郯庐断裂带南段对近地表大地电流的分异性

引用本文

章鑫, 杜学彬. 郯庐断裂带南段对近地表大地电流的分异性[J]. 地震地质, 2020,42(4): 909-922.
ZHANG Xin, DU Xue-bin. DIFFERENTIATION DIRECTION OF TELLURIC CURRENTS IN THE SOUTHERN SECTION OF THE TANLU FAULT ZONE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(4): 909-922. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.04.009
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郯庐断裂带南段对近地表大地电流的分异性

章鑫¹⁾, 杜学彬²⁾

1)广东省地震局, 地震监测与减灾技术重点实验室, 广州 510070

2)中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000

〔作者简介〕章鑫, 男, 1987年生, 2016年于中国地震局兰州地震研究所获固体地球物理学专业硕士学位, 助理研究员, 主要从事地球电磁学研究, E-mail: zxdqwl@163.com。

收稿日期: 2020-03-26

基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH18035Y)和国家自然科学基金(41374080)共同资助

摘要

文中以渤海湾以南的郯庐断裂带南段为研究对象, 应用华北地区27个地电场台站的观测数据, 计算大地电流密度矢量和流线场, 并获取流线场的散度和涡度。结果显示: 郯庐断裂带南段对表层大地电流的流向有分异作用, 在郯庐断裂带两侧的表层大地电流矢量方向相反, 东侧流向为NW向, 西侧流向为SW或W向; 断裂带对流线场的散度和涡度也存在分异作用, 散度和涡度的正(负)最大值主要出现在断裂带附近的浅层高导区域。文中通过模拟断裂带两侧的磁感应电流, 并与前人的研究进行对比, 建立了断裂带分异作用的解释模型。该模型显示电流方向的差异与郯庐断裂带南段深部的电性结构相关, 电性差异是近地表大地电流方向分异的主要原因。研究断裂带对表层电流的分异现象对于理解深部电性差异具有参考意义。

关键词: 郯庐断裂带南段; 大地电流; 分异作用; 数值模拟

中图分类号:P315.72⁺2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)04-0909-14

DIFFERENTIATION DIRECTION OF TELLURIC CURRENTS IN THE SOUTHERN SECTION OF THE TANLU FAULT ZONE

ZHANG Xin¹⁾, DU Xue-bin²⁾

1)Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, Guangdong Earthquake Agency, Guangzhou 510070, China

2)Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China

Abstract

The Tancheng-Lujiang Fault is an important tectonic boundary in eastern China. The southern part of the Tancheng-Lujiang Fault is located south of Baohai Bay, which is an area with a dense population and frequent economic activities. It is worth conducting an in-depth study on the southern section of the fault, especially in the aspect of geophysical exploration and seismicity analysis. Electrical structure detection is an important way to interpret the structural activity of the fault. It can also analyze and explore the influence of the fault on the physical properties of both sides of the fault based on the geoelectrical observation data. In the study area, there are densely distributed stations of geoelectrical observation, including 27 fixed stations distributed along the fault zone from the southern Baohai Bay to Nanjing, Jinagsu Province. The continuous observations and recording of these stations provide a favorable condition for studying the tectonic activity of Tancheng-Lujiang Fault.
In the long-term observation of geoelectric observation network, the geoelectric field measurements of long- and short-spacing measuring tracks in the same direction at the same station vary significantly because of the effect of long-term stability of the observation system and the environment near the electrodes. Also, the data curve changes complicatedly and seems to be in a mess. However, there are three basic facts of observation existing in the geoelectric field change: 1)The variation amplitude of the geoelectric field changes observed on the long- and short-spacing measuring tracks in the same direction at the same station(including tidal response changes and the rapid change events such as short periods or pulses)is the same or very close; 2)The E_x and E_y components at the same station always show the same variation in the same time period, or the opposite, which is related to the anisotropy of the medium under the station; 3)The rapid changes of the minute values of the geoelectric field observed at different stations are synchronous in a wide spatial area. In this study, in order to take full advantage of these basic facts, we only use the amplitude variation of geoelectric field with time.
Based on the data of 27 geoelectric field observation stations in the study area, we used the current density vector and streamline to characterize telluric current with its divergence and vorticity calculated in the southern Tancheng-Lujiang Fault in this paper. The results show that: 1)the telluric current shows the phenomenon of opposite directional differentiation in the southern part of the fault zone, the direction of the current vector is NE on the east side, while the direction is NW to SW on the west side; (2)The divergence and vorticity of telluric current also show the differentiation phenomenon along the fault, the positive/negative maximum of vorticity and divergence mainly occurs near the fault zone and the direction of alternating positive and negative gradient(or negative gradient)of vorticity or divergence is consistent with the strike of the fault zone. By analyzing the current superposition simulation results and comparing them with previous studies, an interpretation model of the above phenomenon is established in this paper. The results agree with previous studies on the electrical structure of this region. Besides, the results that telluric current differentiates along the fault zone may improve our understanding of the process of deep electrical and material migration.

Keyword: the southern Tancheng-Lujiang Fault; telluric current; direction differentiation; current superposition simulation

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0 引言

郯庐断裂带横贯人口密集和经济发达的地带, 历史上曾强烈活动, 一直是地质和地球物理学研究的热点。前人对于郯庐断裂带的研究报道较多, 涉及地球物理学的多个方面, 深入了解郯庐断裂带的电性特点有助于开展深部构造和活动性研究。刘国栋等(1984)使用大地电磁方法探测华北地区的壳内高导层, 给出了包括冀中坳陷在内的4个存在高导层的区域。后续这一地区的电性探测工作被进一步细化, 在华北地区各个小的区块上增补了大量探测工作, 包括魏文博等(2002)布设的应县— 商河大地电磁电性剖面, 詹艳等(2011)在石家庄附近开展的大地电磁测深, 徐光晶等(2015)、王桥等(2016)使用固定地磁台站数据研究华北地区的深部导电性等。针对郯庐断裂带南段电性结构的研究更趋于精细化。叶高峰等(2009)根据大地电磁测深结果讨论了断裂带的切割深度和深部的电性分异, 类似的工作给出了断裂带各个亚段及其邻区的更精细的电性分布(肖骑彬等, 2008; 张继红等, 2010; 崔腾发等, 2020)。综合分析上述研究可知, 郯庐断裂带下方的电性复杂, 高导和高阻交错分布; 断裂带东侧的胶莱盆地和石家庄附近的冀中坳陷存在浅部高导层, 冀中坳陷的高导层较浅, 电阻率低; 断裂带南部的合肥盆地分布了高导电性层, 与东侧苏鲁造山带和南部大别山超高压变质带存在明显的电性差异。

