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.      

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.      

基于地电场的裂隙水主体渗流方向两种计算方法及意义

地电场是重要的地震前兆物理场,其观测数据包含了自然电场、大地电场和干扰成分.自然电场源于地下介质的物理、化学过程,通常具有相对稳定性;大地电场则来源于空间电流和潮汐力,较稳定的日变形态主要表现出TGF-A、TGF-B两种波形.依据地电场的潮汐机理,邻近大水域的场地,潮汐力作用于岩石裂隙,易使裂隙水周期性渗流,产生周期性过滤电场,形成TGF-A波形地电场;空间Sq电流在地表的感应电场易引起裂隙水周期性渗流,进而产生大地电流场,使地表出现TGF-B波形地电场.以层状介质为例,设上层介质电阻率为p1,厚度为h1;水渗流层的电阻率为ρ2,厚度为h2;下层是不导电介质.     

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.     

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.     

地电场数据分析方法在华北地区的应用

应用VAN法、波形分析法、潮汐谐波分析等对华北地区观测资料质量较好的地电场台进行研究,结果表明,华北地区地电场波形日变幅度范围为2.35—11.12 mV/km;VAN法在华北地区有一定的震例对应,如2003年5月22日河北唐山M_L 4.1、2006年7月4日河北文安M_L 5.1、2010年3月6日河北滦县M_L 4.7等地震前河北昌黎地震台都曾记录到地电场异常信号,存在震前地电场SES的场地效应;华北地区岩体裂隙优势方位α角一致性较差,波动范围约为20°。     

同场地多方位多极距地电场相关特性

针对5个典型地震震中周边的50余个场地记录到的地电场数据展开分析,计算了各场地不同方位之间的地电场相关系数δ_xy或同方位不同极距之间的地电场相关系数δ_xx,以此表征场地地电场变化的复杂性。结果显示:地震活动平静期间这些场地的地电场相关系数δ_xy和δ_xx 具有相对稳定性,中强地震孕育发生期间震中附近多数场地的δ_xy和δ_xx会出现明显下降,且这种现象具有方向性、时间准同步性,并随着震中距的增加而逐步消失。从机理上推断,δ_xy和δ_xx的下降反映了震中附近局部场地地电场变化的非均匀性。      

四川芦山MS7.0和汶川MS8.0地震前地电场变化研究

应用四川芦山M_S7.0和汶川M_S8.0震中周围部分地电场观测台站的资料,主要利用地电场波形比较和极化方位变化两种方法,并结合观测台站的工作日志,对两次地震前地电场观测资料进行了分析研究,并得出:芦山M_S7.0和汶川M_S8.0地震前部分台站地电场波形出现变异现象,主要表现为两种形式:日变波形的畸变(如盐源台和泸沽湖台)和相应时段地电场频谱特性出现变化,这些变异基本上出现在震前1~2个月内;利用两次地震前地电场观测的日均值计算了部分观测台站的地电场极化方位,发现在震前地电场的极化方位出现了大幅变化,最大变化幅度达160°,最小变化幅度也有10°;初步研究还发现,两次地震前夕,震中周围部分台站极化方位的正向或反向延长线,相汇集的区域与地震的震中有一定联系;对于研究所得结果,从地震电信号的产生机制和震源特性方面进行了尝试性理论解释.     

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。     

Diurnal characteristics of geoelectric fields and their changes associated with the Alxa Zuoqi M_S5.8 earthquake on 15 April 2015(Inner Mongolia)

In China, efforts are being made to monitor geoelectric fields through a large network of stations deployed and managed by the China Earthquake Administration. The diurnal variations in the geoelectric field waveforms were similar in the quiet magnetic periods when K5(generally, K3 indicates a quiet time). The arrival time points of the maxima in the geoelectric field waveforms exhibited differences in local time related to geographic longitude. The amplitude of diurnal variation was several to 16.6 mV/km and decreased with increasing latitude. Further,the amplitude of diurnal variation, which was related to seasonal changes, was larger in summer and autumn than in spring and winter. The periods of diurnal changes during quiet days were 24, 12, 8, 6, 4 hours and several minutes over large areas. Finally, the observed diurnal variations in geoelectric field prior to the Alxa Zuoqi M_S5.8 earthquake on 15 April 2015 were studied, and pronounced changes in the spectral values of the geoelectric fields were found to be associated with the Alxa Zuoqi earthquake in Inner Mongolia.     

