0 引言

地震在孕育和发生过程中，随着应力的不断加载，地壳介质的结构也发生变化，及至孕震晚期，震源区应力相对集中的地壳介质的电性结构会发生变化，从而引起大地电场的变化，这种地电场变化已在多次中强地震前观测到，属于中短期异常(黄清华等，2006；马钦忠，2008；安张辉等，2017；席继楼，2019)。近20多年来，对地电场数据的分析也发展了多种分析方法，如频谱分析(范莹莹等，2010；Ye et al，2018)，极化方位计算(毛桐恩等，1999)、长短极矩比值计算(田山等，2009)。由于需要从复杂的电磁环境中提取相对较弱的地震电磁信号，有必要进行地震电磁物理过程的解析，需要开展地电场机理、特征、数值模拟等研究(黄清华等，2006；叶青等，2007；谭大诚等，2010、2019)。随着对大地电场的物理解析的认识逐渐深入，近年来探索了自然电场、大地电场初步分离的原理(谭大诚等，2012)，基于大地电场的潮汐机理，将源于空间电流系和潮汐作用的大地电场与岩体裂隙结构联系起来，建立了大地电场的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型，逐步发展出了地电场优势方位角分析方法(谭大诚等，2011、2013、2019)，用于探寻震中附近的岩体裂隙结构变化。

地电场优势方位角分析方法以其极强的抗干扰能力得到广泛的应用，利用地电场优势方位角分析方法，在近几年的部分中强地震前提取到了显著的异常信息，尤其是在部分地震前会有多个场地的优势方位角变化在时间上出现准同步的异常现象(谭大诚等，2019；刘长生等，2020；侯泽宇等，2021；张国苓等，2021；辛建村等，2022；赵玉红等，2023)。

2015年3月14日安徽阜阳发生4.3级地震(33° N，115.9° E)，该地震造成房屋倒塌155间，受损1万多间，本次地震的震源深度3km，为发生在沉积层里的浅源地震，震源机制解的反演结果显示两个节面分别与附近的临泉—刘府断裂和王老人集两条断裂的走向一致，烈度调查结果显示等震线的长轴方向为NWW向，说明阜阳地震的发震构造很可能是临泉—刘府断裂(洪德全等，2017)。本文利用大地电场优势方位角方法来分析阜阳4.3级地震前后震中附近蒙城台、周口台、嘉山台3个台站的地电场优势方位角的异常变化特征，并分析异常与地震的相关性，为该方法在华东地区震情跟踪中的应用积累震例。

1 观测台站及数据分析方法 1.1 构造环境及台站概况

研究区域内主要断裂有NE向的郯庐断裂带、王老人集断裂，EW向的宿北断裂、太和—五河断裂、临泉—刘府断裂等，2015年阜阳4.3级地震位于王老人集断裂和临泉—刘府断裂交汇部位。蒙城台、周口台、嘉山台地电场观测距本次地震的震中分别为69km、137km和225km，其中蒙城台位于郯庐断裂带和王老人集断裂之间、周口台位于周口—鹿邑断裂带附近，嘉山台位于郯庐断裂带东侧(图 1)。

蒙城台位于蒙城县境内的黄柏山，其台基主要为震旦系砂岩，第四纪覆盖层厚度在100~300m，大地电场自2000年1月1日起正式观测，观测仪器为ZD9A大地电场仪，采样间隔为1min，采用三角形布极方式，共有北南(NS)、东西(EW)、北西(NW)三个方向，每个方向又分为长、短极矩，其中NS、EW向长极矩为226m，短极矩为113m，NW向长极矩为320m，短极矩为160m(图 2(a))，电极为LGB-3型固体不极化电极，该固体不极化电极具有电极差小、稳定性能好、噪声低、频带宽、轻便耐用等特点，电极埋深1.8m，线路采用架空方式，测区内地形平坦，观测环境较好，无明显干扰(薛志明等，2004；郑兆苾等，2005)。

周口台地电场测区位于EW向的周口—鹿邑断裂带附近，测区地貌平坦，落差小于1m，地势西北高、东南低，表层为粉土，无卵石层和砾石层，第四系覆盖层在200m以上。地电场自2007年5月开始观测，观测设备为ZD9A-Ⅱ型地电场仪(2020年5月仪器型号变更为GEF-2)，采样间隔1min，采用三角形布设，分为北南(NS)、东西(EW)、北东(NE)三个方向，长极距360m，短极距240m(图 2(b))。电极采用LGB-3型固体不极化电极，电极埋深2.7m，线路采用架空方式。

嘉山台位于郯庐断裂带东侧，地理位置属于下扬子地块，台站基岩为玄武岩，地电场自2007年1月1日开始观测，观测设备为ZD9A-Ⅱ型地电场仪，采样间隔1min，采用三角型布设，布设方式与蒙城台一致(图 2(c))，分为北南(NS)、东西(EW)、北西(NW)三个方向，采用长、短两种极矩，长极距240m，短极距160m。电极采用固体不极化电极，线路采用架空方式，测区内地形平坦，无明显干扰(张伟峰等，2015)。

