北京市延慶地震臺地電阻率長程觀測數(shù)據(jù)研究①

金基項目：國家自然科學(xué)基金(41374080)

閆睿1， 朱石軍1， 胡樂銀1， 崔騰發(fā)2

(1.北京市地震局，北京 100080； 2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

摘要：分析北京延慶臺1988年以來地電阻率觀測資料的可靠性，討論歸一化變化速率方法，用以處理該臺地電阻率長程觀測數(shù)據(jù)；結(jié)合北京及鄰近地區(qū)近三十年來發(fā)生的7次中強地震，研究該臺地電阻率異常與地震的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：延慶臺地電阻率觀測對附近的中等以上地震和遠(yuǎn)距離大震有一定的映震能力，可為今后該臺附近及鄰近地區(qū)的地震提供中、短期預(yù)測預(yù)報參考依據(jù)；同時該臺在中國大陸及周邊遠(yuǎn)距離大震前也觀測到了時間上對應(yīng)的地電阻率異常。

關(guān)鍵詞：延慶臺； 地電阻率； 異常； 地震

收稿日期：①2014-10-20

作者簡介：閆睿(1980-),女,工程師,主要從事地震信息網(wǎng)絡(luò)、地震監(jiān)測與研究工作。E-mail:yanrui@bjseis.gov.cn。

中圖分類號:P319.3文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0739

Long-term Observation Data of Geo-electrical Resistivity at the

Yanqing Station, Beijing

YAN Rui1， ZHU Shi-jun1， HU Le-yin1， CUI Teng-fa2

(1.EarthquakeAdministrationofBeijingMunicipality，Beijing100080，China；

2.LanzhouInstituteofSeismology，CEA，Lanzhou730000，Gansu，China)

Abstract：The Yanqing station in Beijing has observed geo-electrical resistivity for almost 30 years.This station started observing the Geo-electrical resistivity in 1969 and a technological transformation of this observation site occurred in 1988.The station has roughly conducted normal observations since 1988.However，some environmental interference has occasionally occurred in the station’s electrode-arranging region.This station is one of the few stations affected by environmental interference in the Beijing，Tianjin，and Tangshan areas.The quality of geo-electrical resistivityobservation data has had relatively high standards for a long time.The reliability of geo-electrical resistivity observations since 1988 at the Yanqing station was analyzed. The normalized variation rate method was applied to process long-range geo-electrical resistivity observations.Data from seven medium or strong earthquakes that occurred near Beijing were integrated to study the relationship between geo-electrical resistivity and earthquakes.The results showed that the abnormal changes in geo-electrical resistivity observations demonstrated two characteristics of apparent resistivity changes.The first characteristic was an observation that appeared for a medium or short period and abnormal changes continued before the medium earthquakes occurred.The second characteristic was observed as an observation that had a long term of about 1 year and continued to have higher or lower abnormal changes before strong earthquakes occurred.This revealed a compact temporal correlation between the abnormal changes and strong earthquakes.The geo-electrical resistivity observation at the Yanqing station has the ability to reflect strong earthquakes near the station.Therefore，the observations provide a frame of reference for long-term or short-term earthquake prediction in nearby areas.In addition，the geo-electrical resistivity observations changed abnormal while strong earthquakes were occurring at long distances from the station in or around China.This showed that the geo-electrical resistivity observation at the Yanqing station can also be used to study earthquake prediction over long distances.The normalized variation rate method was applied to process the monthly observations of geo-electrical resistivity.This is an effective method to extract long-term or short-term geo-electrical resistivity data for abnormal changes.The abnormal changes that cannot be identified from the monthly data series can also be easily discovered through this normalized variation rate process.

Key words： Yanqing seismic station； geo-electrical resistivity； anomaly； earthquake

0引言

1966年河北省邢臺地震后，我國先后建立了100多個地電阻率臺站。半個世紀(jì)以來在地電臺網(wǎng)控制范圍內(nèi)發(fā)生了多次強震和中強震，積累了豐富的地電阻率基礎(chǔ)觀測資料，記錄了大量的對應(yīng)地震的明顯異常。例如，1976年唐山MS7.8地震、1988年松潘—平武MS7.2地震、1988年瀾滄—耿馬MS7.6/7.2地震、2008年汶川MS8.0地震前，附近臺站分別記錄了顯著的地電阻率異常[1-7]，同時利用地電阻率觀測對某些中等地震還進行了一定程度的地震預(yù)測預(yù)報[8-9]。因地震前兆異常存在復(fù)雜性、多樣性，不同地區(qū)，即使同一地區(qū)的同等震級地震在震前電阻率的異常變化也存在差異[3-4]，這無疑對地震前兆資料的分析和研究提出了進一步的要求。

