0 引言

地电场是地球电磁环境中固有的物理场之一,我国自20世纪60年代起就开展了地电场观测并用于地震监测、预测和研究中[1-2]。近年来随着数字化测量仪器、固体不极化电极的应用以及现代化数据传输和处理技术的发展,地电场观测技术和方法理论有了长足进步,观测数据应用方面也取得了很大进展[3-8]。由于地电场观测易受场地条件、电磁环境、观测装置和仪器等因素的影响,地震异常电信号和各种干扰信号常混杂于正常变化的背景值中不易识别,因此如何从观测资料中提取可靠的地震前兆,是地震短临预报的关键技术之一[9]。地电场受控于地球外部各种电流体系和地球内部介质的电性性质,大地电场在很多情况下是线性极化的[10-11]。平凉台地电场观测点位于南北地震带中北段,台址周围构造较发育,观测资料质量较好,多次中强地震前均出现明显的短临异常[12-13]。本文主要以该台观测资料为研究对象,拟通过对地电场NS与EW两垂向测值的矢量关系、线性极化特征以及垂直极化方向的投影等方面进行分析研究,以期探索从观测资料中提取地震前兆异常的数据分析方法,更好地发挥地电场在地震预测方面的作用。另外,数据跟踪分析是地震台站一线工作人员的常态化工作任务,现阶段推行的前兆观测数据跟踪分析软件多利用时序图进行分析,方法相对单一,本文拟通过对原始数据的二次处理,探索地电场数据跟踪分析的新方法。

1 台站情况简介

平凉台地电场观测点始建于2007年,位于甘肃省平凉市静宁县靳家寺村(35.5°N,105.7°E )。台址周围地质构造较发育,如图1(a)所示主要有海原断裂、六盘山断裂、罗山—云雾山断裂、会宁—义岗断裂,地形为河谷川地。布极方式为L型,如图1(b)所示分为3个测向:NS、EW和N45 ° W,在每个测向布设两组极距,长极距为300 m,短极距为200 m,电极埋深约3 m。2015年11月电极更换成LGB-3型不极化电极。仪器型号为ZD9A-Ⅱ地电场仪。测区位于农田中,无明显的干扰源,装置系统工作稳定,观测资料连续可靠。

图1 平凉地电场台址构造及装置布极示意图Fig.1 The sketch map of tectonic structure and device layout in Pingliang geoelectric station

2 地电场的线性极化特性

地电场可分为大地电场和自然电场两部分,大地电场主要受高空电流体系影响,自然电场则是由地壳中各种物理、化学作用形成的[14]。相关研究发现大地电场在很多情况下是线性极化的,地电场极化特性是指采用地电场的NS和EW两个方向的数值分别为坐标系的纵、横坐标轴所生成的图形变化特征[15]。一些台站的资料并不是呈线性极化的,主要是因为大地电场、自然电场及噪声信号是叠加在一起的,特别是台站地下电性结构的非均匀性会对其造成很大影响。图2(a)为平凉台2017年6月地电场原始分钟值曲线,以NS测向为纵轴、EW测向为横轴绘制散点图,并用回归分析的方法拟合出最佳回归直线。如图2(b)所示,可以发现各变化点基本落在一条直线附近,呈现出一种准线性极化现象。该结果表明通常情况下平凉台地电场NS和EW分量是呈线性相关的。

图2 地电场线性极化现象Fig.2 The phenomenon of linear polarization of geo-electric field

当观测值中含有异常电信号时,尤其是NS、EW两个测向接收到不均匀变化的场强时,各变化点则会变得离散,出现非线性极化现象。例如:电磁暴、环境干扰、人为干扰、工频电磁干扰、地震异常电信号等。图3(a)是磁暴时(2015年3月17—18日,K=7) 平凉台地电场极化图,显然各变化点是非常离散的,极化系数仅为0.082 6。图3(b)是测区农田大面积灌溉时(2015年3月21—26日)平凉台地电场极化图,NS测向和EW测向的测值完全不存在线性关系,出现了非极化现象。图3(c)是强降雨时(2013年7月26—29日)平凉台地电场极化图,同样出现了非极化现象。除了自然环境的变化和人为干扰会造成地电场非线性极化现象外,地震异常电信号同样也会造成非线性极化,如2008年5月12日在四川汶川发生MS8.0地震,至平凉台的震中距为554 km,震前18天出现了非线性极化现象,共持续了6天,如图3(d)所示;2013年4月20日在四川芦山发生MS7.0地震,震中距641 km,从图3(e)来看和汶川地震的异常是十分相似的,震前14天出现非线性极化现象,共持续9天,震后恢复极化;2013年7月22日在甘肃岷县漳县交界发生MS6.6地震,震中距217 km,如图3(f)所示,与前两次地震不同的是分别在震前19天、12天出现两次非线性极化现象,持续时间分别为4天、5天,震后又恢复极化。值得说明的一点是环境干扰与地震异常相比,非线性极化异常更明显,甚至极化方向会出现反向变化。上述研究表明平凉台地电场NS和EW两个分量通常情况下是线性相关的(极化的),在环境干扰或地震时会变得非线性极化,据此可通过研究它的极化特征,如极化方向、极化系数、垂直极化方向上的投影等提取到地震前兆异常。