1.2 地电场日变特征

全国地电场观测波形呈峰-谷型、近直线型、无序变化型和混合型，约50%地电场台站可表现出峰-谷形态，该形态地电场大致可以分为两类：一类是TGF-A型，是与固体潮密切相关的正弦波，受岩石裂隙和区域构造应力场的影响，约占目前地电场台站总数的10%；第二类是TGF-B型，其与潮汐相关的空间Sq电流产生近似梯形的波形，与岩石的含水度、渗透率等相关，约占目前地电场台站总数的40%(谭大诚等，2010、2011)。本文分析蒙城台、周口台、嘉山台3个大地电场台站的日变波形及谐波振幅分布，地电场日变波形显示：3个台站的大地电场日变形态均为近似正弦波且仅在中午前后出现的TGF-B型，其中，蒙城台、周口台地电场各方向日变化具有较为规律的日变化，日变化有两个极大值，一个极小值(图 3(a)、3(b))，每日呈现出“双峰单谷”的正弦波形态(薛志明等，2004；范晔等，2020)，嘉山台地电场日变化与蒙城形态不同，呈现出的是“单峰双谷”的变化形态(图 3(c))，造成差异的原因是台站地下介质的电性结构和空间电离层的电流不同(孙璐媛等，2021)。

地电场谐波振幅的结果显示：周口台、蒙城台、嘉山台3个台站地电场不同方向的前10阶谐波主要包含24h、12h、8h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h和2.4h的周期成分(图 3(d)、3(e)、3(f))，其他高阶谐波的振幅小且相对稳定。周口台、蒙城台、嘉山台的地电场前10阶谐波的振幅和分别约占前20阶振幅和的85%、83%、84%，前10阶谐波可以较好地拟合地电场日变波形(谭大诚等，2011)。

1.3 地电场观测数据质量

地电场观测数据质量的评估可以通过同测向不同测道数据的相关系数进行评判和控制，相关系数指标可以作为观测装置稳定性和观测环境电磁干扰程度的评判依据之一，通过对同一测向不同测道观测数据进行时域相关分析研究，验证观测数据的可靠性，检验观测结果的质量。若在同一方向上的长、短极距变化趋势相同，即相关性较好，数据可信度就较高。若长、短极距变化趋势不一样，则需要考虑是否存在干扰。因为在同一局部地区地电场基本是稳定的，理论上同一方向上的观测值相关系数是比较高的。

计算蒙城台、周口台、嘉山台3个台站地电场2013—2016年不同方向的长、短极矩的日变化相关系数，结果显示：2013年1月1日至2015年3月14日阜阳4.3级地震发生前，蒙城台、周口台、嘉山台3台站3个测向长、短极距观测数据相关系数均在0.7以上(图 4)，符合观测技术要求，说明观测装置系统稳定，测区环境无干扰源，3个台站的地电场数据质量较好。震后地电场长、短极矩相关系数出现下降变化，查阅台站相关的观日志，蒙城台相关系数下降主要由于2015年3月中旬进行季度检查，外线路接头引起台阶变化，6月份更换中心点电极，可能由于电极不稳定引起的相关系数下降；周口台2015年7—12月相关系数下降主要也是由于电极不稳引起的，2015年12月更换电极后相关系数达到0.9以上；嘉山台2015年3—10月的相关系数下降主要也由于电极不稳定引起的，10月更换电极后3个方向的相关系数均达到0.98以上。

1.4 地电场优势方位角算法

大地电场具有明显的日变波形特征，主要来源于电离层Sq电流和潮汐力(黄清华等，2006；谭大诚等，2010)，地壳中岩体内存在含水裂隙，基于大地电场的岩体裂隙水渗流模型，这些裂隙水或水中的电荷以日为周期沿裂隙往返移动，因此，岩石裂隙结构的优势方位基本就是地电场的优势方位。

在实际的计算中，计算台站地电场某2个方向的方位角时，如计算NS、NW向之间的地电场优势方位角α(北偏东)的计算公式如下(谭大诚等，2013、2019)

$\alpha=180-\frac{180}{{\mathsf{π}}} \arctan \left\{\sqrt{2} \frac{\sum\limits_{i=1}^{10} A_{\mathrm{NW}(i)}}{\sum\limits_{i=1}^{10} A_{\mathrm{NS}}(i)}-1\right\}$

(1)

其中，A_NW(i)和A_NS(i)分别为NW和NS向的第i阶潮汐谐波的振幅，利用谐波分析方法对地电场每日的分钟值进行处理，得到周期为24h、12h、8h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h和2.4h谐波的振幅(谭大诚等，2019)。

