滑動自相關(guān)方法在地電阻率觀測資料分析中的應(yīng)用初探

安張輝 詹 艷 陳小斌 姜 峰 高 悅

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 730000 3)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

滑動自相關(guān)方法在地電阻率觀測資料分析中的應(yīng)用初探

安張輝1， 2)詹 艷3)陳小斌3)姜 峰3)高 悅1，2)

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 730000 3)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

提出了地電阻率滑動自相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法，利用隨機(jī)時間序列對方法進(jìn)行了數(shù)值檢驗，驗證了方法的有效性。將滑動自相關(guān)方法應(yīng)用于3個地電阻率臺站實際觀測資料，經(jīng)分析研究得到了一些比較有意義的結(jié)果： 1)甘孜臺和山丹臺地電阻率滑動相關(guān)系數(shù)變化與地震事件有較好的對應(yīng)關(guān)系，主要表現(xiàn)為，在震前半年到1年時間范圍內(nèi)，會出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)階段性增大現(xiàn)象，同時，這2個臺站的相關(guān)系數(shù)異常也表現(xiàn)出比較強(qiáng)的各向異性特征； 2)成都臺地電阻率觀測雖受干擾較為嚴(yán)重，但相關(guān)系數(shù)異?，F(xiàn)象與地震事件仍有比較好的對應(yīng)關(guān)系，除了說明所使用方法的有效性之外，還可能與參加計算的地震事件震級比較大，震中距較小，以及發(fā)震時間比較集中有關(guān)，在該臺站同樣也存在異常的各向異性特征； 3)通過對比不同震級特征地震的相關(guān)研究結(jié)果得出，當(dāng)選擇的特征地震震級較小時，不同地震的震前異常幅度會有所不同，但當(dāng)震級較大時(如MS≥5.0)，其對研究結(jié)果產(chǎn)生的影響非常有限。此外，還對地電阻率地震異常的各向異性，以及特征地震的選取問題進(jìn)行了簡單論述。

滑動自相關(guān)方法 地電阻率 地震異常 相關(guān)系數(shù) 各向異性

0 引言

將地電阻率觀測資料應(yīng)用于地震預(yù)測是中國的一大特色。地電阻率觀測始于1966年邢臺MS7.2地震，其觀測裝置為對稱四極觀測(杜學(xué)彬等，2006，2007； 錢家棟等，2009)，經(jīng)歷了近50a的觀測積累和分析研究，得到了與大震和強(qiáng)震突出相關(guān)的多次異?，F(xiàn)象。如： 對1976年7月28日唐山7.8級地震進(jìn)行的地電阻率相關(guān)研究(趙玉林等，1978； 錢復(fù)業(yè)等，1990； 錢家棟等，1993； Luetal.，1999)，以及對2008年5月12日汶川MS8.0和2013年4月20日蘆山MS7.0地震地電阻率觀測開展的相關(guān)分析研究(張學(xué)民等，2009； Huang，2011； 錢家棟等，2013； 朱濤，2013； 杜學(xué)彬等，2015)，都得到了非常好的結(jié)果?？傮w來看，大地震前的地電阻率變化特征一般表現(xiàn)為： 震前2～3a開始出現(xiàn)趨勢下降異?，F(xiàn)象； 震前地電阻率異常具有階段性，個別大震前還有短臨和臨震前兆現(xiàn)象； 震前趨勢異常表現(xiàn)出各向異性(錢家棟等，1993)等。

地電阻率地震異常特征在1993年就已經(jīng)得出(錢家棟等，1993)，但2～3a的時間預(yù)測范圍，所能起到的減災(zāi)實效比較有限。到目前為止，針對地電阻率觀測資料在實際地震預(yù)測中進(jìn)行應(yīng)用的方法研究仍顯乏力。杜學(xué)彬等2001年提出的歸一化月速率方法，推進(jìn)了地電阻率觀測手段在預(yù)測預(yù)報中的實際應(yīng)用，并開展了一些較好的分析工作(葉青等，2005)。

以往開展的地電阻率觀測異常分析，很多是關(guān)于特定地震事件進(jìn)行的回溯性研究。雖然也得到了較好的對應(yīng)結(jié)論，但這些分析研究只是增加了典型震例的數(shù)量，對地電阻率觀測在實際應(yīng)用工作的推動有限。本文借鑒地震電磁異?；瑒酉嚓P(guān)分析方法(Jiangetal.，2016)的研究思想，提出了滑動自相關(guān)地震預(yù)測方法，并初步應(yīng)用于四川省甘孜、 成都、 甘肅省山丹地電阻率臺的實際觀測資料，進(jìn)行一些比較有意義的探索性分析研究。