电性结构的探测结果反映了从深部到地表的电性差异, 这种差异将在地表观测的某些地球物理场数据中有所反映, 其中包括与之相关的表层大地电流场(章鑫等, 2017)。表层大地电流来源于地球外部空间变化磁场、各种电流体系以及星际磁层的扰动与地球介质的相互作用(Lanzerotti et al., 2000; 徐文耀, 2003), 其与地球变化磁场具有相同的场源(李金铭, 2005; William, 2005)。各种自然场源对表层大地电流的贡献差异很大(曾融生, 1957; Chavle et al., 1992), 且不同场源之间的电位可能部分抵消, 使得不同场源的电流难以被准确地观测或分离。大地电流不仅是地球物理场的重要组成部分, 同时也能综合反映地下电性的横向不均匀性。然而, 人们对大地电流的表现形式、频率成分的认识尚待完善(William, 2005; Prijola, 2008)。目前, 对因海洋电流和地球内部物质运移而产生的电流仍处于推测状态, 对地表大地电流及其与断裂带等构造分布的关系等方面的研究成果较少。

由于大地电流场与地球介质的电阻率相关, 研究地表电流密度随空间的分布, 可探知地下介质的电性结构差异, 推测地下构造及其物性特点。本文引入流体力学中对于流体速度描绘的思路(林建忠等, 2013), 使用本区域固定台站的地电场台网观测数据以及电极布极区的电阻率探测结果, 研究郯庐断裂带南段对表层大地电流流向的影响, 讨论该断裂带引起大地电流流向分异的原因。同时, 结合区域地质构造等因素, 通过数值模拟结果讨论断裂带对大地电流场空间分布的分异机制。

1 数据和方法

1.1 观测数据

目前, 中国的地电场观测通常在一个台站布设同点SN和EW 2个正交观测方向(即观测E_x、 E_y分量)及1个N45° E或 N45° W的斜观测方向, 每个方向布设长、短极距 $\overset{— —}{MN}$ 2个测道, 长极距测道 $\overset{— —}{MN}$ 的长度多约为200m; 测量电极M、 N的埋深为3~5m不等, 且长期固定; 测量仪器的频段为DC-0.005Hz; 每个测道产出数据率为1次/min。目前, 因中国地电场测量仪器的频段较低且仅产出分钟值数据, 加上台址浅层介质的电阻率不大(多为10⁰~10²Ω · m), 故观测数据曲线上最显著的变化为日变化, 系传导电流(地下介质的物理化学环境引起)和感应电流(空间电磁活动引起)在测量电极之间引起的地电流综合效应。

地电场台网的长时间观测易受到观测系统长期稳定性、电极附近环境的影响。同台且同方向长、短极距测道的地电场测值(即测量基值)的差异很大, 且数据曲线变化复杂, 似乎杂乱无序。但地电场的变化成分却存在3个基本观测事实: 1)同台站同方向长、短极距测道同时观测的地电场变化(包括潮汐响应变化和短周期、脉冲等快变化成分)的变化幅度相同或很接近; 2)同台站的E_x、 E_y分量始终表现为同时段的变化幅度 $| Δ E_{x} | > | Δ E_{y} |$ 或反之, 这与台址地下介质的各向异性程度有关; 3)对于不同台站的地电场分钟值观测数据, 其高频变化部分表现为在大空间范围内同步发生(孙君嵩等, 2018)。但即便如此, 也很难保证区域台网中每个台站同时段的观测数据均可用。图1 统计了2014年全年27个地电台数据的可用性。就单台来看, 1a中数据不可用的时间较短, 但1a内每个台站的数据均同时可用的时段有限。本文选取所有台站数据都可用的时段的观测数据研究大地电流场, 并基于上述地电场观测的基本事实, 在2个正交系统中选取1个极距的观测数据。

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	图1 1a尺度可用数据统计实例(红色时段为数据不稳定且难以处理的时间段)Fig. 1 Statistical example of available data on a one-year scale(the red period is the time when data is unstable).

1.2 获取大地电流信号

地电场的测量电极埋设在地表浅层, 其测量的地电场变化是近地表介质电场和地下趋肤深度的阻抗面反射的电场在2个测量电极间产生的地电流的综合效应, 故应用地电场变化和台址浅层电导率由微分欧姆定律即可计算近地表的地电流, 具体方法为: 用某时刻地电场的2个正交分量 $(E_{x} 、 E_{y})$ 的变化量 $Δ E_{x} 、 Δ E_{y}$ 合成地电场的变化矢量 $Δ E,$ 然后通过式(1)得到电流密度。

$[\begin{array}{l} J_{x} \\ J_{y} \end{array}] = σ_{xy} [\begin{array}{l} Δ E_{y} \\ Δ E_{x} \end{array}]$ (1)

式中, σ 是电极附近(地下3~5m)表层介质的电导率, 由直流电法测试的浅层电阻率ρ 得到; J为表层大地电流密度矢量(即地电流密度的N向变化分量Δ J_x、 E向变化分量Δ J_y, 其中包含传导电流和感应电流, 简称 “ 大地电流” )。然后, 由区域内多个台站得到指定时段的大地电流的流线分布, 进而得到大地电流场的分布。

目前采用的地电场观测方式是平面正交方式。因此, 本文仅考虑二维大地电流场, 即平面流场, 引入二维流场的概念及描述方法(黄国良等, 1993; Haller, 2005)。首先由地电场Δ E_x、 Δ E_y和式(1)计算出区域台网中每个台站所在处位置的平面大地电流。由于台站分布稀疏且不均匀, 欲获得区域大地电流场空间分布图像, 就需要对区域内多个台站的大地电流进行插值计算。文中使用对数据点的2个分量分别进行插值再矢量合成的方法, 对N向电流J_x和E向电流J_y(在各向异性介质中, J_x与Δ E_x、 J_y与Δ E_y仅在电性主轴方向同向)分量使用三次多项式插值法。先将区域观测点的经、纬坐标网格化, 然后利用2个测道的地电流分量插值结果在每个网格点上正交合成电流矢量。之后, 将区域大地电流矢量网格化, 使用流线来表示该二维矢量场, 即得到二维大地电流场。具体流程见图2。

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	图2 大地电流场的获取流程Fig. 2 The process of calculating telluric currents.

