0 引言

地电场是矢量场，是重要的地球物理场之一。作为地震监测预报的重要手段之一，地电场测项主要观测地球表层的电场分量及其时、空变化，以探寻可能与地震孕育和发生相关联的地电场变化。根据场源不同，地球表层的地电场分为大地电场和自然电场（孙正江等，1984）。大地电场是由地球外部的高空电离层、磁层、对流层的电流体系的电磁感应等各种场源在地表感应产生的变化电场，分布于地球表面广大地区，具有广域性；自然电场是由地下介质由于物理、化学作用在地表形成的相对稳定的电场，具有局域性。我国地电场成规模观测始于“九五”期间，地电场地震前异常变化分析常用研究方法有常规波形分析法（钱复业等，2005）、极化方位法（毛桐恩等，1999）、VAN多极距法（马钦忠，2008；马钦忠等，2011）、长短极距比值法（田山等，2009）、频谱分析法（范莹莹等，2010）和方位角法（谭大诚等, 2010, 2012, 2014, 2019）等。

谭大诚等(2012, 2014)基于大地电场岩体裂隙的优势裂隙方位角法，在探寻地电场宏观现象与微观机理的关联上取得一定研究成果，认为在青藏高原发生中强地震前，2个台站会同步出现反映自然电场趋势变化的日均值E_SP跃变和反映自然电场稳定性的日均值一阶差分∆E_SP高频突跳，认为若E_SP年变化曲线波形稳定、有季节性变化，则表明该区构造活动平稳，否则构造活动剧烈。大震强震频发的南北地震带附近多数台站E_SP不具有清晰的年变波形，其稳定性受区域、场地、方位及构造活动影响，且持续数月较平稳的升降、数日的快速跃变、阶跃、突跳等现象常见；E_SP较平稳期间，应用大地电场E_T潮汐地电场频谱特征逐日计算的裂隙水主体渗流方位角相对稳定，而在其剧烈变化期间的方位角常会明显变化；认为以潮汐地电场频谱特征逐日计算值，可能揭示场地裂隙、裂隙水渗流、主压应力的逐日变化信息，进而解析E_SP、E_T宏观变化的微观机理过程。

谭大诚等(2010, 2012, 2019)运用优势裂隙方位角法，对地震前地电场的变化研究表明，相对稳定的潮汐波（潮汐地电场）是大地电场E_T日变波形的主要特征，岩体裂隙、裂隙水、构造活动等因素会明显影响潮汐谐波的幅度。基于潮汐地电场的岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型，结合地电场观测装置的布设，可以探测岩体裂隙方位角等的变化。地震孕育过程中，应力的加载和卸载能够导致岩体内部裂隙出现变化，方位角计算方法就具备了地震预测意义。近年来震例研究结果表明，强震发生前邻近场地的岩体裂隙优势方位角等可能出现短临异常变化。辛建村等(2017, 2023)就典型干扰对方位角的影响进行了研究，表明优势裂隙方位角法对地电场观测常见干扰具有较好地抗干扰性。此后诸多学者对中强地震前方位角变化展开研究，并成功提取到中强地震前地电场方位角的异常变化（刘长生等，2020；艾萨·伊斯马伊力等，2021；赵玉红等，2021；张国苓等，2021；张志宏等，2021；付阿龙等，2022；辛建村等，2023）。

2020年7月12日河北省唐山市古冶区发生M_S 5.1地震（118.44°E、39.78°N），震源深度10 km，地震造成唐山市震感强烈，北京地区普遍有感。北京地区共布设有通州、延庆2个地电场台站，震中距分别为133 km、225 km，其中通州台因仪器故障，地电场于2019年11月—2020年10月停测。本文使用延庆台地电场预处理数据，运用日均值E_SP、日均值一阶差分∆E_SP和优势裂隙方位角法，分析2020年7月12日古冶M_S 5.1地震前延庆台地电场变化，为今后探寻北京地区M_S 5左右地震前地电场异常变化提供经验借鉴。

1 台站概况及资料选取

延庆台位于北京市延庆县城关镇张庄村（图 1）。台站距延矾盆地北缘断裂约5 km，该区第四系厚度329 m，下伏侏罗系砂岩。2020年延庆台地电场在观测系统2套，测点编号分别为E和F。

测点E地电场于2014年1月1日正式观测，双L型布极[图 2(a)]，EW、NS两测道正交，长、短极距分别为400 m、200 m，相交两测道共用电极，电极采用1 m（长）×1 m（宽）×0.005 m（厚）铅板，地下埋深2 m。外线路使用绝缘铠装电缆，水泥杆架空方式，杆距50 m。观测仪器为ZD9A-2B地电场仪，采样率为1次/min。