1 方法簡介及數(shù)值檢驗

1.1 方法簡介

依據(jù)經(jīng)驗性地震預(yù)測的特點，假設(shè)在觀測臺站一定震中距范圍內(nèi)發(fā)生的地震事件，所引起的地電阻率異常現(xiàn)象具有一定的相似性。根據(jù)這一假設(shè)條件，為突出地電阻率地震異常的中期和短期特點，文中選取某次地震(下文稱 “特征地震”)前一段時間(180d)的觀測資料作為特征時間序列，通過滑動特征時間序列與原始時間序列得到相關(guān)系數(shù)曲線。利用相關(guān)系數(shù)曲線與地震事件序列的對應(yīng)性，分析研究震前相關(guān)系數(shù)的變化特點，從而對未來的地震事件進(jìn)行預(yù)測。相關(guān)系數(shù)的計算公式：

(1)

計算分析過程中采用地電阻率日均值。與地震事件進(jìn)行相關(guān)性計算分析時，應(yīng)考慮1d內(nèi)距離臺站一定范圍內(nèi)所有地震事件的總體響應(yīng)，借鑒Jiang等(2016)的方法，進(jìn)行等效地震計算。首先，利用式(2)計算出1d內(nèi)所應(yīng)考慮地震事件的總釋放能量(Gutenbergetal.，1956)，再由式(3)計算出相應(yīng)的等效震級(Jiangetal.，2016)。

(2)

(3)

1.2 數(shù)值檢驗

為了驗證方法的有效性，利用隨機(jī)時間序列對該方法進(jìn)行數(shù)值檢驗。首先，需要產(chǎn)生1段隨機(jī)時間序列，選取其中1段時間序列作為滑動時間序列； 其次，將滑動時間序列，按不同的時間間隔疊加在原始時間序列上，從而形成新的時間序列，模擬地電阻率觀測中震前異常具有相似性的特點； 最后，通過滑動所選取的特征時間序列，計算與新時間序列之間的滑動相關(guān)系數(shù)，通過比較不同時間相關(guān)系數(shù)的大小，達(dá)到驗證該方法有效性的目的。具體過程如下：

圖1 數(shù)值檢驗Fig. 1 The demonstration of numerical examination.縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)大?。?a 隨機(jī)時間序列； b 隨機(jī)時間序列中的1段數(shù)據(jù)； c 新合成的時間序列； d 相關(guān)系數(shù)圖

信號X(t)(圖1a)是隨機(jī)信號，X1(t)(圖1b)是從X(t)中隨機(jī)選出的1段信號，長度為100個數(shù)據(jù)點。將X1(t)分別疊加在501～600，1,201～1,300，1,501～1,600和1,901～2,000區(qū)間上，從而形成新的時間序列Y(t)(圖1c)，通過滑動X1(t)與Y(t)做相關(guān)性計算，從而得到相關(guān)系數(shù)R曲線(圖1d)，由于開始滑動的位置為1，所以結(jié)束時的滑動位置為2,000，故相關(guān)系數(shù)只有2,000個。從圖1d中可以看出，在101位置時相關(guān)系數(shù)為1，表示為完全相關(guān)，符合實際情況； 在其他4個插入滑動信號的地方，其相關(guān)系數(shù)都在0.6以上，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，從而證實該方法的正確有效性。

2 實測數(shù)據(jù)分析

分析研究過程中使用地電阻率觀測日均值，計算過程中需對觀測資料進(jìn)行一些預(yù)處理。首先，計算觀測臺站每天觀測值的均方根誤差； 其次，對>3倍均方根誤差的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，然后計算出相應(yīng)的日均值。此外，在滑動計算時采用地電阻率日均值的一階差分(前差)，可以降低大階躍和其他干擾帶來的影響，使計算結(jié)果更為理想。分析過程中所使用的地震目錄從中國地震臺網(wǎng)中心網(wǎng)站下載，目錄截止日期為2014年11月30日。

2.1 甘孜臺結(jié)果分析

甘孜地電觀測臺站位于四川省甘孜縣城郊區(qū)東南方向斯俄鄉(xiāng)境內(nèi)的布絨郎山下，現(xiàn)有2個觀測方向(N30°E和 N60°W)，本次分析研究所使用觀測資料的時間段為： 2007年9月26日至2015年1月26日。參加滑移的特征地震事件為2013年1月18日發(fā)生的MS5.5地震(30.95°N，99.4°E)，考慮該方法對地電阻率短期和臨震異常的實用性，參加滑動的特征長度取180d，參加等效地震計算的地震事件選取范圍：MS≥6.5地震的震中距范圍≤350km，MS在5.0～6.5地震的震中距范圍≤250km，MS<5.0地震的震中距范圍≤100km。

