2023年大連普蘭店M4.6地震地電場變化特征及其機理分析

張志宏，紀延輝，紀樹新

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.錦州地震監測中心站，遼寧 錦州 121100；3.義縣應急管理局，遼寧 錦州 121100）

0 引言

地電場是指地球表面存在的自然電場，分為大地電場和自然電場。大地電場與地磁場相伴生，由地球外部電流與地球介質相互作用產生，具有全球或區域性特征。自然電場則由地下水、礦體和水系分布引發，呈現不均勻性[1]。

在地震預測研究中，我們關注地電場在DC～0.1 Hz 頻帶內的變化，以及與地震孕育過程的關聯。一些國家將地電場用于自然災害監測。我國自1966 年以來一直在研究地電場與地震的關系，并記錄到一些震前異常變化[1]。在20 世紀80 年代，希臘學者Varotsos 應用多極距觀測法解決了地電場觀測系統的噪聲問題，為地電場研究提供了有用的方法[2]。其他研究者通過分析地電場數據提取了各種前兆信號[3]。盡管利用各種方法分析地電場數據以提取前兆信號，但有時會受到噪音干擾。近年來，一些物理解析方法被提出，例如將大地電場和自然電場分離，以及使用巖體裂隙水電荷滲流模型計算地電場方位角的變化[4-9]。

據中國地震臺網測定，2023 年8 月23 日18時19分，遼寧省大連市普蘭店區發生了M4.6地震。震中所在的遼寧南部地區自1975 年海城M7.3 地震以來，地震活動頻繁，因此研究地震前地球物理場中的中短期異常對地震預測非常重要。本文使用距離大連普蘭店M4.6 地震震中距離最近的錦州義縣地電場臺站的分鐘值數據，分析了地震前后大地電場和自然電場的變化，并探討了地電場優勢方位角a的異常機理。

1 原理及方法

地電場是地球科學的一個重要研究領域，它涉及到地球表面的電場現象，并通過地球內部和外部復雜電流系統與地球介質的相互作用形成。地電場可以分為大地電場ET和自然電場ESP[1]。

大地電場ET與地球磁層和電離層中的電流系統密切相關。這些電流系統的活動和變化會影響地表電場的分布，并產生全球性或區域性的特征。測量和分析大地電場ET是地球物理研究的關鍵，有助于深入了解地球內部的電特性和電導率分布[4]。

自然電場ESP源自地殼內部的各種物理和化學作用，這些作用導致正負電荷的分離，從而形成地表的自然電場。自然電場通常具有較大的水平和垂直梯度，并呈現出明顯的不均勻性。

地電場的觀測數據中，Er表示干擾成分，因此地電場E可以用下述公式表述：

設地電場觀測分鐘值數據為Ei，日均值計算自然電場ESP的表達式可簡化為：

應用（2）式能夠基本消除大地電場ET和干擾成分Er。

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黃清華等[4]對大地電場的日變波形進行了深入研究，并揭示了其在時域和頻域上的特征。他們提出了大地電場的日變波源自電離層中的Sq電流和潮汐力學理論，即大地電場的潮汐機制[7]。這一研究為我們理解大地電場日變現象提供了重要的線索。

圖1 ET巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型Fig.1 ET model of fissure water in rock with seepage（movement）or charges

譚大誠等[7]在潮汐機理的基礎上，構建了一個涉及巖體裂隙水中電荷移動的模型，以解釋大地電場強度和方向的變化（圖1）。這個模型表明：這些變化實際上是由于地下介質中的應力積累導致巖體裂隙結構的改變。圖1b 展示了裂隙水中電荷的理想模型，其中巖體的結構發育程度決定了電荷移動的實際方向。

在臺站地電場NS、NW 測向之間的相關性高時，地電場ET優勢方位角a（北偏東）計算公式如下：

（3）式中ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS 測向第i階潮汐諧波振幅，Ai計算如下：

其中ai、bi計算公式：

對于一個數據序列yt（時間序列總數n），數學上可表示成：

2 計算結果

大地電場的源頭是來自高空電離層、磁層以及對流層中電流體系的電磁感應。這些電流體系包括地球自轉引起的地磁場和日地之間的傳導電流等。大地電場的影響范圍覆蓋整個地表，其強度和方向在不同地點和不同時間都會有所變化。

自然電場源于地下介質的物理和化學作用。地下存在著各種地質構造、巖石、礦體和地下水等不同的電性介質。這些介質的物理性質和化學成分會影響地電場的分布和變化。例如，在含有金屬礦體的地區，金屬礦體與周圍溶液的氧化還原反應會引起氧化還原場的形成。此外，地下電介質在巖體裂隙中的流動也會引發過濾電場的產生。另外，當地下存在兩種電解質濃度差異時，會產生接觸—擴散電場。這些自然電場的強度和方向與地下介質的性質和變化密切相關。

