溫泉地震臺新老臺址地電場觀測數據對比分析①

李 嬌, 鄒 廣, 高守全, 牛中華, 景孝復

(新疆維吾爾自治區地震局克拉瑪依地震監測中心站,新疆 克拉瑪依 834000)

地震地電場觀測是一種獲取地震短臨前兆信息的有效觀測手段之一,中國自20世紀60年代起就開展了地電場觀測并用于地震監測、預測和預報研究中[1]。近年來隨著數字化、現代化技術的發展,地電場觀測技術和方法以及觀測數據應用方面取得很大進展[2]。由于地電場觀測易受場地條件、電磁環境、觀測裝置和儀器等因素的影響,地震異常電信號和各種干擾信號?；祀s于正常變化的背景值中不易識別,因此如何從觀測資料中提取可靠的地震前兆信息,是地震短臨預報的關鍵技術之一[3-5]。諧波振幅分析法利用三角函數來擬合數字信號或數字序列得到不同的信號周期、位相、振幅。極化方位角分析可以識別觀測值中異常電信號從而進一步分析其為干擾還是震兆異常。

大地電場由地球外部的各種場源作用在地球表面感應產生,一般具有廣域性,因此在地域上相距較近的兩塊觀測場地進行地電場觀測,地球外部的各種場源作用應當具有較高的相似度[6-8],對比新、老臺址地電場的場地環境,觀測資料內在質量和動態曲線,用諧波振幅,極化方位角的方法處理分析兩場地數據,對比分析新臺址地電場觀測資料的可靠性,以期在新臺址地電場觀測替代老臺址地電場觀測時,數據分析工作中可借鑒老臺址地電場的數據分析經驗,為日后的工作奠定基礎。

1 溫泉新、老臺址地電場觀測概況

溫泉地震臺老臺址地電場觀測點地處北天山重點監視區,自2008年7月正式運行以來,監測區中強震活動強度較大,周邊共計發生7次5級以上地震,但臺址(博爾塔拉蒙古自治州溫泉縣西南郊)因城鄉改革的不斷發展,觀測環境受到城鄉建設的干擾日趨嚴重,為滿足觀測要求,在距其約18 km處新建地球物理觀測站。

2017年10月31日—11月2日連續3天對新臺址地電場觀測場地進行工頻干擾測試,共觀測54 h,取得了26個實測結果。每次測完東西測向后,再測量北南測向,測試結果東西、北南測向的最大幅度分別為170 mV、142 mV,按極距折算東西、北南測向工頻騷擾的最大強度分別為850 mV/km、710 mV/km?？傮w變化比較平穩,東西測向值比北南測向值變化稍大,分析認為是西端電極埋設的位置離公路較近所致。

同時對新臺址地電場觀測場地進行非工頻干擾測試, 北南、東西兩測向的數據曲線日變清晰,均呈“兩峰兩谷”的日變形態,波峰與波谷較為明顯。21:00—次日05:00前后是平靜期,變化平緩;05:00—21:00受日間變化磁場影響,曲線出現明顯的波動,場地高頻噪聲不大(圖1)。兩測向3日的最大日變幅度分別約為100 mV/km和150 mV/km,東西測向受太陽風的干擾大于北南測向,11月3日兩測向出現兩次階躍是因為同一場地進行了電法測深測試,造成電流流入地下所致。

圖1 2017年10月31日—11月2日NS向(a)、EW向(b)新臺址地電場地非工頻干擾測試Fig.1 Non power frequency interference testing of ground electric field at new stations in NS(a) and

2017年11月3日對新臺址地電場觀測場地采用對稱四極裝置[9]方式進行電測深測試,南北向和東西向電測深曲線均為KQQ型(圖2),隨著電極距的增大,電阻率變化趨勢和范圍相似,觀測場地的電性縱向變化不大,橫向均勻,且電測深曲線反演解釋與定性解釋吻合。

圖2 電測深曲線NS向(a)和EW向(c),電測深曲線反演NS向(b)和EW向(d)Fig.2 Electrical sounding curves in NS (a) and EW(c) directions, inversion of electrical sounding curves in NS (b) and EW (d) directions

