地震前大地電場(chǎng)觀測(cè)資料的地震預(yù)測(cè)分析

地震前大地電場(chǎng)觀測(cè)資料的地震預(yù)測(cè)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(qiáng)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(duì)震中附近(距震中約200km范圍)的地震臺(tái)站的所有前兆觀測(cè)手段的原始觀測(cè)資料進(jìn)行了詳細(xì)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(xiàng)目和“十五”攻關(guān)項(xiàng)目實(shí)施以來,在首都圈地區(qū)布設(shè)了11個(gè)大地電場(chǎng)數(shù)字化觀測(cè)臺(tái),對(duì)電場(chǎng)觀測(cè)的采樣率為1次/min,部分臺(tái)項(xiàng)的采樣率為1次/s。因此,可以說不論是前兆觀測(cè)臺(tái)站的分布密度還是觀測(cè)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(cè)臺(tái)(靜海臺(tái))距震中僅40km左右,所以對(duì)這次地震是否存在前兆信息的研究不論是對(duì)前兆觀測(cè)技術(shù)的完善還是對(duì)異常分析提取技術(shù)的探索都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。從理論研究和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果出發(fā),不少研究者都預(yù)言,地震前有異常電場(chǎng)信息存在,但這些信號(hào)混雜于正常大地電場(chǎng)變化的背景中,不容易識(shí)別。顯然,尋找分離正常變化與異常信號(hào)的方法是大地電場(chǎng)法預(yù)報(bào)地震的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。為此,本文將距震中較近的靜海臺(tái)、寶坻臺(tái)的原始電場(chǎng)觀測(cè)資料進(jìn)行分析處理,以期尋找出方便實(shí)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(shí)別提取技術(shù)。1靜海臺(tái)電磁觀測(cè)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)采用靜海地震臺(tái)地電場(chǎng)的連續(xù)觀測(cè)資料和寶坻臺(tái)大地電場(chǎng)觀測(cè)資料。靜海地震臺(tái)(38.6°N,116.8°E)是國(guó)家地磁基準(zhǔn)臺(tái),臺(tái)站位于天津市西南部,地處“華北地臺(tái)”“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(tái)站為平原地貌,地表巖性為松散沉積結(jié)構(gòu),臺(tái)站四周為農(nóng)田,附近無較大河流和湖泊,地形平坦。臺(tái)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(chǎng)梯度變化小,約2～4nT/km,其觀測(cè)數(shù)據(jù)能反映該地區(qū)地磁場(chǎng)的真實(shí)變化。靜海臺(tái)2001年重建改造后,其電磁觀測(cè)資料在近幾年的全國(guó)觀測(cè)資料評(píng)比中一直保持前3名,多次進(jìn)入1～2名。臺(tái)站布設(shè)了多套電磁場(chǎng)觀測(cè)儀器,其中大地電場(chǎng)觀測(cè)有中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所生產(chǎn)的ZD-9A地電場(chǎng)儀。寶坻臺(tái)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(jì)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(chǎng)觀測(cè)始于2001年9月,也采用中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所生產(chǎn)的ZD-9A地電場(chǎng)儀。由于該臺(tái)的地質(zhì)條件造成不極化電極的長(zhǎng)期觀測(cè)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(duì)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(zhǎng)達(dá)一年的對(duì)比觀測(cè),其觀測(cè)資料的長(zhǎng)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(chǎng)數(shù)據(jù)的分析和處理方法2.1同方向不同長(zhǎng)、短極距、10.2細(xì)胞系統(tǒng)的比色方法顧名思義,地電場(chǎng)是地球內(nèi)部的電場(chǎng),由大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)組成。大地電場(chǎng)主要是地球高層大氣中的各種電流體系(電離層、磁層、對(duì)流層的電流系等)在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng);自然電場(chǎng)是地殼中某些物理、化學(xué)作用引起的電場(chǎng)。大地電場(chǎng)隨時(shí)間變化的大尺度變化的最主要部分同變化磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)。同地磁場(chǎng)一樣,在這些諧波成分中,主要是日變化。起源于磁場(chǎng)變化的大地電場(chǎng)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(chǎng)。自然電場(chǎng)是地球表層局部電場(chǎng)的一種。常見的主要有:(1)接觸擴(kuò)散電場(chǎng),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(chǎng)的主要原因;(2)電化學(xué)電場(chǎng),巖石的電化學(xué)活動(dòng)形成的電場(chǎng)主要是氧化還原電場(chǎng);(3)過濾電場(chǎng),也叫滲流電場(chǎng),是地下水在多孔的巖石中流動(dòng)所形成的電場(chǎng)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,與地震有關(guān)的自然電場(chǎng)異常成因是孕震體及其周圍,受統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)變化的影響,地下流體的沖流、過濾、定向作用使自然電場(chǎng)出現(xiàn)異常。目前國(guó)內(nèi)布設(shè)的地電場(chǎng)為多極距觀測(cè)系統(tǒng),利用多極距地電場(chǎng)觀測(cè)來排除觀測(cè)站附近噪音的方法,這是希臘雅典大學(xué)“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(zhǎng)、短不同的電極距。