北京市延慶地震臺自1988年改造以來地電阻率觀測至今已近30年，屬于京津唐地區(qū)觀測環(huán)境長期符合地電阻率觀測技術(shù)要求的臺站，且臺站周圍發(fā)生了多次中等地震。本文通過對延慶臺長程地電阻率觀測數(shù)據(jù)的處理分析，研究地電阻率變化與地震的對應(yīng)關(guān)系。一方面是進一步總結(jié)地震前地電阻率異常，另一方面為今后應(yīng)用該臺觀測資料分析研判該區(qū)地震活動趨勢提供參考。

1延慶臺地電阻率觀測概況

延慶地電阻率臺位于北京市延慶縣城關(guān)鎮(zhèn)張莊村南，海拔484 m，是首都圈地區(qū)地震重點監(jiān)測臺站。臺站位于延、懷盆地的北部邊緣，燕山沉降帶西北部，東、北兩面環(huán)山，山前地勢平坦，由東北向西南延伸，東西長35 km，南北寬16 km。布極區(qū)為平坦的農(nóng)田，地質(zhì)構(gòu)造上屬于燕山褶皺帶。狼山—黃柏寺斷裂距臺站西北5 km，第四系厚度329 m，下伏侏羅紀(jì)火成巖，為電性低阻層，厚度175 m。

延慶地電阻率臺站始建于1969年，1988年改造后再次投入地電阻率觀測。采用正南北、正東西方向的對稱四級電阻率觀測裝置，極距AB為1 500 m，MN為500 m(圖1)，觀測儀器先后使用ZD8B系列儀器[10]。臺站觀測裝置、測量儀器、外線路和電極等符合地電阻率臺站觀測的技術(shù)要求[11-14]。測區(qū)內(nèi)為開闊平坦的農(nóng)田，無山川、河流，也沒有大型的廠礦、公路、高壓線路干擾。2000—2003年測區(qū)內(nèi)建養(yǎng)雞場等造成了短時持續(xù)、幅度不大的地電阻率變化，但變化形態(tài)與以前不同。2003年11月對臺站進行改造后，EW向和NS向的觀測資料質(zhì)量得到不同程度的提高，NS向的數(shù)據(jù)比EW向離散度更小、精度更高。2011年對臺站外線路、電極以及觀測儀器進行了改造。

圖1　延慶地震臺地電阻率觀測布極 Fig.1　Electrode layout of geo-electrical resistivity at Yanqing station

2觀測資料和臺站附近地震

圖 2是延慶臺自運行觀測以來的地電阻率月

圖2　延慶臺EW測道、NS測道地電阻率月均值曲線 Fig.2　Monthly mean value series of geo-electrical resistivity in EW and NS directions at Yanqing station

均值曲線(1990年8月—2014年6月)。期間受到布極區(qū)內(nèi)的環(huán)境干擾影響、外線路改造等造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)等影響，所以對上述期間的觀測數(shù)據(jù)進行分段處理。

自1991—2006年華北地區(qū)發(fā)生6次MS≥5.0地震，距臺站154～529 km范圍內(nèi)。其中1996年5月3日包頭MS6.4是該區(qū)最大地震，震中距529 km；較近強震為1998年1月10日河北尚義MS6.2地震，震中距154 km(表1)。

表 1延慶地震臺鄰近地區(qū)地震基本參數(shù)表

Table 1Basic parameters for earthquakes in neighboring areas of Yanqing seismic station

序號時間地點緯度/(°)經(jīng)度/(°)震級/M震中距/km11991-03-26山西大同40.00113.805.818621995-10-06河北唐山市古冶39.80118.505.022231996-05-03內(nèi)蒙包頭、固陽一帶40.80109.606.452941998-01-10河北尚義東41.10114.306.215451999-11-01山西渾源-河北陽原39.80113.905.618262004-03-24內(nèi)蒙東、西烏珠穆沁旗49.32118.375.957772006-07-04河北文安38.90116.305.1176

