0 引言

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等。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作用。地电场与地磁场的变化有相同的场源，其中，地电日变化的场源是分布在电离层的电流体系，但地表结构对地电场的影响比对地磁场的影响要大，因此，两者之间应具有类似变化(国家地震局科技监测司，1995)。

近年来，谭大诚(2011)等对全国100多个地电场台站资料进行统计和分析，获得潮汐地电场特征、机理，给出了强震地电场的表现结果，并对产生的差异、机理进行相关的研究，亦从地电场的场源分类方面对地电场的变化特征进行相关研究。此外，张学民等(2007)、黄清华等(2006)也对地电场的潮汐变化进行过较深入的研究，其结果表明：地电场的变化既与地球的变化磁场有关，也与月球的引潮力有关。同时，黄清华等(2006)对潮汐响应呈现不同周期的活动规律进行了相关总结：既有半日变、日变，同时还具有半月变、半年变等活动特征。崔腾发等(2013)对部分台站地电场日变化的相关特征及频谱成分进行相关分析，结果表明：大地电场日变化存在季节性，这与台址电性结构有关，亦与经纬度有关。地电场的频谱主要是12h的半日波成分最强，24~25h的全日波和8h周期成分次之。毛桐恩等(1999)、赵和云等(2002)、马钦忠等(2014)对地震过程中的大地电场变化特征、地震对应性和震前变化、地下电性非均匀结构对地电场信号的影响、地电场短临预报方法、地电场震前变化、地震前地电场的变化、电磁信号小波能谱分析等进行过相关研究，发现了一定的震前变化及地震对应性，并且从机理上给予一定的解释。谭大诚等(2013)依据地电场潮汐机理、波形影响因素和地区水文地质资料等，开展了对汶川M_S8.0地震前建立的西昌、天祝台阵地电场的研究。通过数据的常规波形、傅里叶谐波、裂隙优势走向等分析计算，获得了对西昌、天祝台阵地电场特征和潮汐电信号形成过程中噪声的初步认识；并应用潮汐谐波振幅计算裂隙水主体渗流方向，降低了峰谷值方法的取值误差，使客观地逐日计算得以实现。

以上的研究结果都具有一定的代表性和实际运用价值，同时也建立了一些新的分析方法，如谱滤波分析法、频率-时间分析法、大地电场方位角法、极化斜率法、垂直极化投影法、分数维方法、小波变换法、S波分裂与大地电场观测资料的综合分析、HHT方法等。虽然将大地电场方位角法应用于地电场资料取得过一些结果，但由于2个方位角的算法及物理意义存在一定的不同，故反映到结果上可能存在一定的差异。由于江苏地区的地电场台站所处的断裂(带)不同，局部台址构造条件、局部地形、电极埋深、测区环境等存在很大的不同，各台的渗流方位角与极化方位角可能有较大的不同，目前尚未见相关研究的报道，因此，开展江苏地区方位角变化特征分析等研究工作，可为江苏区域的地电研究及应用地电场资料的地震预测研究提供一定的参考。

1 基本情况

江苏地电台网有南京台、海安台、新沂台、高邮台等4个地电台站(图 1)。南京台地电观测点位于高淳东坝镇叔村农田保护区，测区地貌属于丘陵，测区内分布着大小不等的多个水塘。南京台地电阻率、深井地电阻率(背景场)及地电场观测在同一场地，位于茅山断裂带的东侧断裂——茅东断裂带上。海安台地电观测场地在顾庄观测点(地电场、地电阻率)，该点位于拼茶断裂附近，从历史地震情况分析，该断裂为活动性断裂。新沂台位于郯庐断裂带分段F₁与F₄之间，F₅从EW向的西端点附近穿过，F₅的分支f5从EW向中间穿过。高邮台构造上位于苏北-南黄海盆地内的东台坳陷内，距NE走向的郯庐断裂不远(约120km)，NW向的无锡-宿迁断裂(又称沿湖断裂带)贯穿台址(江苏省地震局，2008)。南京台、新沂台、高邮台和海安台地电场都采用“L”型布极方式，长极距均为400m，高邮台及海安台的短极距为250m，新沂台为200m，其中，南京台第3道及第6道为100m多极距观测，无斜道观测。江苏地电场观测装置布设见图 2。

