0 引言

地电场观测数据包含了自然电场、大地电场和干扰成分。1984年，科学家提出从地电场观测资料中获取SES(Seismic electric signals)信号预报地震的VAN法，其原理主要应用了源于地球内部的自然电场(马钦忠，2008)，自此有关地电场预测地震的相关研究逐渐增多。我国应用地电场数据开展地震预测分析最早主要是采用常规波形分析方法(钱复业等，2005)，同时也探索了长短极距比值计算(田山等，2009)、频谱分析(范莹莹等，2010)等多种方法。为消除观测数据受到环境的影响，除了应用VAN法识别外，也发展了其他干扰分析方法(王兰炜等，2006；安张辉等，2010、2011；Tan et al，2017)。

从学科发展角度出发，认为从复杂电磁环境中提取相对较弱的地震电磁信号，有必要探寻数学、信号处理与地震电磁物理过程结合的物理解析方法。由此，地电场学科开展了地电场机理、特征、数值模拟等研究(黄清华等，2006；叶青等，2007；谭大诚等，2010、2019)。近年来，基于大地电场日变化潮汐机理说(谭大诚等，2010、2012、2014、2019)，地电学科逐步探索、发展出地电场优势方位角方法(中国地震局监测预报司，2020)。基于地电场优势方位角方法，研究人员也逐步总结了一些典型震例(谭大诚等，2019；王玮铭等，2020；王宇等，2021；于晨等，2020；侯泽宇等，2021；李霞等，2021；辛建村等，2021；席继楼等，2020、2022；辛建村等，2022、2023a；付阿龙等，2023)，这些工作推动了地电场在地震预测中的应用发展。地震虚位错模式是将地震同震位错按大小相等但方向相反的方式进行加载，得到地震前能够产生这部分同震活动所需的应力应变积累的空间分布特征(解滔等，2022、2025；李新艳等，2024)。在地震孕育过程中，地壳应力场的变化会改变裂隙的开闭状态和裂隙网络的扩展，进而影响水的渗流和电荷的迁移，而地表电磁信息与区域地下介质应力应变积累、地下流体的运移状态等变化密切关联(谭大诚等，2010、2019；解滔等，2022)。因此，理论上可通过断层虚位错模式分析地电场变化特征。

据中国地震台网测定，2023年12月18日23时59分甘肃临夏州积石山县(102.79°E，35.70°N)发生M_S6.2地震，震源深度10km。此次地震造成了严重的人员伤亡和财产损失。拟基于此次地震震中附近300km内地电场观测资料，结合断层虚位错模式、震源机制解，从应力应变变化—岩体裂隙结构改变—地电场优势方位角变化的角度分析地电场异常变化与地震的可能关联，进一步认识地震孕育的物理过程，为今后依据方位角异常变化分析地震危险区、优化台网布局等提供参考。

1 地电场观测 1.1 观测原理

地电场是矢量场，为了能够获得地表地电场强度的大小和方位信息，一般需要对两个不同方向的分量值进行同时测量。通常情况下，选择两个正交的方向进行测量，例如选择东向分量(E_x)和北向分量(E_y)作为观测对象。

地电场分量值的测量方法是在地表分量值的测线方向埋设两个电极(图 1)，通过测量这两个电极之间的电位差及其变化情况，得到该地电场分量值及其随时间的变化规律。当知道A、B两点之间的电位差V_AB(即V_B-V_A)和两点之间的距离后，地电场分量值可表示为

$ E_x=E_{\mathrm{AB}}=-\frac{V_{\mathrm{AB}}}{\overline{\mathrm{AB}}} $

(1)

式中，负号表示该电场分量的方向由A电极指向B电极。

1.2 观测装置

为保证地电场测量数据的准确性和可靠性，应及时检测和排除测量系统中可能出现的问题，借鉴国外在地电场观测研究中的成功经验，在我国现有的大多数地电场台站均采用“多方向、多极距”的电极布设方法(图 2)。即在至少两个不同的方向上进行测量，每个测向布设至少两种不同极距测道进行对比观测。

在实际观测中，利用“多方向、多极距”观测方法得到的地电场观测资料，可以通过计算同一测向不同测道之间观测数据的相关系数和差值，对其内在质量和可靠性进行分析和评估。

2023年12月18日积石山M_S6.2地震震中300km内地电场观测站点共14个，各站点分布如图 3所示，其中松山有1和3两个测点，大武有新、旧两个测点，为方便分析，文中暂认为各为2个站点。武胜驿站于2022年1月1日开始正式进行观测(由于观测时间较短，文中暂不分析该站点数据)，其他13个站点自2020年至今连续观测，原始数据完整率均在98%以上，台站工作人员每天分析、处理并上报前一天的观测数据，长期以来积累了珍贵的观测资料，为震例分析总结提供了数据支撑。