在实际应用中, 式(1)中的地电场E的值取为指定时段的地电场变化的幅值(即变化幅度)。具体的幅值取值方法为: 规定t₁、 t₀时刻Δ E平均值的差值方向为Δ E的变化方向, 计算平均值时去掉区域台网中各台站不同步的个别突跳点(一般为观测环境等引起的局部变化)后, 取区间内最大k个值的均值与最小k个值的均值之差作为幅度值Δ E, 计算公式为

$Δ E = \frac{1}{k} \overset{k}{\sum_{1}} large (S_{1} (i)) - \frac{1}{k} \overset{k}{\sum_{1}} small (S_{2} (i)), i \in [m, n]$ (2)

式中, S(i)表示E序列, k为最值的个数。 [m, n]为计算平均值的时间区间, 通常取在1d内。

半日Δ E、 1日Δ E或多日Δ E的取值方法一致, 在一定的时间范围内(12h、 1d或3d)取最大数个值的均值、最小数个值的均值, 两者之差即为该段时间内的Δ E。本文中取1d内同一时段的幅值Δ E, Δ E为地电场曲线在24h内的最大变化幅值。一般来说, 在正常观测的情况下, 上述Δ E的取值是区域台网中不同台站且不同测道的地电场的同一显著变化。数据处理的流程为:

(1)先对数据进行预处理, 主要包括剔除单点大幅度突跳数据, 并对 “ 99 999.99” 等缺数进行线性插值;

(2)低通滤波, 采用40阶契比雪夫Ⅰ 型低通滤波器, 通带的截止频率为0.000 2Hz;

(3)计算获取其最大的10个点的值(极大值、次大值……第十大值), 同样计算得到其最小的10个点的值, 然后分别对2组各10个值取平均值后相减得到幅值Δ E。 Δ E的方向由时序数据平均值的正或负确定。

1.3 大地电流的会聚和发散

根据二维流场的概念及描述方法(黄国良等, 1993; Haller, 2005), 涡旋电流场是地电流场的涡旋部分, 是一系列无源涡旋电流线的组合, 电流环状闭合。在局部电流的似涡旋分布区域, 通过矢量场分解方法得到局部电流涡旋部分。电流场是耦合矢量场, 可分解为1个无旋场与1个无散场:

$ς = \nabla u + \nabla \times v + h$ (3)

式中, ς 为原始矢量场, ∇u为无散场部分, ∇× v为无旋场部分, h为直流成分。有散电流由源电荷引起, 涡旋部分的场源是变化磁场。涡旋部分可使用涡度来表征(黄国良等, 1993; 刘适达等, 2006):

$ω = \frac{\partial J_{x}}{\partial x} - \frac{\partial J_{y}}{\partial y}$ (4)

式中, J_x和J_y分别表示二维电流场在x和y方向的分量(即电流密度J_x、 J_y分量), 涡度代表流体 “ 微团” 的矢量性质, 不代表宏观流线分布的形式。根据涡度的计算方法, 在流体力学中涡度是旋转速度的2倍, 是分析大气风场和海流等相对运动状态的重要参量。引申到电流场后, 电流矢量的涡度可以看作是电流相对变化程度的参量, 即可规定电流场的涡度大小在一定程度上反映电流流向的相对变化程度。同时, 涡度的正、负仅表示电流矢量的相对旋转方向不同, 正涡度表示逆时针方向。

与涡度类似, 有散电流的分布状态可用散度来描述:

$υ = \frac{\partial J_{x}}{\partial x} + \frac{\partial J_{y}}{\partial y}$ (5)

电流场的散度可表示电流流动时单位面积的改变率, 电流矢量集中的区域为辐合, 发散的区域为辐散。散度值为负时为辐合, 此时有利于涡旋等系统的发展和增强; 为正时表示辐散, 此时电流的发散部分增强。散度表征电流矢量 “ 微团” 的运动状态, 并代表宏观流线的分布形式。

2 郯庐断裂带南段对表层大地电流的方向分异

本文所讨论的即为电极埋设深度处的大地电流。图3a为研究区域的地形图及断裂带分布, 图3b中的红色箭头为根据地电场观测资料计算的大地电流矢量, 红色三角形代表台站位置, 黑色实线为郯庐断裂带南段(简称 “ 断裂带” )的位置。图3 中仅关注断裂带两侧2° 内的台站, 其表层电流方向分别指向断裂带两侧, 明确地显示了断裂带对表层电流矢量方向的分异作用。超过断裂带两侧2° 后, 断裂带的分异作用已弱化或不存在, 表层电流的方向性与郯庐断裂带不相关。如断裂带东侧乳山台的电流方向指向NW, 西侧菏泽台的电流方向指向SE, 说明断裂带对大地电流的分异作用只在一定范围内有效, 超出约2° 后该断裂带分异作用将减弱。

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	图3 郯庐断裂带南段(a)及其邻区原始大地电流矢量图(b) 图中箭头的长短表示电流大小, 所指方向为电流方向, 研究区内未表示出的台站远离断裂带两侧。数据时间为2014年2月4日Fig. 3 The distribution of telluric currents vector(a) along Tanlu Fault and its neighboring areas(b).