2 资料的选取及分析

自2010年江苏地电场台站组建以来，仅2011年4个台站受电极稳定性的影响较小，故本文主要采用2011年同一测向长短极距数据的相关性R＞0.7的磁静日长极距数据来进行研究。

图 3为南京台、新沂台、高邮台和海安台地电场NS、EW长测道2011年9月1日典型的静日分钟值曲线图。由图 3可见：①4个台站地电场EW测向的日变化形态很相似，相关系数R均大于0.9。②4个台站NS向与EW向的日变幅各不相同，南京台差异较大，其NS向日变幅明显大于EW向；新沂台是NS向略大于EW向；而高邮台、海安台基本接近且日变幅较小。③4个地电台站数据存在明显的潮汐波现象，呈现出较明显的峰谷变化，但峰谷变化形态略有不同，南京台、新沂台地电场NS向为双峰单谷型，EW向为双峰双谷型；高邮台、海安台都为双峰双谷型。④4个台站不同测项出现峰谷时间略有差异，这与它们所处的地理位置有关。⑤当出现外空扰动时，4个地电台站所有测向均同步记录到相应扰动。

3 方位角的计算方法及结果

大地电场在很多情况下是线性极化的，是由于天电在地球内部感应而成的，它属于大地电场的正常变化。假如有某种信号叠加到了大地电场的正常变化上，而且这种信号未必满足已有的线性极化规律，那么在垂直极化方向的纵轴上地电场观测数据必然会远远超出正常变化范围，从而可以识别出异常信号。但是得到的异常信号不一定是地震前兆信息，降雨、雷电、磁暴、电极电位的突变等都不满足大地电场的规律，大地电场的极化方向也并不是固定不变的(阮爱国等，2000)。

地电场强度矢量是重要的地球物理常量之一，目前所进行的地电场观测是按照分量测量、矢量合成的方法对地表地电场强度进行测量的。

3.1 各台大地电场的极化特征

图 4为2011年南京台、新沂台、高邮台、海安台等4个地电台站的分钟值数据极化图。由图 4可见，南京台、新沂台和高邮台的数据均显示一定的极化现象，但有时也会产生不极化现象；而海安台数据较大多数显示不极化现象。

3.2 各台极化方位角计算结果及分析

在进行地电场分量值测量时，一般情况下，测量(磁)南北和(磁)东西2个正交分量，也可以根据观测场地的观测条件，在平行和垂直于断层走向方向进行测量，极化方位角计算公式如下

$ \alpha=\operatorname{Arctan}\left(E_{\mathrm{NS}} / E_{\mathrm{EW}}\right) $

(1)

极化方位角α表示的是E_NS与合成E间的夹角；E为矢量。为了便于对比，本文所有极化方位角α为北偏东方向(图 5)。

表 1为2011年1~11月静日各台极化方位角变化情况，各台采用的是地电场长极距日均值数据，计算前先对数据进行预处理，剔除较大的突跳数据等。因2011年12月南京台和海安台受电极极化等问题的干扰，数据出现非正常变化，故未参与计算。由表 1可见，南京台极化方位角5月最小，11月最大，两者相差43°；新沂台极化方位角1月最大，6月最小，两者相差达75°；高邮台极化方位角10月最大，8月最小，两者相差44°；海安台长极距极化方位角7月最大，8月最小，相差15°左右。

3.3 渗流方位角

依据地电场的潮汐机理，邻近大水域的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，形成双峰单谷波形地电场；空间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，使地表出现双峰双谷波形地电场。在岩石裂隙流管中，水的压力梯度Δp在各个方向上不同，只有沿裂隙优势走向的压力梯度才最大，潮汐地电场峰谷值幅度大、波形稳定的方向应更接近裂隙水的渗流方向，即更接近岩石裂隙的优势走向。

