引言

在地震预测研究领域，地电场(频率范围： DC—0.1 Hz)观测主要是研究地表电场强度及其随时间和空间的变化，探索地电场异常可能与地震之间的关系(中国地震局监测预报司，2010)． 大量地电场观测研究表明，电极极化、 降雨、 温度变化、 人为影响引起的各类噪声以及震前异常都可观测到电、 磁异常信号(Varotsos，Alexopoulous， 1984a，b； Varotsos et al，1993，2005; Uyeda et al，2000; Orihara et al，2002; 马钦忠，2008； 马钦忠等， 2004，2009; Zhao et al，2009)． 为了正确识别震前异常电信号，排除无用电信号干扰，1982年希腊的“VAN”(Varotsos，Alexopoulous， 1984a，b； 马钦忠，1997)小组的震前地电场观测研究采用了多电极距观测系统并研制了不极化电极，从而使震前地电场观测水平有了很大的提高． 我国近些年也成功开展了ZD9A系列大地电场仪和固体不极化电极的应用，并使用多极距观测系统，使观测资料应用价值大大提高． 随着台站观测资料的长期积累和观测精度的不断提高，如何正确识别各类噪声干扰，提取可信度更高的震前异常电信号成为地震预测工作的难点之一． 早期一些学者也从不同角度对全国不同震例、 不同台站数据做过详细阐述，为同类观测台站积累了很好的震例分析经验(赵玉林，钱复业，1981； 钱复业，1998； 毛桐恩等，1999)． 本文利用昌黎地震台(以下简称昌黎台)2002—2010年观测数据，采用多极距去噪声观测原理，对周围400 km以内发生的M_L4.0以上地震前的异常电信号进行分析，了解了昌黎台地电场的变化特征，为今后能够真正识别该台地震电信号及其特点，以及总结预测模式奠定基础．

1.   台址条件和多极距观测原理

昌黎台(119°2′38″E，39°43′00″N)位于燕山山前冲积平原，第四系覆盖层厚70 m，其中含水层总厚度为20—30 m，基岩风化厚度为8 m，地下水主要开采深度为20 m和30 m两含水层，含水层岩性为粗砂和中砂． 下伏基岩为燕山期花岗岩． 第四系为低阻层，电阻率在几到几百欧姆·米，下伏基岩为高阻层，在几千至几万欧姆·米，(孙华等，2001)． 台址勘察显示该台地下有4个电性层，分别是： 第一层h₁=6 m，ρ₁=45 Ω·m； 第二层h₂=24 m，ρ₂=90 Ω·m； 第三层h₃=85 m，ρ₃=55 Ω·m； 第四层h₄=∞，ρ₄=1300 Ω·m(张学民等，2006)． 第一层至第三层属于第四系覆盖层，第四层属于基岩层．

2001年10月在昌黎台安装地电场观测设备，仪器型号为ZD9A(采样率为分钟值)，采用Pb-PbC12固体不极化电极、 “L”式布设NS(南北)、 EW(东西)、 NE(北东)3个测向长、 短共6个测道的电极. 长测道分别记为： NS_L，EW_L，NE_L; 短测道分别记为：NS_S，EW_S，NE_S(席继楼等，2002)． NS和EW测向的长、 短极距分别为300 m和150 m，NE测向的长、 短极距分别为300×2^1/2m和150×2^1/2m，长、短测道共用点分别为“O”和“O”．2002年11月2日和2004年3月29日曾更换过两次电极，第一次更换为Pb-PbC12固体不极化电极，第二次更换为金属铅(板)电极．2011年1月，仪器更换为ZD9A-Ⅱ(频率范围:DC—0.005 Hz)，继续使用铅电极观测．多极距观测原理如图 1所示．

图  1  长、短极距的比较示意图(据马钦忠等， 2004)

Figure  1.  Comparison between long electric dipole and short electric dipole (after Ma et al, 2004)

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图中假设某个方位上布设了长极距AB和短极距A′B′的装置系统，分别测量电位差V_A-V_B和V_A′-V_B′，通过式(1)和式(2)计算出该方位电场强度分量E_AB和E_A′B′