在磁平静时段, 根据地电场观测数据和电极附近电阻率计算出该断裂带两侧的电流矢量插值结果(图4a)。断裂带西侧的大地电流流向为SW或W, 离断裂带更远处的大地电流方向似乎与断裂带无关。断裂带东侧的电流整体流向为E, 与图3 的结果一致, 体现了郯庐断裂带对表层大地电流的分异作用。

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	图4 大地电流流线场的空间分布 a 郯庐断裂带南段及其邻区插值后的表层大地电流; b 郯庐断裂带南段及其邻区的表层大地电流流线分布。数据时间为2014年2月4日, 红色实线为断层, 红色三角形为台站位置Fig. 4 The streamlines distribution of telluric currents vector.

为了更为直观地表示该断裂带两侧地电流矢量的分异现象, 进一步使用流线场表示大地电流场。计算27个台站观测数据的幅度并进行分量插值后得到图4b中的大地电流分布情况。在断裂带两侧, 图4b与图3b中的电流矢量分布基本一致, 表现为断裂带两侧流向整体呈相反的趋势, 表明断裂带对两侧表层电流矢量的分异作用, 电流流线方向的分界线与断裂带经过的位置重合, 这在渤海湾以南的郯庐断裂带两侧都有比较明显的体现。其中, 济南北部和菏泽之间的电流方向相反, 在断裂西侧形成相对逆时针的似涡旋。与矢量方式不同的是, 以流线表征电流时采用了插值技术, 在台站分布较少区域引入了误差, 因此局部台站稀疏区域的分布形态可信度稍弱。

为了进一步认识电流矢量在郯庐断裂带两侧的差异, 本文计算了流线场的涡度和散度。电流矢量的涡度可看作是电流方向相对变化程度的参量, 即电流场涡度的大小在一定程度上反映电流流向之间的相对涡旋程度。同时, 涡度的正和负仅表示电流矢量的相对旋转方向不同, 正表示逆时针方向, 负表示顺时针方向。根据GIC理论(Boteler et al., 2017), 电导特性的横向不均匀处是感应场中电荷累积的区域。因此, 涡度的高值区域可能为电性横向不均匀性强烈的区域, 是涡旋电流(无源, 感应场)的集中地带。类似地, 散度高值区域是传导电流(无旋, 自然电场)的集中区域, 可能是自然电流的源场区域。

根据计算结果绘制了涡度(图5a)和散度(图5b)的分布情况, 以展示郯庐断裂带南段及其邻区流线场的涡度分布。由于研究区域的台站较少, 本文仅关注涡度和散度变化的整体情况。图5a的正涡度中心位于济南附近(断裂带西侧), 负涡度的量级远大于正涡度, 即流线趋向于顺时针旋转的趋势较强。负涡度的中心位于天津附近, 分为南、北2支, 中间是强度较大的正涡度。图5b是流线场的散度分布, 其负散度的量级大于正散度。正、负散度带沿天津— 石家庄一线对称分布, 东侧为正, 西侧为负。负散度中心区域也是电性结构出现表层高导的地区, 可能是热流集中地带, 为自然电流的源场区域。

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	图5 郯庐断裂带及其邻区的表层大地电流场涡度(a)和散度(b)Fig. 5 The telluric currents divergence(a)and vorticity(b)in Tancheng-Lujiang Fault and its neighboring areas.

3 表层大地电流场的模拟及验证

为了定性地认识断裂带对大地电流的分异现象, 对断裂构造分异作用在地表的响应展开半定量模拟。模拟的电流来源于2部分, 即近似均匀导体高空磁扰动感应的涡旋(大地)电流, 以及在具有电流通道情况下的区域性自然电流。在前人关于空间源电流感应的地下电流模拟结果中(Gilbert, 2005; 王泽忠等, 2015), 仅考虑了以空间面电流或线电流为源, 这就使得在电性分界面两侧的电流强度呈现较大的变化, 它的叠加作用可能使电流的方向发生改变。对磁暴感应电流的模拟基于赤道100km高空的环电流源; 但在磁平静时, 可以认为空间电流的辐射是平面电磁波, 从而在块导体内感应出涡旋电流。

涡流感应的激励信号为复频电流信号, 根据傅里叶级数, 原始信号可展开为奇次谐波的叠加, 因此谐变电流激励的涡流场为时谐场。在谐变磁场下(变化圆频率为σ , 强度为B₀), 对于长和宽分别为a和b的导体, 推导可得到涡流密度矢量的实部J_eR 的表达式为(本文略去推导过程, 细节过程见张建平等(2001):

J_eR= $\overset{\infty}{\sum_{m = 1, 3, \dots}} \overset{\infty}{\sum_{n = 1, 3, \dots}} \frac{16 μ ω^{2} σ^{2} B_{0}}{mn π \{{[{(\frac{m π}{a})}^{2} + {(\frac{n π}{b})}^{2}]}^{2} + μ^{2} ω^{2} σ^{2}\}}$ [ $(- \frac{n}{b} \sin \frac{m π}{a} xcos \frac{n π}{b} y)$ i+ $(\frac{m}{a} \cos \frac{m π}{a} xsin \frac{n π}{b} y)$ j] (6)

其中, i和j分别为x和y方向的单位矢量, m、 n为无穷级数的阶数。在实际模拟计算中, 需先分别计算x方向和y方向的涡流密度矢量, 然后进行矢量合成, 进一步经插值形成涡旋矢量场。本文中取a=11km, b=11km, B₀=1 000nT, ω =5π , 电导率σ =0.001S/km, 磁导率μ 取空间磁导率μ ₀, 取级数的前50阶作为计算结果。

在此基础上开展了半定量化的数值模拟, 基础模型如图6c所示。首先, 根据平面磁场在近似均匀的块导体感应涡旋场建立断裂带两侧涡旋电流分布的数值模型(图6a), 得到电流场的矢量强度分布(图6b), 然后加入断裂带所代表的电流通道(图6c), 得到考虑断裂带电流叠加后的大地电流场(图6d)。

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	图6 电流矢量方向分异的数值模拟 a 均匀电性在谐变磁场下的大地电流涡旋场; b 均匀电性在谐变磁场下的大地电流矢量场强度; c 考虑了断裂带存在的2个涡旋电流模型; d 考虑了断裂带电流叠加的大地电流涡旋场Fig. 6 Numerical simulation of direction differentiation of current vector.