圖2 是四川省甘孜地電臺的滑動自相關(guān)結(jié)果圖。從圖中可以看出，地震事件與震前的相關(guān)系數(shù)異常有較好的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果初步顯示，在震前半年到1年時間范圍內(nèi)，會出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)增大異?，F(xiàn)象，并且這種異?，F(xiàn)象有一定的階段性，并不是持續(xù)發(fā)生； 從這幾次的對應(yīng)情況來看，N60°W測向比N30°E效果好，這可能與地震震中相對于臺站的位置有一定的關(guān)系，同時，也是地電阻率震前異常各向異性的1個具體體現(xiàn)。由于該臺所選時間范圍內(nèi)，地震具有成簇發(fā)生的特點，導(dǎo)致多次震前異常與震后效應(yīng)可能相互疊加，這個特點可能給震前異常的判斷帶來一定的困難。

圖2 甘孜臺滑動自相關(guān)結(jié)果Fig. 2 The results of shifting self-correlation at Ganzi station.虛線表示等效地震的發(fā)生時間位置； 相關(guān)系數(shù)達(dá)到1.0時，其所對應(yīng)的地震事件為該臺站選定的特征地震

2.2 成都臺結(jié)果分析

成都地電觀測臺站位于四川省都江堰市與郫縣交界的走石山，現(xiàn)有2個觀測方向(N58°E和 N49°W)，本次分析研究所使用觀測資料的時間段為： 2010年10月29日至2015年1月26日。參加滑移的特征地震事件為2011年9月4日四川發(fā)生的MS4.2地震(31.27°N，103.62°E)，參加滑動的特征長度為180d，參加等效地震計算的地震事件選取范圍：MS≥6.5地震的震中距范圍≤350km，MS在5.0～6.5地震的震中距范圍≤200km，MS<5.0地震的震中距范圍≤100km。

圖3 是成都地電阻率觀測的處理結(jié)果圖。臺站受工業(yè)游散電流、 成青快鐵等干擾較為嚴(yán)重，影響了傳統(tǒng)處理方法的正常使用，但滑動自相關(guān)方法仍能得到較理想的結(jié)果。從結(jié)果圖中可以看出，相關(guān)系數(shù)異常與地震事件有比較好的對應(yīng)關(guān)系，利用滑動自相關(guān)方法處理得到的異?，F(xiàn)象，出現(xiàn)在震前大概半年時間內(nèi)，其異常時段的相關(guān)系數(shù)值與甘孜臺相比要大許多，這種現(xiàn)象可能是由于，在分析研究的時間段內(nèi)所選地震事件的震級比較大，而且相對比較集中發(fā)生的原因； 此外，還有震中距較小的原因，如蘆山MS7.0地震距離成都臺約100km。該臺站N49°W測向?qū)λ拇ㄌJ山MS7.0地震的異常反映比N58°E好，這種現(xiàn)象與王成虎等(2014)得到的該區(qū)域為逆沖斷層應(yīng)力狀態(tài)，最大水平主壓應(yīng)力方向(N44°～64°W)相一致，說明地電阻率異常與主壓應(yīng)力之間可能存在一定的關(guān)系。

2.3 山丹臺結(jié)果分析

山丹地電觀測臺站位于甘肅省山丹縣清泉鎮(zhèn)南灣村，現(xiàn)有3個觀測方向(SN、 EW和 N45°W)，本次分析研究所使用觀測資料的時間段為： 2007年5月11日至2015年1月26日。參加滑移的特征地震事件為2008年3月30日青海發(fā)生的MS5.2地震(37.97°N，101.92°E)，參加滑動的特征長度為180d，參加等效地震計算的地震事件選取范圍：MS≥6.5地震的震中距范圍≤300km，MS5.0～6.5地震的震中距范圍≤200km，MS<5.0地震的震中距范圍≤100km。