該場地的地電場日變化較清晰,無明顯高頻干擾,滿足工頻、非工頻電磁環境干擾測試規范要求[10],同時符合地電場觀測臺址電性條件的技術要求。

1.1 新老臺址地電場觀測點地質概況

溫泉地震臺地電場老臺址位于新疆西北邊境的溫泉縣城西南郊,新臺址位于溫泉縣牙馬特鄉通往邊防七連簡易公路道路東側的草原牧場,距離溫泉縣城18.5 km左右,新、老臺址地電場位置及震中分布見圖3。

圖3 溫泉新老臺址地電場平面位置及震中分布圖Fig.3 Plane location and epicenter distribution map of new and old sites in Wenquan

新老臺址地電場均處在北天山山前沖積扇上,在構造上處于阿拉套山南緣斷裂帶,大致由左階斜列的西、中、東3段組成,總體上阿拉套山南緣斷裂的活動性是自東向西逐漸增強的,活動時代也是自東向西越來越新。老臺址地電場地勢較高,水位埋深在15 m左右,南400 m處為別珍套山,山體出露巖石為華力西期花崗巖,上覆蓋第四系黃土,北部是博爾塔拉沖積河谷,場地位于山腳平坡,東、西、北三面為林帶,平坦開闊,地勢略向北、東傾斜,2條測線均布設在第四系松散沉積物上。據實測結果,北南方向在200 m范圍高差達16 m,東西方向較平緩,高差1～2 m;新臺址地電場總體地勢為北高、南低,場地開闊,地形平坦,地面坡度不大于5%。地表為含植被砂土層,地層從上到下主要為全新統Q4的現代沉積的圓礫土、砂卵石、砂礫石層,推測厚度大于260 m。

1.2 儀器運行與裝置系統

溫泉老臺址地電場于2006年11月6—12日安裝ZD9A-II地電場儀,配有UJ34標定設備和標準電池,2008年7月正式記錄。2015年10月27日對電極進行更新,并將新電極埋深由3 m加深到5 m。2018年11月14日主機更換為GEF-II地電場儀后儀器運行穩定,沒有發生因儀器缺陷或故障導致數據大范圍丟失的現象。溫泉新臺地電場儀主機型號也為GEF-II,儀器在2019年12月6日開始試運行,2020年5月雷擊導致主機損壞至2020年10月29日維修后重新安裝。溫泉新老臺址地電場布極方式均為“L”型方式(圖4),位于平面直角坐標系(迪卡爾坐標系)第一象限,采用了南北和東西兩條正交測線進行布設,以O點為中心點,布設了6條測線,均使用雙股銅芯電纜進行信號傳輸。

圖4 溫泉新(a)、老(b)臺址地電場外線路布設示意圖Fig.4 Schematic diagram of the layout of the new (a) and old (b) stations in Wenquan

溫泉新、老臺址地電場電極均采用甘肅省地震局生產的固體不極化專用電極各6個,型號:LGB-3型,規格:110 mm×560 mm,電極埋設在地表凍土層以下的土壤中,溫泉老臺址電極深度5 m,新臺8 m左右。埋設電極時,電極坑土壤采用粘土填埋(新臺電極坑回填粘土2 m),并對粘土進行導電性能處理(添加飽和NaCl溶液)。地電外線路采用電纜穿套管在凍土層以下埋地,對地絕緣電阻>150 MΩ。電極線與外線路接頭進入地面4 m木制電桿并在電桿頂部配電盒,盒內串聯閘刀連接。

2 溫泉新老臺址地電場觀測資料對比分析

2.1 觀測質量評價

相關系數可以作為觀測裝置的穩定性和觀測環境的電磁干擾程度的評判依據之一,相關系數越高,代表著2個數據變化幅度、趨勢越趨于相同,數據的可靠性就越高[11-12]。歸零差值指標可以作為評價地電場觀測系統工作的穩定性,包括測量電極、裝置系統、測量儀器等工作穩定性的主要依據。

選取溫泉新臺大地電場2021年融雪前一季度大地電場數據根據以下計算公式,

(1)

(2)