2 异常特征

本文基于2013—2016年蒙城台、周口台、嘉山台地电场观测分钟值数据，利用地电场优势方位角算法得到3个台站地电场优势方位角随时间变化的曲线，其中 图 5(a)、5(b)、5(c)为3个台站长极矩2013—2016年方位角曲线，图 5(d)、5(e)、5(f)为相应台站短极矩2013—2016年方位角变化曲线。结果显示：在2015年3月14日阜阳4.3级地震前，蒙城台、周口台地电场方位角出现准同步的异常变化，震中距69km的蒙城地电场长极矩的NS/NW向的方位角2013年1月—2014年9月底变化平稳，在110°附近波动变化，2014年10月该方向方位角开始出现增大偏转的变化，至12月底方位角偏转至200°左右，偏转幅度约90°。2015年1月1日—2015年3月14日阜阳4.3级地震前，方位角在200°附近波动变化，地震发生后3个月左右，方位角恢复到震前背景水平，NS/EW、EW/NW向方位角的变化幅度较小(图 5(a))。蒙城台短极矩NS/NW向的方位角2013年1月—2014年9月底变化平稳，在126°附近波动变化，2014年10月该方向方位角开始出现增大偏转的变化，至12月底方位角偏转至210°左右，偏转幅度约90°，与长极矩的异常时段同步(图 5(d))，NS/EW、EW/NW向方位角的变化幅度较小；震中距137km的周口台地电场3个方向的优势方位角2013年1月—2014年9月中旬变化不大，2014年9月下旬开始3个方向的方位出现快速偏转的变化，其中，长极矩方向的NS/EW向方位角由86°跳变为44°左右，偏转约42°。NS/NE向方位角由100°跳变为220°左右，偏转角度约为120°，EW/NE向方位角偏转约70°(图 5(b))，短极矩的NS/EW方位角由65°跳变为130°左右(图 5(e))；震中距225km的嘉山台地电场3个方向长短极矩的方位角在地震前后都在均值附近波动变化，方位角未发现明显的偏转变化(图 5(c)、5(f))，可能原因为震中距较远或者郯庐断裂带阻隔了应力的传递。

3 分析和讨论

为进一步分析阜阳4.3级地震前地电场优势方位角的可靠性，本文对2013—2016年蒙城台NS、EW、NW向的前10阶谐波的振幅和进行分析，时间序列的结果显示：蒙城台地电场3个方向的前10阶谐波的振幅和中，NS向在2014年10月初出现增强的变化，振幅从背景值的5.6左右增至14.6左右，增强近2倍，2015年3月14日阜阳地震后3个月左右振幅逐渐下降到背景值水平(图 6(a))；EW、NW向振幅在地震前后变化波动平稳(图 6(b)、6(c))，因此认为蒙城台地电场优势方位角的异常主要是该台地电场NS向前10阶谐波振幅增强引起的。

为进一步明确蒙城地电场中前10阶谐波中振幅增强的周期，对蒙城台地电场NS、EW、NW三个方向2013—2016年各阶谐波振幅的时间序列进行归一化，如 图 7所示，地电场NS向的前10阶谐波中，短周期谐波2.4~4.8h的振幅自2014年10月初开始增强，2015年3月14日阜阳地震发生后，短周期的谐波振幅恢复到背景水平，6~24h长周期谐波未出现明显的异常变化(图 7(a))，EW、NW向各阶谐波在地震前后均未出现明显的增强或者减弱变化(图 7(b)、7(c))。因此，认为蒙城台地电场方位角偏转异常主要是因为NS向短周期的振幅增强引起的。

4 结论

通过对2015年3月14日阜阳4.3级地震前后震中250km范围内蒙城台、周口台、嘉山台3个台站2013—2016年地电场优势方位角进行分析，得到如下结论：

(1) 蒙城台、周口台、嘉山台地电场的日变化波形都属于“峰-谷-峰”形态的TGF-B型，波形形态主要受到空间电流Sq电流体系产生的感应电流的控制。地电场长、短极矩的相关系数结果显示，3个台站的地电场长、短极矩的相关性较高，数据质量可靠。

(2) 区域应力场反演的结果显示，华东地区的应力场方向大体为EW向的挤压和NS向的拉张，蒙城台、周口台的NS/NW、NS/NE向的地电场优势方位角背景值大体在100°波动变化，大体与应力场的方向一致，其他方向的方位角与应力场的方向略有差异，可能与区域场地的裂隙、含水度及渗透率有关。

(3) 通过对2013—2016年蒙城台、周口台、嘉山台地电场优势方位角分析，发现在2015年3月14日阜阳4.3级地震前，震中距较近的蒙城、周口地电场长、短极矩优势方位角在2014年10月初出现准同步的偏转变化，地震后几个月内逐渐恢复。对蒙城台地电场NS向各阶谐波的振幅进行归一化分析，认为优势方位角的偏转主要是地电场NS向2.4~4.8h短周期谐波振幅在震前增强引起的，地震后短周期谐波振幅恢复到背景值水平。因此，认为地电场方位角的异常与地震存在明显的相关性。