艾薩·伊斯馬伊力， 陳界宏， 次 旦， 邱大瓊，趙江濤， 周 斌

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074；3.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，西藏 拉薩 854100)

在應(yīng)力積累過程中，地震震源區(qū)的巖石受壓而發(fā)生錯(cuò)位、張裂或斷裂等，并造成大量微破裂的形成，從而有可能導(dǎo)致各種各樣的物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象和效應(yīng)，其中地電場(chǎng)異常就是一種常見的物理現(xiàn)象[1-2]。地電場(chǎng)長(zhǎng)期受控于地球外部各種電流體系和地球內(nèi)部的介質(zhì)電性性質(zhì)，蘊(yùn)涵了豐富的電性結(jié)構(gòu)及電流源信息，積累了大量震例資料，受到地學(xué)界高度關(guān)注[3-7]。伴隨地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站的建立，很多臺(tái)站都積累了長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的地電場(chǎng)資料，充分、有效地利用這些信息，對(duì)于提取震前電場(chǎng)異常積累經(jīng)驗(yàn)和改善分析方法很有意義。

位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部的和田地震臺(tái)，對(duì)監(jiān)測(cè)阿爾金―西昆侖地震多發(fā)地區(qū)的地震極為重要。為提升新疆及藏北地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力，2007年中國(guó)地震局在和田地區(qū)建成了一個(gè)數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)[8-9]，本文中以和田地震臺(tái)地電場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用大地電場(chǎng)巖體裂隙模型[5]，對(duì)中強(qiáng)地震前后和田地電臺(tái)的巖體裂隙結(jié)構(gòu)及變化特征進(jìn)行了深入研究，對(duì)異常信息的機(jī)理進(jìn)行了探討，以期為和田和其他構(gòu)造特征相似地區(qū)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠參考。

1 臺(tái)站介紹和數(shù)據(jù)選取

1.1 臺(tái)站介紹

和田地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)位于阿爾金和西昆侖斷裂帶的交匯處，靠近塔里木盆地南部。臺(tái)基處于山前北西―南東向展布的和田―柯克亞擠壓構(gòu)造帶上[10](圖1)。地層以新近系第四紀(jì)松散沉積物為主，高程約1 409 m。2006年12月完成臺(tái)站架設(shè)，2007年5月正式運(yùn)行，其中2015年10月進(jìn)行了電極更換[11]。電極在觀測(cè)室外的農(nóng)田區(qū)域布設(shè)，地形開闊、平坦，周圍無高壓直流輸電等大的干擾源。電極布設(shè)兩分向測(cè)道EW和NS向成正交的“L”型觀測(cè)裝置，電極埋深約4 m[12](圖2)。外線路采用屏蔽電纜，并埋地敷設(shè)。觀測(cè)室內(nèi)配備專用的避雷接線裝置，儀器具體參數(shù)見表1。

圖1 和田臺(tái)及周邊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地震震中及地電場(chǎng)臺(tái)站分布圖Fig.1 Geological structure, earthquake epicenter and distribution of geoelectric field stationsin Hetian station and its surrounding areas

圖2 和田臺(tái)地電場(chǎng)布極示意圖Fig.2 Poles layout of geoelectric field in Hetian station

表1 地電儀器參數(shù)[11-12]

1.2 數(shù)據(jù)選取

因2007年只有3個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)資料的完整性和可靠性，本文中采用2008年3月至2018年12月和田地電場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角(α)計(jì)算。根據(jù)眾多學(xué)者對(duì)巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角(α)歷史典型震例的分析[3-6,10,13]，異常多集中于震中300 km范圍內(nèi)，故本文中主要選取臺(tái)站300 km內(nèi)、震級(jí)MS≥5.5的淺源地震進(jìn)行映震效果分析，其中2008年3月于田MS7.3地震(深度276 km)屬于深源地震且震前缺數(shù)。地震目錄來源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，選取的地震參數(shù)見表2。

表2 和田地電臺(tái)周邊300 km范圍內(nèi)MS≥5.5地震參數(shù)

2 方法原理

采用2009年3月1日至3月3日地電場(chǎng)巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型(圖3)，對(duì)和田地電場(chǎng)臺(tái)基巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角(α)進(jìn)行估計(jì)[5-6]。地電場(chǎng)是地球地表大地電磁場(chǎng)的重要組成部分，由大地電場(chǎng)(ET)和自然電場(chǎng)(ESP)構(gòu)成。大地電場(chǎng)(ET) 起源于地球外空電流系。近些年研究認(rèn)為，與日、月潮汐也關(guān)聯(lián)，其方向沿巖體裂隙呈現(xiàn)日周期變化。孕震過程場(chǎng)地應(yīng)力變化，理論上巖體裂隙結(jié)構(gòu)會(huì)變化[5,14-15]。