3數(shù)據(jù)處理方法

地電觀測中常用的形態(tài)、幅度跟蹤異常需要判定正常的變化基值，再根據(jù)基值來識別下降、上升等變化，但基值往往很難判定，因而判定下降、上升等變化存在人為性。另一方面，由于不同地電臺測區(qū)介質(zhì)特征不同，其地電阻率變化對測區(qū)介質(zhì)物理條件變化的敏感程度不同。因此，杜學(xué)彬等[10-11，13]提出了歸一化月速率方法，目的就是為了克服上述不利因素。其數(shù)據(jù)處理的原理是：在地電阻率月均值等時間序列中，以數(shù)據(jù)個數(shù)為步長ζ組成地電阻率月均值數(shù)據(jù)的子序列進行線性回歸，然后計算出回歸直線關(guān)于時間軸的斜率Ki和相關(guān)系數(shù)Ri，由Ki×Ri組成子序列的初始變化速率。固定步長ζ逐點滑動計算初始變化速率，構(gòu)成初始變化速率的時間序列，再對初始變化速率進行歸一化處理得到變化速率時間序列，其每個元素都是無量綱的。該方法是從地電阻率觀測數(shù)據(jù)中提取中期、短期異常的一種有效方法。一般滑動步長ζ采用8個月(同一個臺站的長程觀測數(shù)據(jù)ζ相同)，少數(shù)情況下采用7個月或9個月，異常指標(biāo)為達到±2.4閾值視為異常(所有臺站和測道異常閾值是相同的)。在處理過程中，首先排除各類干擾(降雨、儀器和布極區(qū)環(huán)境變化等問題)對觀測數(shù)據(jù)的影響，如果存在年變化成分、趨勢上升或下降變化，則消除這些變化成分；其次按長趨勢下降或上升變化的時段分段處理數(shù)據(jù)。歸一化變化速率方法避免了人為判定基值和上升、下降等異常變化的困難和隨意性，且保留了原有曲線的下降、上升等異常變化的形態(tài)，對所有臺站識別異常與正常的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

4地震前后地電阻率異常變化分析

圖 3是延慶臺NS、EW兩個測道的地電阻率月均值曲線和歸一化變化速率曲線。由圖3(a)可見，1998年1月河北省尚義發(fā)生MS6.2地震前(震中距154 km)，視電阻率出現(xiàn)了十分微弱的下降變化，且異常變化過程清晰；1991年山西大同發(fā)生MS5.8地震(震中距186 km)，1989—1990年電阻率上升變化明顯(由于1989年的變化幅度大，壓制了曲線正常變化動態(tài)，所以未示1998年曲線)。圖3(b)是對應(yīng)圖3(a)的歸一化變化速率曲線，由圖可見：1998年張北MS6.2地震前歸一化變化速率為中期負(fù)異常(指示地電阻率下降變化)、短期正異常(指示地電阻率上升變化)相當(dāng)明顯；但1995年河北省唐山市古冶MS5.0地震(震中距222 km)、1996年內(nèi)蒙古包頭MS6.2地震(震中距529 km)及1991年大同MS5.8地震前未觀測到地電阻率異常，其原因是歸一化變化速率方法處理數(shù)據(jù)時在地電阻率時間序列最前段的ζ個數(shù)據(jù)無法計算變化速率而賦予“0值”造成的，但圖3(a)中對應(yīng)時段上升形態(tài)的異常變化還是較明顯的；另外，1991年出現(xiàn)變化速率正異常，對照圖3(a)可知是大同MS5.8地震地電阻率上升異常造成的，1993年底至1994年初出現(xiàn)變化速率正異常，出現(xiàn)異常前后該臺附近及周圍600 km范圍內(nèi)未發(fā)生MS>5.0地震，但臺灣海峽發(fā)生MS7.3地震，表現(xiàn)了大空間尺度的異常與地震對應(yīng)關(guān)系。圖3(c)是該臺EW測道地電阻率歸一化變化速率曲線，由圖可見：1995年唐山古冶MS5.0(222 km)、內(nèi)蒙古包頭MS6.4地震(529 km)前出現(xiàn)明顯的歸一化變化速率負(fù)異常，出現(xiàn)異常的時間與地震發(fā)生時間相當(dāng)對應(yīng)；1998年6-7月出現(xiàn)顯著的歸一化變化速率負(fù)異常(7月后地電阻率發(fā)生特別大的變化，可能是臺站觀測裝置變化引起的，所以此后的數(shù)據(jù)未標(biāo)示)，隨之于1999年11月發(fā)生山西渾源-河北陽原MS5.4地震，震中距182 km。