計算溫泉新臺址大地電場2022年10月北南長短、東西長短、斜道長短相關系數平均值分別為0.928、0.931和0.971,差值分別為0.91、0.94和0.49。溫泉老臺址同期相關系數分別為0.999、0.975和0.999,差值0.51、0.99和0.48。溫泉新臺址地電場相關系數較老臺址低,差值較老臺址略高,分析認為是新臺址電極坑太深回填土不斷下沉導致,實地查看融雪后中間極距電機坑下陷情況最為嚴重,下降幅度達0.6 m。

2.2 動態曲線分析

由于地電場觀測本身容易受區域電磁環境以及氣候等因素干擾的影響,這使得如何排除干擾準確識別地電場異常變化,特別是與孕震過程有關的地電場變化成為一個十分復雜的課題。同時也使如何有效地排除一些常見的干擾成為一個有意義的問題[13-14]。

溫泉老臺址地電場干擾情況較多,如修路施工、鋪設自來水管道、林帶澆灌、居民用電漏電、周邊景觀燈漏電等對數據造成很大干擾(圖5),且老臺址地電場東西向和北南向兩測道電極所處地質環境不同,東西向受融雪、降雨、澆灌干擾較明顯,數據趨勢下降后長時間緩慢回升。

從短趨勢來看,溫泉新、老臺址地電場受降雨、融雪等干擾形態類似,曲線出現上升或下降畸變,同時伴有數據突跳,降雨結束后,逐漸恢復到正常水平(圖6),如2021年4月21—25日溫泉降雨,降水量累計為11.3 mm。溫泉新、老臺址地電場各測道均受到降雨干擾。

由以上分析可得,溫泉新臺址地電場數據主要受融雪、降雨等自然環境干擾,干擾形態與老臺址地電場干擾形態類似,未來工作中可借鑒老臺址地電場數據干擾分析經驗進行數據處理。

2.3 日變化分析

譚大誠等對中國大陸地電場臺站日變形態進行了統計,結果發現地電場曲線呈峰—谷型、近直線型、無序變化型和混合型[15-17]。圖7是新疆各臺站2022年10月1—3日的北南向長極距分鐘值曲線,6個地電場臺站均記錄到來自空間電流體系的地表感應電場,形態上表現為突跳和快速波動,尤其是2022年10月3日快速變化部分幅度較大,當日最大磁情指數K為5。從圖7還可以看到10月1日磁靜日存在峰—谷型變化,而在其他時段呈近直線型。

圖7 2022年10月1—3日地電場各臺站NS向分鐘值曲線(a) 溫泉舊 (b) 紅淺 (c) 溫泉新 (d) 烏什 (e) 烏魯木齊 (f) 和田Fig.7 NS minute value curves of each station in geoelectric field from October 1 to 3, 2022

2.4 諧波振幅分析

諧波分析又稱調和分析,指用三角函數來擬合數字信號或數字序列。根據擬合函數可以對不同的信號周期,位相及振幅的情況進行了解。從而在物理來源上對數據進行解釋。

(3)

式中:Ak,Bk由下面公式計算(k表示諧波的階數),

(4)

(5)

選取溫泉新臺址地電場2021年數據計算6階諧波振幅,數據單日沒有明顯規律,溫泉老臺址地電場2020年數據計算6階諧波振幅基本是依次降低,兩臺址地電場前4階諧波振幅因季節交替而不同,主要表現為冬季小夏季大(表1)。12月份,太陽直射南半球,北半球的空間電磁活動減弱,相應的地表感應電場減小;夏季降雨多、濕度大,場地巖石裂隙水含量較冬季多,季節性變化對日變化可能也有一定影響。當5階以后的潮汐諧波振幅較小時,由于地電場觀測儀器本身噪聲水平可能會達到0.04 mV/km,因此計算數據不一定可靠。

表1 溫泉新老臺址地電場六階諧波振幅數據表

溫泉老臺址地電場6階諧波振幅比新臺的諧波振幅大。溫泉老臺址場內自然坡度較大,約為8%,地表第四系黃土覆蓋較薄,地下介質電阻率不均勻,電極可能不在同一地層中,造成電極間電場強度差值較大,這也是溫泉臺地電場長短極距差值較大的主要原因,影響觀測質量。而新臺址的自大然坡度均小于5%,因此新臺址場地環境更適合地電場觀測。溫泉新、老臺址地電場6階諧波振幅見圖8和9。