圖3 ET的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型(a) 和田臺(tái)日變化曲線 (b) 優(yōu)勢(shì)方向示意圖Fig.3 ET model of fissure water in rock with seepage (movement) or charges

大地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角方主要是計(jì)算大地電場(chǎng)(ET)方向的逐日變化情況。在地表觀測(cè)地電場(chǎng)時(shí)，一般因其矢量性會(huì)在兩個(gè)正交方向同時(shí)觀測(cè)。以NS、EW兩個(gè)正交方向?yàn)槔瑢?duì)圖2所示的和田臺(tái)裝置布設(shè)，設(shè)一天中i時(shí)刻的大地電場(chǎng)為ET(i)，則任一時(shí)刻ET(i)的北偏東或南偏西αi角為

(1)

式中，ET(SN)i、ET(EW)i分別表示第i分鐘NS、EW方向大地電場(chǎng)值。αi將臺(tái)站分鐘值帶入(1)計(jì)算，獲得穩(wěn)定的變化曲線，分析其方向表現(xiàn)出的特性，找出該場(chǎng)地αi存在的主體方位角度。

分析和田地電場(chǎng)臺(tái)的所有數(shù)據(jù)曲線類型，基于不同類型的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型，即可找出ET的主體方位，其實(shí)就是場(chǎng)地巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位，其優(yōu)勢(shì)方位(α)的計(jì)算公式為

(2)

式中，Ai是第i階潮汐諧波振幅。選取一天的數(shù)據(jù)，將該天數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，按照式(2)計(jì)算可獲得場(chǎng)地巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位(α)。

異常判定：大地電場(chǎng)(潮汐地電場(chǎng))的方位(方向以日周期變化)在震中附近，任何場(chǎng)地的方位角都在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，不超出其范圍是正常，明顯變大或變小并持續(xù)，則不正常[5-6]。地電場(chǎng)易受各類短時(shí)間性或突發(fā)性干擾，如地電暴、高壓直流輸電[16-17]等，故異常持續(xù)一周以上，有利于提高異常可信度。圖4為和田地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角正常變化曲線。從圖4(a)可知，和田地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角(Δα)正常情況下在175～185 °范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度約10 °。2015年底進(jìn)行電極更換后，和田臺(tái)地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角(Δα)背景值出現(xiàn)變化，即(Δα)70°左右規(guī)律性波動(dòng)變化，如圖4(b)所示。如果以更換電極之前方位角(α)變化幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)，則存在地震虛報(bào)。

圖4 和田臺(tái)地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角正常變化曲線(a) 2008年 (b) 2017年Fig.4 Normal variation curves of dominant azimuth of Hetian electric field

3 異常特征和震例分析

和田臺(tái)在2008～2017年期間的優(yōu)勢(shì)方位角(α)變化(圖5)，計(jì)算得出滿足異常判據(jù)要求的優(yōu)勢(shì)方位角(α)異常事件共7次，其中5次異常對(duì)應(yīng)地震，虛報(bào)2次(表3)。從2009年6月初至2009年9月中旬，該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)出現(xiàn)25°持續(xù)跳躍，異常過程中或異常結(jié)束后并沒有MS≥5.5地震發(fā)生。通過對(duì)此次異常虛報(bào)原因的分析，此次異常前2009年5月21日新疆皮山縣發(fā)生MS5.4地震，優(yōu)勢(shì)方位角(α)異常發(fā)生在該次地震后，認(rèn)為是震后效應(yīng)導(dǎo)致的(圖5a)。

在2011年9月于田MS5.5、2012年3月洛浦MS6.0、2012年8月于田MS6.2地震前，該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)均出現(xiàn)異常變化，且異常特征基本類似。即該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)值從正常背景值轉(zhuǎn)換下降到90°左右，優(yōu)勢(shì)方位角(α)出現(xiàn)90°的剪裂偏轉(zhuǎn)，異常持續(xù)時(shí)間均超過2個(gè)月以上，其中于田MS5.5和洛浦MS6.0地震發(fā)生在異常轉(zhuǎn)折-恢復(fù)上升過程中，于田MS6.2地震則發(fā)生在異常剛恢復(fù)背景值不久的時(shí)間點(diǎn)，具體異常形態(tài)和異常參數(shù)特征如圖5b和表3所示。