圖3　延慶臺NS、EW兩測道地電阻率月均值曲線及歸一化變化速率 Fig.3　Monthly mean value series and normalized variation rate series of geo-electrical resistivity in NS and EW directions at Yanqing station

圖 4是延慶臺1998年1月—2003年11月EW、NS兩個測道地電阻率歸一化變化速率曲線。在此時段內(nèi)，視電阻率月均值曲線的變化形態(tài)與以往明顯不同[(圖2(a)]，所以分段處理這個期間的數(shù)據(jù)。從圖4(a)看出，1999年山西渾源—河北陽原MS5.4地震(182 km)前，EW、NS兩個測道均出現(xiàn)了幅度不大的歸一化變化速率正異常[(圖3(c)中1998年6-7月的異常因歸一化變化速率曲線最初ζ個值賦“0值”而淹沒]。2001年6-12月，EW、NS兩個測道出現(xiàn)了負(fù)、正異常，緊接著2001年11月在昆侖山口西發(fā)生MS8.1地震(2 268 km)。2003年11月臺站更換觀測裝置，但在之前的8-11月兩個測道出現(xiàn)了大幅度的歸一化變化速率負(fù)、正異常，2004年3月24日在內(nèi)蒙東、西烏珠穆沁旗發(fā)生MS5.9地震(577 km)。

圖5是延慶臺2004年1月-2012年2月期間EW、NS兩個測道地電阻率歸一化變化速率曲線。由圖5(a)難以識別異常，但由圖5(b)～(c)歸一化變化速率曲線可見，在2008年四川汶川MS8.0(1 542 km)、2010年青海玉樹MS7.1(1 893 km)和2011年日本MS8.9地震(2 301 km)等遠(yuǎn)距離大震前負(fù)或正異常相當(dāng)突出，時間上對應(yīng)；同時在2006年河北文安MS5.1地震(176 km)前的6月出現(xiàn)負(fù)異常。

圖4　延慶臺NS和EW測道地電阻率月均值歸一化變化率曲線 Fig.4　 Monthly mean normalized variation rate series of geo-electrical resistivity in NS and EW directions 　　　 at Yanqing stations

圖5　 延慶臺NS、EW測道地電阻率月均值及歸一化變化速率曲線 Fig.5　Monthly mean value and normalized variation rate series of geo-electrical resistivity in NS and EW directions at Yanqing station

5延慶臺地電阻率異常評價及映震效能

5.1異常可靠性評價

延慶臺自1988年以來一直持續(xù)觀測地電阻率，在2000年以前該臺觀測環(huán)境較好，2001-2003年受養(yǎng)雞場影響及改造影響,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，此后數(shù)次改造也影響到觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，但從月均值曲線看這些干擾影響是持續(xù)時間短的偶然影響，且幅度遠(yuǎn)小于1%的異常識別指標(biāo)。歸一化變化速率方法處理數(shù)據(jù)是計算每組ζ個連續(xù)數(shù)據(jù)的變化速率，反應(yīng)電阻率數(shù)據(jù)的整體下降或上升變化，且在計算變化速率方法中用線性回歸的相關(guān)系數(shù)R抑制個別“奇異”數(shù)據(jù)的偶然影響，很大程度上克服了短時持續(xù)的偶然干擾的影響[3，15-16]。另一方面，歸一化變化速率異常是地震前中期、短期階段的持續(xù)性異常。從這三個方面來講，上述討論中時間上明顯對應(yīng)該臺周圍中等地震和遠(yuǎn)距離大震前的歸一化變化速率異常是可信的。