2 分析方法 2.1 基本原理

“地电场优势方位角方法”是中国地震局监测预报司推荐的24种地震分析预测方法之一(中国地震局监测预报司，2020)，也是目前地电场日变化异常主要分析方法，其主要原理是：地壳中岩体内存在含水裂隙，岩体裂隙水中的电荷在S_q电流感应作用下以日为周期移动，或裂隙水在潮汐力作用下以日为周期渗流，由此形成地电场日变波形。因此，岩体裂隙结构的优势方位基本就是地电场的优势方位(谭大诚等，2019)。

在台站地电场NS、NW测向之间的相关性高时，地电场优势方位角α(北偏东)计算公式(谭大诚等，2014、2019)如下

$ \alpha \approx 180^{\circ}-\left(180^{\circ} / {\rm{ \mathsf{ π}}}\right) \times \arctan \left[\sqrt{2} \frac{\sum\nolimits_{i=1}^{10} A_{(\mathrm{NW}) i}}{\sum\nolimits_{i=1}^{10} A_{(\mathrm{NS}) i}}-1\right] $

(2)

其中，A_i代表第i阶潮汐谐波振幅，计算中一般应用周期分别为24h、12h、8h、6h、4.8h、4h、3.4h、3h、2.7h、2.4h的前10阶谐波振幅和。需要说明的是，在实际计算中也可以根据数据质量或相关性选择其他测向进行计算，但式(2)需做相应的调整。

2.2 计算步骤

(1) 数据选取。取全天24h分钟值数据，数据源于数据库的原始数分钟值据。对于个别缺测点，用其前或后的可靠数据填补；同一天缺数(含直线数据)累积超过100min，则不对当天数据进行相关计算。

(2) 不同方位间相关系数计算。根据选取的长或短极距数据，计算不同方位之间分钟数据的相关系数。

(3) 潮汐谐波振幅计算。对不同测向分钟值数据(1天1440个)分别进行FFT运算，获取其周期为24、12、8、6、4.8、4、3.4、3、2.7、2.4小时谐波的振幅和。

(4) 优势方位角计算。一般选取不同方位间相关系数最大的两个方位，基于上一步骤计算的潮汐谐波振幅和数据，按照式(2)计算优势方位角。

地电场日常观测受空间和地表电磁干扰影响明显。采用地电场优势方位角方法进行计算时，一是采用抽取特定信号分析(FFT前10阶频率固定的谐波)，二是用两个方位的谐波振幅和的比值来计算，这有效提升了方位角计算结果的抗干扰性，减少了环境干扰对计算结果的影响。实际计算结果及拟合分析结果均证实了这一点(辛建村等，2017、2023b；张波等，2020)。

3 方位角异常特征 3.1 同区域多场地对比

基于积石山M_S6.2地震震中附近300km内13个地电场站2022—2023年的观测资料，根据式(2)计算了各站优势方位角。通过查询各台站的观测日志，应用同区域多场地准同步性对比分析方法(Tan et al，2017)进行分析，结果显示大武(旧)、寺滩、古丰站方位角异常变化较为明显，如图 4所示。图 4(a)中大武(旧)站方位角在2023年5月开始突跳逐渐增多，7月发生约45°偏转，变化范围明显扩大，接近地震发生时变化范围缩小。2023年5月开始，寺滩站方位角变化范围明显扩大，持续到同年11月，期间发生约90°偏转，接近地震发生时方位角变化趋于稳定(图 4(b))。图 4(c)中古丰站方位角自2023年5月开始突跳明显增多并持续到8月底，9月开始突跳减少，但变化范围较原来有所扩大。

