温泉地震台新老台址地电场观测数据对比分析①

李 娇, 邹 广, 高守全, 牛中华, 景孝复

(新疆维吾尔自治区地震局克拉玛依地震监测中心站,新疆 克拉玛依 834000)

地震地电场观测是一种获取地震短临前兆信息的有效观测手段之一,中国自20世纪60年代起就开展了地电场观测并用于地震监测、预测和预报研究中[1]。近年来随着数字化、现代化技术的发展,地电场观测技术和方法以及观测数据应用方面取得很大进展[2]。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信息,是地震短临预报的关键技术之一[3-5]。谐波振幅分析法利用三角函数来拟合数字信号或数字序列得到不同的信号周期、位相、振幅。极化方位角分析可以识别观测值中异常电信号从而进一步分析其为干扰还是震兆异常。

大地电场由地球外部的各种场源作用在地球表面感应产生,一般具有广域性,因此在地域上相距较近的两块观测场地进行地电场观测,地球外部的各种场源作用应当具有较高的相似度[6-8],对比新、老台址地电场的场地环境,观测资料内在质量和动态曲线,用谐波振幅,极化方位角的方法处理分析两场地数据,对比分析新台址地电场观测资料的可靠性,以期在新台址地电场观测替代老台址地电场观测时,数据分析工作中可借鉴老台址地电场的数据分析经验,为日后的工作奠定基础。

1 温泉新、老台址地电场观测概况

温泉地震台老台址地电场观测点地处北天山重点监视区,自2008年7月正式运行以来,监测区中强震活动强度较大,周边共计发生7次5级以上地震,但台址(博尔塔拉蒙古自治州温泉县西南郊)因城乡改革的不断发展,观测环境受到城乡建设的干扰日趋严重,为满足观测要求,在距其约18 km处新建地球物理观测站。

2017年10月31日—11月2日连续3天对新台址地电场观测场地进行工频干扰测试,共观测54 h,取得了26个实测结果。每次测完东西测向后,再测量北南测向,测试结果东西、北南测向的最大幅度分别为170 mV、142 mV,按极距折算东西、北南测向工频骚扰的最大强度分别为850 mV/km、710 mV/km。总体变化比较平稳,东西测向值比北南测向值变化稍大,分析认为是西端电极埋设的位置离公路较近所致。

同时对新台址地电场观测场地进行非工频干扰测试, 北南、东西两测向的数据曲线日变清晰,均呈“两峰两谷”的日变形态,波峰与波谷较为明显。21:00—次日05:00前后是平静期,变化平缓;05:00—21:00受日间变化磁场影响,曲线出现明显的波动,场地高频噪声不大(图1)。两测向3日的最大日变幅度分别约为100 mV/km和150 mV/km,东西测向受太阳风的干扰大于北南测向,11月3日两测向出现两次阶跃是因为同一场地进行了电法测深测试,造成电流流入地下所致。

图1 2017年10月31日—11月2日NS向(a)、EW向(b)新台址地电场地非工频干扰测试Fig.1 Non power frequency interference testing of ground electric field at new stations in NS(a) and

2017年11月3日对新台址地电场观测场地采用对称四极装置[9]方式进行电测深测试,南北向和东西向电测深曲线均为KQQ型(图2),随着电极距的增大,电阻率变化趋势和范围相似,观测场地的电性纵向变化不大,横向均匀,且电测深曲线反演解释与定性解释吻合。

图2 电测深曲线NS向(a)和EW向(c),电测深曲线反演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

该场地的地电场日变化较清晰,无明显高频干扰,满足工频、非工频电磁环境干扰测试规范要求[10],同时符合地电场观测台址电性条件的技术要求。

1.1 新老台址地电场观测点地质概况

温泉地震台地电场老台址位于新疆西北边境的温泉县城西南郊,新台址位于温泉县牙马特乡通往边防七连简易公路道路东侧的草原牧场,距离温泉县城18.5 km左右,新、老台址地电场位置及震中分布见图3。

图3 温泉新老台址地电场平面位置及震中分布图Fig.3 Plane location and epicenter distribution map of new and old sites in Wenquan

新老台址地电场均处在北天山山前冲积扇上,在构造上处于阿拉套山南缘断裂带,大致由左阶斜列的西、中、东3段组成,总体上阿拉套山南缘断裂的活动性是自东向西逐渐增强的,活动时代也是自东向西越来越新。老台址地电场地势较高,水位埋深在15 m左右,南400 m处为别珍套山,山体出露岩石为华力西期花岗岩,上覆盖第四系黄土,北部是博尔塔拉冲积河谷,场地位于山脚平坡,东、西、北三面为林带,平坦开阔,地势略向北、东倾斜,2条测线均布设在第四系松散沉积物上。据实测结果,北南方向在200 m范围高差达16 m,东西方向较平缓,高差1～2 m;新台址地电场总体地势为北高、南低,场地开阔,地形平坦,地面坡度不大于5%。地表为含植被砂土层,地层从上到下主要为全新统Q4的现代沉积的圆砾土、砂卵石、砂砾石层,推测厚度大于260 m。