在2014年2月于田MS7.3地震前，自2012年10月中旬起，該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)發(fā)生45°快速偏轉(zhuǎn)，2012年12月底后開始轉(zhuǎn)折-恢復(fù)上升,2013年3月底出現(xiàn)上升恢復(fù)，此后優(yōu)勢(shì)方位角繼續(xù)出現(xiàn)間斷跳躍，變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景變化，最大幅度90°左右，異常持續(xù)過程中2014年2月發(fā)生于田MS7.3強(qiáng)震，2014年4月中下旬異常結(jié)束恢復(fù)優(yōu)勢(shì)方位角(α)值背景值范圍，具體異常形態(tài)和異常參數(shù)特征如圖5b和表3所示。

圖5 和田地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角(α)變化曲線(a) 2008～2009年 (b) 2012～2014年 (c) 2015～2017年Fig.5 α variation characteristics of Hetian station

在2015年7月皮山MS6.5地震前[18]，該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)集中分布出現(xiàn)躍變，其范圍最大接近90°，異常持續(xù)過程中發(fā)生皮山MS6.5地震，震后仍然持續(xù)40 d左右，異?；謴?fù)正常背景值，具體異常形態(tài)和異常參數(shù)特征如圖5c和表3所示。

表3 優(yōu)勢(shì)方位角異常參數(shù)

從2016年8月上旬至2016年9月下旬，該臺(tái)優(yōu)勢(shì)方位角(α)出現(xiàn)45°偏轉(zhuǎn)，異常轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升過程中或異常后3個(gè)月，該臺(tái)300 km內(nèi)并沒有MS≥5.5地震發(fā)生，而在約560 km左右的西昆侖的阿克陶縣發(fā)生了MS6.7強(qiáng)震。由于該臺(tái)周邊沒有其它臺(tái)站可對(duì)比，震中較遠(yuǎn)，暫時(shí)無法對(duì)應(yīng)該地震。

4 結(jié)論

(1) 和田地震臺(tái)地電場(chǎng)巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角(α)異常在強(qiáng)震前主要顯示了類似電阻率“下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升”異常變化，臺(tái)站周圍300 km內(nèi)MS≥5.5地震多發(fā)生在異常轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升或異常持續(xù)過程中，震后異常仍然持續(xù)30 d左右之后恢復(fù)正常背景值。

(2) 異常形態(tài)特征跟發(fā)震構(gòu)造斷層性質(zhì)有一定的關(guān)聯(lián)性，如阿爾金斷裂的于田縣發(fā)生的幾次地震前以偏轉(zhuǎn)下降——轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升特征為主，西昆侖斷裂的皮山MS6.5地震前則顯示為持續(xù)跳躍的異常特征。說明異常形態(tài)特征一定程度上指示震中方位，但也跟震源區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造和破裂過程有關(guān)[3-4]，本文中收集震例樣本較少，需要更多震例或預(yù)測(cè)實(shí)踐來檢驗(yàn)。

(3) 研究表明，若地震強(qiáng)度越大，則其異常出現(xiàn)得越早，一般為震前3個(gè)月左右；該臺(tái)方位角(α)多出現(xiàn)約45°或90°的偏轉(zhuǎn)、下降或持續(xù)跳躍，預(yù)示著巖體出現(xiàn)剪裂的異?，F(xiàn)象；異常特征多表現(xiàn)為短期異常信息，一般45～90 d內(nèi)易發(fā)震，與譚大成等[5]的研究結(jié)論一致。

(4) 和田地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角(Δα)跳動(dòng)范圍小，反映場(chǎng)地巖體裂隙發(fā)育好，在孕育中強(qiáng)地震區(qū)域常見這種背景。但電極更換后出現(xiàn)跳躍范圍明顯擴(kuò)散，且顯示規(guī)律性異常特征。該臺(tái)方位角(α)背景值電極更換之后出現(xiàn)這種變化的原因不詳，需進(jìn)一步落實(shí)及研究。

總之，運(yùn)用相對(duì)穩(wěn)定的潮汐諧波振幅計(jì)算得到和田臺(tái)巖體裂隙優(yōu)勢(shì)方位角(α)(該方法具有一定抑制干擾能力[5,14])與周圍的中強(qiáng)地震發(fā)生有較好的眏震效能，以便為今后地電場(chǎng)方法在和田地區(qū)實(shí)用推廣提出總結(jié)震例和建議。

致謝：在本文撰寫過程中，與中國(guó)地震局蘭州地震研究所譚大誠(chéng)研究員和新疆維吾爾自治區(qū)和田地震臺(tái)的同志們就排除干擾和異常分析進(jìn)行了諸多有益探討，在此一并表示感謝。