因此，应用地电场潮汐波幅度可计算出场地岩石裂隙水主体渗流方向及逐日变化，这也可能是大震前兆分析的一种新尝试。基于潮汐地电场的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，结合地电场观测装置的布设，可以探测岩体裂隙优势方位角等的变化(谭大诚等，2010)。

3.3.1 各台模型假设

根据各台布极方位、各地主压应力的方向和地质构造建立各台的渗流方位角模型(图 6)。

根据孙业君等(2015)对茅山断裂带及邻区地震震源机制解的计算及应力场反演可知，在南京台附近，区域应力场的主压应力应约为N73°E，这与许忠淮等(1999)、张绍治等(1989)、万永革(2011)、汪素云等(1993)的研究结果基本相近。因此，南京台共轭剪切面走向分别为N118°E、N28°E。根据施炜等(2003)的研究成果，可推断新沂台区域应力场的主压应力方向应为3°ES(即N93°E)左右，因此，新沂台共轭剪切面走向分别为N138°E和N48°E。根据康清清等(2015)、洪德全等(2013)得到的2012年高邮-宝应M_S4.9地震的震源机制解可知，其主压应力应为N110°E左右，这与陈强(2009)对高邮凹陷西部地区构造应力场及其对构造的控制作用的研究结果基本一致，因此，高邮台共轭剪切面走向分别为N65°E、N155°E。根据王章青等(2012)对苏北盆地海安凹陷现今构造应力场及构造样式的研究可知，在海安台附近，区域应力场的主压应力应为N70°E左右，这与许忠淮等(1999)、张绍治等(1989)、万永革(2011)、汪素云等(1993)的研究结果基本相近。因此，其共轭剪切面走向分别为N115°E、N25°E。

综上所述，根据渗流理论，地电场静日最大日变幅的方向可能为渗流方向，对于新沂台其顺序为：NS向、EW向和NE向；南京台为EW和NS向；海安和高邮台为NS长极距、EW长极距和NE向长极距，而日变幅为标量。结合各台站的布极形态，并将各台α方位角统一归到N偏E方向做出假设模型，得到各台最有可能的方位角为：南京台N118°E、新沂台N138°E、高邮台N65°E、海安台N25°E。

3.3.2 渗流方位角的计算方法

新沂台、南京台渗流方位角计算公式如下

$ \alpha=180^{\circ}-\arctan \left[\frac{\sum_{n=1}^{6} A_{\mathrm{EW}_{n}}}{\sum_{n=1}^{6} A_{\mathrm{NS}_{n}}}\right] $

(2)

高邮台、海安台渗流方位角计算公式如下

$ \alpha=\arctan \left[\frac{\sum_{n=1}^{6} A_{\mathrm{EW}_{n}}}{\sum_{n=1}^{6} A_{\mathrm{NS}_{n}}}\right] $

(3)

式中，α为北偏东角度，也是岩石裂隙的大致走向；A_NS、A_EW为地电场NS、EW向观测数据的潮汐谐波值；n为阶数，表示各台的优势周期个数，通过傅里叶变化可得到，一般n计算到6阶即可。

(1) 静日谐波振幅计算结果

本文采用2011年1月1日~11月30日的观测数据，用谐波振幅方法计算的结果表明(表 2)：南京台长极距渗流方位角为N94°E~N102°E，均值为N99.5°E；新沂台为N127°E~N140°E，均值为N136.1°E；高邮台为N55°E~N69°E，均值为N66.2°E；海安台为N28°E~N52°E，均值为N36°E。

(2) 峰谷值计算结果

用峰谷值法计算2011年1月1日~11月30日的观测数据，结果表明(表 3)：南京台长极距渗流方位角为N95°E~N110°E，均值为N102.4°E；新沂台为N138°E~N154°E，均值为N143.8°E；高邮台为N47°E~N68°E，均值为N61.1°E；海安台为N26°E~N49°E，均值为N34.7°E。

