潮汐地电场特征及机理研究

以中国大陆一百个地电场台站的数据为分析基础,将潮汐地电场分类为近正弦形的TGF-A型和近梯形的TGF-B型.TGF-A型地电场与固体潮汐密切关联,基本分布在大面积水域附近,并与附近水域面积和距离、岩性结构、构造活动等因素有关.TGF-B型地电场与气潮作用产生的空间S_q电流关系密切,并与岩石饱和度、渗透率等有关.TGF-A型波形畸变揭示了岩石所受应力可能出现变异,导致岩石裂隙水周期性渗流突变;TGF-B型背景值跃变可能是岩石微破裂加剧导致地下水向破裂区渗流.两类潮汐地电场变异的机理可能是地电场数据应用于强震短临分析的理论基础.     

地电场水文地质因素及裂隙水 主体渗流方向逐日计算

2007年西昌和天祝地电场观测台阵建立, 随后两年西昌台阵地电场的TGF-A波形明显, 天祝台阵则以TGF-B波形出现. 台阵内各台站间地电场相关性高, 这受地电场潮汐机理的支持; 不同台站或同一台站的不同方向地电场潮汐波峰谷值差异明显, 地电场潮汐机理和场地水文地质资料表明, 这主要与岩石、 裂隙度、 裂隙优势走向、 含水度、 透水率、 水矿化度和裂隙水压力差等因素相关. 潮汐电信号形成于裂隙水或水中电荷周期性移动, 电荷被岩壁吸附或脱离产生噪声, 该信噪比在同一台阵内基本相同, 信噪比值与潮汐电信号产生过程和场地电磁背景关系密切. 应用地电场潮汐谐波振幅计算裂隙水主体渗流方向, 结果与应用潮汐波峰谷值法基本一致, 这消除了峰谷值法取值的偶然误差. 2008年汶川M_S8.0地震前, 两台阵内都存在场地裂隙水主体渗流方向的短临变异现象, 西昌台阵这种变异更明显.      

青藏高原中强地震前的地电场变异及构成解析

青藏高原及邻区的地电场常态波形存在场地的选择性现象,场地的岩石结构、裂隙及裂隙水、构造活动等因素影响地电场的常态波形,较大湖泊有助于附近出现TGF-A波形,在第四纪沉积层较厚、岩石含水度高和透水性强的地区多出现TGF-B波形,而构造活动剧烈的基岩山区易出现无日变形态的地电场.该地区中强地震前,地电场的短临异常存在时间上或同步或有十余天差的丛集现象,而在空间上可分布于该区多个断层附近,表现出离散现象,这种时间上丛集、空间上离散的现象是该区域地电场短临前兆特征.引入Σ-Δ求和方法从地电场观测数据中解析出自然电场通常的稳定性,说明了中强地震之前部分地电场的背景值跃变是一种自然电场变化现象;建立潮汐谐波振幅比T_A值的概念及计算方法,从定量角度说明了青藏高原地区TGF-A、TGF-B和无日变波形的潮汐影响在逐次降低;使用一阶差分ΔE方法,解析出地电场分钟数量级的高频电磁成分,通常这种高频突跳表现出一定程度的随机性、有限性.三种不同的分析方法,从地电场的构成中解析出自然电场、大地电场和高频电磁成分的特征,为地电场的物理解析提供了理论和方法上的基础.     

自然电场的区域性变化特征

以场源为分类原则,地电场E由自然电场E_SP和大地电场E_T构成.E_SP起源于地下介质物理、化学作用,通常其变化及稳定性具有明显的局部场地特征;E_T起源于空间电流系和潮汐力,在日变波形、频谱特征上表现出广域性.在形成微观机理方面,E_SP和E_T能够具有部分相同的机理过程.2008—2013年,在南北地震带附近13个代表性场地,多数E_SP不具有清晰的年变波形,其稳定性也受区域、场地、方位、构造活动等因素影响.在这些地区,E_SP较平稳的持续升降、快速跃变、突跳等现象常见,同一主断裂带附近或局部区域内,这些大幅变化的趋势转折点多具有时间同步或准同步性,同一时段数据稳定性可能类似,但形态变化存在场地因素而不具相关性.E_SP较平稳期间,应用潮汐地电场频谱特征计算的裂隙水主体渗流方位α易处于相对稳定状态,而在其剧烈变化期间的α常会明显变化.以潮汐地电场频谱特征逐日计算α值,可能揭示场地裂隙、裂隙水渗流、主压应力的逐日变化信息,进而可解析E_SP、E_T宏观变化的微观机理过程.     

