地震前大地電場觀測資料的地震預測分析

地震前大地電場觀測資料的地震預測分析

數(shù)據(jù)采集及解釋2006年7月4日，河北省文安縣（38.9n，116.3e）發(fā)生了ml.5.5m地震，這是近年來首都圈最大的一次地震。此次地震河北文安及天津靜海地區(qū)震感強烈,北京、天津、河北、山西、山東等地區(qū)普遍有感。地震前后有關(guān)部門對震中附近(距震中約200km范圍)的地震臺站的所有前兆觀測手段的原始觀測資料進行了詳細的檢查、分析,結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)與此次地震相關(guān)的前兆異常。首都圈示范工程項目和“十五”攻關(guān)項目實施以來,在首都圈地區(qū)布設(shè)了11個大地電場數(shù)字化觀測臺,對電場觀測的采樣率為1次/min,部分臺項的采樣率為1次/s。因此,可以說不論是前兆觀測臺站的分布密度還是觀測信息的樣本數(shù)量都有了大幅度的提升,且最近的電磁觀測臺(靜海臺)距震中僅40km左右,所以對這次地震是否存在前兆信息的研究不論是對前兆觀測技術(shù)的完善還是對異常分析提取技術(shù)的探索都有著十分重要的現(xiàn)實意義。從理論研究和室內(nèi)巖石力學實驗的結(jié)果出發(fā),不少研究者都預言,地震前有異常電場信息存在,但這些信號混雜于正常大地電場變化的背景中,不容易識別。顯然,尋找分離正常變化與異常信號的方法是大地電場法預報地震的一項重要研究內(nèi)容。為此,本文將距震中較近的靜海臺、寶坻臺的原始電場觀測資料進行分析處理,以期尋找出方便實用的地電數(shù)字資料的地震前兆信息的分析方法和異常識別提取技術(shù)。1靜海臺電磁觀測系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)采用靜海地震臺地電場的連續(xù)觀測資料和寶坻臺大地電場觀測資料。靜海地震臺(38.6°N,116.8°E)是國家地磁基準臺,臺站位于天津市西南部,地處“華北地臺”“河北凹陷區(qū)”的“滄縣隆起”上,東距向東陡傾斜的“天津南斷裂”約1.5km。臺站為平原地貌,地表巖性為松散沉積結(jié)構(gòu),臺站四周為農(nóng)田,附近無較大河流和湖泊,地形平坦。臺站所處部位在華北地區(qū)航空磁力異常圖上為平穩(wěn)正磁異常區(qū),磁場梯度變化小,約2～4nT/km,其觀測數(shù)據(jù)能反映該地區(qū)地磁場的真實變化。靜海臺2001年重建改造后,其電磁觀測資料在近幾年的全國觀測資料評比中一直保持前3名,多次進入1～2名。臺站布設(shè)了多套電磁場觀測儀器,其中大地電場觀測有中國地震局地震預測研究所生產(chǎn)的ZD-9A地電場儀。寶坻臺位于寶坻深大斷裂北側(cè)3km,燕山褶皺帶唐山隆起寶坻凸起西翼,基巖為震旦紀灰?guī)r,埋深180m,上覆第四系松散沉積,粘土層和沙層互層。電場觀測始于2001年9月,也采用中國地震局地震預測研究所生產(chǎn)的ZD-9A地電場儀。由于該臺的地質(zhì)條件造成不極化電極的長期觀測資料不穩(wěn)定,故于2003年底將不極化電極更換為深埋鉛電極。電極位于常年水位線以下的10m處,是不受降雨、農(nóng)田灌溉、水位變化干擾的相對穩(wěn)定的環(huán)境,經(jīng)與地表以下2m埋深的不極化電極、鉛板電極長達一年的對比觀測,其觀測資料的長期穩(wěn)定性、地表因素的干擾程度均收到了很好的效果。2基于地球的場數(shù)據(jù)的分析和處理方法2.1同方向不同長、短極距、10.2細胞系統(tǒng)的比色方法顧名思義,地電場是地球內(nèi)部的電場,由大地電場和自然電場組成。大地電場主要是地球高層大氣中的各種電流體系(電離層、磁層、對流層的電流系等)在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應電場;自然電場是地殼中某些物理、化學作用引起的電場。大地電場隨時間變化的大尺度變化的最主要部分同變化磁場的起源基本是一致的,所以前者的諧波成分同后者幾乎可以一一對應。同地磁場一樣,在這些諧波成分中,主要是日變化。起源于磁場變化的大地電場變化按一定形式分布于廣大地區(qū),其區(qū)域特征稱為區(qū)域電場。自然電場是地球表層局部電場的一種。常見的主要有:(1)接觸擴散電場,巖層、金屬礦層、含水地層等之間的接觸是地殼中形成局部電場的主要原因;(2)電化學電場,巖石的電化學活動形成的電場主要是氧化還原電場;(3)過濾電場,也叫滲流電場,是地下水在多孔的巖石中流動所形成的電場。多數(shù)學者認為,與地震有關(guān)的自然電場異常成因是孕震體及其周圍,受統(tǒng)一應力場變化的影響,地下流體的沖流、過濾、定向作用使自然電場出現(xiàn)異常。目前國內(nèi)布設(shè)的地電場為多極距觀測系統(tǒng),利用多極距地電場觀測來排除觀測站附近噪音的方法,這是希臘雅典大學“VAN”小組1982年首先使用的。其方法是在EW方向和NS方向布設(shè)多道長、短不同的電極距。