場源與場地類型的探討

場源與場地類型的探討

1地表電場數(shù)據(jù)處理19世紀(jì)，人們觀察到地球表面有電流。在20世紀(jì)40年代，s.chapman和j.barbots提出了地球車間和自然車間的概念（孫正江和王華軍，1984）。1984年，希臘科學(xué)家提出了從ses信號（ses-iii，2004；馬欽忠，2008）計算地震的方法。其原理主要基于自然場的數(shù)據(jù)（馬欽忠等，2004；馬欽忠，2008），但仍有爭議（geil，1996；黃清華，2005；黃慶陽，2010）。趙澤等（2009）和唐吉等（2010）進(jìn)行的mt測量深度反演主要基于地球場數(shù)據(jù)和頻譜分析（黃清華、劉濤，2006；范穎瑩等，2010）。傳統(tǒng)波形分析（錢福業(yè)等，趙玉林，2005；于永海等，2008）、北極方向計算（毛桐恩等，1999）、長度距離計算（田山等，2009）、數(shù)據(jù)處理（安張輝等，2010）和其他陸地場數(shù)據(jù)的分類相對模糊。近年,黃清華和林玉峰(2010),HuangandLin(2010),Huang等(2011),Ren等(2012)對SES信號數(shù)值模擬與分析以及對DC-ULF電磁信號微觀機(jī)理與傳輸通道的研究、馬欽忠和錢家棟(2003)提出的非均勻電性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地表電場復(fù)雜、其他學(xué)者開展的數(shù)據(jù)分析(錢復(fù)業(yè)和趙玉林,2005;仇勇海等,2008)與觀測方法(席繼樓等,2013)等研究,使得自然電場局部場地的機(jī)理、特征與分析更深入,但應(yīng)用自然電場動電效應(yīng)、接觸-擴(kuò)散和氧化還原等微觀機(jī)理(孫正江和王華俊,1984;錢復(fù)業(yè)和趙玉林,2005;Huangetal.,2011),研究自然電場的區(qū)域變化特征、探尋微觀機(jī)理與宏觀現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)等方面,目前成果依然很少.趙國澤和陸建勛(2003)指出視電阻率日變化與固體潮存在關(guān)聯(lián);黃清華(2005),Huang等(2011)認(rèn)為從復(fù)雜電磁環(huán)境中提取相對較弱的地震電磁信號,有必要探尋數(shù)學(xué)、信號處理與地震電磁物理過程結(jié)合的物理解析方法;2006—2007年,黃清華和劉濤(2006),張學(xué)民等(2007)分析了地電場固體潮汐現(xiàn)象的頻譜特征及震前異常.基于徐文耀(1992),趙旭東等(2008)對空間Sq電流、黃清華等對地電場固體潮汐波的研究成果,譚大誠等(2010)將地電場潮汐波分類為TGF-A、TGF-B兩類,探討了自然電場、大地電場物理解析初步原理(譚大誠等,2012).本文依據(jù)自然電場、大地電場起源分類原則(孫正江和王華俊,1984),充實了地電場構(gòu)成解析原理和方法(譚大誠等,2012),通過對南北地震帶附近有代表性的13個臺站、66個月的自然電場分析,總結(jié)了該地區(qū)自然電場的場地、區(qū)域中長期變化特征,解析了其中2個場地短期裂隙水主體滲流方位逐日變化(譚大誠等,2011,2013)與自然電場變化的關(guān)聯(lián),探討了松山場地2年中自然電場變化與裂隙水滲流、主壓應(yīng)力、裂隙結(jié)構(gòu)變化的微觀機(jī)理過程.2自然電場和:國土開發(fā)過程中的地電場特征自然電場源于固體地球內(nèi)部的物理、化學(xué)作用,場源主要包括地下礦體、巖體及界面、應(yīng)力應(yīng)變、地下流體等,這導(dǎo)致其具有局部性特征.依據(jù)自然電場形成的不同微觀機(jī)理與過程,可分類為過濾電場、接觸-擴(kuò)散電場和氧化還原電場等(孫正江和王華俊,1984).通常,認(rèn)為自然電場相對穩(wěn)定(孫正江和王華俊,1984),地震電磁前兆可能更易表現(xiàn)在自然電場變化中(馬欽忠等,2004;馬欽忠,2008).