2.1 形态法
中国大陆地电场日变形态主要有 “峰-谷”型、近直线型、无序变化型和混合型4种(谭大诚等,2010; 陈有发等,1999a,b)。都兰台地电场自2015年开始连续观测以来,在磁静日时具有较规则且稳定的变化形态,呈现“峰-谷”型的日变化以及“冬高夏低”的年变化形态。日变化形态第一峰值优势到时集中在北京时间7—9时,谷值优势时间集中在12—14时。第二峰值优势时间集中在17—18时,谷值较为明显。年变形态表现为每年8—9月达到年变低点后转折并上升,随后在次年2月左右达到年变最高点,期间虽存在小幅度波动变化,但不影响整体年变趋势和极值拐点变化。到目前为止,都兰台地电场已连续、稳定观测6 a。
通过梳理都兰台地电场观测资料,笔者发现2020年7月各测项观测数据均开始出现不同程度的破年变变化,且长、短极距6个测道变化同步,主要表现为年变减小,到达最低点后转折并加速上升,其中以NS测道变化最为显著,NE向变化幅度较小(图3)。NS向长极距观测数据于2020年7月4日出现年变低值拐点,随后并未按照以往变化趋势上升,而是平稳变化近两月后于9月23日开始加速上升,2021年3月22日达到年变最大值后逐渐减小,相较往年年变低值拐点推迟约1个月,年变幅较往年增大37%(图3a); NS向短极距观测数据于2020年6月15日达到历史年变最低点,平稳波动18 d后加速上升,于10月1日到达年变最大值,年变幅较往年增大2倍(图3b)。EW向长极距观测数据于2020年2月7日出现年变低值拐点后转折上升,于4月21日出现快速下降趋势并在6月16日达到年变最低值,之后加速上升,在9月23日到达2020年年变最大值,期间多次出现显著的加速变化,较往年年变幅增大58%(图3c); EW向短极距观测数据于2020年6月15日到达年变最小值,7月3日出现转折上升趋势,10月1日达到年变最大值,年变幅较往年增大57%(图3d)。具体参量信息见表1。
表1 都兰台地电场日均值年变化量统计表
Tab.1 Statistical table of annual variation of the daily mean value of geo-electric field by the Dulan Station
图3 都兰台地电场日均值观测时序曲线
Fig.3 Time series curve of daily mean value of the geo-electric field by the Dulon Station
经调查,自2020年7月以来都兰地电场出现的显著破年变形态可以排除降雨、磁扰及其它干扰因素,综合分析认为该变化属于前兆异常且具有一定信度。异常出现10个月后,于2021年5月22日发生玛多MS7.4地震,震中距170 km。
2.2 长、短极距比值法
大量研究表明,当地电场的场源观测点足够远时,在各向同性的均匀介质中,同一方向的长、短极距观测到的地电场强度应该是一致的(马钦忠等,2004; 田山等,2009)。而在实际地电场观测中,由于测量电极的极化电位不同,以及所处构造背景差异性,不同台站、不同测向观测数据会存在差异。利用这一特征,地震工作者总结出一种简单有效的大地电场异常提取手段——长、短极距测值比值法。
2015—2019年,都兰地电场长、短极距测值比值结果呈现出正常年变趋势,于每年2—3月达到高点,8—9月达到低点,NS向比值为-0.5～1,EW向比值为-0.5～0.2,整体变化幅度小(图4)。NS向比值自2020年6月2日开始快速下降,6月16日达到最小值,平稳波动18 d后,于7月4日快速上升,7月7日持续平稳变化,继续保持同期年变化形态,期间持续一个月的“V”字型变化,变幅大、速率快、异常特征显著; EW向比值自2020年9月22日出现快速下降,10月26日回返,呈现出类似NS向的“V”字型变化。该异常出现11个月后发生玛多MS7.4地震。而2019年10月28日夏河MS5.7地震前,NS向比值自2019年7月出现年变低点推迟3个月的破年变形态,EW向比值自2019年1月起无显著年变形态,明显异于以往变化,笔者认为该异常属于夏河地震的前兆异常。