测点F地电场于2019年9月开始观测，十字型布极[图 2(b)]，EW、NS两测道正交、NE测道45°斜交，长、短极距分别为300 m、200 m，电极为0.11 m（直径）×0.56 m（高）筒状固体不极化电极，地下埋深5.5 m。外线路使用绝缘铠装电缆，采用地埋方式，埋深2 m。观测仪器为GEF-Ⅱ地电场仪，采样率为1次/min。

选取延庆台E、F测点2套地电场2019—2020年长极距分钟值预处理数据，采用相关系数绝对值高的长极距EW、NE测道进行方位角计算，分析延庆地电场在2020年古冶M_S 5.1地震前的变化特征。

2 研究方法 2.1 地电场观测数据构成公式

地电场主要观测地球表层电场分量的时、空变化，主要构成为自然电场、大地电场和干扰电场。公式表示为

$ E=E_{\mathrm{SP}}+E_{\mathrm{T}}+E_{\mathrm{r}} $

(1)

其中，E_SP代表自然电场，E_T代表大地电场，E_r代表干扰成分。

2.2 日均值计算公式

在电磁环境和观测系统较理想时，大地电场在较小范围内随机波动，设地电场观测分钟值为E_i，应用一天观测数据计算日均值E_SP，简化公式（谭大诚等，2014）如下

$ E_{\mathrm{SP}}=\frac{1}{1440} \sum\limits_{i=0}^{1439} E_i $

(2)

应用式（2）计算E_SP时，因潮汐谐波的周期特点，潮汐地电场的主要影响基本被消除。对无日变波形的地电场，快速傅里叶变换（FFT）频谱分析表明潮汐谐波存在，多数情况下仍为主要谐波成分，式（2）仍成立。

2.3 日均值一阶差分计算公式

日均值一阶差分∆E_SP反映自然电场的稳定性变化。设第j天的自然电场为E_SP(j)，则E_SP逐日跳变∆E_SP公式（谭大诚等，2014）为

$ \Delta E_{\mathrm{SP}}=E_{\mathrm{SP}(j+1)}-E_{\mathrm{SP}(j)} $

(3)

2.4 方位角计算公式

场地岩体裂隙主要在构造作用下形成，宏观大尺度岩体内地下水渗流主要沿裂隙进行。地电场观测场地达到数百米量级，观测到裂隙水渗流电场方向接近裂隙水主体渗流方位。应用大地电场E_T潮汐波日变波形前10阶（23—24 h、12h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h）潮汐谐波振幅和，逐日计算场地岩体方位角α（谭大诚等，2014），公式如下

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

(4)

式中，A_EW(i)、A_NW(i)分别为EW、NW测道第i阶潮汐谐波振幅。取地电场长极距相关系数绝对值高的一组测道进行计算，计算结果即为优势裂隙方位角α。A_i计算如下：

对于一个数据序列y_t（时间序列总数n），数学式表达为

$ y_t=\bar{y}+\sum\limits_{i=1}^{n / 2}\left[a_i \cdot \cos \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π}}} i t}{n}\right)+b_i \cdot \sin \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π}}} i t}{n}\right)\right] $

(5)

式中

$ a_i=\frac{2}{n} \cdot \sum\limits_{t=1}^n y_t \cdot \cos \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π}}} i t}{n}\right) \quad b_i=\frac{2}{n} \cdot \sum\limits_{t=1}^n y_t \cdot \sin \left(\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π}}} i t}{n}\right) $

(6)

则A_i为

$ A_i=\sqrt{a_i^2+b_i^2} $

(7)

3 地电场变化分析 3.1 日均值E_SP变化特征

日均值E_SP主要反映自然电场的趋势性变化。延庆台测点E、F地电场长极距2019—2020年日均值E_SP变化曲线见图 3，可见2套地电场在2020年古冶M_S 5.1地震发生前3个月开始出现年变形态改变的准同步变化。

由图 3可见，该台测点E地电场日均值E_SP在2019年年变形态较为清晰，为正常年变形态，其中EW测道年变形态为一条近平缓的直线，年变化幅度较小；NS、NE测道在1—3月为年变最高值，5月开始下降，至9—10月达到年变最低值，年变幅约85 mV/km。2020年年变呈畸变形态，5月NS、NE两测道转折上升，持续至7月12日古冶M_S 5.1地震发生，震后开始逐步回落。EW测道年变趋势在震后发生改变，呈下降变化。

延庆台测点F地电场2019年9月开始观测，长极距EW、NS、NE三测道至2020年4月年变形态平稳，与测点E地电场相比，年变形态不明显，呈近直线变化。2套地电场年变形态差异主要由测量电极不同所致，测点F所用固体不极化电极不易发生极化、相对稳定。2020年测点F地电场年变幅增加，NE测道4月底5月初快速上升，在7月12日古冶M_S 5.1地震后上升减缓，8月开始逐步回落；EW测道震后年变趋势改变，呈下降变化。3个测道年变幅均有所增加，其中NE测道变化显著。