大地電場源于固體地球外部的空間電流系和潮汐力(孫正江和王華俊,1984;黃清華和劉濤,2006;譚大誠等,2010,2011,2012,2013),場源主要包括電離層、月球和太陽的潮汐力、太陽風(fēng)等,這使其具有全球性或區(qū)域性特征.依據(jù)大地電場形成的不同微觀機(jī)理與過程,可分類為TGF-A、TGF-B、地電暴(孫正江和王華俊,1984;譚大誠等,2010)等.依據(jù)譚大誠等(2010,2011,2012,2013)近年的研究,TGF-A、TGF-B潮汐地電場和地電暴的強(qiáng)度受場地巖性結(jié)構(gòu)、裂隙和裂隙水、應(yīng)力應(yīng)變等因素的明顯影響,因此地震電磁前兆也能夠表現(xiàn)在場地的大地電場變化中(黃清華和劉濤,2006;張學(xué)民等,2007;譚大誠等,2010,2011,2012,2013).按照地電場起源分類原則,自然電場、大地電場可部分具有同一種微觀機(jī)理過程,例如TGF-A、TGF-B潮汐地電場形成過程中,裂隙水或裂隙水中電荷發(fā)生了周期性滲流或移動(譚大誠等,2010,2011);在構(gòu)造活動中,應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致含水巖體裂隙擴(kuò)展、破碎過程也存在裂隙水和裂隙水電荷的滲流或移動,其形成的地電場屬自然電場.因此,應(yīng)用大地電場觀測數(shù)據(jù),可能探討場地自然電場宏觀變化的微觀機(jī)理.在地電場觀測數(shù)據(jù)中,以ESP代表自然電場(spontaneousfield),ET代表大地電場(telluricfield),干擾成分用Er表示,則地電場E的構(gòu)成可寫成:2008—2012年,中國大陸100余個臺站的地電場日變形態(tài)基本有TGF-A、TGF-B和無日變波形三種,前兩種波形約占總數(shù)的三分之二(譚大誠等,2010,2011,2012),無日變波形地電場在巖性和電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)造活動劇烈的南北地震帶附近較集中(譚大誠等,2012).由此,可推論ET穩(wěn)定的主要成分是潮汐地電場,TGF-A、TGF-B日變波形分別與固體潮、Sq電流的波形對應(yīng),其前10階潮汐諧波的周期是23~24h、12h、7.9h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h、2.4h(黃清華和劉濤,2006;趙旭東等,2008;譚大誠等,2010,2011,2012,2013).在電磁環(huán)境和觀測系統(tǒng)較理想時,Er在較小范圍內(nèi)隨機(jī)波動.設(shè)地電場觀測給出的分鐘值為Ei,應(yīng)用一天觀測數(shù)據(jù)計算ESP的表達(dá)式可簡化為(譚大誠等,2012):應(yīng)用(2)式計算ESP時,因潮汐諧波的周期特點(diǎn),潮汐地電場的主要影響基本消除(譚大誠,2012).對無日變波形的地電場,FFT頻譜分析表明潮汐諧波存在,多數(shù)情況下還是主要諧波成分(譚大誠等,2012),(2)式仍成立.設(shè)第j天的自然電場為ESP(j),則ESP逐日跳變可用(3)式描述(譚大誠等,2012).場地巖體裂隙主要在構(gòu)造作用下形成,小尺度巖石塊體內(nèi)的微裂隙分布、裂隙水滲流會十分復(fù)雜,但宏觀大尺度巖體內(nèi)的地下水滲流主要沿裂隙進(jìn)行(周志芳等,2007;陳颙等,2009;譚大誠等,2011,2013).數(shù)百米量級的地電場觀測場地屬宏觀大尺度,觀測到的裂隙水滲流電場方向則接近裂隙水主體滲流方位(譚大誠等,2011,2013).對圖1a裝置系統(tǒng),在場地裂隙水周期性主體滲流方位如圖1b所示時,則NS、NW方向地電場潮汐波相關(guān)性更高(譚大誠等,2011).設(shè)潮汐地電場(大地電場主要成分)為ET,裂隙水主體滲流方位以北偏東角度α代表,應(yīng)用日變波形前10階潮汐諧波振幅和,逐日計算場地巖體α角的方法推導(dǎo)如下.