地震前地電場觀測資料的短臨異常變化

地震前地電場觀測資料的短臨異常變化

0地震數(shù)據(jù)處理地球遺跡是地球物理場的重要領(lǐng)域之一，分為自然遺跡和地面遺跡。自然電場是地下局部介質(zhì)的物理、化學(xué)變化引起的局部性電場及地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)變化引起的地電場變化。大地電場是太陽、太陰活動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)及星際磁場等引起的地球外部的各種電流系,在地球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個(gè)地球表面或較大區(qū)域的變化電場;國內(nèi)外已開展了大地電場觀測用于地震預(yù)測的研究,并記錄到了部分地電信號。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),不少地震學(xué)家預(yù)言地震前有異常地電信號存在,但這些信號混雜于正常大地電場變化的背景中不易識別。本文采用地電場多極距觀測系統(tǒng)的長、短極距測值比計(jì)算方法,處理寶坻、靜海及徐莊子地震臺的地電場數(shù)據(jù)。該方法可有效排除來自外空場電磁系感應(yīng)的大地電場變化和自然電場的遠(yuǎn)場變化,使處理后的數(shù)據(jù)序列比較簡捷,從而突出了自然電場的近場信息和來自地震孕育過程中的斷層構(gòu)造活動(dòng)信息,簡化了地震地電前兆信息的識別和提取。1測量電極速度wag大地電場長、短極距比值方法是利用大地電場變化與變化磁場的關(guān)系,遵從介質(zhì)中的麥克斯韋方程,當(dāng)場源足夠遠(yuǎn)時(shí),在各向同性、均勻的連續(xù)介質(zhì)中,同一測向的長、短極距觀測到的地電場值理論上是一樣的。在長極距AB、短極距A'B'上所觀測到的電場強(qiáng)度分別用EAB和EA'B'表示,則:式中,VA,VB,VA',VB'分別表示各個(gè)測量電極的電位;LAB,LA'B',分別表示長、短電極距的長度;JAB和JA'B'分別表示長、短電極距介質(zhì)的傳導(dǎo)電流密度;σAB,σA'B'分別表示長、短電極距地下介質(zhì)的電導(dǎo)率;EAB,EA'B'分別表示長、短電極距的電場強(qiáng)度。當(dāng)觀測區(qū)域地下介質(zhì)各向同性、均勻、連續(xù)且被測場源足夠遠(yuǎn)時(shí),則有:式(3)表明在同一臺站,地電場同測向長、短極距的比值是一個(gè)無量綱的常量。在正常情況下,同臺站的同一測向長、短極距測值的比值應(yīng)為1。研究結(jié)果表明,由于各個(gè)地電臺的測量場地條件的差異、電極的極化電位不同等原因,使得這一比值在不同的臺站、不同的測向有所不同。但測量電極的極化電位穩(wěn)定后,其比值應(yīng)在一個(gè)固定的數(shù)值上變化。因此,利用這一特征,在近震中區(qū)地電場比值法,可以從中識別和提取地震前兆信息。2數(shù)據(jù)的選擇和處理2.1地電場觀測資料及分析2012年5月28日河北唐山發(fā)生了M4.8級地震,隨后天津?qū)氎嬗衷?月18日發(fā)生了M4.0級地震。寶坻M4.0級地震震中距天津市中心城區(qū)約63km,市區(qū)普遍有感,其中寶坻區(qū)和薊縣震感強(qiáng)烈。本文選用與這2次地震鄰近的天津市地震局寶坻、靜海及徐莊子3個(gè)臺站的地電場觀測資料進(jìn)行分析研究,其中寶坻臺位于此次M4.0級地震震中西北約28km;靜海地電場觀測臺站位于震中西南約90km處;徐莊子地電場觀測臺站位于震中以南約110km(圖1)。所選3個(gè)地電場臺站的電極分布方式均為多方向多極距的VAN方法布設(shè)(圖2),其中徐莊子電極南北向與東西向的北、東公共端點(diǎn)為一共用電極。因地電場觀測資料為每分鐘1組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量比較大,而所研究震例的強(qiáng)度又相對較低,異常出現(xiàn)的時(shí)間不可能很早,信息量也要小得多。為了更好地捕捉地震前兆異常信息,本文使用地震發(fā)生當(dāng)月的分鐘值資料進(jìn)行處理,因地震均發(fā)生在下半月,結(jié)果表明可以展示地震的短臨異常前兆信息。本方法在強(qiáng)地震前的異常特征已有初步研究結(jié)果。