姚賽賽 高曙德 陳雪梅 張曉陽 楊 超 醴武權(quán)

1 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)正式測定，2022-01-08 01:45青海海北州門源縣發(fā)生6.9級(jí)地震，震源深度10 km，震中位于37.77°N、101.26°E。本次地震發(fā)生在青藏高原東北緣，位于柴達(dá)木-祁連塊體、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯處，地處祁連地震構(gòu)造帶，距離最近的斷層為冷龍嶺斷裂帶西北端與托萊山斷裂階區(qū)[1]。

地電阻率作為地震監(jiān)測的一種手段，主要通過對(duì)地下介質(zhì)電性參數(shù)進(jìn)行測定來研究介質(zhì)地電阻率變化與地震的關(guān)系。我國地電臺(tái)站大多布設(shè)在地震活動(dòng)區(qū)或地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)[2]，在地電臺(tái)網(wǎng)內(nèi)部或附近區(qū)域大震、中等地震發(fā)生前的中期、短臨階段可記錄到突出的異常，許多學(xué)者通過分析地電阻率數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)地震實(shí)現(xiàn)了中期預(yù)測[3-5]。本文通過分析門源地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用原始曲線分析和歸一化速率方法，總結(jié)震前地電阻率異常特征，為后續(xù)震情研判與分析提供參考依據(jù)。

1 震中周圍地電阻率臺(tái)站分布

1.1 臺(tái)站基本情況

青海門源地震震中300 km范圍內(nèi)共有5個(gè)地電阻率臺(tái)站，震中距由近到遠(yuǎn)分別為金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)、攔隆口臺(tái)、武威小西溝臺(tái)和蘭州臺(tái)，其中攔隆口臺(tái)、蘭州臺(tái)電磁環(huán)境復(fù)雜，暫不進(jìn)行分析，臺(tái)站分布情況如圖1所示。金銀灘臺(tái)臨近青海湖，位于祁連山構(gòu)造帶中部，附近發(fā)育EW-SE向斷裂，該地區(qū)第四紀(jì)以來受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程效應(yīng)影響明顯；山丹臺(tái)位于河西走廊區(qū)域性主干大斷裂附近，該斷裂切割地殼較深，走向NWW，屬于祁連山地震帶；武威小西溝臺(tái)位于合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷裂帶分界處，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以龍首山斷裂和河西堡-四道山斷裂為主。表1為門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站的基礎(chǔ)信息。

圖1 門源地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of earth resistivity stations within 300 km from the epicenter of Menyuan earthquake

在我國開展的地震地電阻率觀測中，絕大多數(shù)觀測臺(tái)站采用四極對(duì)稱觀測系統(tǒng)。而實(shí)際上，通過四極法測量得到的地電阻率值與地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與這四個(gè)電極的排列方式和相互距離有關(guān)，在震中區(qū)及附近可檢測到地殼較深部介質(zhì)的電阻率變化[6]，3個(gè)地電阻率臺(tái)站的布極情況如圖2所示。

表1 青海門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站基礎(chǔ)信息

圖2 地電阻率臺(tái)站布極示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrode layout of earth resistivity station

1.2 資料可靠性

穩(wěn)定形態(tài)的正常背景變化作為異常分析的基礎(chǔ)，取決于地電阻率臺(tái)站觀測系統(tǒng)和觀測環(huán)境的穩(wěn)定性。其中，測量系統(tǒng)(地電儀器、穩(wěn)流電源)、裝置系統(tǒng)(電極、外線路、避雷裝置、配線)等構(gòu)成地電阻率觀測系統(tǒng)，自然環(huán)境、人為設(shè)施、氣象天氣等構(gòu)成測區(qū)環(huán)境因素。