3.2 日均值一阶差分∆E_SP变化特征

地电场日均值一阶差分∆E_SP反映自然电场的稳定性变化，反映了E_SP跳变、阶跃和快速明显的趋势改变，对其缓慢渐变过程反映弱（谭大诚等, 2012, 2014）。震前∆E_SP高频突跳，EW、NS、NE三个测道均有明显变化；∆E_SP出现明显高频突跳、丛集异常到发震时间最长为3个月，最短为1个月，其变化幅度、持续时间与震级大小和地震距台站远近无明显相关性。延庆台测点E、F地电场长极距日均值一阶差分∆E_SP变化曲线见图 4。

由图 4可见，测点E地电场2020年5月出现1次数据突跳，6月开始持续高频扰动，伴有明显趋势变化，至7月12日发震，震后数据逐渐平稳，趋势有所回落。测点F地电场震前出现3次突跳，震后即恢复平稳变化。整体来看，2套地电场震前3个月开始出现∆E_SP高频突跳或丛集变异。延庆台测点E地电场2019年11月和2020年2月出现2次高值突跳，可能因环境干扰造成铅板电极极化形成极化电位差，从而使得数据快速变化所致，同场地测点F因使用固体不极化电极，性能稳定，不会因环境干扰产生极化电位差，地电场未发生同步变化。

3.3 方位角变化分析

延庆台测点E、F地电场方位角分布见图 5，可见：2019年9月—2020年4月，测点E地电场方位角变化较为平稳，在24° —109°跳变，跳变幅值∆α≈85°，属于方位角的正常跳变，作为方位角背景值，背景值中间值约70°。2020年5月开始至发震，方位角跳变范围收窄，在22° —62°之间跳变，中间值约为42°，跳变范围∆α≈40°，较方位角正常跳变范围收窄约45°。异常持续时间约3个月，发震间隔约3个月（表 1）。

2019年9月—2020年4月，测点F地电场方位角变化较为平稳，跳变值范围24°—109°，幅值∆α≈85°，正常跳变中间值与测点E地电场相同，约70°。2020年5月开始至发震，方位角跳变范围收窄，在21°—65°之间跳变，中间值约43°，跳变幅值∆α≈44°，较方位角正常跳变范围收窄约41°。异常持续时间约3个月，发震间隔约3个月（表 1）。

延庆台测点E、F地电场方位角正常背景值跳变范围相同，中间值约70°，反映了台站所在场地地下岩体优势裂隙方位。王晓山等（2020）对京津冀地区地壳应力场特征进行研究，利用小震震源机制解解析主压应力轴平均值，应力场反演结果见图 6，延庆台位于图中24号方格区域，该区域主压应力轴平均值为74.45°。基于岩石物理学（陈颙等，2009），岩体内部裂隙优势方位接近与主压应力方向平行或成45°夹角。延庆台地电场优势方位角中间值约为70°，与所在24号区域主压应力轴平均值74.45°相当，符合与主压应力方向接近平行的理论。因此，延庆台地电场优势裂隙方位角代表了该区域主要裂隙方向，方位角的改变可以反映地震孕育过程中一定范围内地下应力应变活动。

4 结论

（1）正常状态下，延庆台测点E、F地电场日均值E_SP具有较为清晰、稳定的年变，存在季节性变化，自2020年5月开始出现年变畸变或年变幅改变，表明地震的孕育过程中台站所在区域地下构造活动由平稳到逐渐加剧。

（2）延庆台测点E、F地电场日均值一阶差分∆E_SP于2020年7月古冶M_S 5.1地震发生前1—3个月呈高频突跳或丛集异常，震后数据逐渐平稳。地电场日均值一阶差分可反映日均值突跳、阶跃和快速明显的趋势变化，可有效提取日均值变化不平稳所包含的前兆异常信号，同时剔除铅板电极极化等造成的长期趋势性漂移变化等干扰信号。

（3）2套地电场方位角背景值中间值约为70°，与延庆台所在区域主压应力轴平均值74.45°相当，符合岩石物理学岩体内部裂隙优势方位接近与主压应力方向平行或成45°夹角的理论。延庆台地电场优势裂隙方位角代表了该区域主要裂隙方向，方位角的改变可以反映地震孕育过程中一定范围内地下介质的应力应变活动。

（4）2020年5月开始至古冶M_S 5.1地震发生，2套地电场方位角存在跳变范围收窄异常，变化幅度约为45°，异常持续时间约3个月，发震间隔约3个月，表明应用方位角法，可以提取台站周边300 km范围内M_S 5左右地震前地电场存在的短期异常变化。