电流场不作叠加时如图6a、 b所示, 电流均为顺时针的涡旋电流; 电流场的矢量强度边缘最大, 中间最小。考虑电流间的相互影响和叠加后, 在断裂带附近出现了电流方向的混乱和局部分异现象(图6d)。叠加时断裂带的电阻率低且电流为线电流, 断裂带两侧的电流均为顺时针涡旋电流。断裂带左侧的电流强度被加强, 电流方向被部分吸引到与断裂带电流相同的方向; 右侧的涡旋电流与自然电流的方向近似相反, 因此强度被部分抵消, 电流的方位发生了很大改变, 局部出现了方向紊乱。由此可推测, 对于这3个部分的电流, 只要其中一部分的方向或强度改变后, 都会使断裂带附近的电流方向发生改变; 尤其在断裂带右侧, 电流方向较小的改变都会引起较大的紊乱, 方向分异主要发生在断裂带附近。

在断裂带两侧, 电流矢量场的涡度和散度也显示出差异。图7a对应图6c, 表示在未叠加状态下求取电流矢量场的涡度。两侧电流场的涡度基本满足磁感应涡旋电流的特点, 涡旋中心的涡度强度最弱, 边缘处的涡度强度最大。相对于断裂带附近的强烈变化, 远端的涡度变化并不大, 即在断裂带附近涡度的影响最为显著。图7b对应图6c中电流矢量场的散度, 图7b显示断裂带电流的叠加使两侧出现散度场畸变, 这种现象可能表明断裂带的分异作用不仅体现在分异表层大地电流的方向, 同时也使断裂带附近的电流源重新分布, 在断裂带的一侧被加强, 而在另一侧被减弱。这一模拟结果体现了电性分界对于涡度的分异作用是显著的。

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	图7 电流密度矢量的涡度和散度 a 考虑断裂带电流叠加时的大地电流密度矢量涡度; b 断裂带附近自然电流叠加后的大地电流密度矢量散度Fig. 7 Numerical simulation results of current density vector strength.

4 讨论

表层大地电流反映了近地表传导地电流和地下感应电流的综合状态。本文式(1)中, 电阻率是直流电测深视电阻率在电极深度处的平均值, 反映了测点附近的浅部电阻率分布。由于观测电流需要电流计和已知电阻作为载体, 因此很难直接观测到地下介质内的电流。讨论大地电流的目的是为了深入认识日常地电场观测中导致2个电极之间出现电位差的源。对于地电场, 无论观测到的是自然电位分布差异还是来自地下地磁变化的感应场, 其本质都是地下电流出现重新分配。因此, 可从式(1)得出J=Δ V/ρ L(其中L为极距, Δ V为电位差), 当某一区域由外部空间引起的表层大地电流一定时, 不同测点观测到的Δ V取决于电极附近的电阻率ρ 。在同一测点, 其电阻率ρ 一定, 此时J与Δ V呈正比, 这就决定了地电场的变化量也能反映表层大地电流。因此, 在低阻体(或地层)上观测到的电流信号强度通常大于高阻地区, 可以使用文中计算得到的表层大地电流强度反映电阻率横向分布差异(Boteler et al., 2017)。

根据地磁测深和大地电磁测深等探测方法的反演结果(李云平等, 2006; 叶高峰等, 2009; 张继红等, 2010)可知, 郯庐断裂带是一条典型的重力、地磁异常分异带, 同时郯庐断裂带下方的电导率分布复杂多样, 断裂带两侧地壳的电性结构存在明显差异。从本文的数据处理结果来看, 郯庐断裂带对表层的分异作用比较明显, 尤其是离断裂带较近的台站。假设断裂带附近存在积累电荷, 从而开展简单的模拟, 实际观测的结果也能够支持这一模拟结果。深部的大地电流场也可能受到断裂带的影响, 断裂带两侧的大地电流场被分割成2个彼此独立的电流场。

郯庐断裂带附近区域由于构造运动强烈使得岩层破裂, 有利于地下流体充填, 故断裂及周围电阻率相对较低, 在宏观上表现为电流通道效应(Sarlis et al., 1999), 可能会出现地下与地面的电流联系通道。断裂带两侧下方存在低阻层, 在近似均匀的变化磁场作用下, 低阻层内感应产生的是涡旋电流。根据块导体的涡旋电流理论(张建平等, 2001; Jumayev et al., 2014), 涡旋中心的电流强度最小、边缘处最大, 感应电流在电性横向不均匀处可能会促使电荷累积。破裂导致岩层的电性结构改变, 使断裂带的自然电流与周边块导体中感应涡旋电流部分叠加, 从而在宏观上改变表层大地电流的流向, 并改变其分布状态。因此, 断裂带附近电流线出现方向分异的现象, 表层大地电流的强度在一侧较高, 而在另一侧则偏低。数值模拟结果展示了这种电流的叠加会聚效应, 近地表电阻率的横向不均匀性也可以影响表层大地电流的方向和强度。

5 结论

本文初步探讨了郯庐断裂带南段对表层大地电流空间分布的分异作用, 得出以下结论:

(1)郯庐断裂带南段对表层大地电流具有分异作用, 郯庐断裂带两侧的表层大地电流矢量方向相反, 东侧流向为NW向, 西侧流向为SW或W向, 该断裂带是这一区域大地电流的重要分界带, 反映了断裂带对两侧介质电性的影响。

(2)半定量化数值模拟结果显示断裂带附近存在强烈的自然电流, 与感应电流叠加后对感应涡旋电流产生分异作用。模拟结果能够解释断层带电流通道引起的电流场方向的分异现象。

参考文献

文献列表

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2020

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... 崔腾发等, 2020) ...