式中，V_A，V_B，V_A′和V_B′分别表示各点的电位； V_oi表示信号源O_i在观测点j处产生的电位； L_AB和L_A′B′分别表示相应的电极距长度． 图中设想了两类不同的地电场信号源，即远源和近源，比较其对地电场观测信号的影响． r为地电场信号源到观测点的距离． “远”和“近”是相对概念，对于同一个观测站，在台站下方介质电性为均匀的条件下，当长极距与短极距上观测到的电场强度大体相等时便认为场源是“近”； 反之，当长、 短极距观测到的电场强度相差较大时，则认为是“远”． 一般情况下，在距离台站数千米以内范围可认为“近”．

由于电位V与距离r成反比，所以对于具有相同强度的信号源，距离观测点远的，在观测点上两个不同极距上产生的电场强度大体相等，或者差别不大； 而距离观测点近的，在观测点上两个不同极距上产生的电场强度差别较大． 如果信号源位于测区内部，两个极距上观测到的电场强度值甚至会符号相反． 因此，采用多极距装置系统观测地电场，可以使地电场观测中相对近源信号与相对远源信号的特征得到区分． 也就是说，远源的场是均匀的或准均匀的，而近源的场是非均匀的(马钦忠，2008)．

昌黎台地电场日变化特征较明显，在磁静日情况下EW测向呈双峰双谷，NS测向呈双峰单谷(郭建芳等，2010)，如图 2所示的2009年5月25日地电场分钟值日变形态曲线． 其它测向同理，在此不赘述．

图  2  昌黎台2009年5月25日地电场分钟值曲线

Figure  2.  The minute variation of geoelectric field at Changli station on May 25, 2009

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2.   震前地电场前兆信号特征

与地震有关的地震电信号(seismic electric signal，简写为SES)，是希腊“VAN”小组进行地震预报的主要根据(马钦忠，1997)． 根据多极距去噪声观测原理，本文对昌黎台2002年1月—2010年6月6个测道出现的干扰电信号做了整理，识别并排除了大量的噪声信号． 日常记录到的干扰主要有： 磁扰、 雷雨干扰、 仪器故障、 供电系统故障、 测区局部环境干扰(如浇地、 附近工厂设施漏电等)、 外线路接触不良和直流供电等(郭建芳等，2011)． 排除了噪声信号后所剩余的信号被认为是可能与附近地震有关的震前异常信号，本文针对提取到的震前异常信号做初步分析． 根据中国地震局地球物理研究所地震目录中国地震局地球物理研究所2000年1月—2010年12月地震月报目录.，提取到昌黎台近区方圆400 km内发生的M_L4.0以上地震6次. 图 3为6次地震与昌黎台空间分布图．

图  3  昌黎台周围400 km以内6次M_L4.0以上地震分布图

Figure  3.  Six M_L>4.0 earthquakes within 400 km around Changli station

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图 4 显示2003年4月27日昌黎台记录到地电场异常信号，之后于2003年5月22日唐山发生了M_L4.1地震； 图 5显示2005年4月6日和7日昌黎台记录到地电场异常信号，且6日出现的异常信号持续时间比7日出现的要长，随后于2005年5月9日在威海与烟台之间发生了M_L4.3地震； 图 6显示2006年6月21日昌黎台记录到地电场异常信号，其特点是在NE方向和NS方向出现的幅度比在EW方向出现的要大(马钦忠，2008)，随后于2006年7月4日在河北省文安地区发生了M_L5.5地震； 图 7显示2007年12月3日昌黎台记录到地电场异常信号，随后于2007年12月15日在河北省蔚县发生了M_L4.1地震； 图 8显示2009年10月27日昌黎台记录到地电场异常信号，随后于2009年11月8日在辽宁盘山发生了M_L4.1地震； 图 9显示2010年2月11日昌黎台记录到地电场异常信号，之后于2010年3月6日在河北省滦县发生了M_L4.7地震．

图  4  2003年5月22日唐山M_L4.1地震前4月27日地电场异常信号

Figure  4.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on April 27, 2003,before the M_L4.1 earthquake in Tangshan on May 22, 2003

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图  5  2005年5月9日威海与烟台之间M_L4.3地震前4月6日和7日地电场异常信号

Figure  5.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on April 6 and 7, 2005, before the M_L4.3 earthquake between Weihai and Yantai on May 9, 2005

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图  6  2006年7月4日文安M_L5.5地震前6月21日地电场异常信号