潮汐地电场谐波和各向波形的影响要素

潮汐地电场表现出近正弦形态,形态持续全天属TGF-A型,只在午前午后出现属TGF-B型,两类潮汐地电场前5阶谐波周期分别是23～24、12、7.9、6、4.8h.不同场地的潮汐地电场振幅谱可能有差异,周期变化的径向、切向月球潮汐力的振幅谱也存在差异.岩石裂隙面分布不同,则各向潮汐力对裂隙的作用效果不同,这可能是导致潮汐...     

地电场多测向日变波形相位关联特征

本文以电磁环境、装置系统、日变波形均具有代表性的海安、平凉、瓜州等7个台站为对象,基于大地电场潮汐机理和裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,应用快速傅里叶变换和矢量分析方法,研究这7个台站在2009—2015年多个时段、多个测向的地电场日变波形的相位关系及影响因素.结果显示:多方位地电场观测的日变波形之间具有同相或反相的相位关联特征; 当观测地电场的电极与仪器的连接方式确定后,不同测向地电场日变波形的相位关联即由场地岩体裂隙优势方位所决定,且这种相位关联特征具有相对稳定性.      

天祝台阵地电场季节变化及其两种影响因素分析

地电场是联系空间Sq电流体系、 地球表面电流和内部电流活动的地球物理量, 它包含了空间电流系变化产生的大地电(流)场和区域环境变化等引起的自然电场。 通过研究青藏高原东北缘的天祝台阵5个固定地电场台站连续10年观测数据, 得出该区域地电场变化具有明显的366±(<1) d周期。 且大地电流矢量方向有明显的季节变化, 每半年改变一次方向, 方向变化时间一般为每年4月和9~10月; 大地电流矢量的强度变化也具有周期性。 通过建立简单模型进行定量化分析, 认为地电场季节变化主要受到Sq年变和区域气候环境的耦合作用, 主要依据为地电场长趋势变化与电离层Sq电流年变化趋势吻合。 基于区域性气候、 冻融深度等季节性变化模型开展计算, 认为气温导致了地下浅层介质电性结构、 电极附近电位方向的变化, 影响了地电场的长趋势变化。 本文结果有助于认识超低频地电场年变周期特点及其原因, 并探索其应用前景。     

海南地区地电场日变形态及主要干扰特征

海南现有的2个地电场观测台站中,文昌台位于海南东北角海边,其常态波形为TGF-A型;琼中台位于海南中部山区,主要表现为无日变形态的地电场。TGF-A型的文昌地电场频谱分布稳定,以24 h和12 h周期成分为主,而无日变型的琼中台频谱分布复杂多变。对上述2类地电场潮汐谐波振幅比T_A的计算表明,无日变型信号的T_A值明显较小,表明其通常受自然电场和干扰的影响更大而不易表现出典型的谐振形态。过去的一些研究表明,地电暴期间,同一台站地电场各测向之间变化量相差比例不大,但文昌地电台在一系列的地电暴事件中东西测向都表现出强烈的敏感性。     

南北地震带两次典型强震周边自然电场变化及机理探讨

根据场源不同可将地电场E分为大地电场E_T和自然电场E_SP。空间S_q电流系和固体潮一般被认为是大地电场E_T的起源;自然电场E_SP源于地下介质的物理化学作用,其局部性变化相对稳定。2013年南北地震带相继发生了芦山M_S7.0地震（30.3°N,103.0°E）和岷县、漳县M_S6.6地震（34.5°N,104.2°E）。两次地震周边约400 km范围内的地电场台站（成都、汉王）数据表明震前自然电场E_SP出现明显的小幅度突跳或大幅度跃变,同时在时间上具有准同步性,其他地电场台站也有类似变化。基于大地电场岩体裂隙水（电荷）渗流（移动）模型,对两次地震周边自然电场E_SP的变异机理进行探讨,尝试解析其物理过程。     

