辛建村,张晨蕾

(陕西省地震局,陕西 西安 710068)

0 引言

地电场是重要的地球物理场,也是进行地震监测预报的重要判据之一。地电场观测数据包含了大地电场、自然电场和干扰成分[1]。

2021年5月21日21时48分,云南大理州漾濞县(25.67°N,99.87°E)发生MS6.4地震,震源深度约8 km。在漾濞县MS6.4地震发生后,5月22日凌晨2时04分,青海果洛州玛多县(34.59°N,98.34°E)发生MS7.4地震,震源深度约17 km。地震后据相关专家介绍,云南地震和青海地震本身没有关联,但是两个地震的力源上还是有一定的关系,近期印度板块的活动有增强的态势,我国青藏高原主要是受到印度板块的碰撞挤压作用,因此受到一定影响。地下岩体裂隙结构变化与板块构造运动、应力应变等关系密切,小尺度岩体块体内的微裂隙分布、裂隙水渗流非常复杂,但宏观大尺度岩体内的裂隙水渗流或裂隙水中电荷移动主要沿裂隙进行。数百米量级的地电场观测场地属宏观尺度,观测到的因裂隙水渗流或水中电荷移动产生的电场方向则接近裂隙优势方位[2-3]。大量的研究表明地震地电场异常现象客观存在[2-11],通过地电场观测数据计算台站场地下方岩体裂隙主体方位可跟踪裂隙动态变化,这也是近几年地电场在地震前兆方面应用的尝试和探索。

中国大陆现有110余个地电场观测台站,漾濞县MS6.4地震震中500 km范围内地电场台12个、玛多县MS7.4地震震中500 km范围内地电场台9个,应用这些台2020年1月1日至2021年6月10日的观测数据,根据大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,计算了地电场优势方位角[11],同时也计算了不同方位间的相关系数[12],总结了地震前地电场数据的变化情况,旨在从中得到一些有意义的前兆信息。

1 漾濞县MS6.4地震

1.1 震中周围地电场台站分布

漾濞县MS6.4地震震中500 km范围内地电场台站共12个,其分布情况如图1所示。其中位于云南省境内9个,四川省境内3个,各台震中距见表1所列。

图1 漾濞MS6.4地震震中500 km范围内地电场分布图Fig.1 Geoelectric field distribution within 500 km of the epicenter of Yangbi MS6.4 earthquake

1.2 地电场优势方位角分析

基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,在NS、NW测向地电场数据相关性高时,大地电场优势方位角(即裂隙优势方位角,α代表北偏东角度,若为负表示北偏西)计算公式如下[11]:

(1)

式中:Ai是第i阶潮汐谐波振幅,计算中应用周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h。需指出,当应用其他方位组合计算时,式(1)需做相应调整。

基于式(1)计算了漾濞县震中周围12个台2020年1月1日—2021年6月10日地电场优势方位角。图2展示了罗茨、泸沽湖、元谋苴林、盐源等台的方位角变化情况,其中罗茨台优势方位角如图2(a)所示。可知自2020年10月开始方位角变化范围大幅收窄,收窄后偏转接近45°。图2(c)中的元谋苴林台优势方位角2020年10—12月发生约45°的偏转,两台方位角变化具有同步或准同步性。需说明,罗茨台NE向长极距自2021年5月7日开始出现不明原因的阶跃、缺数等现象,故此段时间方位角未进行计算,按缺数处理。

四川境内的盐源和泸沽湖台距离漾濞地震震中分别为252 km、248 km,从图2(b)和2(d)中可看出两台的方位角变化范围2021年3—4月有逐渐收窄的趋势,且这种现象具有同步性,这在一定程度上排除了受场地环境干扰或装置系统故障影响的可能,而反映孕震过程中区域应力作用下场地裂隙结构发生变化的可能性较大。需说明,盐源台周边高压直流输电线路雅中换流站2021年5月8—15日连续多日调试,对方位角计算有影响,故对这几天的方位角计算结果在绘图中未采用,按缺数处理,但不影响方位角变化趋势的分析。

注:各台下标L(NS/EW)表示应用的是该台NS和EW方向长极距数据,S(NS/EW)表示应用的是该台NS和EW方向短极距数据图2 漾濞MS6.4地震震中周围地电场优势方位角 (2020-01-01—2021-06-10)Fig.2 Dominant azimuth of geoelectric field around the epicenter of Yangbi earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