2020年新疆于田MS6.4地震和田台地电场异常的测道差异性

和田地电场台站距离2020年6月26日于田M_S6.4地震震中约305 km, 该台不同方位测道之间相关系数均值在0.8左右, 应用多极距原理获知震前两月该台地电场数据中“近场”信息较复杂, 但具有一定程度的可靠性。 计算该台不同极距测道的优势方位角α和不同方位测道间相关系数δ_NS/NW, 获知震前数月长、 短极距α、 δ_NS/NW存在不同的异常现象。 2011—2019年, 和田台周边300 km范围发生了6次M_S5.0以上地震, 这种异常现象的差异具有类似特点。 这反映出在同一场地, 地电场长、 短极距观测装置对周边中强地震的映震能力可能存在差异性。     

甘肃嘉峪关、瓜州地电场日变化与地电暴差异机理分析

通过甘肃省嘉峪关台地磁场观测资料,研究嘉峪关台、瓜州台磁静日地电场日变化的时频特征波;由地电场分钟值观测数据的时序叠加残差方法,研究嘉峪关、瓜州山的地电暴变化。结果表明:(1)两台地电场静日变化以两次起伏变化为主,无相位差,但两台之间日变幅差异较大;(2)地电场分量变化与地磁场正交分量变化显著相关;地电场与地磁场日变波形不同,极值时间有差异。2个台存在很明显的高频成分,在去除了高频变化后,其优势周期也相同,从大到小依次为12 h、8 h、24 h。地磁场H分量因存在磁暴影响,故高频变化较多,在去除了磁暴影响后,其优势周期从大到小依次为24 h、12 h、8 h;(3)当电磁暴扰动剧烈时,两台可以较清晰地记录到地电暴的完整变化。在发生电磁暴时,地电场与地磁场的相关性明显降低,且不同台、不同测向之间的变化幅度也不尽相同。两台东分量E_Y暴日的日变幅较静日明显增大,磁暴期间Y分量变化率与地电场东分量E_Y观测数据显著相关,由此说明:两台日变幅的不同与台站台址电导率有关,太阳风引起的电离层活动是引起了地电场日变化主因。引起电暴的原因可能不同于引起日变化的原因,主要是两台之间及不同测向之间的浅、深层电阻率和地质构造等诸多因素的结果。     

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。     

大地电场岩体裂隙模型的应用基础与震例解析

应用大地电场岩体裂隙模型,对中国大陆主要块体内电磁环境、装置系统较好的40个台站进行分析,发现80%场地岩体裂隙结构处于发育阶段、15%场地裂隙处于排列有序的长大阶段、5%场地岩体较破碎,这些不同阶段的岩体裂隙结构对应着不同的大地电场幅度、方向变化特征.通过对2013年至2018年3月中国大陆6次典型震例解析,发现在强震震中200km范围内,岩体裂隙处于长大或发育好的场地较集中,而且这些场地在强震前更容易发生岩体剪裂、裂隙优势方位偏转和大幅度突跳等结构变异,200km外场地裂隙优势方位多发生突跳现象.总体上,这些现象还具有时间准同步性、场地选择性特点.     

与气压有关的地电场特征及机理研究

使用宁夏四个地电台站记录的地电场数据,研究其变化特征、频谱特征、与区域气压变化的关系及测量方向与附近断裂走向的关系。研究结果显示：部分地电场具有日变化特征,同时也具有气压非周期性变化特征,这种特征与气压变化呈负相关,当场地裂隙优势方位与附近断裂带方位呈近似垂直或较大夹角时,测向与附近断裂走向近垂直的地电场与气压相关性较高。分析认为地电场具有气压非周期变化特征是因为测量位置基岩孔隙的渗透率与附近断裂裂缝的渗透率不同,流体渗流过程中气压系统变化引起的流体“窜流”所致。