3.2 逐年对比

在地球物理观测数据分析中，通过年变对比可在一定程度上消除观测站点周围环境随季节变化带来的部分干扰，提高分析结果的可靠性。图 5绘制了大武(旧)和寺滩站2020—2023年的方位角月均值，可看出2020—2022年以来大武(旧)站每年的方位角变化趋势较为一致(图 5(a))，2023年7—10月方位角偏离背景值，出现较大的变化幅度，11月开始逐渐向背景值靠拢。寺滩站方位角在2020、2022年变化较为平稳(图 5(b))，2021年8月开始偏离背景值，认为该异常与2022年1月8日门源M_S6.9地震有关(辛建村等，2022)，寺滩站距离此次地震震中约239km。2023年6月开始寺滩站方位角再次偏离背景值，持续到同年10月。因此，从月均值年尺度变化角度分析，大武(旧)和寺滩站方位角异常变化都是先偏离背景值，临近地震前一个月开始靠近背景值。古丰站方位角表现出的异常从逐年的月均值变化来看不明显，可能和其异常形态主要为突跳有关。

4 分析与讨论 4.1 异常台站分析

积石山M_S6.2地震震中附近13个地电场观测站点中大武(旧)、寺滩和古丰3个站异常变化较为明显(表 1)，约占23%，其他站点方位角异常变化不明显或所用时段数据有干扰。3个站开始出现异常变化的时间均在2023年5月底，且持续时间也基本一致，在时域上表现出较为明显的准同步性，变化形态也较为相似。

目前大武台有新旧两个地电观测场地，相距约36km。大武(旧)场地位于青海省果洛藏族自治州玛沁县大武镇，其电极布设如图 6(a)所示，大武(新)场地位于甘德县青珍乡的一个草滩上。两个场地周围均无高大建筑物、水库、湖泊、河流和大型厂矿等重大环境干扰源，且分别位于东昆仑断裂带两侧10km和25km(赵玉红等，2023)。积石山M_S6.2地震前位于东昆仑断裂带北侧的大武(旧)站地电场优势方位角出现异常变化，而位于东昆仑断裂带南侧的大武(新)站方位角无明显异常变化，这可能和断裂带对区域应力的分异有关。

寺滩地电场观测场地位于甘肃省景泰县寺滩乡，测区场地地貌平坦开阔，为大面积的农田地，无大型水库和施工等重大环境干扰源，在构造上位于老虎山—毛毛山断裂北侧，该站与该断裂最近距离为17km(张丽琼等，2025)。该站布极方式为L型(图 6(b))，分别为NS、EW和NW三个测向的长、段极距，共6道测线，其中NS、EW向长极距为200m，短极距为100m。

古丰站地电场位于古浪县古丰乡范家墩村，老虎山—毛毛山断裂的南侧，其布极方式如图 6(c)所示。虽然测区存在农户机械、用电和漏电等干扰，然而方位角在2023年5—12月仍表现出与大武(旧)、寺滩站同步性较好的异常变化，这种持续的变化基本可排除具有季节性的农作干扰。2022—2023年该站方位角出现的零星突跳具有间断不连续的特点，多数情况下，这种跳动的频繁程度会与环境、装置、场地等因素有关(中国地震局监测预报司，2020)。

通过上述分析认为，积石山M_S6.2地震前大武(旧)、寺滩、古丰站地电场优势方位角异常变化具有一定的可靠性。无异常站点中部分因观测环境复杂，异常信息不明显或可靠性较低，也有部分站点方位角变化较为平稳，无明显的偏转或持续的突跳，变化范围也没有明显改变。地震电信号的场地选择性现象在地电场优势方位角分析中仍存在，目前认为这可能与站点处于应力不敏感地区有关(马钦忠，2008；谭大诚等，2019)。

4.2 地震断层虚位错模式计算结果分析

地壳中的构造应力在断层闭锁段长期积累，导致局部应变能增加。当应力超过岩体强度时，断层失稳并发生错动，从而引发地震。断层虚位错模式可以模拟断层闭锁段的应力应变分布，反映震前区域的应力积累状态。在应力积累过程中，岩体中的微裂隙逐渐形成并扩展，形成复杂裂隙网络，岩体的力学性质和渗透性会随之改变。地表电磁信息与区域地下介质应力应变积累、地下流体的运移状态等变化密切关联。因此，结合虚位错模式分析地电场优势方位角变化，尝试从应力/应变变化—岩体裂隙结构改变—地电场优势方位变化的角度分析异常变化与地震的可能关联。

积石山M_S6.2地震震源模型反演结果表明，此次地震为低倾角逆冲型地震，震源机制节面Ⅱ的走向和倾向与积石山东缘断裂大致相同，初步判断该地震发生在积石山东缘断裂上(王勤彩等，2024；陈鑫等，2025)。本文根据美国地质调查局的地震震源参数研究结果^①(表 2)，采用断层滑动虚位错模型分析软件Coulomb3.3(Lin et al，2004；Toda et al，2005)计算震中区域震前的体积应变分布，结果如图 7(a)所示。

