地球物理勘探方法在地震前兆監(jiān)測中的應用

■王靜張磊李東

（1山東省地震工程研究院 山東濟南250021；2天津市地震局天津300201；3山東電力工程咨詢院有限公司 山東濟南250013）

地球物理勘探方法在地震前兆監(jiān)測中的應用

■王靜1張磊2李東3

（1山東省地震工程研究院 山東濟南250021；2天津市地震局天津300201；3山東電力工程咨詢院有限公司 山東濟南250013）

地震孕育到發(fā)生是一個復雜的過程，它的孕育和發(fā)生會引起地球物理場和化學場的變化。地球物理探測技術從物理學的原理出發(fā)，利用巖石的物理性質(zhì)的差異，觀測和研究地球物理場的空間和時間分布規(guī)律，這同時為地震監(jiān)測提供了觀測手段和方法。地震系統(tǒng)通過利用地球物理方法探測重力場、地電場、地磁場的變化，來分析地球物理場的時空變化，開展地震前兆觀測與預測研究工作。

地震重力場地電場地磁場

0　引言

我國位于亞歐板塊的東南部，處于印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊的夾持之中，受印度板塊的擠壓作用和太平洋板塊俯沖作用的影響，晚第四紀和現(xiàn)代構(gòu)造活動強烈，地震災害頻發(fā)。

地震預報作為一門以觀測為基礎的交叉學科，我國的地震預報工作始于1966年邢臺6.8級地震后，經(jīng)過多年的探索和實踐，我國的地震預報工作取得了一定的進展，形成了“長-中-短-臨”科學的地震預測思路，并對地震成因、孕震過程以及前兆異常機理也開展了不斷的探索研究工作。從1975年海城7.3級地震到1999年遼寧岫巖5.4級等地震前都取得了具有減災失效的短臨預報[1]。研究表明[2-4]，這些地震震前不僅表現(xiàn)出了地震活動的異常和宏觀異常現(xiàn)象，同時還表現(xiàn)出了豐富的地震前兆異常。因此，加強地震前兆觀測與研究工作尤為重要。地球物理探測技術利用不同物質(zhì)在密度、彈性、電性、磁性、放射性以及導熱性等方面的差異，探測地球物理場的局部變化，這為地震前兆觀測提供了技術依據(jù)。

1　地球物理勘探技術方法

地球物理場是指存在于地球周圍（或內(nèi)部）的具有物理作用的空間，包括天然存在的地球物理場和人工激發(fā)的地球物理場。地球物理學用物理學的原理和方法，對地球的各種物理場分布及其變化進行觀測，探索地球本體及近地空間的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、形成和演化，研究與其相關的各種自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律。并在此基礎上為探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、尋找能源、資源和環(huán)境監(jiān)測提供理論、方法和技術，為災害預報提供重要依據(jù)。地球物理勘探是利用地球物理的原理，根據(jù)各種巖石之間的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)的差異，選用不同的物理方法和物探儀器，測量工程區(qū)的地球物理場的變化，以了解其水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件的勘探和測試方法。

按照所應用的物理性質(zhì)可將地球物理勘探方法分為：重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探和地溫測量。

2　地震前兆監(jiān)測中的應用

地球物理探測技術從物理學的原理出發(fā)，利用巖石的物理性質(zhì)的差異，觀測和研究地球物理場的空間和時間分布規(guī)律，這同時為地震監(jiān)測提供了觀測手段和方法。我國經(jīng)過“九五”、“十五”、“十一五”的建設先后建成了具有一定規(guī)模的數(shù)字地震前兆觀測網(wǎng)絡，為地震預測研究工作提供了豐富的基礎數(shù)據(jù)資料。

2.1重力勘探方法應用

地殼厚度的差異、地殼密度的變化和地殼深部物質(zhì)的遷移等構(gòu)造活動信息都可以由重力場的變化反映出來。因此，重力場的時空動態(tài)演化特征可以作為研究現(xiàn)今地殼構(gòu)造與地震孕育發(fā)生相互關聯(lián)提供一定的根據(jù)。在2001年昆侖山口8.1級地震前后也觀測到了明顯的重力變化[5,6]。重力異常與地震的關系研究表明，重力異常能夠反映強震孕育的中長期背景。

地震前兆觀測中通過定點重力和流動重力測量方法，獲取連續(xù)的定點觀測數(shù)據(jù)或者區(qū)域性的重力異常數(shù)據(jù)來研究與地震有關的重力異常信息。我國自20世紀60年代邢臺地震后開始流動重力測量，到80、90年代得到了發(fā)展。我國的地震重力監(jiān)測網(wǎng)或線每年觀測一至四期不等，大多進行了20-30年的重復測量。在滇西實驗場和京津唐等地區(qū)建成了包括絕對重力測定、微重力測量和重力垂直梯度測量的重力試驗觀測網(wǎng)，構(gòu)成了我國主要的重力試驗觀測基地，并且還陸續(xù)建立了多個用于儀器標定的國家長基線、短基線和垂直重力基線等高精度的重力測量基線[7]。這為開展重力測量方法進行地震預測研究工作積累了豐富的數(shù)據(jù)。

2.2電法勘探應用

電法勘探方法通常包括電阻率法、充電法、激發(fā)極化法、大地電磁測深法以及電磁感應法等。在地震前兆觀測中主要是在某一臺站開展定點的、連續(xù)的大地電場和地電阻率觀測。許多震例研究表明，震前會出現(xiàn)電磁異常。關于震前產(chǎn)生電磁異常的機理主要有：壓電效應、熱電效應、電動效應、巖石摩擦和巖石破裂產(chǎn)生電磁輻射。