圖9 2021年3月17日溫泉新臺址地電場諧波擬合Fig.9 Harmonic fitting of new Wenquan Station on March 17,2021

2.5 極化方位角分析

地電場受控于地球外部各種電流體系和地球內部介質的電性性質,因此在很多情況下是線性極化形態[18],地電場極化的原因是由于空間電流在地球內部感應而成,屬于地電場的正常變化,只有在降雨、雷電、磁暴或地震前兆異常等情況下,電極的極化規律才會發生變化[16-18]。

利用地電場的北南和東西2個方向的數值分別為坐標系的縱、橫坐標軸所生成的圖形變化特征[19]。 2021年1月14—16日(溫泉老臺址磁通門磁力儀的數據計算的K指數≤2,為地磁平靜日)溫泉新、老臺址地電場的原始分鐘值曲線,以北南向長極矩為縱軸、東西向長極矩為橫軸繪制散點圖,并用回歸分析的方法擬合出最佳回歸直線,發現各變化點基本落在一條直線附近,呈現出準線性極化現象,該結果表明磁靜日情況下溫泉地電場北南和東西分量是呈線性相關的。

從圖10a和b、圖11a和b可以看出溫泉新、老臺址地電場在磁靜日時段日變形態清晰,具有雙峰單谷變化形態,與同一場地內的磁通門磁力儀記錄到的地磁場水平分量求導后的變化形態較為一致,這說明溫泉地震臺地電場與地磁場的快速變化成分具有相同的場源,即太陽靜日變化和太陰日變化[20]。

圖10 溫泉老臺地電場分鐘值曲線和極化圖(a) 北南長極距 (b) 東西長極距 (c) 極化圖Fig.10 Minute value curves and polarization map of geoelectric field at the old Wenquan Station

老臺址地電場這3天北南向平均日變幅度為25.03 mV/km,東西向平均日變幅度為5.69 mV/km。新臺址地電場這3天北南向平均日變幅度為1.86 mV/km,東西向平均日變幅度為1.53 mV/km。從統計結果來看,不管是磁靜日還是磁擾日,北南向的變化幅度都比東西向的變化幅度大,這符合半日波、全日波的幅度北南向比東西向大的特點,即地電場日變化普遍存在的周期成分,具有廣域性、普遍性,也符合溫泉地電場北南向、東西向地下介質的電性特征[21]。

該時間段溫泉地震臺新、老臺址地電場北南與東西向觀測數據成線性關系[22-23],老臺址地電場極化方位角為北偏東約15.85°,經多次的磁靜日數據統計并計算,極化方位角基本在15°左右,而計算2018年以來的日極化方位角得出均值為12.7°。新臺址地電場極化方位角為北偏東約50.87°。多次的磁靜日數據統計并計算,極化方位角基本在60°左右。

3 結束語

新疆地電場日變化形態均具有明顯的潮汐諧波。溫泉老臺址TGF-B型源于空間電流通過磁場在地表產生的感應電場使巖石裂隙水周期性滲流,具有廣域性。新疆地電場潮汐諧波振幅差異大,說明場地的選址應盡量避免在自然坡度較大、地下介質電阻率極不均勻的地方。利用日變化形態特征的研究、潮汐諧波振幅可以科學合理的計算、繪制極化方位角、巖石裂隙水主體滲流方向變化等,應用到地震預報中。通過對日變化形態的認識、諧波振幅的變化周期和幅度,再結合VAN法可以有效的區分不同的干擾源,并加以防范和去除。經過新、老臺址地電場儀器裝置、測區環境、數據干擾對比分析可得,溫泉新臺址地電場數據日變形態與溫泉老臺址地電場數據形態吻合,數據干擾類型和形態都存在共性,因此未來溫泉新臺址地電場數據分析工作中可借鑒溫泉老臺址地電場數據分析經驗,為日后的工作奠定基礎。