图3 Abnormality of non-polarization of geo-electric field

3 数据处理及计算

考虑到环境干扰会把地震异常信息掩盖,并且观测值中存在长趋势变化(太阳活动、季节变化等)和环境干扰(降雨、大风、灌溉等),因此为了减少干扰事件对分析结果的影响,采用滤波、趋势消除等方法去除这些干扰因素。本文首先对原始分钟值数据人工剔除干扰突跳数据,再进行滤波、趋势消除等处理,最后换算出时均值和日均值进行分析。

3.1 周期计算

地电场的极化方向并不是固定不变的,它随地电场自身的固有周期而变化,因此首先需要进行频谱分析确定它的周期,再结合不同的周期选择多长时间段的资料来确定极化方向才更加合理。本文采用快速傅氏变换FFT方法通过matlab程序进行计算。快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法,是估算一段观测数据中周期成分的常用方法,计算速度快,但要求数据长度N=n2(n为正整数),同时满足N?T(T为拟分辨的周期成分的周期)才能解析出谱成分[16]。因此数据长度N选取为10天以上(即N≥10T),且该时段无电磁环境干扰。样本数据曲线见图4(a),周期计算结果如图4(b)所示,从图中可以看出平凉台地电场在正常时段内具有6、8、12、24小时显著周期成分。

图4 试算结果Fig.4 Trial calculation results

3.2 极化方向

在图4(c)中以回归分析方法拟合的直线为极化直线,该直线与纵轴的夹角即为极化方向,用α表示。若极化直线方程为y=ax+b,则极化方向α可用式(1)进行计算。

在地电场观测中,通常规定地电场由北向南为正方向,由东向西也为正方向,因此本文设定极化方向是北偏东时为正方向。结合上述周期计算结果,分别以8、12、24小时不同时长对平凉台2017年6月地电场的极化方向进行计算。结果如图4(d)所示。不难看出8小时的结果比较离散,12小时和24小时的变化接近,但24小时的极化方向最稳定,因此选择24小时时长的资料进行极化分析较为合理。利用平凉台的地电场观测数据,通常计算的岩体裂隙优势方位变化范围在N(67±3)°E(或 S(67±3)°W)以内[17],而本文计算的极化方向变化范围为N(66.)°E,二者结果一致,证明该计算结果是可信的,同时也说明极化方向与测区岩体裂隙优势方位关系密切。

3.3 极化系数

统计学中,皮尔逊积矩相关系数(Pearson product-moment correlation coefficient,PMCC)常用来衡量两个数据集合是否在一条线上面,取值范围介于-1和+1之间[18]。本文取Pearson相关系数的绝对值作为极化系数,用来度量NS和EW两个电场分量的线性相关的强弱,用R表示。计算公式如下:

式中:X为地电场EW分量;Y为地电场NS分量;N为选取时段的样本总量;R表示选取时段内的极化系数。当0

3.4 垂直极化方向上的投影

相关研究表明,通过垂直极化方向上的投影可达到分离正常变化与异常信号的目的[19]。其计算方法为:(1)将NS和EW两个分量在同一时刻的电场观测值进行矢量合成,找出每一时刻的极化点位置;(2)根据线性回归计算确定极化方向和极化直线方程;(3)对原坐标作平移、旋转,使新坐标的横轴与回归直线重合;(4)将各极化点投影到新坐标轴的纵轴上。设某一时刻NS分量测值为y0,EW分量测值为x0,极化直线方程为y=ax+b,则该极化点的电场强度投影值用Er表示,可用式(3)进行计算。