金銀灘臺(tái)位于青海省海北州海晏縣西海鎮(zhèn)西北方向牧民草場上，周圍無高壓輸電線路和大型變電所，場地周圍的干擾源均在觀測環(huán)境保護(hù)區(qū)的界定范圍之外。數(shù)據(jù)受到觀測系統(tǒng)影響較多，原因?yàn)橥饩€路架空，全年不定期受降雨、雷電、大風(fēng)等干擾，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。山丹臺(tái)位于山丹縣清泉鎮(zhèn)南灣村，測區(qū)地表為曠野型戈壁沙土堆，距離地表水系較遠(yuǎn)，土壤濕度小，測區(qū)地形開闊，場地內(nèi)無建筑物，人類生產(chǎn)活動(dòng)較少，無明顯的干擾源，同時(shí)干旱少雨的氣候條件使得觀測受到的氣候環(huán)境干擾較少。影響數(shù)據(jù)變化的主要因素為電極埋深1.8 m，全年少量的降雨會(huì)造成數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)輕微臺(tái)階變化。武威小西溝臺(tái)2017-07進(jìn)行異地遷建，新址位于甘肅省武威市石羊河林場小西溝分場公益保護(hù)區(qū)內(nèi)，該測區(qū)場地內(nèi)無建筑物，人類生產(chǎn)活動(dòng)較少，無明顯的干擾源，同時(shí)干旱少雨的氣候條件使得觀測受到的氣候環(huán)境干擾較少。

表2為影響3個(gè)地電阻率臺(tái)站運(yùn)行以來數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，從表中可以看出，3個(gè)地電阻率臺(tái)站中武威小西溝臺(tái)內(nèi)在資料最好，僅出現(xiàn)1次觀測系統(tǒng)事件(穩(wěn)流源故障)；金銀灘臺(tái)出現(xiàn)22次觀測系統(tǒng)事件(主要為UPS、外線路、穩(wěn)流電源、數(shù)采、供電出現(xiàn)故障)和8次人為干擾事件(主要為校檢、檢修)，因是無人值守臺(tái)站無法及時(shí)恢復(fù)，2020年以后觀測系統(tǒng)事件再未發(fā)生；山丹臺(tái)觀測數(shù)據(jù)受降雨、雷電和大風(fēng)的影響較大，出現(xiàn)過1次觀測系統(tǒng)事件(主機(jī)故障)和1次自然環(huán)境事件(降雨)。綜合來看，震前3個(gè)地電阻率臺(tái)站的觀測系統(tǒng)和觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，精度達(dá)標(biāo)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，產(chǎn)出資料具有較高的可靠性。

表2 影響地電阻率觀測的主要因素統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況

2 資料處理及異常分析

地震前兆異常識(shí)別很困難，原因?yàn)榍罢桩惓５臅r(shí)空強(qiáng)分布相當(dāng)復(fù)雜，此外異常往往是弱幅度變化[7]。本文采用原始曲線分析方法(整點(diǎn)值、日均值、月均值)和歸一化速率方法對(duì)資料進(jìn)行處理并分析。

2.1 原始曲線分析方法

研究表明，地震前受裂隙水、活動(dòng)構(gòu)造等因素影響，地電阻率的年變形態(tài)會(huì)發(fā)生畸變或突變[8]。因此，在地電阻率原始曲線上識(shí)別年變化幅度、形態(tài)、相對(duì)變化是探索地震前兆異常的常用方法之一。需要說明的是，因更換儀器、更換外線路、地電暴等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在繪圖中未采用，均按缺數(shù)處理，但不影響整體年變化趨勢分析。

金銀灘臺(tái)EW道地電阻率年變形態(tài)清晰，呈現(xiàn)夏低冬高的變化趨勢，其整點(diǎn)值在2020-12～2021-06期間出現(xiàn)較往年同期更高頻次的突跳變化，出現(xiàn)毛刺增多現(xiàn)象，2021-05-22在距離臺(tái)站355 km的青?，敹喟l(fā)生7.4級(jí)地震。2022-01-08門源地震前，毛刺增多現(xiàn)象從2021-11開始，且震后仍在持續(xù)(圖3(a))。金銀灘臺(tái)EW道日均值數(shù)據(jù)從2021年開始出現(xiàn)保持年變形態(tài)的趨勢下降，高值較往年同期下降0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖3(b))。值得注意的是，天水臺(tái)井下地電阻率觀測在四川蘆山MS7.0、甘肅岷縣MS6.6及四川九寨溝MS7.0地震前均出現(xiàn)地電阻率整點(diǎn)值高頻次交替變化，此時(shí)日均值呈現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折或趨勢下降現(xiàn)象[9]，這種地表與井下臨震異常相似的情況還需進(jìn)一步研究。

