李學(xué)波

1 寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川市北京東路244號(hào)，750001

地表的電磁信息與巖體形變、流體滲流的過(guò)程密切相關(guān)[1-2]，但對(duì)于地電場(chǎng)變化與區(qū)域性活動(dòng)斷裂相關(guān)性的研究較少。本文分析了5個(gè)地電臺(tái)基于鉛電極和固體不極化電極觀測(cè)的地電場(chǎng)變化特征、地電場(chǎng)與區(qū)域氣壓及附近活動(dòng)斷裂走向的關(guān)系，以探討地電場(chǎng)變化與活動(dòng)斷裂的關(guān)系。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域的地電臺(tái)站均分布在活動(dòng)斷裂附近，圖1(a)為研究區(qū)地電臺(tái)站分布，其中海原、固原地電臺(tái)附近為海原斷裂。海原斷裂位于青藏高原東北緣，是中國(guó)大陸重要的活動(dòng)地塊邊界斷裂帶之一[3]，西起甘肅景泰，經(jīng)寧夏海原，東至固原，寬1～3 km，長(zhǎng)240 km。斷裂走向在海原以西為280°～290°，海原以東為320°[4]。石嘴山地電臺(tái)附近為賀蘭山東麓斷裂，該斷裂位于中國(guó)東西地質(zhì)構(gòu)造界線的南北地震構(gòu)造帶北段，整體走向北北東[5]。銀川地電臺(tái)附近為平羅銀川隱伏斷裂，該斷裂地表無(wú)出露，勘探結(jié)果顯示其南段上斷點(diǎn)埋深11.8 m左右[6]。紅寺堡地電臺(tái)西側(cè)為煙筒山斷裂，呈北西走向。

圖1 地電臺(tái)站分布及臺(tái)站布極圖Fig.1 Geoelectric station distribution and station layout

表1為研究區(qū)地電臺(tái)站概況。基于鉛電極測(cè)量的地電場(chǎng)測(cè)量極距為200 m，是由ZD8M地電阻率儀所測(cè)自然電位差除以測(cè)量極距得到的，ZD8M地電阻率儀測(cè)量得到的地電場(chǎng)為直流DC頻段?；诠腆w不極化電極測(cè)量的地電場(chǎng)極距為300 m，由ZD9A系列地電場(chǎng)儀測(cè)量得到，ZD9A系列地電場(chǎng)儀測(cè)量得到的地電場(chǎng)為DC-0.05 Hz頻段。本文將基于固體不極化電極測(cè)得的地電場(chǎng)稱為地電場(chǎng)E，將基于鉛電極測(cè)得的地電場(chǎng)稱為地電場(chǎng)E1，本文主要研究地電場(chǎng)E和E1的日變化和月變化。由于2種電極測(cè)量的地電場(chǎng)背景基準(zhǔn)有差異，為能直觀地比較二者的變化，E和E1均使用小時(shí)值，統(tǒng)一對(duì)E和E1的基準(zhǔn)進(jìn)行歸零處理，圖件中使用的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)減去背景基準(zhǔn)后的值。圖1(b)為研究區(qū)各臺(tái)站布極圖。

表1 臺(tái)站概況

2 地電場(chǎng)E和E1的變化與活動(dòng)斷裂關(guān)系

2.1 地電場(chǎng)E和E1的日變化與活動(dòng)斷裂關(guān)系

圖2為2018-05-01～05-05各臺(tái)站地電場(chǎng)E和E1的日變化曲線?？梢钥闯?，同一臺(tái)站相同測(cè)向E和E1的日變化大小接近，而同一臺(tái)站不同測(cè)向E和E1的日變化大小有差異，不同臺(tái)站相同測(cè)向地電場(chǎng)E和E1的日變化大小也有差異。表2統(tǒng)計(jì)了各臺(tái)站地電場(chǎng)E和E1的日變幅及測(cè)向與附近斷裂走向的夾角，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與附近斷裂走向近平行的測(cè)向地電場(chǎng)E和E1的日變幅相對(duì)于同場(chǎng)地其他測(cè)向大，與附近斷裂走向近垂直的測(cè)向地電場(chǎng)E和E1的日變幅相對(duì)于其他測(cè)向小。

圖2 地電場(chǎng)E和E1日變化Fig.2 Diurnal variations of geoelectric field E and E1

表2 地電場(chǎng)E和E1日變幅及測(cè)向與附近斷裂走向夾角

從圖3可以看出，地電場(chǎng)E和E1對(duì)2019-10-25～10-27磁暴事件的響應(yīng)有強(qiáng)有弱。表3統(tǒng)計(jì)了磁暴期間各臺(tái)站地電場(chǎng)E1最大變化幅度及測(cè)向與附近斷裂走向的夾角，可以看出，與附近斷裂走向近平行的測(cè)向地電場(chǎng)E1的最大變幅相對(duì)于同場(chǎng)地其他測(cè)向大，與附近斷裂走向近垂直的測(cè)向地電場(chǎng)E1的最大變幅相對(duì)于其他測(cè)向小。