2.1 錦州義縣臺的自然電場ESP

圖2 和圖3 顯示了2022 年 至2023 年期間 錦州義縣臺的自然電場ESP變化時序曲線。圖2中，義縣長極距在2023 年4 月出現了小幅度的異常躍變，NS、EW 和NW 向的變幅峰值約為30 mV·km-1。而在2023 年8 月23 日大連普蘭店M4.6地震發生后，NS和NE向的恢復趨勢明顯。圖3顯示了義縣短極距的時序曲線，可見EW向的變化幅度較小，而NS 和NE 向在2022 年3 月中旬后開始了小幅度的異常躍變，變幅峰值約為120 V·km-1，并且在2023 年4 月形成了一組新的恢復—躍變趨勢。在大連普蘭店發生M4.6地震之前，中短期異常并不明顯。

圖2 2023年大連普蘭店M4.6地震前后錦州義縣長極距ESP變化時序曲線（202201—202309）Fig.2 Time-series curve of the variation in the long-distance of Yixian，Jinzhou before and after the Dalian M4.6 earthquake in 2023（202201—202309）

圖3 2023年大連M4.6地震前后錦州義縣短極距變化時序曲線（202201—202309）Fig.3 Time-series curve of the variation in the short-distance of Yixian，Jinzhou before and after the Dalian M4.6 earthquake in 2023（202201—202309）

2.2 錦州義縣臺的大地電場ET

大地電場的日變化主要受電離層Sq電流和潮汐力的影響[5]。根據大地電場的日變波形，可以將其分為持續24小時的TGF-A型和時間選擇形態的TGF-B 型。最近的研究表明，TGF-A型主要受日、月潮汐的影響，而TGF-B 型受地球電離層Sq電流的作用。在錦州義縣的大地電場中，主要屬于TGF-B 型，具有相對穩定的潮汐波形，這是大地電場日變化的主要特征[6]。

根據研究結果[8]，錦州義縣大地電場的日變波形在24 小時內可以觀察到波峰和波谷的到達時間。通過計算2022 年1 月至2023 年9 月錦州義縣在長、短極距NS、EW 和NE三個方向上的分鐘值和前10 階諧波振幅譜值，研究人員得到了大地電場優勢方位角a。這些計算是基于巖體裂隙水（電荷）滲流（移動）模型進行的，以獲得準確的大地電場變化。

在錦州義縣的大地電場中，前10 階諧波的周期依次為23～24 h、12 h、7.9 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h 和2.4 h。場地的地質構造決定了日變波形的形態，并且形態相對穩定[6]。這些研究結果對于理解大地電場的周期性變化以及與地球物理事件的關聯具有重要意義。

通過對錦州義縣大地電場的研究，我們可以了解到其日變波形的特征和變化規律。這為我們深入理解大地電場的變化機制和其與地質環境的關系提供了重要線索。

圖4-6 是錦州義縣長極距大地電場優勢方位角a的計算結果。從圖中可以觀察到，錦州義縣長極距的a值在2022 年以來的變化幅度較小。然而，在2023 年8 月初，NS、EW 和NE 方向出現了短期的下降異常，這可能與大連普蘭店發生的M4.6 地震有關。不過，隨著時間的推移，觀測到的大地電場在這些方向上逐漸恢復到背景值的趨勢。

圖4 錦州義縣地電場優勢方位角a（長極距NS/EW）Fig.4 Dominant azimuth angle a（long-distance NS/EW）+of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

圖5 錦州義縣地電場優勢方位角a（長極距NS/NE）Fig.5 Dominant azimuth angle a（long-distance NS/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

圖6 錦州義縣地電場優勢方位角a（長極距EW/NE）Fig.6 Dominant azimuth angle a（long-distance EW/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

圖7-9 是錦州義縣短極距大地電場優勢方位角a的計算結果?？梢钥吹藉\州義縣短極距在NS、EW 和NE三個方向上的a值在2022年底出現了較大幅度的變化，其中最大幅值超過了45°。這種變化可能與地質構造和地震活動有關。然而，到了2023 年4 月初，三個方向上的a值基本恢復到了背景值，而大連普蘭店發生的M4.6 地震前的變異幅度已經很小，幾乎看不到明顯的變化。

圖7 錦州義縣地電場優勢方位角a（短極距NS/EW）Fig.7 Dominant azimuth angle a（short-distance NS/EW）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

圖8 錦州義縣地電場優勢方位角a（短極距NS/NE）Fig.8 Dominant azimuth angle a（short-distance NS/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

圖9 錦州義縣地電場優勢方位角a（短極距EW/NE）Fig.9 Dominant azimuth angle a（short-distance EW/NE）of the geoelectric field in Yixian，Jinzhou