① https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000ljvg/moment-tensor

岩体裂隙的优势方位在挤压增强区域和相对膨胀区域内表现出显著的差异性，这种差异性主要由构造应力场的方向、性质以及岩石的力学特性决定(孙家军等，2023；王兆会等，2023)。在挤压增强区域内，地壳主要受到水平或近水平方向的压缩应力作用，这种应力状态易导致岩体内部产生剪切破裂。在构造挤压作用强烈的区域，裂隙网络可能呈现条带状分布(刘恋嘉等2017；赵其华等，2023)。在相对膨胀区域内，地壳可能受到拉伸应力或张性应力的作用，这种应力状态会导致岩体内部产生张性破裂。在张性构造作用较强的区域，裂隙网络可能呈现网格状分布(张帆等，2000)。

震源机制解算通过分析地震波的走时和振幅，确定地震破裂过程中应力变化的方向和方式。在震源机制解算中，通常会得到三个主应力方向：最大压应力(P)、中间应力(S)以及最小应力(T)。积石山M_S6.2地震主压应力P走向为64°，主拉应力T走向为239°^②，图 7(b)、7(c)、7(d)在极坐标下展示了大武(旧)、寺滩和古丰站地电场优势方位角与应力方向的关系。背景值为方位角剔除异常时段的平均值，图 7(b)中大武(旧)站的背景值为2020年1月—2023年6月的平均值，图 7(c)中寺滩站的背景值为2020年、2021年1—7月、2022年、2023年1—5月的平均值，图 7(d)中古丰站的背景值为2020—2022年的平均值。图 7(a)的断层虚位错模式计算结果显示，大武(旧)和寺滩站位于挤压增强区域，古丰站位于相对膨胀区域。大武(旧)站方位角背景值为178°，与P轴的夹角为66°，2023年7—10月方位角出现异常变化期间，其向P轴正交方向靠拢。寺滩站方位角背景值为109°，与P轴夹角为45°，2023年7—10月方位角出现异常变化期间，其也向P轴正交方向靠拢，这与挤压增强区域易导致岩体内部产生剪切破裂的结论较为一致。古丰站方位角背景值为26°，与最大主拉应力T轴夹角为33°，2023年7—10月方位角出现异常变化期间，其向T轴靠近。此外，大武(旧)和寺滩站的方位角异常主要表现为偏转，可能与挤压增强区域易出现条带状裂隙网络有关；古丰站方位角以频繁突跳为主要异常特征，可能与张性构造区易出现网格状裂隙有关。在复杂的构造环境中，可能存在多个应力场叠加的情况，导致裂隙方位与P、T走向的关系变得复杂，这受到区域应力场、岩石性质等多种因素的影响。

② https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000ljvg/executive

5 结论

基于甘肃积石山M_S6.2地震震中300km内13个地电场站2020—2023年观测资料，计算了地电场优势方位角，结合地震断层虚位错模式、震源机制对方位角异常特征进行了分析和讨论，结果表明：

(1) 大武(旧)、寺滩、古丰等3个地电场站方位角在此次地震前表现出异常变化，时间均在2023年5—12月，在时域上表现出准同步性。

(2) 在以年为尺度的方位角月均值变化分析中，大武(旧)和寺滩站异常变化期间偏离往年的背景值明显。

(3) 结合地震断层虚位错模式和震源机制分析表明，位于挤压增强区域的大武(旧)和寺滩站方位角主要表现出偏转的异常特征，且异常变化期间优势方位角向与主压应力P正交的方向靠近；位于相对膨胀区域的古丰站方位角主要表现出突跳频繁的异常特征，且异常变化期间方位角向主拉应力T方向靠近。

地震断层虚位错模式反映了震前区域的相对应力应变场分布特征，结合震源机制、虚位错模式分析地电场优势方位角变化，有助于从应力/应变变化—岩体裂隙结构改变—地电场优势方位变化的角度分析异常变化与地震的可能关联，进一步丰富地电场学科对岩体裂隙结构动态变化的认识。然而，今后还需开展更多的震例分析，较为系统地总结地电场优势方位角在挤压增强区域和相对膨胀区域的不同变化特征，为地震预测预报提供参考。

致谢: 在地震断层虚位错模式计算中，中国地震台网中心解滔研究员给予了耐心指导，在此表示忠心感谢。