2.3 相关矩平法
大地电场观测由于受到气温、气压、降雨、地下水位及其他因素的影响,所以观测曲线会表现出明显的年变化季节性特征。然而,和地震有
图4 都兰台地电场NS向(a)、EW向(b)日均观测数据长、短极距比值
Fig.4 Ratio of long- and short-pole distance of daily mean observation data of the geo-electric field in NS direction(a)and in EW direction(b)by the Dulan Station
关的电场信号较弱,且往往会掺杂在这些年变化中,从而使得大地电场异常提取工作愈发困难。所以,行之有效的数字信号处理方法不仅可以去除规律性年变,还可以提取与地震有关的电场信号,从而可更好地应用于地震预测预报工作中。
本文采用相关矩平法进行年变消除处理:通过计算前兆观测时间序列的同期均值,求出前兆观测的正常年动态曲线,对前兆观测时间序列作相关矩平分析来提取异常信息。首先取m组长度为l的1 a均值序列Fit,求取均值序列之间的相关系数Rij为:
式中:l为均值个数(对于5日均值,l=72; 旬均值,l=36; 月均值,l=11); Fi、Fj为均值。
选择Rij中最大的值(达到一定置信度的相关检验值)所对应的两组数据,求2 a时序叠加均值,可得新序列:
{Fyt}(t=1,2,…,l)(2)
将Fyt作为年动态曲线初值,再求Fyt与其它还未透入动态曲线年份的相关系数Ryj。同理,选择Ryj中最大值对应的年份的数据,和已选出的2 a数据作3 a时序叠加均值,得到新的年动态曲线。依次类推,直到均值序列Fit中再没有达到相关检验为止。
都兰地电场观测日均值经相关矩平法去除年变后时序如图5所示,图中绿线为均值线,红色部分为两倍均方差线。NS长极距向计算结果显示2015—2019年5月曲线呈现平稳变化,2019年5月28日曲线趋势性下降,在下降过程中,于2019年10月28日发生夏河MS5.7地震,随后在缓慢恢复上升过程中,于2020年5月10日再次出现加速下降并快速上升的“V”字型变化,异常出现1 a后,于2021年5月22日发生玛多MS7.4地震(图5a)。EW长极距向计算结果显示2015—2020年5月曲线呈稳定变化,2020年5月30日曲线加速下降形态明显,于6月29日快速上升,整体异常过程呈双“V”字型变化,且变化幅度大,异常出现1 a后于2021年5月22日发生玛多MS7.4地震。两次地震之前的异常曲线,均在整体上呈现出趋势性或快速下降的形态,且区间变化值均小于历史均值水平,甚至低于两倍均方差水平,异常形态显著(图5b)。
2.4 典型震例
2019年10月28日夏河MS5.7地震前,都兰地电场6个测道年变曲线均出现不同程度的年变值减小(图6),超过三分之二的分量的年变低点达到历史最低值水平,且曲线较往年恢复上升的时间推迟近两月。整体看,NS长极距向曲线异常形态最为显著:2019年6月20日年变曲线出现小幅度转折趋势,然后快速下降,直至10月18日才出现上升趋势,使得2019年年变幅整体增大30%。同样,其他分量于2019年均呈现出年变幅增大、速率加快的异常变化过程。
图5 都兰台地电场观测数据经相关矩平法去除年变后时序图
Fig.5 Time sequence diagram of the geo-electric field observation data by the Dulan Station after removal of annual variation by correlation moment plane method
图6 都兰台地电场不同方向日均值观测时序曲线与2019年夏河地震对应关系
Fig.6 Relationship between the geo-electric field data in different dixeltions by the Dulan Station and the 2019 Xiahe earthquake