Figure  6.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on June 21, 2006, before the M_L5.5 earthquake in Wen’an on July 4, 2006

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图  7  2007年12月15日蔚县M_L4.1地震前12月3日地电场异常信号

Figure  7.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on Dec. 3, 2007, before the M_L4.1 earthquake in Yuxian on Dec. 15, 2007

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图  8  2009年11月8日盘山M_L4.1地震前10月27日地电场异常信号

Figure  8.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on Oct. 27, 2009, before the M_L4.1 earthquake in Panshan on Nov. 8, 2009

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图  9  2010年3月6日滦县M_L4.7地震前2月11日地电场异常信号

Figure  9.  Abnormal signals of the geoelectric field recorded at Changli station on Feb. 11, 2010, before the M_L4.7 earthquake in Luanxian on March 6, 2010

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昌黎台有电、 磁两种观测手段，“九五”期间两种手段均实现了数字化观测，故地电场的数据变化与该台地磁数据可做对比研究． 图 4—9所示异常电信号经与该台GM3磁通门磁力仪分钟值数据进行对比研究后，排除了空间变化引起的感应电场的可能． 图 4—9为鉴别后的地震电信号共计7组对应6次地震，即每次地震之前都有异常电信号出现，具体信息见表 1. 其中2005年5月9日威海与烟台之间M_L4.3地震之前，在4月6日和7日出现了两组异常信号．

表  1  2002年1月—2010年10月昌黎台SES与地震对应关系(r <400 km, M_L > 4.0)

Table  1.  Relationship between SES of Changli station and the earthquakes(r < 400 km, M_L >4.0) from Jan. 2002 to Oct. 2010

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表  2  SES长、 短极距比值统计

Table  2.  Ratio of ΔV values of long dipoles to those of short dipoles of the SES

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表 2显示昌黎台地电场记录到的7组异常电信号各测向长、 短极距异常变化量比值基本在1—1.3左右，只有2005年4月6日EW测向比值偏大． 经分析7组异常信号认为昌黎台地电场异常前兆信号有以下变化特征，这些特征都不同于作者整理过的其它类干扰变化：

1)各组异常信号在6个测道同步增大或减小，即极性相同． 该同步性充分说明了信号源来自远源场而非测区内部或近区的干扰．

2)对同一组异常信号而言，同一测向长、 短极距异常幅度ΔV 较接近，据表 2统计二者之差76%在1—2 mV/km左右． 不同测向之间两两变化幅度不尽相同，二者之差变化范围在1—20 mV/km不等，但绝大多数在1—5 mV/km左右．

3)7组异常信号中有5组NE测向长、 短极距异常幅度ΔV最大，2组NS测向长、 短极距异常幅度ΔV最大，EW测向异常幅度ΔV一般居中或最小．

4)异常出现时间距发震时间一般在32天以内．

5)7组异常信号中有3组信号的极性是负的，说明地电流流动方向差异性较大．

3.   震级、 震中距、 电信号异常幅度关系

根据以往震例研究，震级、 震中距、 电信号异常幅度之间可能存在一定的关系． 根据对文县台1981—2001年地电场资料分析，三者之间的线性关系为lg(ΔV·r)=0.533M+1.1. 这种震级、 震中距、 电信号异常幅度之间的关系与希腊震前地电场特征极其相似(马钦忠等，2009)． 昌黎台以上7组异常信号是否也存在类似关系呢？ 为了探索此类问题，本文从中提取6组信号进行震级、 震中距、 电信号异常幅度相关性分析. 其中威海与烟台之间M_L4.3地震前的两组异常信号以第一组信号参与计算. 因大多数长、 短极距异常变化量基本接近，故本文计算时以各测向长极距为例进行相关性分析，各测向震级M_L、 震中距r(km)、 异常幅度ΔV(mV/km)关系如图 10所示．

图  10  昌黎台EW、 NE、 NS测向长极距震级M_L、 震中距r、 异常幅度ΔV关系图

(a) EW_L测道; (b) NE_L测道; (c) NS_L测道

Figure  10.  Fig.10 Relation between earthquake magnitude M_L, epicentral distance r and amplitude ΔV of the abnormal signals recorded at Changli station