1.2 仪器运行与装置系统

温泉老台址地电场于2006年11月6—12日安装ZD9A-II地电场仪,配有UJ34标定设备和标准电池,2008年7月正式记录。2015年10月27日对电极进行更新,并将新电极埋深由3 m加深到5 m。2018年11月14日主机更换为GEF-II地电场仪后仪器运行稳定,没有发生因仪器缺陷或故障导致数据大范围丢失的现象。温泉新台地电场仪主机型号也为GEF-II,仪器在2019年12月6日开始试运行,2020年5月雷击导致主机损坏至2020年10月29日维修后重新安装。温泉新老台址地电场布极方式均为“L”型方式(图4),位于平面直角坐标系(迪卡尔坐标系)第一象限,采用了南北和东西两条正交测线进行布设,以O点为中心点,布设了6条测线,均使用双股铜芯电缆进行信号传输。

图4 温泉新(a)、老(b)台址地电场外线路布设示意图Fig.4 Schematic diagram of the layout of the new (a) and old (b) stations in Wenquan

温泉新、老台址地电场电极均采用甘肃省地震局生产的固体不极化专用电极各6个,型号:LGB-3型,规格:110 mm×560 mm,电极埋设在地表冻土层以下的土壤中,温泉老台址电极深度5 m,新台8 m左右。埋设电极时,电极坑土壤采用粘土填埋(新台电极坑回填粘土2 m),并对粘土进行导电性能处理(添加饱和NaCl溶液)。地电外线路采用电缆穿套管在冻土层以下埋地,对地绝缘电阻>150 MΩ。电极线与外线路接头进入地面4 m木制电杆并在电杆顶部配电盒,盒内串联闸刀连接。

2 温泉新老台址地电场观测资料对比分析

2.1 观测质量评价

相关系数可以作为观测装置的稳定性和观测环境的电磁干扰程度的评判依据之一,相关系数越高,代表着2个数据变化幅度、趋势越趋于相同,数据的可靠性就越高[11-12]。归零差值指标可以作为评价地电场观测系统工作的稳定性,包括测量电极、装置系统、测量仪器等工作稳定性的主要依据。

选取温泉新台大地电场2021年融雪前一季度大地电场数据根据以下计算公式,

(1)

(2)

计算温泉新台址大地电场2022年10月北南长短、东西长短、斜道长短相关系数平均值分别为0.928、0.931和0.971,差值分别为0.91、0.94和0.49。温泉老台址同期相关系数分别为0.999、0.975和0.999,差值0.51、0.99和0.48。温泉新台址地电场相关系数较老台址低,差值较老台址略高,分析认为是新台址电极坑太深回填土不断下沉导致,实地查看融雪后中间极距电机坑下陷情况最为严重,下降幅度达0.6 m。

2.2 动态曲线分析

由于地电场观测本身容易受区域电磁环境以及气候等因素干扰的影响,这使得如何排除干扰准确识别地电场异常变化,特别是与孕震过程有关的地电场变化成为一个十分复杂的课题。同时也使如何有效地排除一些常见的干扰成为一个有意义的问题[13-14]。

温泉老台址地电场干扰情况较多,如修路施工、铺设自来水管道、林带浇灌、居民用电漏电、周边景观灯漏电等对数据造成很大干扰(图5),且老台址地电场东西向和北南向两测道电极所处地质环境不同,东西向受融雪、降雨、浇灌干扰较明显,数据趋势下降后长时间缓慢回升。

从短趋势来看,温泉新、老台址地电场受降雨、融雪等干扰形态类似,曲线出现上升或下降畸变,同时伴有数据突跳,降雨结束后,逐渐恢复到正常水平(图6),如2021年4月21—25日温泉降雨,降水量累计为11.3 mm。温泉新、老台址地电场各测道均受到降雨干扰。

由以上分析可得,温泉新台址地电场数据主要受融雪、降雨等自然环境干扰,干扰形态与老台址地电场干扰形态类似,未来工作中可借鉴老台址地电场数据干扰分析经验进行数据处理。

2.3 日变化分析

谭大诚等对中国大陆地电场台站日变形态进行了统计,结果发现地电场曲线呈峰—谷型、近直线型、无序变化型和混合型[15-17]。图7是新疆各台站2022年10月1—3日的北南向长极距分钟值曲线,6个地电场台站均记录到来自空间电流体系的地表感应电场,形态上表现为突跳和快速波动,尤其是2022年10月3日快速变化部分幅度较大,当日最大磁情指数K为5。从图7还可以看到10月1日磁静日存在峰—谷型变化,而在其他时段呈近直线型。

图7 2022年10月1—3日地电场各台站NS向分钟值曲线(a) 温泉旧 (b) 红浅 (c) 温泉新 (d) 乌什 (e) 乌鲁木齐 (f) 和田Fig.7 NS minute value curves of each station in geoelectric field from October 1 to 3, 2022