當來自臺站附近的噪音,如電極極化噪音、降雨引起的臺站附近地下介質(zhì)電性局部不均勻性的噪音、溫度變化引起的噪音、人為噪音的干擾噪音等在不同長、短極距上都會被記錄到,但這些噪音在同方向不同長、短極距上所呈現(xiàn)的信號形態(tài)特征是不一樣的;而大地磁場的感應電場會在所有臺站的長、短極距上同時被記錄到。依此本文采用同方向不同長、短極距測值的比值方法來處理地電場資料,以排除各種干擾信息。當?shù)仉妶龅膱鲈淳嘤^測點足夠遠時,在各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)中,同一方向的長、短極距觀測到的地電場的強度應該是一致的。例如圖1中所示的長極距AB、短極距A′B′上,長極距上所觀測到的電場強度為EAB,短極距上所觀測到的電場強度分量為EA′B′,由麥克斯韋(Maxwell)方程組,在介質(zhì)中其表達式如下:EAB=JABσAB=(VA?VB)/LAB(1)EA′B′=JA′B′σA′B′=(VA′?VB′)/LA′B′(2)EAB=JABσAB=(VA-VB)/LAB(1)EA′B′=JA′B′σA′B′=(VA′-VB′)/LA′B′(2)式中VA、VB、VA′、VB′分別表示各測量電極的電位,LAB、LA′B′分別表示相應的長、短電極距的長度,JAB、JA′B′分別表示相應長、短電極距介質(zhì)的電流密度,σAB、σA′B′分別表示相應長、短電極距內(nèi)地下介質(zhì)的電導率,EAB、EA′B′分別表示相應長、短電極距的電場強度。當?shù)叵陆橘|(zhì)各向同性、均勻、連續(xù)以及被測場源足夠遠時,則有:JAB=JA′B′,σAB=σA′B′,EAB=EA′B′(3)式(3)表明大地電場長、短極距測值的比值是一個無量綱的常量。實際觀測結(jié)果表明,由于測量電極的極化電位不同,測量區(qū)域的場地條件的差異等原因,使得這一比值在不同的臺站、不同的測向有所不同,但觀測系統(tǒng)穩(wěn)定后,其比值基本穩(wěn)定在一個固定的數(shù)值上變化(圖2)。因此,利用這一特征,可以從中識別和提取地震前兆信息。需要指出的是,比值法得到的異常信號還不一定是地震前兆信息,測區(qū)附近的降雨、澆地、雷電、漏電、電極極化電位的改變等都可使大地電場的比值產(chǎn)生變化,只有通過與地電場的原始觀測資料和觀測條件、環(huán)境改變情況等對比分析,才能對比值數(shù)據(jù)序列中的異常信息做出正確的分析和判定,最終識別和提取地震前兆信息。2.2觀測資料比選由于地電場數(shù)字觀測提高了對樣本的采樣率(每分鐘1組測值),使得觀測資料中蘊含了更加豐富的前兆信息,但分鐘值觀測數(shù)據(jù)中的擾動事件(含各種隨機干擾)較多,為了減少隨機干擾事件對處理結(jié)果的影響,所以本文對地電場觀測資料的比值處理采用了時均值。利用大地電場同一測向的長、短極距觀測值的比值方法,分析處理了靜海臺和寶坻臺2002年1月～2008年底的地電場3個測向連續(xù)觀測資料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩臺的比值在2006年7月4日文安ML5.5地震前出現(xiàn)異常變化,而從同期長、短極距的原始觀測曲線分析很難識別文安地震的地震前兆(圖3～圖4)。4靜海臺電場特征通過以上對靜海臺、寶坻臺地電場在2006年7月4日河北省文安縣ML5.5地震前后及2002年正式觀測以來至今的全部資料的研究分析,筆者得到如下的初步認識:(1)文安ML5.5地震前鄰近的地電場觀測資料存在明顯的地震前兆。其中寶坻臺的電場異常出現(xiàn)在震前半年以前,異常特征是地電場多極距觀測系統(tǒng)的長、短極距測值的比值出現(xiàn)趨勢上升變化,同期出現(xiàn)比值離散度變大(時間序列曲線變粗)的地電場異常前兆信號,表明此時地電場測區(qū)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)來自于震源區(qū)的或附近斷層構(gòu)造活動產(chǎn)生的不穩(wěn)定電流場變化。靜海臺的電場比值異常變化形態(tài)為震前1個月連續(xù)出現(xiàn)比值趨勢升高(>5)的變化,而其他時段比值是平靜的曲線形態(tài)。寶坻臺位于活動性較強的寶坻深大斷裂的北部3km處,基巖埋深淺,埋深為180m。而靜海臺基巖覆蓋層較厚,約1000m左右,來自震源區(qū)的地電場異常信號穿透力差。而且,據(jù)大量的震例總結(jié)表明,在孕震初期,地震異常信息不一定全部來自震中區(qū)。處于同一構(gòu)造區(qū)域,與發(fā)震斷層相鄰的構(gòu)造在地震前也可能發(fā)生相應的變化,只是應力的焦點在震中區(qū)。此外,兩臺地電場長、短極距比值異常出現(xiàn)的時間和形態(tài)的不同,可能與臺站的位置及地下構(gòu)造活動的程度有關(guān)。(2)本文所采用的地電場多極距觀測系統(tǒng)的長、短極距測值的分析處理方法是有理論依據(jù)和觀測基礎(chǔ)的分析方法。研究表明,該方法可有效排除來自外空場電磁系感應的大地電場變化和自然電場的遠場變化,使處理后的數(shù)據(jù)序列比較清晰,從而突出了自然電場的近場信息和來自地震孕育過程中的斷層構(gòu)造活動信息,簡化了震電信息的識別和提取方法。使得識別近場的地電場干