(a) In EW_L direction; (b) In NE_L direction; (c) In NS_L direction

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经计算昌黎台NE_L和NS_L两个测道震级、 震中距、 异常幅度三者变化关系式基本一致，分别为lg(ΔV·r)=1.0321M-1.5和lg(ΔV·r)=1.0089M-1.5． 如果把震级变化量的常量系数看作1，则两个测道震级计算式均为M=lg(ΔV·r)+1.5. 利用该公式反过来计算上述7组数据，利用长、 短极距观测值计算所得的震级之差均在M_L0.04—0.3之间，与地震目录公布的实际震级(M_L)，② 中国地震局地球物理研究所2000年1月—2010年12月地震月报目录. 相差M_L0.1—0.6． EW_L测道计算得到的公式为lg(ΔV·r)=0.3137M+1.5. 此结果与另外两个公式相差较大，并且反推计算得到的利用长、 短极距观测值计算所得的震级相差偏大，在M_L0.7—0.04之间，与公布的实际震级(M_L)^②偏差在M_L1.28—0.1之间，个别相差M_L4.0，故利用EW_L测道计算得到的关系式本文认为不宜采用． 以上结果说明，昌黎台地电场记录到的电信号异常变化量与震级、 震中距存在线性关系，即M=lg(ΔV·r)+1.5. 利用该关系式即可估算未来震中距与震级的关系． 此公式只适合对NE和NS两个测道进行计算，EW测向异常变化量尽量不参与计算．

昌黎台EW测向呈现出不同于其它两个测向的关系函数，反映出昌黎台地电场受地下电性结构东西方向非均匀性的影响更强．

另外本文也曾对异常持续时间与发震时刻，及异常持续时间与异常信号是否具有方向性两个问题进行了分析，在以上提取的震例中未发现有明显关系，可能与震级范围较小或者提取的震例较少有关，有待以后积累震例做进一步研究．

4.   讨论与结论

地电场变化与地下介质的电性结构紧密相关，大量实测资料研究发现，地电阻率临震突变有受控于活断层、 发震应力方向的规律． 一次地震孕育过程中，除了震源区是一个高应力集中区外，周围介质非均匀的活断层也会形成次一级应力集中区，对震源应力变化非常灵敏(杜学彬等，1992)． 实验研究表明，第四系不饱和砂土层电阻率对10^-5的应变可放大到10⁵(赵玉林等，1990)． 昌黎台地处宁河—昌黎新生代活断层西侧约7 km，该断裂隐伏在平原第四系沉积之下，呈北东—南西走势. 在图 3所示的几个震例周围分布着很多断裂，大多数断裂也呈北东—南西走势． 故该台地电场记录到了6个震例的异常电信号．

本文分析的6个震例，虽然震级不大，震中距从56—380 km不等，但每组异常都有程度不同的异常幅度变化，很可能该台测区地下介质受孕震区或次一级应力集中区应力的作用使电性结构发生了变化，其中EW向测量可能受介质非均匀性影响较强(马钦忠，钱家栋，2003)． EW测向变化量一般居中或最小，也许正是由这个原因造成的． 另外一个特征就是有5组异常信号NE测向长、 短极距异常变化量最大，只有2组信号NS测向长、 短极距异常变化量最大. 但从5组异常对应的震中位置看并非都位于昌黎台的北东或南西方位，其对应的5次地震中唐山M_L4.1、 滦县M_L4.7和蔚县M_L4.1地震位于该台西侧或近于西侧，盘山M_L4.1地震位于该台北东方位，威海与烟台之间的M_L4.3地震位于该台东南方位． 沿北东向异常信号变化较明显的特征与昌黎台附近的宁河—昌黎断裂走势一致，说明在该台测区，多数来自各个方向的地下电信号强度在断裂带附近北东方位优于其它方位，次一级方位则是南北向，而东西向受介质不均匀性影响较大．

昌黎台记录到的7组地电场异常信号对应了6次M_L>4.0地震. 其中2组分别是在连续两天出现的，所对应的是同一个地震事件. 说明每次地震前都出现了异常信号，这些异常信号出现的时间在震前32天以内．

依据本文采用的数据，昌黎台地电场电信号异常变化量与震级、 震中距存在着线性关系，即M=lg(ΔV·r)+1.5，利用该关系式即可估算未来震中距与震级的关系． 由于观测期间没有大地震出现，此公式可能只适合NE和NS两个测道对距台站400 km范围内的中小地震进行估算．