中國地電場臺站的NS、EW方向的極距通常相等,由圖1c得到:故潮汐地電場ET是周期性變化場,原理上一天中任意時刻的ET(NW)、ET(NS)均可以用于(6)式計算.在潮汐波峰、谷前后,潮汐電場強(qiáng)度最大、穩(wěn)定性相對好,故(6)式宜取峰值或谷值計算.在圖1d中,選取潮汐波零值為X軸,設(shè)ET(NS)峰、谷值分別為A1、A2,ET(NW)峰、谷值分別為B1、B2,通常A1≠A2,B1≠B2,于是:則將ET(NS)、ET(NW)峰谷值分別以ANS、ANW表示,由(7)、(8)式可得:對日變波形清晰的地電場,(9)式已可計算.在日變波形畸變或難于識辨時,ANS、ANW取值存在較大誤差,而前10階潮汐諧波周期穩(wěn)定,日變波形幅度主要取決于潮汐諧波的前5階幅度(譚大誠等,2011,2012,2013).圖2(a,e)是瀘沽湖臺TGF-A波形、古豐臺TGF-B波形的分鐘值曲線.圖2(b,f)是其日變峰谷值A(chǔ)、前10階潮汐諧波振幅和AT的逐日取值曲線,在NS、NE(NW)兩個方向,ANS、ANE(NW)變化趨勢一致,AT(NS)、AT(NE/NW)變化趨勢一致,且A、AT變化趨勢相近,這說明圖1模型與原理基本符合這兩個場地的實際情況.圖2(c,g)是場地ANE(NW)與ANS、AT(NE/NW)與AT(NS)比值的逐日變化曲線,在這兩個場地存在:其中Ai是第i階潮汐諧波振幅,由(9)、(10)式得到:在觀測數(shù)據(jù)FFT結(jié)果中,穩(wěn)定的直流成分已排除(譚大誠等,2011),因此依據(jù)潮汐地電場頻譜特征按照(11)式計算α?xí)r,ESP的影響基本消除.應(yīng)用該式計算α的誤差,理論上主要源于圖1b模型與實際巖體的吻合度,這取決于場地巖體裂隙的發(fā)展階段(周志芳等,2007;陳颙等,2009;譚大誠等,2011,2013).一般來說,巖體裂隙的優(yōu)勢方位愈明顯,計算α的誤差應(yīng)愈小、穩(wěn)定性愈好.在2008年汶川MS8.0地震前,瀘沽湖、鹽源兩場地?zé)o明顯干擾、觀測系統(tǒng)正常.依據(jù)地電場前兆信息可信度的統(tǒng)計分析RTL(Region-Time-Length)方法(Huang,2006),應(yīng)用(11)式計算的兩場地α的變異相互對應(yīng),其變異在時間、空間上與此次地震相關(guān),且異常顯著(譚大誠等,2013).應(yīng)用(9)、(11)式于瀘沽湖、古豐場地,圖2(d,h)中α值逐日差異均值分別為1.86°和1.38°,可見兩種計算方法的結(jié)果通常較穩(wěn)定且相當(dāng)接近,在多個場地應(yīng)用這兩式計算對比也沒有明顯差異(譚大誠等,2013).依據(jù)場地的主壓應(yīng)力σ1方位理論推算,在剪裂時這兩式的計算結(jié)果通常會偏小5°左右(周志芳等,2007;陳颙等,2009;譚大誠等,2011,2013).應(yīng)當(dāng)指出,在裝置系統(tǒng)變更或裂隙水主體滲流方位更接近EW向時,(9)、(11)表達(dá)式需相應(yīng)調(diào)整;無潮汐日變的地電場,潮汐諧波通常也是其基本諧波(譚大誠等,2012),這時(9)式中峰谷值已無法客觀提取,但(11)式依然可逐日計算.3多個場地相關(guān)數(shù)據(jù)趨勢性變化對比2008—2013年,大震、強(qiáng)震頻繁發(fā)生在南北地震帶附近,區(qū)域構(gòu)造活動劇烈.因此,本節(jié)在總結(jié)青藏高原東緣海原、渭河、龍門山和鹽源斷裂帶附近ESP區(qū)域特征中,采用了對多個場地數(shù)據(jù)長期變化的“趨勢性改變”進(jìn)行對比,并將各場地1、2天左右或短時不確定的大幅突跳數(shù)據(jù)刪除,以顯示出ESP變化趨勢.3.1u3000結(jié)論圖3a是上述斷裂帶附近有代表性的13個臺站分布圖;圖3b繪制了海原斷裂帶東西兩端的景泰和固原、渭河斷裂帶附近西安和寶雞的自然電場變化曲線.可見:①同一場地ESP、ΔESP變化具有方向性和局部場地特征.