入地电流干扰地电场观测的仿真模拟

高压直流输电经接地极产生高值入地电流,干扰台站地电场观测.分析了入地电流对大地电场造成的影响,并对接地极电流场的计算方法进行了推导.应用有限元方法,通过ANSYS软件的workbench平台,建立地层模型,模拟求解接地极产生电场的分布,分析了入地电流、土壤电阻率和地理单元的影响作用,为地电台站防护距离的确定提供了参考.     

华北地区地电暴时GIC及涡旋电流响应分析

通过地电场台址近地表介质电阻率和地电场值计算大地电流,从大地电流场中分离出涡旋电流;根据平面波理论和水平导电层模型,使用地磁暴观测数据在频率域计算地磁感应电场(GIE),由GIE计算地磁暴感应电流(GIC).计算结果与实测值对比分析表明:GIE计算结果与实测地电暴具有很好的相位一致性;GIC涡旋中心相对地电暴涡旋中心存在向SE漂移约3°的现象;磁暴时地磁场Z分量的幅值分布图中极大值区域与涡旋中心重合,可能是GIC涡旋中心偏移的原因.另外,根据电磁感应原理提出的等效环电流模型,在一定程度上解释了涡旋大地电流的形成机制.本项工作可应用于地磁观测与地电观测的相互校正,同时有助于认识地电暴对大地电流分布的影响.     

地电场秒采样观测技术研究与应用

地电场是重要地球物理场之一,以地球表层的天然电场及其随时间的变化为主要观测对象,以地下介质场源产生的地电场及其动态变化过程为重要研究目标.多年来开展的理论分析、数值模拟和试验研究等结果表明,在强地震活动过程中,地电场的动态变化,主要与在地应力和地应变作用下,地下介质的构造断层活动、裂隙发育和电解质运移和渗流等物理过程,以及地下介质的电磁学属性及其动态变化等相关联.     

基于大地电场岩体裂隙水渗流模型的地震前兆异常特征

正基于地电场潮汐波建立岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,计算辽宁地区大地电场优势方位角α,结合降雨、温度、磁暴等典型干扰,对α的干扰幅度进行对比分析,结果表明,α抗干扰能力较强。在2013年1月23日灯塔MS 5.1地震前后,α的动态变化表明,多个同一或相邻地质构造地电场台站,岩体裂隙电荷移动方位长时间的准同步突变是中强地震的前兆异常特征。(1)模型计算。采用ZD9A系列的分钟值采样数据,     

典型干扰对岩体裂隙优势方位计算结果的影响研究

应用平凉台地电场NS、 EW方位大地电场的分钟值, 其矢量合成结果表明, 该场地的大地电场强度、 方向变化都具有日周期性, 并且其方位与应用潮汐谐波振幅计算的岩体裂隙优势方位α角一致。 在该场地, 来自空间的磁暴干扰对α角的计算结果基本不产生影响; 模拟加入脉冲、 电阻率观测人工供电、 地铁等典型干扰, 在干扰幅度小于平凉台日变波峰值时, α角的计算结果基本不受影响; 模拟加入直流阶跃干扰时, 干扰加入当天会影响α角的计算结果, 但从第2天起不再影响α角的计算结果。     