2.4 谐波振幅分析

谐波分析又称调和分析,指用三角函数来拟合数字信号或数字序列。根据拟合函数可以对不同的信号周期,位相及振幅的情况进行了解。从而在物理来源上对数据进行解释。

(3)

式中:Ak,Bk由下面公式计算(k表示谐波的阶数),

(4)

(5)

选取温泉新台址地电场2021年数据计算6阶谐波振幅,数据单日没有明显规律,温泉老台址地电场2020年数据计算6阶谐波振幅基本是依次降低,两台址地电场前4阶谐波振幅因季节交替而不同,主要表现为冬季小夏季大(表1)。12月份,太阳直射南半球,北半球的空间电磁活动减弱,相应的地表感应电场减小;夏季降雨多、湿度大,场地岩石裂隙水含量较冬季多,季节性变化对日变化可能也有一定影响。当5阶以后的潮汐谐波振幅较小时,由于地电场观测仪器本身噪声水平可能会达到0.04 mV/km,因此计算数据不一定可靠。

表1 温泉新老台址地电场六阶谐波振幅数据表

温泉老台址地电场6阶谐波振幅比新台的谐波振幅大。温泉老台址场内自然坡度较大,约为8%,地表第四系黄土覆盖较薄,地下介质电阻率不均匀,电极可能不在同一地层中,造成电极间电场强度差值较大,这也是温泉台地电场长短极距差值较大的主要原因,影响观测质量。而新台址的自大然坡度均小于5%,因此新台址场地环境更适合地电场观测。温泉新、老台址地电场6阶谐波振幅见图8和9。

图9 2021年3月17日温泉新台址地电场谐波拟合Fig.9 Harmonic fitting of new Wenquan Station on March 17,2021

2.5 极化方位角分析

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,因此在很多情况下是线性极化形态[18],地电场极化的原因是由于空间电流在地球内部感应而成,属于地电场的正常变化,只有在降雨、雷电、磁暴或地震前兆异常等情况下,电极的极化规律才会发生变化[16-18]。

利用地电场的北南和东西2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[19]。 2021年1月14—16日(温泉老台址磁通门磁力仪的数据计算的K指数≤2,为地磁平静日)温泉新、老台址地电场的原始分钟值曲线,以北南向长极矩为纵轴、东西向长极矩为横轴绘制散点图,并用回归分析的方法拟合出最佳回归直线,发现各变化点基本落在一条直线附近,呈现出准线性极化现象,该结果表明磁静日情况下温泉地电场北南和东西分量是呈线性相关的。

从图10a和b、图11a和b可以看出温泉新、老台址地电场在磁静日时段日变形态清晰,具有双峰单谷变化形态,与同一场地内的磁通门磁力仪记录到的地磁场水平分量求导后的变化形态较为一致,这说明温泉地震台地电场与地磁场的快速变化成分具有相同的场源,即太阳静日变化和太阴日变化[20]。

图10 温泉老台地电场分钟值曲线和极化图(a) 北南长极距 (b) 东西长极距 (c) 极化图Fig.10 Minute value curves and polarization map of geoelectric field at the old Wenquan Station

老台址地电场这3天北南向平均日变幅度为25.03 mV/km,东西向平均日变幅度为5.69 mV/km。新台址地电场这3天北南向平均日变幅度为1.86 mV/km,东西向平均日变幅度为1.53 mV/km。从统计结果来看,不管是磁静日还是磁扰日,北南向的变化幅度都比东西向的变化幅度大,这符合半日波、全日波的幅度北南向比东西向大的特点,即地电场日变化普遍存在的周期成分,具有广域性、普遍性,也符合温泉地电场北南向、东西向地下介质的电性特征[21]。

该时间段温泉地震台新、老台址地电场北南与东西向观测数据成线性关系[22-23],老台址地电场极化方位角为北偏东约15.85°,经多次的磁静日数据统计并计算,极化方位角基本在15°左右,而计算2018年以来的日极化方位角得出均值为12.7°。新台址地电场极化方位角为北偏东约50.87°。多次的磁静日数据统计并计算,极化方位角基本在60°左右。

3 结束语

新疆地电场日变化形态均具有明显的潮汐谐波。温泉老台址TGF-B型源于空间电流通过磁场在地表产生的感应电场使岩石裂隙水周期性渗流,具有广域性。新疆地电场潮汐谐波振幅差异大,说明场地的选址应尽量避免在自然坡度较大、地下介质电阻率极不均匀的地方。利用日变化形态特征的研究、潮汐谐波振幅可以科学合理的计算、绘制极化方位角、岩石裂隙水主体渗流方向变化等,应用到地震预报中。通过对日变化形态的认识、谐波振幅的变化周期和幅度,再结合VAN法可以有效的区分不同的干扰源,并加以防范和去除。经过新、老台址地电场仪器装置、测区环境、数据干扰对比分析可得,温泉新台址地电场数据日变形态与温泉老台址地电场数据形态吻合,数据干扰类型和形态都存在共性,因此未来温泉新台址地电场数据分析工作中可借鉴温泉老台址地电场数据分析经验,为日后的工作奠定基础。