②在同一斷裂帶附近的不同場地,ESP發(fā)生大幅躍變、突跳或漸變的趨勢性轉(zhuǎn)折點(diǎn)多具有時間同步或準(zhǔn)同步性,同時段數(shù)據(jù)穩(wěn)定性大致類似,但形態(tài)變化不具相關(guān)性.此外,ΔESP跳變曲線反映了ESP突跳變化,對其漸變過程反映弱.圖3c中,2012年6月初,成都和漢王ESP、ΔESP大幅躍變、突跳等趨勢性轉(zhuǎn)折點(diǎn)時間對應(yīng)較好;10月后,甘孜ESP(NS)出現(xiàn)與這兩臺時間準(zhǔn)同步的大幅突跳、階躍.圖3d中,西昌臺陣瀘沽湖、鹽源和小廟臺在2008—2009、2012—2013年間的數(shù)據(jù)變動大.總體上,將龍門山、鹽源斷裂帶附近各場地的ESP、ΔESP數(shù)據(jù)曲線分別對比,其特征與圖3b中的①、②結(jié)論基本相同.應(yīng)指出,2008—2013年中期,上述臺站觀測系統(tǒng)基本沒有出現(xiàn)長時間故障,成都、漢王、寶雞、小廟等場地存在相對復(fù)雜的電磁環(huán)境,圖3(b—d)表明其ESP、ΔESP趨勢性轉(zhuǎn)變?nèi)匀慌c相鄰場地具有較好的時間同步性;圖3(b,d)的小黑色箭頭表明電極更換可能導(dǎo)致ESP出現(xiàn)階躍;2010年5月初前后,小廟臺布極區(qū)內(nèi)埋設(shè)金屬管道的影響在4個月內(nèi)較明顯.3.2周邊地表特征青藏高原東緣2個地電場臺陣建于2007年,西昌臺陣ESP變化特點(diǎn)在3.1小節(jié)已分析,天祝臺陣由古豐、景泰、松山、紅沙灣和黃羊川5個臺組成,相鄰間距不超過50km.圖4a是天祝臺陣地電場臺、鄰區(qū)斷層分布圖.圖3a表明景泰、古豐分別接近海原和祁連山主斷裂帶,圖4a表明其他3個臺附近還有較小的斷裂帶.圖4b繪出了古豐、松山和紅沙灣場地ESP和ΔESP曲線,景泰場地曲線見圖3b.2008—2012年,這四個場地ESP顯示出年變形態(tài),但不同方向、不同時段,ESP年變波形及穩(wěn)定性不同.2009年2月、2010年10月、2012年2月,古豐ESP、ΔESP趨勢轉(zhuǎn)折前后,松山、紅沙灣場地數(shù)據(jù)有相應(yīng)劇變對應(yīng).可見,在這一局部區(qū)域,各場地ESP、ΔESP變化特征與圖3b中的①、②結(jié)論同樣基本相同.由圖3、圖4可知,南北地震帶附近多數(shù)場地ESP不具有清晰年變波形,天祝臺陣內(nèi)多數(shù)場地ESP年變波形不穩(wěn)定;在ESP的變化形態(tài)中,持續(xù)數(shù)月較平穩(wěn)的升降、數(shù)日內(nèi)的快速躍變、階躍、突跳等現(xiàn)象常見;通常,場地ESP、ΔESP變化表現(xiàn)出方向性和局部場地特征.同一主斷裂帶附近、局部區(qū)域內(nèi),不同場地ESP大幅躍變、突跳或漸變等趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)多具有時間同步或準(zhǔn)同步性,同一時段數(shù)據(jù)穩(wěn)定性可能類似,但形態(tài)變化存在場地因素而不具相關(guān)性.4初步分析自然場變化機(jī)4.1常見的中國古代文獻(xiàn)場地ESP不具有明顯的短時周期性,震情復(fù)雜區(qū)域其躍變、突跳等變化的可信度較難判斷.在圖3、圖4中,同一主斷裂帶附近或局部區(qū)域內(nèi),多臺ESP躍變、突跳等趨勢性轉(zhuǎn)折點(diǎn)時間同步或準(zhǔn)同步性表明了其現(xiàn)象具有相當(dāng)?shù)目煽啃?對前幾年的震例分析中,這種大幅階躍、突跳也常見(譚大誠等,2012);圖5(a,b)分別是新疆溫泉、四川甘孜臺站的體應(yīng)變與地電場觀測曲線,在數(shù)百米范圍內(nèi),場地應(yīng)變變異或部分波形轉(zhuǎn)折處,地電場出現(xiàn)了明顯的躍變、突跳.20世紀(jì)80年代后,郭自強(qiáng)等(1999)、郝錦綺等(2003),錢書清等(1996)在巖石破裂實驗中也檢測到電磁信號躍變、突跳現(xiàn)象,只是這些實驗檢測的電磁信號頻率更高.