4 计算结果及讨论

按照上述方法原理和选定的时间间隔对平凉台2008—2017年的地电场观测资料逐天进行计算,结果显示平凉台地电场线性极化正常背景特征为:极化方向变化范围在N(66.7±6)°E以内,极化系数在0.7～1.0之间,垂直极化方向上的投影值波动范围为(-0.53～2.61) mV/km。若超出该背景变化范围则认为是非极化异常,从图5可以看出平凉台地电场非极化异常与地震活动对应关系较好,如2009—2012年和2016年地震活动水平较低,各极化参数波动都较小,基本没有异常。而2008年、2013—2014年以及2017年地震活动水平较高,各极化参数也变得比较离散,提取到了十分明显的非极化异常。在日常做数据跟踪分析时,根据地电场的观测特点需要对每个测道分开绘制时序图,若数据中存在长趋势变化或环境干扰,曲线整体异常信息会被压制。而利用本方法可缩减图件数一半,而异常判定指标多出3倍,尤其是垂直极化方向上的投影如图5(c),可将正常背景限制在一个很小的区间,起到归一化的效果,从而凸显了异常信息。另外上述数据处理方法十分简便,嵌套在数据跟踪分析软件里是非常容易的,因此该方法应用于地电场数据跟踪分析是有效可行的。

图5 平凉台地电场线性极化计算结果Fig.5 Calculation results of linear polarization of geo-electric field in Pingliang station

通过详细的统计和计算得到地震和地电场非极化异常变化存在一定的关系(表1)。在平凉及周边统计到了18次中强地震(MS>5),其中12次地震前均出现了明显的异常变化,出现15次类似的异常,并没有发生地震(准确率36.3%),说明平凉台地电场非极化异常对中强地震有较好的映震能力,地电场非极化异常可以作为判断地震前兆异常的一个重要指标。从非极化异常参数统计来看,与地震相关的异常特征主要表现为:异常出现在震前5天到1个月,异常结束后发震;异常持续时间为4～15天。另外多次类似的异常没有对应地震,可能是降雨或人为干扰造成的,也可能是震级较小,从而导致本课题未统计到。而多次地震前没有出现相似的异常,可能是震源距离较远、震级较小、地质构造差异等原因造成的。

表1 平凉台地电场非极化异常统计表Table 1 Abnormal statistics of non-polarization of geo-electric field in Pingliang station震级/MS发震时间震中距/km异常起始时间持续时间/d非极化异常参数Er/(mV·km-1)α/(°)R汶川宁强5.-青川青川6.-武都5.-青川5.-09------玉树7.-04------芦山岷县6. 07 -贡县6.-08------于田7.-盈江6.-鲁甸6.-08 景谷6.-康定6.-尼泊尔8.-尼泊尔7.- 九寨沟注:Er为垂直极化方向的电场强度投影值;α为极化方向角;R为极化系数。

5 主要结论

通过以上研究,本文得到以下主要结论:

(1) 平凉台地电场NS向和EW向测值表现为较规则的线性极化关系。当地电场观测值中含有异常电信号时,尤其是NS、EW两个测向接收到不均匀变化的场强时,会出现非极化现象。环境干扰与地震异常相比,极化系数要小得多,非极化程度更明显,甚至极化方向出现反向变化。

(2) 通过对平凉台2008—2017年的地电场观测资料逐天进行计算,结果显示平凉台地电场线性极化正常背景特征为:极化方向变化范围在N(66.7±6)°E以内,极化系数在0.7～1.0之间,垂直极化方向上的投影值波动范围为(-0.53～2.61) mV/km,若超出该背景变化范围则认为是非极化异常。

(3) 通过计算和统计得到平凉地电场非极化异常对中强地震有较好的映震能力,非极化异常表现为:从震前非极化到震后恢复极化的一个过程,非极化持续时间一般在4～15天,多出现在震前5天到1个月。该异常变化特征可以为该台周围发生中强地震短临预测提供参考。

(4) 本文涉及的数据处理和计算方法包括:常规处理、周期计算、极化方向、极化系数、垂直极化方向上的投影,应用于地电场数据跟踪分析是有效可行的。

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文章来源：平凉政报 网址: http://plzb.400nongye.com/lunwen/itemid-38743.shtml

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