3 討論

3.1 潮汐地電場的機理

潮汐地電場的機理研究認為[7]，TGF-B 型潮汐地電場可能在電性穩定、含水度高、透水性好的區域明顯。這種地電場是由潮汐引起的Sq電流通過地表磁場產生的感應電場所形成的，感應電場可以使裂隙水周期性滲流，進而形成TGF-B 型大地電流場。因此，我們計算得到的大地電場優勢方位角a在一定范圍內會周期性變化。而打破這種周期性平衡的主要條件可能是巖體裂隙角度的變化。

巖石破裂試驗可以通過對巖石樣本進行加載，研究其在不同條件下的破裂行為和破裂角度。破裂角度是指巖石在破裂時，破裂面與主應力方向之間的夾角。根據實驗觀察和理論分析，巖石的破裂角度在不同應力狀態下會發生變化。一般來說，當巖石受到垂直應力作用時，破裂角度通常較小，接近于0°；而在剪切應力作用下，破裂角度通常較大，可以接近于45°。而錦州義縣地電場優勢方位角a在2023 年8 月23 日大連普蘭店地震前3 個月左右，變異的幅度也是45°左右。

3.2 現今東北地區地球動力學環境與地電場異常的聯系

一般認為中國東北地區深源地震的動力來源主要是太平洋板塊的西向俯沖。特別是在2011年發生M9.0日本大地震之后，人們對中國東北地區的地震活動形勢給予了普遍關注。地球動力學環境對地震活動的影響是顯而易見的。通過觀察中國東北地區的地震活動，可以發現日本大地震對該地區的地震活動產生了非常顯著的影響。

日本大地震的發生不僅影響了中國東北地區的淺源地震，還對該地區的深源地震活動產生了影響。研究人員通過分析地震數據和振動臺試驗發現，在日本大地震發生后，中國東北地區出現了地震活動的周期性變化。這種變化可能是由于地震波的傳播和地殼結構的調整導致的。

具體來說，日本大地震引起的地殼應力和應變的變化可以傳播到中國東北地區，從而影響該地區的地殼應力場。這種影響可能導致中國東北地區地殼的應力狀態發生變化，從而影響深源地震的活動。高立新等[10-11]認為，日本大地震對中國東北地區深源地震活動周期性特征的影響是顯著的，并可能持續相當長的時間。

總結起來，日本大地震對中國東北地區的地震活動產生了明顯的影響。這種影響不僅在淺源地震上表現出來，同時對深源地震活動也產生了影響。深入研究日本大地震對地震活動的影響，對于預測地震活動和了解地球動力學過程具有重要意義。

在研究地震前的地電場優勢方位角（a角）異常時，我們一般觀察到兩種形態，即a角擠壓變小和拉張增高[7-9]。因此，我們可以將2023年初至4月期間錦州義縣地區a角增高異常與日本大地震的應力趨勢聯系起來，進一步思考它們之間的關聯（圖10）。

圖10 2023年大連普蘭店M4.6地震地電場異常臺站分布示意圖Fig.10 Schematic diagram of distribution of abnormal geoelectric field stations during the M4.6 earthquake in Pulandian，Dalian in 2023

4 結論

本研究以2023年大連普蘭店M4.6地震為背景，通過對潮汐地電場機理的研究，發現TGFB 型潮汐地電場在電性穩定、含水度高、透水性好的區域明顯。這種地電場是由潮汐引起的Sq電流通過地表磁場產生的感應電場而形成的，感應電場可以使裂隙水周期性滲流，從而形成TGF-B 型大地電流場。在這種機制下，地電場優勢方位角a會在一定范圍內發生周期性變化。

另外，通過巖石破裂試驗的研究，發現巖石在不同應力狀態下的破裂角度會發生變化。當巖石受到垂直應力作用時，破裂角度較小，接近于0°；而在剪切應力作用下，破裂角度較大，可以接近于45°。在錦州義縣地區的研究中，發現該地區巖石的破裂角度異常，大約在45°左右。這表明錦州義縣的巖石破裂行為與其他地區存在差異，可能受到地質構造和巖石內部性質的影響。

在后續的研究中，發現錦州義縣地電場優勢方位角a在2023 年8 月23 日大連普蘭店地震前3 個月時間內也發生了變異，變化幅度與異常角度相似。這提示地震的發生可能打破了地電場的周期性平衡，而巖體裂隙角度的變化可能是導致這種異常變化的主要條件。

綜上所述，通過對錦州義縣地區大地電場和巖石破裂角度的研究，得出以下結論：2023年大連普蘭店M4.6 地震前地電場變化表現為地電場優勢方位角的異常變化，且與巖石破裂角度的異常及地震事件的發生密切相關。這可能是由地震引起的應力變化和巖石物理力學性質的影響所致。這些研究結果對于深入理解地震事件與地電場變化的關系具有重要意義。未來的研究還需進一步探索地震事件與地電場變化之間的機理，以提供更準確的地震預測科學依據。