當(dāng)來自臺(tái)站附近的噪音,如電極極化噪音、降雨引起的臺(tái)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(zhǎng)、短極距上都會(huì)被記錄到,但這些噪音在同方向不同長(zhǎng)、短極距上所呈現(xiàn)的信號(hào)形態(tài)特征是不一樣的;而大地磁場(chǎng)的感應(yīng)電場(chǎng)會(huì)在所有臺(tái)站的長(zhǎng)、短極距上同時(shí)被記錄到。依此本文采用同方向不同長(zhǎng)、短極距測(cè)值的比值方法來處理地電場(chǎng)資料,以排除各種干擾信息。當(dāng)?shù)仉妶?chǎng)的場(chǎng)源距觀測(cè)點(diǎn)足夠遠(yuǎn)時(shí),在各向同性的均勻連續(xù)介質(zhì)中,同一方向的長(zhǎng)、短極距觀測(cè)到的地電場(chǎng)的強(qiáng)度應(yīng)該是一致的。例如圖1中所示的長(zhǎng)極距AB、短極距A′B′上,長(zhǎng)極距上所觀測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度為EAB,短極距上所觀測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度分量為EA′B′,由麥克斯韋(Maxwell)方程組,在介質(zhì)中其表達(dá)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(cè)量電極的電位,LAB、LA′B′分別表示相應(yīng)的長(zhǎng)、短電極距的長(zhǎng)度,JAB、JA′B′分別表示相應(yīng)長(zhǎng)、短電極距介質(zhì)的電流密度,σAB、σA′B′分別表示相應(yīng)長(zhǎng)、短電極距內(nèi)地下介質(zhì)的電導(dǎo)率,EAB、EA′B′分別表示相應(yīng)長(zhǎng)、短電極距的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)各向同性、均勻、連續(xù)以及被測(cè)場(chǎng)源足夠遠(yuǎn)時(shí),則有:JAB=JA′B′,σAB=σA′B′,EAB=EA′B′(3)式(3)表明大地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距測(cè)值的比值是一個(gè)無量綱的常量。實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明,由于測(cè)量電極的極化電位不同,測(cè)量區(qū)域的場(chǎng)地條件的差異等原因,使得這一比值在不同的臺(tái)站、不同的測(cè)向有所不同,但觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定后,其比值基本穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值上變化(圖2)。因此,利用這一特征,可以從中識(shí)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(hào)還不一定是地震前兆信息,測(cè)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(chǎng)的比值產(chǎn)生變化,只有通過與地電場(chǎng)的原始觀測(cè)資料和觀測(cè)條件、環(huán)境改變情況等對(duì)比分析,才能對(duì)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(shí)別和提取地震前兆信息。2.2觀測(cè)資料比選由于地電場(chǎng)數(shù)字觀測(cè)提高了對(duì)樣本的采樣率(每分鐘1組測(cè)值),使得觀測(cè)資料中蘊(yùn)含了更加豐富的前兆信息,但分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)中的擾動(dòng)事件(含各種隨機(jī)干擾)較多,為了減少隨機(jī)干擾事件對(duì)處理結(jié)果的影響,所以本文對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)資料的比值處理采用了時(shí)均值。利用大地電場(chǎng)同一測(cè)向的長(zhǎng)、短極距觀測(cè)值的比值方法,分析處理了靜海臺(tái)和寶坻臺(tái)2002年1月～2008年底的地電場(chǎng)3個(gè)測(cè)向連續(xù)觀測(cè)資料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)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(zhǎng)、短極距的原始觀測(cè)曲線分析很難識(shí)別文安地震的地震前兆(圖3～圖4)。4靜海臺(tái)電場(chǎng)特征通過以上對(duì)靜海臺(tái)、寶坻臺(tái)地電場(chǎng)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(cè)以來至今的全部資料的研究分析,筆者得到如下的初步認(rèn)識(shí):(1)文安ML5.5地震前鄰近的地電場(chǎng)觀測(cè)資料存在明顯的地震前兆。其中寶坻臺(tái)的電場(chǎng)異常出現(xiàn)在震前半年以前,異常特征是地電場(chǎng)多極距觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)、短極距測(cè)值的比值出現(xiàn)趨勢(shì)上升變化,同期出現(xiàn)比值離散度變大(時(shí)間序列曲線變粗)的地電場(chǎng)異常前兆信號(hào),表明此時(shí)地電場(chǎng)測(cè)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(dòng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定電流場(chǎng)變化。靜海臺(tái)的電場(chǎng)比值異常變化形態(tài)為震前1個(gè)月連續(xù)出現(xiàn)比值趨勢(shì)升高(>5)的變化,而其他時(shí)段比值是平靜的曲線形態(tài)。寶坻臺(tái)位于活動(dòng)性較強(qiáng)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(tái)基巖覆蓋層較厚,約1000m左右,來自震源區(qū)的地電場(chǎng)異常信號(hào)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(yīng)的變化,只是應(yīng)力的焦點(diǎn)在震中區(qū)。此外,兩臺(tái)地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距比值異常出現(xiàn)的時(shí)間和形態(tài)的不同,可能與臺(tái)站的位置及地下構(gòu)造活動(dòng)的程度有關(guān)。(2)本文所采用的地電場(chǎng)多極距觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)、短極距測(cè)值的分析處理方法是有理論依據(jù)和觀測(cè)基礎(chǔ)的分析方法。研究表明,該方法可有效排除來自外空?qǐng)鲭姶畔蹈袘?yīng)的大地電場(chǎng)變化和自然電場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)的近場(chǎng)信息和來自地震孕育過程中的斷層構(gòu)造活動(dòng)信息,簡(jiǎn)化了震電信息的識(shí)別和提取方法。使得識(shí)別近場(chǎng)的地電場(chǎng)干