圖3 地電場(chǎng)E和E1月變化Fig.3 Monthly Variations of geoelectric field E and E1

表3 磁暴期間地電場(chǎng)E1最大變幅及測(cè)向與附近斷裂走向夾角

2.2 地電場(chǎng)E和E1的月變化與活動(dòng)斷裂關(guān)系

圖3為2019-10各臺(tái)站地電場(chǎng)E和E1的月變化曲線?？梢钥闯觯仉妶?chǎng)E月變化相對(duì)平穩(wěn)，個(gè)別測(cè)向有趨勢(shì)性變化；地電場(chǎng)E1部分測(cè)向月變化呈無(wú)序波動(dòng)，且不同臺(tái)站無(wú)序波動(dòng)的形態(tài)接近一致。整體來(lái)看，地電場(chǎng)E的變化比較平穩(wěn)，除日變外沒(méi)有周期不定的無(wú)序變化，而地電場(chǎng)E1有部分測(cè)向除日變化外還有周期不定的無(wú)序變化。

對(duì)地電場(chǎng)E1部分測(cè)向的無(wú)序變化作進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其與氣壓的變化形態(tài)高度一致。選擇2019-10與各地電臺(tái)站海拔相同且距離最近的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，固原臺(tái)NE向地電場(chǎng)E1的變化與氣壓呈正相關(guān)；海原臺(tái)NS向地電場(chǎng)E1的變化與氣壓呈負(fù)相關(guān)。統(tǒng)計(jì)2019-07～12地電場(chǎng)E1與氣壓的月相關(guān)性及各測(cè)向與附近斷裂走向的夾角，結(jié)果見(jiàn)表4。綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)及表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與活動(dòng)斷裂走向近平行的測(cè)向，地電場(chǎng)E1觀測(cè)不到氣壓非周期性的變化形態(tài)，與氣壓變化相關(guān)性低；與活動(dòng)斷裂走向近垂直的測(cè)向，地電場(chǎng)E1與氣壓變化的相關(guān)性高。地電場(chǎng)E1與氣壓變化的相關(guān)性與測(cè)向和斷裂走向的夾角有一定關(guān)系，與附近斷裂走向近垂直的測(cè)向地電場(chǎng)E1與氣壓的相關(guān)性隨夾角的減小而減弱。

表4 2019-07～12各臺(tái)站各測(cè)向地電場(chǎng)E1與氣壓的月相關(guān)性及各測(cè)向與附近斷裂走向的夾角

圖4 2019-10地電場(chǎng)E1和氣壓Fig.4 Geoelectric field E1 and atmospheric pressure in October 2019

3 討論及分析

3.1 不同測(cè)向地電場(chǎng)E和E1日變化大小差異

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，與附近斷裂走向近平行的測(cè)向地電場(chǎng)E和E1日變幅相對(duì)于其他測(cè)向大，與附近斷裂走向近垂直的測(cè)向地電場(chǎng)E和E1日變幅相對(duì)于其他測(cè)向小，與章鑫等[7]的研究結(jié)果一致。

圖5為固原臺(tái)、銀川臺(tái)地電場(chǎng)E1日變幅的實(shí)測(cè)值(黑色)與計(jì)算值(紅色)，可以看到，通過(guò)2個(gè)正交的測(cè)向得到的地電場(chǎng)總場(chǎng)在NE方向的分量比實(shí)際測(cè)量結(jié)果大。將NE方向?qū)嶋H測(cè)量的地電場(chǎng)投影在NS、EW方向上發(fā)現(xiàn)，平行于斷裂的NS測(cè)向，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于計(jì)算結(jié)果。因此認(rèn)為，造成活動(dòng)斷裂兩側(cè)不同測(cè)向地電場(chǎng)日變化大小產(chǎn)生差異的原因可能與斷裂有關(guān)。

圖5 地電場(chǎng)E1日變幅實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Fig.5 Measured values and calculated values of geoelectric field E1

研究表明，斷層帶及其兩側(cè)滲透率不一致[8-9]。斷層泥及兩側(cè)的原巖由于滲透率低，阻礙了流體跨斷層帶流動(dòng)，斷層帶內(nèi)的流體活動(dòng)局限在高滲透率的破碎帶中。所以，斷裂帶及其附近電阻率較低，宏觀上表現(xiàn)為電流通道效應(yīng)[10]，可能會(huì)出現(xiàn)地下與地面的電流聯(lián)系通道。斷裂帶兩側(cè)下方存在低阻層，在近似均勻變化的磁場(chǎng)作用下，低阻層內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的是渦旋電流。根據(jù)塊導(dǎo)體的渦旋電流理論[11-12]可知，渦旋中心的電流強(qiáng)度最小，邊緣處最大，感應(yīng)電流在電性橫向不均勻處可能會(huì)促使電荷累積。破裂導(dǎo)致巖層的電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使斷裂帶的自然電流與周邊塊導(dǎo)體中的感應(yīng)渦旋電流部分疊加[7]，最終導(dǎo)致平行斷裂走向的地電場(chǎng)日變化相對(duì)較大，而垂直斷裂走向的地電場(chǎng)日變化相對(duì)較?。坏仉妶?chǎng)對(duì)磁暴的響應(yīng)也是平行于斷裂走向的變化相對(duì)較大，垂直于斷裂走向的變化相對(duì)較小。