2006年河北文安MS5.1地震震級小，在圖5(c)中2006年6月(地震發(fā)生前1個月)出現(xiàn)了歸一化變化速率負(fù)異常，幅度并不大，略超過異常閾值±2.4，但其負(fù)異常是可信的。事實上，盡管該地震震級小，但在震前首都圈附近多個臺站觀測到了地電阻率中期-短期異常。圖6分別是京津唐地區(qū)天津?qū)氎媾_[圖6(a)]、北京通州臺[圖6(b)]歸一化變化速率曲線。這兩個臺距離近，且距震中分別為129 km、113 km，其EW測道歸一化變化速率出現(xiàn)幾乎同步的正異常，異常變化形態(tài)、起始時間十分相似。這兩個臺的異常證明了延慶臺EW測道出現(xiàn)的歸一化變化速率負(fù)異常的可信性。同時，寶坻、通州臺地電阻率觀測發(fā)現(xiàn)，在遠(yuǎn)距離的昆侖山口西MS8.1(2001)地震之前，及山西渾源—河北陽原MS5.4(1999)和內(nèi)蒙東、西烏珠穆沁旗MS5.9(2003)地震前也出現(xiàn)了類似延慶臺的歸一化變化速率正、負(fù)異常，這些都說明延慶臺地電阻率歸一化變化速率異常是可信的。

圖6　天津?qū)氎媾_和北京通州臺EW測道地電阻率月均值歸一化變化速率曲線 Fig.6　Monthly mean normalized variation rate series of geo-electrical resistivity in EW direction at Baodi station in 　　　 Tianjin and Tongzhou station in Beijing

5.2映震效能評價

上述地震地電阻率異常變化的分析和總結(jié)說明延慶臺是京津唐地區(qū)地震監(jiān)測能力強的臺站。表1列出了1991年以來距離臺站600 km范圍內(nèi)的7次地震前，在歸一化變化速率曲線上均出現(xiàn)的中期或短期異常，表明該臺對本區(qū)及周圍中等地震具有很強的監(jiān)測能力。同時也注意到，在上述7次中等地震前有的是兩個測道均出現(xiàn)異常但幅度大小并不一致，有的是其中一個測道出現(xiàn)了異常，表現(xiàn)了震前地電阻率的各向異性變化[3]。

該臺在四川汶川MS8.0(2008)、青海玉樹MS7.1(2010)、日本MS8.9(2011)等數(shù)次遠(yuǎn)距離大震前出現(xiàn)了明顯異常。據(jù)文獻[3]，在中國大陸普遍出現(xiàn)與大陸及周邊遠(yuǎn)距離大震對應(yīng)的異常時空叢集現(xiàn)象，此類異常與所對應(yīng)的地震震源過程并無直接聯(lián)系，可能是與地球自轉(zhuǎn)年尺度加速有關(guān)的“同源異象”現(xiàn)象?？偠灾?，該臺在長程地電阻率觀測中記錄了這種自然現(xiàn)象。

6結(jié)論

(1) 延慶地電臺長期以來觀測環(huán)境總體上符合地電阻率觀測的技術(shù)要求，是我國地電阻率臺網(wǎng)中觀測數(shù)據(jù)長期不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小的臺站之一，其觀測數(shù)據(jù)有地震科學(xué)研究和地震預(yù)測預(yù)報的應(yīng)用價值。今后可通過開展井下地電阻率觀測[17]來抑制該臺個別時段的地表環(huán)境干擾。

(2) 延慶臺地電阻率異常變化展示了地震預(yù)報中兩類視電阻率變化的特點：第一類是對臺站周圍中等以上地震表現(xiàn)出了與地震有關(guān)的震前持續(xù)性的地電阻率中期或短期異常的特征；第二類是在中國大陸及周邊發(fā)生的數(shù)次遠(yuǎn)距離大震前紀(jì)錄了持續(xù)約1年尺度的地電阻率下降或上升異常，異常與大震的發(fā)生存在緊密的時間相關(guān)性。

(3) 延慶臺均記錄了1991年以來京津唐地區(qū)及周圍發(fā)生的7次MS5.0～6.4地震對應(yīng)的地電阻率中期異?；蚨唐诋惓＃瑢儆诰┙蛱频貐^(qū)地震監(jiān)測能力強的臺站。該臺地電阻率觀測對今后該區(qū)及周圍地震有特定的地震監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報價值。今后需要特別注意維護該臺的地電阻率觀測環(huán)境和臺站觀測系統(tǒng)的正常運行，以保障臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。

(4) 應(yīng)用歸一化變化速率方法處理延慶臺地電阻率月均值數(shù)據(jù)表明，該方法是提取震前中期、短期地電阻率異常的有效方法，對在地電阻率月均值曲線上不能識別的異常，用歸一化變化速率方法的處理結(jié)果展示了該方法明顯的異常分辨能力。

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