2.2原始地震資料本文利用大地電場觀測資料的同一臺站及同一測向的長、短極距比值計(jì)算方法,計(jì)算了寶坻、靜海和徐莊子地震臺地震前后的分鐘值觀測資料,分析了唐山M4.8級地震和寶坻M4.0級地震前后的比值變化,從中識別和提取出比較可靠的地震前兆信息。文中給出了2012年5月寶坻和靜海地電場東西向和2012年6月南北向的原始觀測分鐘值資料及其比值計(jì)算結(jié)果(圖3~圖6),徐莊子臺則給出了東西向2012年5月的原始觀測分鐘值資料及其比值計(jì)算結(jié)果(圖7)?？梢园l(fā)現(xiàn),寶坻地電場東西向和南北向在唐山M4.8和寶坻M4.0級地震前均表現(xiàn)出了明顯的比值異常,靜海地電場東西向在2次地震前也表現(xiàn)出了明顯的比值異常,但徐莊子地電場在寶坻M4.0級地震前,則沒有出現(xiàn)明顯的短臨異常變化。3靜海地震前天開池地電場特征對比上述3個(gè)臺站在唐山M4.8級地震前的大地電場長、短極距比值異常,發(fā)現(xiàn)在異常出現(xiàn)的時(shí)間上,基本都在一個(gè)時(shí)間段內(nèi),具有很好的同步性,是地震前大地電場異常變化引起的,是一種可靠的地震前兆異常。具體分析如下:寶坻比值異常出現(xiàn)的時(shí)間為2012年5月19日至23日,靜海比值異常出現(xiàn)時(shí)間為2012年5月22日至25日,徐莊子比值異常出現(xiàn)時(shí)間為2012年5月20日,形態(tài)上都是密集成叢,數(shù)值向下尖峰突跳(表1)。在寶坻M4.0級地震前3個(gè)臺站的地電場長、短極距比值異常,對比分析發(fā)現(xiàn):(1)寶坻地震臺比值異常出現(xiàn)的時(shí)間為2012年6月10日至19日,比值異常表現(xiàn)為在穩(wěn)定變化的背景下,連續(xù)出現(xiàn)正負(fù)向跳點(diǎn),次數(shù)逐漸增多,并且向正向的比值異常幅度較大。(2)靜海地震臺地電場長、短極距比值異常出現(xiàn)的時(shí)間為2012年6月14日,也是在穩(wěn)定變化的背景下,連續(xù)出現(xiàn)正負(fù)向跳點(diǎn),正負(fù)向的比值異常幅度基本相當(dāng)。(3)徐莊子地電場由于電極出現(xiàn)問題,沒有出現(xiàn)地電場長、短極距比值異常。以上3個(gè)臺站在這2次地震事件中的地電場比值異常特征及時(shí)間,分析匯總見表1。4地電場異常表現(xiàn)的對比分析通過以上對寶坻、靜海及徐莊子地電場在2012年5月28日唐山M4.8級地震和2012年6月18日寶坻M4.0級地震前后資料的研究分析,得到如下初步認(rèn)識。(1)唐山M4.8級和寶坻M4.0級地震前鄰近的地電場觀測資料存在明顯的短臨地震前兆異常。其中寶坻的地電場異常出現(xiàn)在震前第10天,異常特征是地電場多極距觀測系統(tǒng)的長、短極距測值的比值出現(xiàn)下降變化,同期出現(xiàn)比值離散度變大(時(shí)間序列曲線變粗)的地電場異常前兆信號,表明此時(shí)地電場測區(qū)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)來自于震源區(qū)或附近斷層構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定電流場變化。靜海和徐莊子地震臺的地電場長、短極距比值異常變化出現(xiàn)的時(shí)間一般都比寶坻的晚,并且多以單日比值異常為主。寶坻地震臺位于活動(dòng)性較強(qiáng)的寶坻深大斷裂帶的北部3km處,基巖埋深淺,埋深為180m。而靜海地震臺基巖覆蓋層較厚,約1000m,徐莊子地震臺基巖覆蓋層較靜海地震臺更厚,約2000m,來自震源區(qū)的地電場異常信號穿透力差。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,即異常主要出現(xiàn)在活動(dòng)斷裂帶,只是應(yīng)力的集中點(diǎn)在震中區(qū)。各臺地電場長、短極距比值異常出現(xiàn)的時(shí)間和形態(tài)不同,可能與臺站的位置及地下構(gòu)造活動(dòng)的程度有關(guān)。(2)地電場多極距觀測系統(tǒng)同一測向長、短極距測值的比值分析方法,是一種有效的地電場地震前兆短臨異常的識別與提取技術(shù)。大量研究表明,該方法可有效排除來自外空場電磁系感應(yīng)的大地電場變化和自然電場的遠(yuǎn)場變化,使處