常现象，分别是：武威台在2021年4月开始逐渐偏转，偏转角度最大约50°；古丰台在2021年9至11月跳变范围Δα收窄约50°；松山和黄羊川台均出现突跳现象，但松山台晚于黄羊川台2个月发生突跳现象；而山丹台没有出现明显的异常现象。位于青海的台站有门源和金银滩台2个，门源台的异常现象则是在2021年9至12月变化范围Δα收窄约100°；而金银滩台自9月开始变化范围Δα增大，但异常现象并不显著。

4 讨论

由于谐波振幅的结果可以表示日变幅度的变化，因此，采用占主体地位的前3阶谐波振幅和来进行分析研究。从谐波振幅结果来看，门源M_S 6.9地震前大部分地电场台站，谐波振幅在震前2—6个月有明显增大的现象。这个现象与汶川地震前电磁场频谱出现的异常非常相似（范莹莹等，2010；安张辉等，2011），也主要表现为低频部分，其产生的原因可能是孕震晚期阶段，断层（岩石）破裂导致介质内部微裂隙定向排列并呈现雪崩式发展（Nur，1972；Scholz et al，1973），从而使震源区介质中的电子或离子导电并激发出低频电磁信号，这些电磁信号通过特定的导电通道传播到台站（Varotsos et al，1998；Huang，2005），从而引起了地电场观测幅度的异常增大。此外，异常现象在各个台站出现的时间、异常幅度也有所不同，这些可能与激发的电磁信号的传播机理以及台站局部的构造环境有密切关系，仍需进一步深入研究。

根据陈颙等（2009）对构造物理学岩体内部裂隙发展过程的研究结果，以及地电场优势方位角变化的机理，分析发现，9个台站所处区域岩体裂隙结构可能处于不同的发育阶段。武威、山丹、黄羊川、松山、金银滩和高台6个台站处于发育阶段，其中武威、黄羊川和松山3个台站岩体裂隙出现明显的异常现象；门源、古丰和兰州台处于破碎阶段，其中门源和兰州台岩体裂隙出现明显的异常现象。从震中距范围来看，在200 km范围内的台站岩体裂隙结构异常占66%，且异常主要表现为α偏转、α突跳范围增大或收窄。此外，对比2016年门源M_S 6.4地震的相关研究，结果见表 3（谭大诚等，2019），发现震中距较近的台站更容易观测到异常现象，并且异常所反映的岩体结构变化形态比较一致，从侧面反映出相关异常结果的可靠性。此外，从出现异常台站所处构造位置来看，当台站和震中位置处在同一断裂带附近时，更容易观测到地震异常现象（Hou et al，2021）。

从大地电场优势方位角结果来看，虽然2次地震震中位置相距不到40 km，但同一台站对2次地震所表现出的异常现象有显著差异。例如，武威、古丰、黄羊川和松山台均在2次地震前约2—6个月出现异常现象，但在门源M_S 6.4地震时，武威、黄羊川和松山台在震前约2—6个月出现明显剪裂现象，而门源M_S 6.9地震时，则表现出突跳、偏转的异常现象，并且门源M_S 6.4地震时异常强度更大。导致这一现象的原因可能与2次地震震中的地质构造、震源机制有关。首先，门源M_S 6.4地震震中位于冷龙岭北断裂，该断裂带属于逆冲型断裂（潘家伟等，2022），门源M_S 6.9地震震中位于冷龙岭断裂带西北端与托莱山断裂的阶区，孕震区活动构造不同，可能造成异常现象出现了差异。其次，从2次地震的震源参数（表 4）（李振洪等，2022）分析，门源M_S 6.4地震类型为逆冲型地震，发震断层面倾向SW（胡朝忠等，2016；梁姗姗等，2017；Wang et al，2017）；门源M_S6.9地震类型为左旋走滑型地震（李振洪等，2022），不同的地震类型可能会对地电场产生不同影响，导致异常现象出现差异性。

5 结论

本文利用谐波分析方法和大地电场优势方位角方法，对2022年1月8日门源M_S 6.9地震震中300 km范围内，9个地电场台站从2020年1月至2022年1月地电场观测资料进行了分析。在讨论部分，除对不同台站的谐波振幅异常进行讨论外，还对比2016年门源M_S 6.4地震地电场优势方位角结果，对震源区的地构造和震源参数信息进行了讨论，得出以下研究结论。

（1）通过对震前地电场观测资料谐波振幅的分析，发现震前约半年时间开始出现振幅异常增大现象，但不同台站的异常表现形式亦有所不同。

（2）根据谐波分析和大地电场优势方位角的结果可知，距离震中范围越近的地电场台站越容易观测到异常现象。

（3）震中周围地电场优势方位角出现的优势方位偏转和突跳范围增大或收窄等异常现象，反映出岩体裂隙结构发生了一定变化。

（4）通过与2016年门源M_S 6.4地震的异常现象对比，发现二者优势方位角的异常形态有较大的不同，分析认为可能与2次地震震中位置的地质构造，震源机制以及发震断层的属性有一定关系。

总体上，门源地区2次地震前大多数台站大地电场优势方位角出现异常现象，且异常变化在时间上存在同步性或准同步性，但有一些台站没有表现出明显的异常现象，而且出现异常的台站其异常形态、强度等存在差异性，这些差异可能与地震地电场产生、传播等机制有关，此方面仍需要进一步深入研究。