1993

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... 因此, 本文仅考虑二维大地电流场, 即平面流场, 引入二维流场的概念及描述方法(黄国良等, 1993 ...

... 3 大地电流的会聚和发散根据二维流场的概念及描述方法(黄国良等, 1993 ...

... 涡旋部分可使用涡度来表征(黄国良等, 1993 ...

2005

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2006

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李云平, 吴时国, 韩文功, 等. 2006. 合肥盆地和郯庐断裂带南段深部地球物理特征研究[J]. 地球物理学报, 49(1): 115—122.

Yun-ping

, WU

Shi-guo

, HAN

Wen-gong

, et al. 2006. A study on geophysical features of deep structures of the Hefei Basin and the southern Tancheng-Lujiang fault zone[J]. Chinese Journal of Geophysics, 49(1): 115—122(in Chinese).

Based on detailed processing of gravity, magnetic, electricity and seismic profile data and applying synthetic geophysical inversion technique and interpretation, we study the deep structures and structural styles of the Hefei Basin and the southern TanLu fault zone. In the Hefei basin, the thrust faults occurred in the strata below IndoChina movement unconformity, while rifting system developed in the upper strata over the unconformity. Tectonic reversion in the Hefei basin happened in the late Jurassic. Rifting basin was developed in the early Cretaceous, but a reversion occurred at the latest of the early Cretaceous, and leaded to thrust and nappe structures. The TanLu fault zone that bounds the Heifei basin to the east displays a style of normal faulting in the shallow part and reverse faulting in the deep part, which recorded the change of tectonic regimes during the Mesozoic in East China.

1 Marine Institute, Academica Sinica, Qingdao 266071，China 2 Geophysical Research Institute, Shengli Oilfield, SINOPEC, Dongying 257022，China 3 Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049，China 4 Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081，China

根据重、磁、电、震资料联合反演和综合解释，研究了合肥盆地和郯庐断裂带南段深部结构特征和构造样式. 合肥盆地呈现深部印支面以下为逆冲断层、以上为张性正断层的构造样式，盆地构造反转发生在晚侏罗世，早白垩世是裂陷盆地形成的主要时期，早白垩世晚期合肥盆地发生构造反转，发育冲逆、冲推覆构造. 郯庐断裂带南段表现为“上正下逆”的构造变形样式和正花状构造特征，并经历了复杂的挤压走滑-引张正断层变形过程.

... 根据地磁测深和大地电磁测深等探测方法的反演结果(李云平等, 2006 ...

2013

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1984

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刘国栋, 史书林, 王宝钧. 1984. 华北地区壳内高导层及其与地壳构造活动性的关系[J]. 中国科学(B辑), 14(9): 839—848.

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Guo-dong

, SHI

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, WANG

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本文论述了自1976年以来在华北地区所进行的40多个大地电磁测深点的观测,在大多数测点下发现了壳内高导层,其埋深15—25km,纵向电导值在数百——千Siemens 以上.本区壳内高导层埋深与人工地震测深法所确定的壳内低速层最小速度值埋深一致.大多数震源深度均位于壳内高导层之上,大量的浅部正断层也终止该层之上.壳内高导层埋深浅、纵向电导值大的地区,大地热流值高、新生代以来的构造活动强烈.推测平原下的壳内高导层起因于长英质矿物的部分熔融,而其周围地区下的壳内高导层起因于含结晶水矿物的脱水作用。

2006

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... 刘适达等, 2006): ...

2018

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... 3)对于不同台站的地电场分钟值观测数据, 其高频变化部分表现为在大空间范围内同步发生(孙君嵩等, 2018) ...

2016

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2015

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王泽忠, 董博, 刘春明, 等. 2015. 华北地区大地电性结构三维建模及磁暴感应地电场有限元计算[J]. 电工技术学报, 30(3): 61—66(in Chinese).

WANG

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The three-dimensional earth conductivity structure is modelled by the magnetotelluric data. The three-dimensional geoelectromagnetic fields are calculated based on finite element method using the geomagnetic field data from the magnetic observatories for a specific geomagnetic disturbance. Unlike the traditional modelling techniques, air region and source region are not taken into consideration in this paper. Under this circumstance, the computation results in the earth can also be achieved due to the uniqueness theorem. The geomagnetic field variations during a selected period are applied as the boundary conditions of conductivity model. Combined with the locations of “Sanhua” UHV transmission lines, voltage differences at several substations are shown in the whole period. The geoelectric field at the earth’s surface and the induced currents in different depths are also presented at the moment of maximum voltage difference.

1. Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China; 2. North China Electric Power University Beijing 102206 China; 3. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China

“三华”特高压同步电网的“东纵”和“北横”两条线路覆盖了我国华北、华中地区多个地块结构和大地断层,地质构造非常复杂。为研究磁暴时大尺度、三维电性结构下的感应地电场分布情形,采用大地电磁测深数据构建华北地区三维电导率模型。利用地磁台站记录的地磁场变化量作为地面边界条件,采用有限元法计算获得了地下感应电流和地面电场的三维分布情况。结果表明,电性结构不均匀会严重影响地面电场的空间分布。结合“东纵”和“北横”位于华北地区的线路区段,给出了拟建变电站之间电位差的变化情况,为进一步计算和评估线路中地磁感应电流的影响打下基础。

... 王泽忠等, 2015), 仅考虑了以空间面电流或线电流为源, 这就使得在电性分界面两侧的电流强度呈现较大的变化, 它的叠加作用可能使电流的方向发生改变 ...

2002

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2008

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... 叶高峰等(2009)根据大地电磁测深结果讨论了断裂带的切割深度和深部的电性分异, 类似的工作给出了断裂带各个亚段及其邻区的更精细的电性分布(肖骑彬等, 2008 ...

2015

0.0

徐光晶, 汤吉, 黄清华, 等. 2015. 华北地区上地幔及过渡带电性结构研究[J]. 地球物理学报, 58(2): 566—575.