典型干扰环境中的大地电场优势方位角应用探讨

高压直流输电故障、地电暴、地电阻率观测人工供电、地铁等通常会对地电场观测带来较大干扰,对观测资料的应用、地震异常信息的提取识别等带来了很大困扰。选取陵阳、瓜州等13个观测系统较好的地电场台站,基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,计算实际观测中这些典型干扰下各场地大地电场优势方位角α的变化情况。结果表明：通常的地电暴、高压直流输电、地电阻率观测人工供电、城市轨道交通等干扰,计算的α值受影响不明显,但持续多日的大幅度、剧烈干扰可能导致部分场地出现影响。通过对2018年9月陕西宁强M_S5.3震例分析,其结果表明复杂环境中周边场地强震前的α值异常可能也显著。研究结果对地电场数据应用可能有一定参考意义。     

新沂台和马陵山台地电场日变化及潮汐响应初步分析

基于江苏省新沂台和山东省马陵山台同(近)场地观测的地磁场、地电场和分量应变观测数据,详细分析了两台站地电场日变化的波形、变幅、相位和优势周期成分以及日变幅的季节效应和台址电性条件对其的影响,并在此基础上分析了地电场日变化的机理.结果显示:① 两台站地电场日变化主要为两次起伏变化,主相起伏集中在当地午前午后时段,且起伏波形与磁场日变化的起伏波形大致相同,存在相位差,但主相起伏时段与磁场对时间的偏导曲线上的日变化起伏时段大致对应;地电场变化与磁场正交分量的变化显著相关,且与同方向的分量应变显著相关;地电场日变化波形与分量应变日变波形有很大差异;② 两台站地电场、地磁场日变化的优势周期为12 h,8 h,24 h,最显著周期为12 h,其中12 h和24 h周期成分是应变分量的优势周期;③ 两台站同方向地电场日变化的波形高度相似,但同台正交分量之间的日变幅有方向性差异;朔望月时段的日变幅大于上下弦月时段,日变幅有夏季大于冬季的季节效应;台址电导率越低,日变幅越大.地电场日变化既表现为广域性特征,又表现为局部性特征.地电场日变化机理分析认为,地电场日变化是由月日潮汐力和太阳风引起的电离层活动所导致,同时还受到季节、台址电性条件等多因素的影响.      

中强地震前后地电场观测数据变化研究

地电场观测对象为天然地电场,包括源自外空的大地电场和源自地下的自然电场两个部分.我国最早开展模拟地电场观测在1966年邢台地震之后.数字化地电场观测始于"九五"以后,目前已经建成了由110个台站组成的覆盖各主要地震危险区和重点监视区的地电场观测台网.地电场台网记录到了大地电场日变化和地电暴等周期性或同步背景变化.     

复杂岩体水渗流地电场响应试验分析

采用715m埋深的矿井巷道揭露的煤系地层和正断层作为试验对象,由巷道和其侧帮水平钻孔构成相互垂直的二条电法观测线,在断层下盘进行注水,时空域观测二条测线上岩体的地电场响应.试验中动态反演电阻率图像可以跟踪水体渗流运动过程,判定岩体中断层导水性能及其控水作用;自然电位随着岩体内注入水体逼近电极而上升,停止注水而下降,自然电位指示岩体水体渗流的波动规律;激励电流的升降与出水点位置相关,距离出水点越近激励电流上升越明显.试验表明对于受断层控制的深部复杂岩体的水体渗流,可以运用地电场的时空特性进行监测评价.动态地电场监测技术,可用于复杂岩体的导、隔水性能研究.     

蒙城大地电场观测资料的初探

地球表面存在着天然的变化电场和稳定电场,总称地电场。地电场是重要的地球物理场之一。包括：①大地电场,是由地球外部的各种场源在地球表面感应产生的分布,或较大地区的变化电场,一般具有广域性,即空间上具有较小的变化梯度,但时间上变化梯度     

河北地区地电场观测数据地电暴变化特征

选取河北省6个地电台站地电场观测数据,分析地电场静日和地电暴期间的波形变化,讨论地电暴期间不同台站之间急始脉冲和急始变幅差异性,认为:地下介质不均匀性造成地电暴急始脉冲相位不同;地电暴急始变幅差异与观测台址表层电阻率大小关系密切。应用最大熵谱方法提取频谱成分,发现地电暴日高频短周期成分更加丰富,优势周期约1.6 h。