圖5中的地電場E曲線以分鐘觀測值繪制,在其發(fā)生躍變、突跳時,周圍其他臺地電場沒有類似變異現(xiàn)象,這期間溫泉NS、甘孜EW方向的地電場日變波形基本清楚.可見,這兩臺E曲線的躍變、突跳是ESP變化導(dǎo)致.應(yīng)指出,ESP源于地下介質(zhì)的物理、化學(xué)過程,其機(jī)理不僅與應(yīng)變關(guān)聯(lián),也與流體滲流、流體與介質(zhì)的化學(xué)作用等相關(guān),因此場地ESP的躍變、突跳并不能始終與應(yīng)變變異對應(yīng),但圖5所示情況表明場地ESP在構(gòu)造活動中能夠發(fā)生躍變、突跳等現(xiàn)象.4.2．天王角astecte地震活動應(yīng)用主斷裂帶附近或局部區(qū)域內(nèi)多臺ESP、ΔESP變化的對應(yīng)關(guān)系,基本可識別其可靠性,但不能認(rèn)識其變化的微觀機(jī)理.地電場是自然電場ESP、大地電場ET的疊加.ET雖起源于空間電流、潮汐力,但在具體觀測場地,各方向ET的日變波形特征與ESP都受場地水文地質(zhì)、應(yīng)力應(yīng)變、流體滲流等因素的影響(陳颙等,2009;譚大誠等,2011,2012,2013).因此,同場地的ESP、ET的變化應(yīng)存在關(guān)聯(lián)性.以南北地震帶南段的鹽源、北段的松山臺站為例,分別選取這2個臺站ESP變化較劇烈的一段時間,依照(11)式解析其場地裂隙水主體滲流α角,結(jié)果如圖6所示.2012年9月7日云南彝良發(fā)生MS5.6地震(104.03°E,27.33°N),圖6a是震前30余天的鹽源場地ESP(EW)、α變化曲線,上、下兩曲線變化形態(tài)具有時間對應(yīng)性,說明場地ESP(EW)的臨震變化可能與裂隙水α角不穩(wěn)定相關(guān).在甘肅天祝附近,2010年10月11日發(fā)生MS3.4(102.2°E,37.5°N)、11月20日發(fā)生MS3.6(102.9°E,37.5°N)地震,圖6b是松山場地ESP(EW)、α變化曲線,在ESP(EW)劇變期間,α角也發(fā)生了間斷性跳變.在圖6b和圖4b中,松山場地ESP和ΔESP自2010年8月底出現(xiàn)劇烈變化,圖7a是其3個方位地電場E在劇變前后的分鐘值原始曲線.8月28日,EW方位地電場EEW出現(xiàn)大幅度躍變,而ENS、ENW卻穩(wěn)定.圖7b是該臺持續(xù)2年的ESP(EW)曲線,明顯躍變一次發(fā)生在2009年4月8、9日,另一次始于2010年8月28日.剪切破裂與主壓應(yīng)力夾角小于45°,當(dāng)圍壓十分高時,默雷爾(Murrell)的結(jié)論是破裂面與最大主應(yīng)力的夾角趨于45°(陳颙等,2009).松山場地巖石是含水度低的碎屑巖,NS、NW方向潮汐波相關(guān)性更好,場地α角在2009年3月前基本穩(wěn)定在圖7(c,d)所示的N160°E(N20°W)左右(譚大誠等,2013),基本符合該區(qū)域主壓應(yīng)力σ1的方位(約N20°E)(劉百篪,1979;許忠淮等,1989;張培震等,2002;崔效鋒等,2006;徐紀(jì)人等,2008).2009年3月中旬,場地α角劇烈變化,4月底穩(wěn)定在N180°E(NS方位)附近;2010年10月10日及后期多次、大幅度變化均使α角接近N90°E(EW方位).圖7d左圖內(nèi)的綠色虛線標(biāo)示出了2009年3月前裂隙水主體滲流α角(N20°W),則理論上σ1方位接近N25°E;2009年4月后,α角如圖7d中圖的綠線L1方位,場地σ1可能已偏轉(zhuǎn)至N45°E附近;如果推論2010年8月28日場地巖體發(fā)生了沿另一共軛剪裂面L2方位的裂隙擴(kuò)展,如圖7d右圖的紅色虛線方位,則當(dāng)天地電場E在EW方向就應(yīng)劇變.由于觀測曲線在NS、NW方位沒有明顯變化,可進(jìn)一步推測場地出現(xiàn)了2個共軛剪