3.2 地電場(chǎng)E和E1月變化差異原因分析

對(duì)于同一位置，使用固體不極化電極觀測(cè)的地電場(chǎng)E沒(méi)有出現(xiàn)氣壓非周期變化形態(tài)，而使用鉛電極觀測(cè)的地電場(chǎng)E1有部分測(cè)向出現(xiàn)明顯的氣壓非周期變化形態(tài)。分析地電場(chǎng)E和E1的產(chǎn)出過(guò)程發(fā)現(xiàn)，地電場(chǎng)E是由地電場(chǎng)儀通過(guò)固體不極化電極測(cè)量得到的，測(cè)量頻段為DC-0.05 Hz；地電場(chǎng)E1是由地電阻率儀通過(guò)鉛電極測(cè)量得到的，測(cè)量頻段為DC頻段。從觀測(cè)儀器來(lái)看，理論上地電場(chǎng)E的信號(hào)里面應(yīng)該含有地電場(chǎng)E1的所有信號(hào)。從觀測(cè)裝置的差異來(lái)看，固體不極化電極和鉛電極最大的差別在于電極的類型及電極埋設(shè)工藝。圖6為固體不極化電極的埋設(shè)示意圖及裝配完成的固體不極化電極實(shí)物，可以看出，固體不極化電極經(jīng)過(guò)處理后與大地接觸的是最上方直徑10 cm左右的圓盤。而鉛電極是將長(zhǎng)100 cm、寬100 cm的正方形鉛板卷成直徑30 cm、高100 cm的圓筒埋入地下。固體不極化電極與大地主要在垂直方向接觸，鉛電極與大地主要在水平方向接觸。

圖6 固體不極化電極埋設(shè)示意圖和實(shí)物Fig.6 The schematic and practical diagram of the burying of solid nonpolarized electrode

根據(jù)2種電極埋入地下的形狀、埋設(shè)工藝分析2種觀測(cè)電極的接地電阻。圓盤形接地極的接地電阻[13]為：

(1)

式中，ρ為土壤電阻率，r為圓盤半徑。

垂直接地體的接地電阻為：

(2)

式中，ρ為土壤電阻率，l為垂直接地極的長(zhǎng)度，d為圓筒的直徑。

相同埋設(shè)環(huán)境下，固體不極化電極直徑約10 cm的圓盤與土壤接觸，鉛電極則是直徑約30 cm、高度100 cm的圓筒與土壤接觸。通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算可知，固體不極化電極的接地電阻是鉛電極的10倍以上。該結(jié)果符合實(shí)際測(cè)量得到的接地電阻，即鉛電極接地電阻為50 Ω左右，固體不極化電極埋入地下正常工作情況下的接地電阻在500 Ω左右[14]。

地電場(chǎng)觀測(cè)是觀測(cè)裝置、觀測(cè)環(huán)境及觀測(cè)方法的綜合反映。從觀測(cè)原理、觀測(cè)儀器及觀測(cè)裝置的差異性來(lái)看，在產(chǎn)出過(guò)程中，地電場(chǎng)E和E1的觀測(cè)電極類型、接地面積和接地電阻大小是造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的主要因素。為探討地電場(chǎng)E和E1月變化的差異是否與觀測(cè)電極類型、接地面積和接地電阻有關(guān)，下一步計(jì)劃在海原地電臺(tái)埋設(shè)與固體不極化電極接地面積和接地電阻相似的直徑10 cm、厚0.5 cm的圓盤狀鉛板電極進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)觀測(cè)結(jié)果研究產(chǎn)生差異的原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 基于固體不極化電極和鉛電極測(cè)量的地電場(chǎng)中，與附近活動(dòng)斷裂近垂直的測(cè)向日變幅相對(duì)較小，與附近斷裂近平行的測(cè)向日變幅相對(duì)較大。

2) 活動(dòng)斷裂附近，基于鉛電極測(cè)量的地電場(chǎng)有氣壓非周期變化形態(tài)，且地電場(chǎng)和氣壓變化的相關(guān)性與測(cè)向和附近斷裂走向的夾角有關(guān)，夾角近垂直時(shí)兩者相關(guān)性高，隨著夾角的減小，相關(guān)性逐漸減弱。隱伏斷裂附近的地電場(chǎng)和基于固體不極化電極測(cè)量的地電場(chǎng)沒(méi)有此特征。