Guang-jing

, TANG

, HUANG

Qing-hua

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In order to reveal the deep geodynamics of the North China, 14 geomagnetic stations with long-period observation data in North China were used to obtain the electrical structure under the lithosphere, especially between the mantle transition zone. Remote reference method and robust estimation were conducted to obtain the high quality data (the data coherencies are higher than 0.8).The Geomagnetic Deep Sounding (GDS) response of the periods 10 5 ~10 7 seconds was obtained and transformed into an equivalent scalar magnetotelluric (MT) transfer function. ρ + theory was conducted to check the consistency of the apparent resistivity and phase.The smooth conductivity models of Occam inversion were obtained and compared with the past models. The real and imaginary parts of tipper were also analyzed. The ρ + inversion indicates that conductivity discontinuity surfaces exist at depth about 417 km and 850 km.Occam inversion shows that electrical conductivities in the eastern part are much higher than those of the western part in North China. The real and imaginary parts of tipper reveal that a high conductivity object along nearly north to south direction exists in the eastern part of North China. The conductivity of the mantle transition zone in the east and west of the North China are different. The conductivities of the mantle transition zone near the Ordos in the west of North China are similar as that of Tucson in the North America, while the conductivities of the east part are approximately 2~5 times higher. This feature may correspond to the subduction of the Pacific plate.

1. Department of Geophysics, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China; 3. Earthquake Research Institute, The University of Tokyo, 113-0032, Japan

采用远参考道和Robust技术,处理了华北地区14个地磁台站资料,得到了相干度超过0.8的地磁测深响应函数.并将其转换为大地电磁测深的响应函数,获取了10 5 ~10 7 s周期范围内的视电阻率和相位.应用 ρ + 理论对数据进行了一致性检验和反演,结果表明417 km,850 km深度附近可能存在电性间断面.同时采用基于一维最光滑模型的Occam反演方法得到了300~1000 km范围的地幔电性结构,并与前人在其他地区的研究结果进行了对比.发现华北地区地幔过渡带的电导率在大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧表现不同,重力梯度带附近及西侧台站下方过渡带深度的电导率和北美的Tucson地区相当,而华北地区东部的电导率在地幔过渡带范围高出西侧约2~5倍,这很可能和太平洋板块的俯冲有关.

2003

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2009

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Tancheng-Lujiang fault zone is an important strike-slip fault system in eastern China continent, and has significant status to study the forming, evolution and current structure of China continent. The magnetotelluric(MT) sounding profile from Alashanzuoqi to Rizhao city Shandong province crossed the middle part of Tancheng-Lujiang fault zone at Juxian of Shandong province, where its strike angle is about NE20 degrees as shown by strike analysis. The resistivity model of 2D MT inversion shows that the width of Tancheng-Lujiang fault zone is about 30 km at where the profile crossed it, the main part of Tancheng-Lujiang fault zone consists of two deep and steep faults, the western one dips to west steeply with a dip angle about 70 degrees obliquity and its penetration depth is about 60 km; the eastern one dips to east with a dip angle 60~80 degrees and its penetration depth is 80~100 km. Both of these two faults incised the crust, but limited in lithosphere. The crust is resistive from the eastern edge of Tancheng-Lujiang fault zone to Rizhao city, which is very different to the west of the fault zone, this fact indicates that Tancheng-Lujiang fault zone is the boundary between North China block and Jiao-Liao-Korea block.

1 Key Laboratory of Geo-detection (China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education, Beijing 100083, China 2 School of Geophysics and Information Technologe, China University of Geosciences, Beijing 100083, China

郯庐断裂带是中国大陆东部一个重要的左行走滑断裂系，对于研究中国大陆的形成演化与构造格局有着十分重要的意义.阿拉善左旗—山东日照超宽频带大地电磁测深剖面在山东莒县附近穿越了郯庐断裂带中段，电性主轴分析结果表明断裂带附近构造走向大致为北东20°；反演电阻率模型表明剖面穿越处郯庐断裂带的宽度约为30 km，断裂带主体是两条切割深度大、陡倾的断裂，西侧断裂切割深度约为60 km，向西倾斜，断面陡立，倾角约为70°，东侧断裂切割深度大于80 km，但小于100 km，界面东倾，陡立，倾角约为60°~80°；这两条断裂都切穿了地壳，但未切穿岩石圈.郯庐断裂带东缘至剖面终端日照，整个地壳为高阻，与断裂带西侧地壳的电性结构差异明显，这表明郯庐断裂带是华北地块与胶辽朝地块的边界断裂.

1957

0.0

... 各种自然场源对表层大地电流的贡献差异很大(曾融生, 1957 ...

... 叶高峰等, 2009 ...

2011

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Li-feng

, et al. 2011. Deep structure in Shijiazhuang and the vicinity by magnetotellurics[J]. Seismology and Geology, 33(4): 913—927(in Chinese).

The Shijiazhuang City in Hebei Province lies at the junction between the Taihangshan uplift in the west and the Jizhong depression of North China in the east,abutting the front-range fault zone of the Taihangshan in the west.The Xingtai M 7.2 earthquake of March 1966 occurred southeast to this area.In October 2010,a broadband magnetelluric(MT)survey was conducted in the Shijiazhuang City and adjacent regions to probe the deep structure.The 167km-long MT profile began from the Niangziguan town,extended southeastward through southern Shijiazhuang City,and terminated at Wangchang town of Jixian county.MT data were collected at 64 sites along this profile.In MT data processing,in addition to the remote reference and robust techniques,the multi-point and multi-frequency tensor decomposition was employed to determine the regional electric strike,and the NLCG 2D inversion was performed on TE and TM data.The result shows that a combination of an east-dipping low-angle normal fault in the shallow subsurface and a steep electric boundary at depth characterizes the deep structure beneath the study area.The electric structures in the shallow crust(above 10km)and deep crust(below 10km)seem to be independent.The Jinxian Fault and Xinhe Fault extend to a depth of less than～7km.High conductivity layer(HCL) is present below the depth of 10km between the front-range fault zone of the Taihangshan and the Xinhe Fault.There is a low resistivity boundary zone below the HCL and it cuts through the Moho.The hypocenter of the 1966 Xingtai Baichikou strong aftershock is located at the linkage between Xinhe Fault and deep electrical boundary,and on its top is a high resistance body and below it is the high conductivity layer(HCL).The HCL and the deep low resistivity boundary zone below the HCL are a channel of deep thermal upwelling and elastic energy migration.The 1966 Xingtai earthquake swarm is closely related to the deep material damping.

Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

石家庄位于太行山隆起带和华北平原冀中坳陷盆地接触区,西邻太行山山前断裂带,1966年在其东南曾发生邢台7.2级强震。为研究该区的深部构造背景,并为分析地震活动性趋势提供基础资料,2010年10月采用宽频带大地电磁法对该区的深部结构进行探测研究。大地电磁剖面穿过石家庄南侧区域,长约167km,获得了64个测点数据。采用远参考和Roubst技术进行数据处理,使用多点、多频率GB张量分解方法计算分析区域的电性走向,使用NLCG二维反演方法对TE和TM模式进行联合反演,获得深部电性结构。太行山山前断裂带浅部东倾的低角度滑脱断层和深部陡立西倾的电性边界带,构成了太行山隆起带和华北平原冀中坳陷接触区的深、浅构造的组合形态; 太行山山前断裂带东侧深(10km以下)、浅部(10km以上)结构具有相互独立性,冀中坳陷内的晋县断裂、新和断裂延伸深度不超过10km; 邢台百尺口6.2级强余震震源位于上陡、下缓的新河断裂和其下隐伏的深部电性差异带的交会区,交会区上方及其东西两侧为具一定厚度和宽度的高阻体。在太行山山前断裂和新河断裂之间的中下地壳存在高导层,其中心对应石家庄-晋县凹陷。高导层中心部位比东西两侧浅,推测与深部热物质的上升有关。1966年邢台地震群就发生在该地区附近。

2010

0.0

张继红, 赵国泽, 肖骑彬, 等. 2010. 郯庐断裂带中段(沂沭断裂带)电性结构研究与孕震环境[J]. 地球物理学报, 53(3): 605—611.

ZHANG

Ji-hong

, ZHAO

Guo-ze

, XIAO

Qi-bin

, et al. 2010. Analysis of electric structure of the central Tan-Lu fault zone(Yi-Shu fault zone, 36°N)and seismogenic condition[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53(3): 605—611(in Chinese).

Magnetotelluric(MT) data along about 150km profile has been collected along the profile across the central Tan-Lu fault zone(Yi-Shu fault zone,36°N ).The observational data of this survey are processed by using the Robust method and remote reference technique. Apparent resistivity, impedance phase curves, Skewness and regional strike were anylysed. By means of the NLCG method,2D inversion modeling is performed with the data of two modes TE and TM. The 2D electrical structure along the profile is obtained. The target area can be divided into four electrical conductivity blocks, which separately correspond to the Lu-Xi uplift, Tan-Lu fault zone, Jiao-Lai depression, and Lu-Dong uplift. There is high resistivity in the uplift area of Lu-Xi and Lu-Dong and low resistivity in the depression of Jiao-Lai. The development and occurrence the earthquakes are closely related to the deep electric structure. The earthquake focus area of three earthquakes around the MT profile are significantly heterogeneous, and the high conductivity layer existed near the hypocenter region.

1 Earthquake Administration of Shangdong Province，Jinan 250014，China 2 Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

穿过郯庐断裂带中段（沂沭断裂带，36°N）所做的大地电磁测深（MT）剖面长约150km.使用Robust技术和远参考道大地电磁方法处理观测数据.通过分析视电阻率、阻抗相位、Swift二维偏离度和区域走向，定性确定测区的电性结构.二维反演解释中选择非线性共轭梯度（NLCG）方法，使用TE、TM两种模式资料联合反演，沿剖面的二维电性结构显示：自西向东，鲁西隆起、郯庐断裂带、胶莱坳陷及鲁东隆起4个电性区块分别对应，鲁东和鲁西隆起区为高阻，郯庐断裂带电性结构复杂，高、低阻相间，胶莱坳陷为低阻（高导）区.沿MT剖面附近曾发生3个地震，其震源区处在电性变化剧烈部位，并在震源区附近存在高导体.

... 张继红等, 2010 ...

2001

0.0

... , 强度为B₀), 对于长和宽分别为a和b的导体, 推导可得到涡流密度矢量的实部J_eR 的表达式为(本文略去推导过程, 细节过程见张建平等(2001): ...

... 张继红等, 2010)可知, 郯庐断裂带是一条典型的重力、地磁异常分异带, 同时郯庐断裂带下方的电导率分布复杂多样, 断裂带两侧地壳的电性结构存在明显差异 ...

2017

0.0

... 电性结构的探测结果反映了从深部到地表的电性差异, 这种差异将在地表观测的某些地球物理场数据中有所反映, 其中包括与之相关的表层大地电流场(章鑫等, 2017) ...

... 根据块导体的涡旋电流理论(张建平等, 2001 ...

2017

0.0

1992

0.0

... Chavle et al ...

... 根据GIC理论(Boteler et al ...

... 因此, 在低阻体(或地层)上观测到的电流信号强度通常大于高阻地区, 可以使用文中计算得到的表层大地电流强度反映电阻率横向分布差异(Boteler et al ...

2005

0.0

2005

0.0

... 在前人关于空间源电流感应的地下电流模拟结果中(Gilbert, 2005 ...

2014

0.0

... Haller, 2005) ...

... Haller, 2005), 涡旋电流场是地电流场的涡旋部分, 是一系列无源涡旋电流线的组合, 电流环状闭合 ...

2000

0.0

... 表层大地电流来源于地球外部空间变化磁场、各种电流体系以及星际磁层的扰动与地球介质的相互作用(Lanzerotti et al ...

... Jumayev et al ...

2008

0.0

... Prijola, 2008) ...

1999

0.0

2005

0.0

... 郯庐断裂带附近区域由于构造运动强烈使得岩层破裂, 有利于地下流体充填, 故断裂及周围电阻率相对较低, 在宏观上表现为电流通道效应(Sarlis et al ...