圖3 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)地電阻率EW曲線Fig.3 The EW component of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

利用2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)EW道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表3。從表中可以看出，2016～2019年，年變幅度較為穩(wěn)定，觀測值變化形態(tài)基本一致。2020年開始年變幅逐漸增大，2022年上半年變化幅度達(dá)到觀測以來的最大值，反映出原始數(shù)據(jù)高頻擾動(dòng)增多。瑪多地震發(fā)生在趨勢下降階段，門源地震發(fā)生在趨勢上升階段。

表3 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)EW道年變幅

山丹臺(tái)地電阻率NS和N45°W道日均值觀測數(shù)據(jù)年動(dòng)態(tài)清晰，2018-10前EW道數(shù)據(jù)年變形態(tài)不清晰，2018-10更換配電箱后該道觀測資料出現(xiàn)較為清晰的年變形態(tài)；NS道呈現(xiàn)夏高冬低的年變形態(tài)，EW和N45°W道資料年變形態(tài)較為相似，呈現(xiàn)夏低東高的年變形態(tài)。山丹臺(tái)NS測值曲線在2020-06由上升轉(zhuǎn)為下降；EW測值從2018年起呈現(xiàn)明顯的逐年上升趨勢，2020-09之后曲線全部在均值線以上；N45°W測值從2018年起呈現(xiàn)緩慢的逐年上升趨勢，2020年之后曲線大部分在均值線以上。2019-09-16在距離山丹臺(tái)69 km處發(fā)生5.0級(jí)地震，震前三道曲線出現(xiàn)同步的緩慢下降，震前7 d NS道快速轉(zhuǎn)折上升，EW道緩慢轉(zhuǎn)折上升，N45°W道快速轉(zhuǎn)折下降。此次門源地震前山丹臺(tái)地電阻率日均值曲線未出現(xiàn)類似甘州地震前的短臨異常形態(tài)，但NS道趨勢下降、EW和N45°W道趨勢上升的現(xiàn)象也值得關(guān)注，具體見圖4。

圖4 2018-01～2022-04山丹臺(tái)地電阻率日均值曲線Fig.4 The daily average value of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-04

利用2018-01～2022-04山丹臺(tái)三道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表4。從表中可以看出，NS道2018～2020年年均值逐年上升，2020～2022年呈現(xiàn)下降趨勢，而EW、N45°W道年均值逐年增大。三道曲線年變幅總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢，反映出觀測系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，測區(qū)觀測環(huán)境較好。

表4 2018-01～2022-04山丹臺(tái)地電阻率年變幅

武威小西溝臺(tái)地電阻率于2018-10正式觀測，NS道自觀測以來呈現(xiàn)夏低東高的年變形態(tài)，且出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢下降，門源地震發(fā)生在下降階段，且震后仍在繼續(xù)下降；而EW道自2020年才形成夏高冬低的年變形態(tài)，同時(shí)出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢上升，門源地震發(fā)生在趨勢轉(zhuǎn)折階段，震后曲線開始轉(zhuǎn)平。不同測道出現(xiàn)相反的年變現(xiàn)象由測區(qū)介質(zhì)非均勻性所引起[10]。NS道日均值數(shù)據(jù)從2019年開始出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢下降，2021年高值較往年同期下降0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖5(a))；EW道日均值數(shù)據(jù)從2019年開始呈現(xiàn)趨勢上升，2021年高值較往年同期上升0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖5(b))。武威小西溝臺(tái)降水稀少，年均降水量為127.7 mm，且地表為砂土和砂壤土，覆蓋層較深，距離地表水系20 m以上，土壤濕度小，因此可推斷兩道地電阻率的趨勢變化和降雨、水位的關(guān)系較小，地電阻率長期趨勢變化的物理意義在于巖石孔隙率的變化。