圖4 為甘肅山丹地電阻率觀測的處理結(jié)果圖。該臺站EW測向映震效能較好，SN和 N45°W測向次之，相關(guān)系數(shù)異常現(xiàn)象多發(fā)生在震前半年至1年時間范圍內(nèi)。其中SN測向表現(xiàn)出的相關(guān)系數(shù)變化形態(tài)較為特殊，其原因可能是由于該測向?qū)μ卣鞯卣鸬姆从潮容^弱，參加滑動的特征時間序列包含的異常信息非常少所導(dǎo)致。但這種現(xiàn)象在EW和 N45°W 測向上卻表現(xiàn)得截然相反，這種現(xiàn)象從側(cè)面反映出，山丹臺存在明顯的地電阻率各向異性現(xiàn)象。EW和 N45°W 測向在2015年初出現(xiàn)的這種相關(guān)系數(shù)異常現(xiàn)象，或許與該區(qū)域未來一定時期內(nèi)某次MS5.0左右的地震相對應(yīng)。

3 相關(guān)討論

圖5 不同特征地震得到的相關(guān)系數(shù)圖Fig. 5 The correlation coefficient map of different characteristic earthquakes.

在分析研究的過程中，特征地震(Meq)的選取比較關(guān)鍵，不同震級的地震事件在震前引起的異常變化不會完全相同。針對這種可能情況，以甘肅省山丹地電阻率臺為例，分析討論了參加滑動的特征地震不同時會出現(xiàn)何種變化情況。圖5 是山丹臺地電阻率選取不同特征地震時得到的相關(guān)系數(shù)圖，圖5a是Meq震級為3.6的結(jié)果，其震中距約118km； 圖5b是Meq震級為3.8的結(jié)果，其震中距約54km； 圖5c是Meq震級為5.3的結(jié)果，其震中距約95km。初步研究發(fā)現(xiàn)，參與滑動的特征地震震級與等效地震震級相差不大時，其相關(guān)系數(shù)異常較為明顯，如圖5a和圖5b中震前相關(guān)系數(shù)異常幅度均比圖5c的大； 當(dāng)兩者相差較大時，仍有相關(guān)系數(shù)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，但異常幅度較小(相關(guān)系數(shù)值較小)。針對不同的特征地震，所得到的相關(guān)系數(shù)圖存在一定的相似性，反映了假設(shè)條件的正確性和所采用方法的有效性。

從文中3個臺站觀測資料的分析能夠看出，不同測向?qū)Φ仉娮杪实卣甬惓５姆从掣鞑幌嗤擞姓鸺壓驼鹬芯嗟囊蛩匾酝?，可能存在著地電阻率各向異性的原因，關(guān)于這個現(xiàn)象，杜學(xué)彬等(2007)研究了強(qiáng)地震附近視電阻率各向異性變化的原因，通過建立真、 視電阻率各向異性變化與裂隙率v、 骨架電阻率r、 飽和裂隙電阻率的本構(gòu)關(guān)系，解釋了視電阻率各向異性的原因是，在強(qiáng)地震孕震晚期階段，在震源區(qū)及附近地殼近地表的較深部分，介質(zhì)微裂隙發(fā)育，其走向沿最大主應(yīng)力方位優(yōu)勢取向，低阻水填充微裂隙，導(dǎo)電通道連通，引起最大主壓應(yīng)力方向的真電阻率變化最為顯著，導(dǎo)致電阻率的各向異性變化。文中各測向滑動自相關(guān)系數(shù)對地震事件的反映能力的不同，只是地電阻率各向異性的一個側(cè)面體現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文基于距離地電阻率觀測臺站一定范圍內(nèi)發(fā)生的地震，在震前會出現(xiàn)相關(guān)性較高的異?，F(xiàn)象這一前提假設(shè)條件，進(jìn)行隨機(jī)時間序列的滑動自相關(guān)數(shù)值檢驗，其結(jié)果說明，通過相關(guān)系數(shù)的變化能夠?qū)μ囟ǖ臅r間序列進(jìn)行檢出，從而為后續(xù)特征地震序列的檢測提供可能。隨后，將滑動自相關(guān)分析方法，應(yīng)用于3個地電阻率臺站實際觀測資料的分析研究，得到了一些比較有意義的結(jié)論：

(1)甘孜臺地電阻率分析結(jié)果顯示，地震事件與震前相關(guān)系數(shù)異常有較好的對應(yīng)關(guān)系。主要表現(xiàn)為，在震前半年到1年時間范圍內(nèi)，會出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)增大的異常現(xiàn)象，并且這種異常現(xiàn)象有一定的階段性，并不是持續(xù)發(fā)生。從幾次地震的對應(yīng)情況來看，該臺 N60°W 測向比N30°E向效果好，除了與地震震中相對于臺站的位置有一定的關(guān)系外，非常可能也是地電阻率震前異常各向異性的具體體現(xiàn)。