以上结果表明，用静日谐波振幅法与用峰谷值法计算所得结果基本相似，由此可以看出该渗流方位角是真实可靠的。

3.3.3 理论模型与实际的差异

从以上模型可知各台最有可能的方位角：南京台N118°E、新沂台N138°E、高邮台N65°E、海安台N25°E。由2011年1~11月各台极化方位角、静日峰谷值方位角和谐波振幅方位角可见：南京台极化方位角为N偏9°E~90°，均值为34°，与模型相差84°；峰谷峰值方位角为N95°E~N110°E，均值为N102.4°E，与模型相差15.6°；谐波振幅方位角为N94°E~N102°E，均值为N99.5°E，与模型相差18.5°，但谐波振幅方位角总体较为稳定，而结果与模型相差较大，可能与场地起伏偏大(超过数米)有关。

新沂台极化方位角为N偏145°E~230°，均值为194°，与模型相差56°；谐波振幅方位角为N127°E~N140°E，均值为N136.1°E，与模型相差1.9°；峰谷值方位角为N138°E~N154°E，均值为N143.8°E，与模型相差5.8°，总体上与模型相近。

高邮台极化方位角为N偏48°E~90°，均值为74°，与模型相差9°；谐波振幅方位角为N55°E~N69°E，均值为N66.2°E，与模型相差2.8°；峰谷值方位角为N47°E~N68°E，均值为N61.1°E，与模型相差3.9°，总体上与模型相近。

海安台极化方位角为N偏16°E~24°，均值为18°，与模型相差7°；谐波振幅方位角为N28°E~N52°E，均值为N36°E，与模型相差11°；峰谷值方位角为N26°E~N49°E，均值为N34.7°E，与模型相差9.7°，后2种方位角基本接近。但方位角摆动较大，这可能与场地覆盖层较厚(超过1000m)、场地平坦、地下水位较高、雨季降雨及其滞后影响等因素的作用有关。

3.4 渗流方位角与高邮-宝应M_S4.9地震间的关系

利用峰谷值法与谐波振幅法对高邮地震台2012年5~7月的地电场数据进行渗流方位角计算，结果见图 7。

由图 7可见，不论是利用峰谷值法还是谐波振幅法计算出来的渗流方位角，在2012年6月19日之前其变化变幅都较稳定，在此之后变化幅度增大，在7月19日更是有较大幅度的向下突变，在7月20日发生高邮-宝应M_S4.9地震后，渗流方位角变化幅度又整体变小，趋于稳定。峰谷值方位角和谐波振幅方位角与此次地震具有一定的映震关系，这可为地震预测研究提供一种新的可能。

4 结论

本文利用南京台、新沂台、高邮台、海安台2011年全年长极距地电场日值数据进行对比分析，得到如下结论：

(1) 由于极化方位角存在线性极化和非线性极化2种形式，对于不同的台站，这2种形式出现的频次不同。新沂台和南京台由于覆盖层较浅，极化方位角存在线性极化和较非线性极化现象；而高邮台和海安台由于覆盖层较厚，极化方位角多数显示非线性极化的现象。

(2) 结合各台的电极布设方位、各地主压应力的方向以及地质构造建立模型，估算出4个台站的方位角。用峰谷值法及谐波振幅法计算的渗流方位角，两者相差不大，渗流方位角与模型的差距较小；而极化方位角与模型差距较大，这是由于极化方位角受降雨、雷电、磁暴、电极极化等的影响较大。总体来说，渗流方位角比极化方位角的可靠性高。

(3) 通过对高邮台地电场方位角与高邮-宝应M_S4.9地震的映震分析可以看出：峰谷值方位角和谐波振幅方位角与地震间具有一定的映震关系，而其余3个台未出现明显的对应性，可能与此次地震震级偏小和震中距偏远有关。另外，该方法是否具有普遍性，有待进一步进行映震研究。

由于江苏地区的地电场台站所处的断裂(带)不同，局部台址构造条件、局部地形、电极埋深、测区环境等存在很大的不同，各台的渗流方位角与极化方位角亦有较大的不同，因此，开展江苏及邻区方位角变化特征分析等研究工作，对江苏区域的地电研究及应用地电场资料进行地震预测研究具有一定的参考意义。