圖5 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率日均值曲線Fig.5 The daily average value of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

利用2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)兩道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表5。從表中可以看出，2019～2022年，臺(tái)站NS和EW道年變幅逐年減小，2021-06-24～07-22發(fā)生一次變壓器、配線器故障，經(jīng)維修后恢復(fù)正常，反映出原始數(shù)據(jù)日變較小，觀測系統(tǒng)開始趨于穩(wěn)定。

表5 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率年變幅

地電阻率的異常變化在長期觀測中主要包括破年變變化和保留年變形態(tài)的1 a以上趨勢變化[11]，金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)和武威小西溝臺(tái)的異常變化屬于后者。

2.2 歸一化速率方法

歸一化速率(NVRM)是一種無量綱的地電學(xué)處理方法，以一定的步長計(jì)算月均值曲線的斜率，并進(jìn)行歸一化處理。

觀測數(shù)據(jù)曲線對(duì)時(shí)間軸的斜率可表示為：

(1)

自相關(guān)系數(shù)為：

(2)

歸一化速率法序列為：

(3)

式中，n為滑動(dòng)步長，N為資料長度，σn-1為N-n個(gè)Ri×Ki時(shí)間序列的均方差，y為等間隔前兆數(shù)據(jù)時(shí)間序列，T為相應(yīng)的等間隔時(shí)間序列。利用月均值曲線滑動(dòng)可得到月速率時(shí)間序列Si，在月均值觀測曲線上計(jì)算月速率來提取中短期異常迅速方便，異常形態(tài)突出，幅度明顯。歸一化速率的優(yōu)點(diǎn)為：不同臺(tái)站、不同測道之間存在因介質(zhì)結(jié)構(gòu)差異等引起的地電阻率變化差異，但NVRM異常的閾值統(tǒng)一為±2.4，即變化速率值<2.4為地電阻率下降異常，包含異常形態(tài)、幅度和時(shí)間信息；反之，變化速率≥2.4為地電阻率上升異常[12]。

金銀灘臺(tái)EW道月均值在2017～2020年保持穩(wěn)定的正常年變趨勢，2021-02開始呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，下降0.03 Ω·m(相對(duì)變化11.3%，圖6(a))，震后仍在持續(xù)下降。從圖6(b)可以明顯看出，在2019-05～09出現(xiàn)一次明顯的正異常，2019-10-28在距離臺(tái)站260 km的甘肅甘南州夏河縣發(fā)生5.7級(jí)地震；2020-06～07、2021-02～06出現(xiàn)2次負(fù)異常后，2021-05-22發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震以及2022-01-08發(fā)生門源6.9級(jí)地震。

山丹臺(tái)地電阻率月均值曲線年變形態(tài)及變化幅度更為清晰，NS道在2020-06由上升轉(zhuǎn)為下降，EW道呈現(xiàn)快速上升趨勢，N45°W道呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。門源地震發(fā)生在NS道由下降轉(zhuǎn)為上升的趨勢轉(zhuǎn)折階段，以及EW道和N45°W道由上升轉(zhuǎn)為下降的趨勢轉(zhuǎn)折階段。從歸一化速率曲線來看，門源地震前NS道在震前11個(gè)月出現(xiàn)一次正異常，N45°W道在震前12個(gè)月出現(xiàn)一次正異常，EW道歸一化速率未顯示異常，但在2019-09-16甘肅甘州地震前出現(xiàn)一次正異常，在震中出現(xiàn)一次負(fù)異常，地震發(fā)生在負(fù)異常時(shí)段，具體見圖7。

圖6 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.6 The monthly average value and normalizedrate of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

圖7 2018-01～2022-03山丹臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.7 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-03

武威小西溝臺(tái)NS道月均值在保持正常年變形態(tài)的情況下出現(xiàn)緩慢下降趨勢，從歸一化速率曲線來看，NS道在2020-02～05出現(xiàn)一次小幅負(fù)異常，2020-07～11出現(xiàn)一次較大幅度的正異常。EW道月均值呈現(xiàn)逐年上升趨勢，從歸一化速率曲線來看，EW道在2021-11～2022-01出現(xiàn)一次小幅正異常，具體見圖8。