(2)成都地電阻率臺站雖受工業(yè)游散電流、 成青快鐵等干擾較為嚴(yán)重，但相關(guān)系數(shù)異常仍與地震事件有比較好的對應(yīng)關(guān)系。但該臺站異常時段的相關(guān)系數(shù)值與甘孜臺相比要大許多，這種現(xiàn)象可能是由于，在分析研究的時間段內(nèi)所選地震事件的震級較大，震中距較小，以及發(fā)震時間比較集中所導(dǎo)致。此外，該臺站同樣存在異常的各向異性特征。

(3)與甘孜臺相類似，山丹臺地電阻率相關(guān)系數(shù)的增大異常也發(fā)生在震前半年至1年時間范圍內(nèi)。此外，該臺站也存在明顯的地電阻率異常各向異性現(xiàn)象。

(4)參與計算的特征地震震級對所得到的結(jié)果有一定的影響，當(dāng)選擇的特征地震震級較小時，對震前異常的判斷會有一定的影響，但當(dāng)震級較大時(如MS≥5.0)，其對研究結(jié)果產(chǎn)生的影響非常有限。MS≥5.0的地震正是我們非常關(guān)心的地震事件，更反映了本文所提方法的實用性。

從上述研究結(jié)果可看出，滑動自相關(guān)方法應(yīng)用于地電阻率觀測資料，能夠得到比較好的結(jié)果，該方法為提高地電阻率觀測資料在地震預(yù)測中的應(yīng)用率提供了新的思路。文中所涉及3個臺站都存在異常的各向異性現(xiàn)象，研究出現(xiàn)異常的方位與震中的位置關(guān)系，將是進(jìn)一步工作的重點。未來可以對更多觀測臺站、 更長觀測資料進(jìn)行分析研究，還可以針對不同觀測臺站，從統(tǒng)計學(xué)的角度分析研究屬于各個臺站的特征地震異常和特征異常時間尺度，逐步提高地電阻率地震異常的判定能力。

致謝 本文在中國地震局地質(zhì)研究所完成，對中國地震局人事教育司和甘肅省地震局人事教育處提供的相關(guān)幫助，以及審稿專家的有益建議表示衷心感謝!

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SHIFTING SELF-CORRELATION METHOD INITIALY USED IN THE APPARENT RESISTIVITY OBSERVATION DATA

AN Zhang-hui1，2)ZHAN Yan3)CHEN Xiao-bin3)JIANG Feng3)GAO Yue1，2)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)LanzhouBaseofInstituteofEarthquakePrediction，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China3)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

In this paper，we propose a method of seismic prediction using the geo-electric resistivity shifting self-correlation(SSC)，and a numerical test is carried out using random time series analysis to verify the validity of the method. The SSC method is applied to the actual observation data of three geo-electric resistivity stations，and results are obtained as follows: (1)SSC coefficient changes in Ganzi and Shandan stations have good correspondence to earthquake，which is represented mainly by the phased increase of correlation coefficient appearing six months to a year before the earthquake. At the same time，the correlation coefficient anomalies of the two stations also exhibit strong anisotropy. (2)Although Chengdu geo-electric resistivity station had suffered serious disturbance，the correlation coefficient anomaly also has a good correspondence with earthquake. In addition to the validity of the SSC method，it may also be attributed to the magnitude of the earthquake event，the smaller distance of epicenter，and the time of the earthquake. Anisotropy also exists in the anomaly at Chengdu station. (3)By comparing the characteristics of different magnitudes of earthquakes，the results are obtained that，when the magnitude of the selected characteristic earthquake is relatively small，the amplitude of the anomaly before earthquake is different，but when the magnitude is larger，for exampleMS≥5.0，the impact on the results of this study is very limited. In addition，we briefly discussed the anisotropy of seismic geoelectrical resistivity anomalies and the selection of the characteristic earthquake.

shifting self-correlation method，apparent resistivity，earthquake anomaly，correlation coefficient，anisotropy

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.017

2015-09-25收稿，2016-05-21改回。

甘肅省科技計劃項目(145RJZA030)、 中國地震局系統(tǒng)交流訪問學(xué)者學(xué)習(xí)經(jīng)費與中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(2012IESLZ04)共同資助。

P631.3+22

A

0253-4967(2016)04-1019-11

安張輝，男，1978年生，2004年畢業(yè)于中國地震局蘭州地震研究所，獲固體地球物理學(xué)碩士學(xué)位，副研究員，主要從事地震電磁學(xué)研究和全國地電臺網(wǎng)技術(shù)管理工作，電話： 0931-8277101，E-mail: anzhanghui5@gsdzj.gov.cn。