表1统计了震中500 km范围内12个地电场台优势方位角2020—2021年6月10日的变化情况。距离震中100 km内地电场台站3个,其中洱源、祥云台地电场优势方位角在漾濞MS6.4地震发生前都有异常变化,特别是临震前10天左右同步出现突跳、偏转等现象,弥渡台方位角看不出明显的异常变化,这可能与地震电信号的场地选择性有关[13]。此外,嵩明、红格、腾冲等3个台地电场优势方位角自2020年以来也看不出明显异常变化。曲江和元谋水化站台方位角在2021年3—5月也有变化范围收窄、突跳等现象。

表1 漾濞县MS6.4地震震中500 km范围内地电场台站方位角变化统计Table 1 Statistics of α of electric field stations within 500 km of the epicenter of Yangbi MS6.4 earthquake

总体上,漾濞县MS6.4地震震中周围12个地电场台,罗茨等8个台地电场优势方位角在临震前出现了异常变化,弥渡等4个台看不出明显异常变化。从时间上看,最早的异常变化开始于2020年9月,最晚的则出现在临震前10余天,且方位角异常变化具有同步或准同步性。异常台站中方位角出现约45°偏转或变化范围收窄的现象较为普遍,占异常台站的50%,这与以往的震例研究结论较为吻合[11],反映了震中附近台站中部分场地岩体裂隙可能出现剪裂现象。

1.3 相关系数分析

盐源、元谋苴林、罗茨、泸沽湖等4个台的相关系数绘制如图3所示。选取相关系数高且变化显著的典型台站进行绘制(需说明本文中的相关系数是指同一台站不同方位间的相关系数,计算方法参照参考文献[12],下文不再赘述)。

盐源[图3(b)]、罗茨[图3(d)]和元谋水化站(未绘出)3台相关系数自2021年3月开始出现大幅度下降,而在临震前10余天相关系数有趋于稳定或上升的现象,且这些变化在时间上具有同步或准同步性。图3(c)中的泸沽湖相关系数自2020年10月开始出现大幅下降,分析中发现洱源、红格、曲江等台相关系数变化与泸沽湖台相似,时间上也具有同步或准同步性。元谋苴林[图3(a)]、弥渡、祥云、腾冲、嵩明等5个台相关系数自2020年以来看不出明显的异常变化。

图3 漾濞地震震中周围地电场台站相关系数(2020-01-01—2021-06-10)Fig.3 Correlation coefficient of geoelectric field stations around the epicenter of Yangbi earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

2 玛多县MS7.4地震

2.1 震中周围地电场台站分布

青海玛多县MS7.4地震震中500 km范围内地电场台站共9个(图4,大武台有两个测点,本文暂认为是两个台),各台站震中距见表2。兰州台电磁环境复杂,需要深入研究,因此本文中不对兰州台进行分析讨论。

图4 玛多县MS7.4地震震中周围500 km范围内地电场台站分布图Fig.4 Distribution map of electric field stations within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake

2.2 地电场优势方位角分析

基于式(1)计算了玛多县震中周围8个地电场台优势方位角,其中门源、大武(测点1)、玛曲、甘孜等4个台的方位角绘制如图5所示。

门源台地电场优势方位角自2021年1月开始跳变范围收窄成约45°[图5(a)],临震前10余天方位角变化较为稳定。

图5(c)中玛曲台方位角跳变范围2020年11月—2021年3月收窄成约45°,临震前两个月突跳明显增多。

图5 玛多县MS7.4地震震中500 km范围内地电场台优势方位角(2020-01-01—2021-06-10)Fig.5 Dominant azimuth of electric field station within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

大武台(测点1)地电场优势方位角在2020年5月出现约45°偏转,之后持续到2021年3月,2021年4月开始向原来的方位偏转,如图5(b)所示。图5(d)中甘孜台方位角2020年6月发生约90°偏转,2021年3月开始出现间断突跳。

表2统计了玛多县MS7.4地震震中500 km范围内地电场台2020—2021年6月10日方位角变化情况。其中,都兰、白水河、金银滩、大武(测点2)等4个台地电场优势方位角自2020年以来看不出明显的异常变化。总体上,8个地电场台中4台方位角在地震前出现了异常变化,4台看不出明显异常变化。