圖8 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.8 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

3 震前異常變化機(jī)理討論

張學(xué)民等[13]通過對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震前地電阻率異常進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，震前郫縣臺(tái)NE向、甘孜臺(tái)EW向出現(xiàn)持續(xù)性大幅度下降，而武都臺(tái)NW向從2006-08開始至地震前出現(xiàn)趨勢上升。史紅軍等[14]通過對(duì)吉林省地電阻率震兆異常進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，汪清MS7.0深震前，榆樹臺(tái)和四平臺(tái)地電阻率月均值曲線均顯示出震前持續(xù)2 a尺度的中期下降異常。

金銀灘臺(tái)地處祁連山構(gòu)造帶中部，距日月山斷裂帶西約22 km；山丹臺(tái)地處河西走廊區(qū)域性主干大斷裂，距龍首山斷裂帶西23 km，屬于祁連山地震帶；武威小西溝臺(tái)距合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷裂帶分界處約20 km，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以龍首山斷裂和河西堡-四道山斷裂為主。這3個(gè)地電阻率臺(tái)站分布在主要活動(dòng)斷層附近，在地震孕育過程中應(yīng)力更容易集中，在構(gòu)造應(yīng)力作用下區(qū)域介質(zhì)更容易變形。

此次門源6.9級(jí)地震前，3個(gè)地電阻率臺(tái)站的異常變化以趨勢變化為主，伴有臨震突跳變化。震中距最近的金銀灘臺(tái)地電阻率EW道表現(xiàn)出年變幅逐年增大的現(xiàn)象，在2021年形成新的年變形態(tài)，震前2個(gè)月出現(xiàn)高頻突跳，震后仍在持續(xù)；山丹臺(tái)地電阻率和武威臺(tái)地電阻率NS道表現(xiàn)為趨勢下降、EW道表現(xiàn)為趨勢上升，無臨震突跳變化。此次地震異常的各向異性特征比較明顯，NS道或EW道異常更為突出，同時(shí)異常臺(tái)站的分布也存在一定規(guī)律，主要分布在NS走向上，反映出孕震機(jī)理及活動(dòng)構(gòu)造對(duì)地電阻率變化的影響。

4 結(jié) 語

本文采用歸一化速率方法，對(duì)青海門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)及武威小西溝臺(tái)的地電阻率觀測數(shù)據(jù)(整點(diǎn)值、日均值及月均值)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，震前3個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)的地電阻率異常變化與地震具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從原始曲線來看，金銀灘臺(tái)既有臨震異常，又有趨勢下降變化，而山丹臺(tái)及武威小西溝臺(tái)在門源地震前存在持續(xù)3 a以上的趨勢變化(NS趨勢上升、EW趨勢下降)，需結(jié)合歸一化速率方法判斷是否為地震異常。此次地震前出現(xiàn)與最大主應(yīng)力相關(guān)的趨勢異常，震后出現(xiàn)與震前異常相反的趨勢恢復(fù)變化或趨勢轉(zhuǎn)平，符合前人總結(jié)的地電阻率孕震機(jī)理。后期需關(guān)注山丹臺(tái)地電阻率EW道和N45°W道是繼續(xù)保持年變呈現(xiàn)趨勢上升，還是出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降形成新的年變形態(tài)；武威臺(tái)地電阻率NS道持續(xù)下降、EW道趨勢轉(zhuǎn)平態(tài)勢何時(shí)結(jié)束并形成新的年變。

地電阻率的趨勢變化可反映周圍區(qū)域應(yīng)力場變化，針對(duì)不同地電阻率臺(tái)站，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，正確識(shí)別地震異常和數(shù)據(jù)異常，總結(jié)異常類型與震例的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為今后該地區(qū)及鄰區(qū)地電阻率異常的分析、識(shí)別及地震預(yù)報(bào)提供參考。