表2 青海玛多县MS7.4地震震中500 km地电场台站统计Table 2 Statistics of geoelectric field stations within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake

2.3 相关系数分析

图6绘制了震中周围玛曲、门源、大武(测点1)、甘孜等4个台的相关系数。玛曲[图6(a)]、门源[图6(b)]、大武(测点2,未绘出)等3台相关系数2020年11月—2021年2月跳变幅度大幅收窄,变化趋于稳定。甘孜和大武(测点1)台地震前2个月相关系数开始出现了大幅下降[图6(c),(d)]。

图6 玛多县MS7.4地震震中周围地电场相关系数Fig.6 Correlation coefficient of geoelectric field around the epicenter of MS7.4 earthquake in Maduo County

都兰、白水河、金银滩等3台相关系数自2020年以来看不出明显异常变化。8个地电场台中5台相关系数出现了异常变化,且在时间上具有同步或准同步性,可能反映了构造作用下区域应力发生了非均匀变化[12]。

3 讨论与结论

地电场数据易受场地周围电磁环境影响,较常见的有城市轨道交通、高压直流输电线路、厂矿企业等,此外还有磁暴引起的地电暴干扰、同场地地电阻率观测人工供电干扰等,这些干扰源或多或少都会对地电场观测产生不同程度的影响。在地电场数据应用中未特意说明所受干扰情况,一方面是应用地电场两个测向观测数据前10阶谐波振幅和计算场地岩体裂隙优势方位角,因其计算方法及取值特点,理论上方位角受干扰影响可能小。作者曾以平凉台为例,模拟一些典型干扰加载到观测数据中,结果表明方位角在一定条件下受干扰影响确实较小[14];另一方面数据应用长度达527天,且分析的是趋势变化,一般的短期干扰基本不会改变方位角变化趋势;第三是数据变异的可信度分析中,采用同区域多场地准同步性判断原则。由此,个别台站尽管环境条件不太好,如云南罗茨、甘肃玛曲等存在背景性复杂电磁环境影响,但其震前异常信息也可能会表现出来。

通过对2021年5月21日漾濞县MS6.4地震震中周围500 km范围内12个地电场台、5月22日玛多县MS7.4地震震中周围500 km范围内8个地电场台2020年1月1日-2021年6月10日地电场观测数据进行分析,基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,逐日计算了地电场优势方位角(场地岩体裂隙优势方位)的变化情况,以及同一台站不同方位间的相关系数,初步有以下几点认知:

(1)漾濞县MS6.4地震震中周围12个地电场台中罗茨等8个台优势方位角在临震前出现了异常变化,弥渡等4台看不出明显异常变化。异常台站中方位角出现约45°偏转或变化范围收窄的现象较为普遍,占异常台站的50%,可能反映了震中附近异常台站中多数场地岩体裂隙出现剪裂或裂隙受到挤压现象。

(2)盐源等3台相关系数自2021年3月开始出现大幅度下降,而在漾濞地震前10余天相关系数有趋于稳定或上升的现象,泸沽湖等4台相关系数自2020年10月开始出现大幅下降,且这些变化在时间上具有同步或准同步性。元谋苴林明等5台相关系数自2020年以来看不出明显的异常变化。

(3)玛多县MS7.4地震震中周围500 km范围内8个地电场台中门源等4台方位角出现了异常变化,都兰等4个台方位角看不出明显异常变化。

(4)门源等3台在玛多地震前2个月相关系数开始出现了大幅下降,甘孜等2台相关系数2020年11月—2021年2月跳变范围明显收窄,变化趋于稳定。都兰、白水河、金银滩等3台地电场优势方位角和相关系数都看不出明显异常变化。

总体上,漾濞县MS6.4、玛多县MS7.4地震前由地电场观测数据计算的优势方位角与各方位间的相关系数都有异常变化出现,且异常变化在时间上具有同步或准同步性,但其与地震三要素的关联尚需要开展更多研究。

致谢:云南、青海、四川、甘肃等省地震局为本研究提供了数据,审稿专家提出了宝贵的意见和建议,编辑部老师进行了耐心指导,作者在此一并表示衷心的感谢。