我國開展大地電場觀測最早始于20世紀60年代，經(jīng)過“九五”、“十五”建設，目前國內(nèi)大陸已建成由108個地電場觀測臺站，地電阻率觀測臺站75個。

2.3磁法勘探應用

地磁場同地電場和重力場一樣，是地球三大地球物理場之一。它攜帶著地球內(nèi)部和外部空間的豐富信息[8]。地震前兆觀測中，地磁觀測包括絕對地磁觀測和相對地磁觀測。震例研究表明，1975年海城地震前大連地磁測點地磁垂直分量出現(xiàn)異常【9】；1976年唐山地震前京津唐地區(qū)的一些臺站和測點地磁垂直分量出現(xiàn)明顯異常，并且空間均集中在唐山、昌黎一帶，尤其是1975年12月以后垂直分量持續(xù)下降【10】。我國地磁觀測工作已有100多年的歷史，1966年邢臺地震后我國科技工作者正式開始了震磁關系的研究。目前，我國擁有覆蓋124個臺站的150套數(shù)字化網(wǎng)絡化地磁相對觀測儀器臺站和42個絕對觀測臺站[11]。

2.4放射性勘探與地溫勘探應用

放射性勘探與地溫勘探在地震前兆觀測中的應用主要體現(xiàn)在水化學放射性元素氡含量的測定和地下流體水溫測量方面。實驗證明，氡反應靈敏，當受到外界的壓力、振動等作用時，氡容易從其賦存的介質(zhì)中逃逸出來。因此，當?shù)叵聭Πl(fā)生變化時，地下水中的氡濃度會出現(xiàn)不同程度的變化[12]。

地下水溫度是描述地下水物理性質(zhì)的重要參數(shù)。一方面，地殼表層接收太陽輻射增溫，可以通過熱傳導使地下水升溫；另一方面地殼內(nèi)部的熱能也是地下水溫度升高的熱能來源。地下水位溫度通過熱傳導和熱對流方式來改變。2002年4月22日河北4.8級地震前河北赤城水溫自3月25日改變緩慢下降的趨勢出現(xiàn)形態(tài)持續(xù)上升的短臨異常變化，北京昌平大宮門井3 月22 日水溫突降，天津張道口井3月17日出現(xiàn)在緩慢下降背景下轉(zhuǎn)為上升的過程，之后恢復下降的短臨異常[13]。

3　總結(jié)與展望

地球物理探測技術利用巖石的物理性質(zhì)的差異，從物理學的原理出發(fā)，觀測和研究地球物理場的空間和時間分布規(guī)律，為開展地震監(jiān)測預報研究工作提供了技術手段。地球物理勘探方法多用于地質(zhì)調(diào)查，礦產(chǎn)、油氣等資源勘查，構(gòu)造研究及解決一些工程地質(zhì)問題，觀測過程中一般針對某一區(qū)域，空間分辨率相對較高，地震前兆觀測是對地球物理勘探方法的繼承和發(fā)展，依據(jù)地震前兆臺網(wǎng)的布局，多開展定點、連續(xù)觀測（一般達到分鐘采樣甚至秒采樣）或定期的重復觀測，通過長時間跟蹤數(shù)據(jù)的變化，研究可能與地震有關的前兆異?，F(xiàn)象。

地震從孕育到發(fā)生，是應力不斷積累的過程，在這個過程當中會引起重力場、地電場、地磁場和地球化學場的變化。通過利用地球物理勘探方法，觀測定點重力、流動重力、地電場、地電阻率、地磁場以及水溫、水化學變化，為地震預測研究工作提供了豐富的數(shù)據(jù)，為深入開展地震前兆異常以及機理研究奠定了堅實的基礎。另外，地震勘探在地震活斷層探測方面也發(fā)揮了重要的作用，為地震發(fā)震構(gòu)造和活動構(gòu)造研究提供了重要的技術手段。GPS、衛(wèi)星遙感技術這些空間對地觀測技術的發(fā)展，豐富了地球物理勘探的手段，使得快速、周期性、大范圍地獲取重力場、電磁場以及地溫場信息成為可能，這同樣也為地震監(jiān)測和預測研究提供了新的數(shù)據(jù)源。

[1]丁鑒海，余素榮，肖武軍.地震前兆與短臨預報探索 [J].地震，2003，23（3）：43-50.

[2]付虹，陳立德，羅平，等.1995年7月12日云南孟連中緬邊界7.3級地震中短臨預報及前兆異常特征（3）[J].地震研究，1997，20（4）：345-356.

[3]王海燕.岫巖-海城5.6級地震前的水化學異常 [J].東北地震研究，2000，16（2）：56-60.

[4]劉元生，劉貴和，佟鳳蘭.遼河盆地地下流體異常與岫巖Ms5.6地震 [J].西北地震學報，2000，22（3）：241-246.

[5]陳運泰，顧浩鼎，盧造勛.1975年海城地震和1976年唐山地震前后重力變化 [J].地震學報，1980，2（1）：21-31.

[6]祝意青，王雙緒，江在森，等.昆侖山口西8.1級地震前重力變化 [J].地震學報，2003，25（3）：291-297.

[7]祝意青，王慶良，徐馬云.我國流動重力監(jiān)測預報發(fā)展的思考 [J].國際地震動態(tài)，2008，9:20-25.

[8]徐文耀.我國地磁觀測研究的發(fā)展 [J].地球物理學報，1997，40（1）：217～224.

[9]蔣邦本，陳養(yǎng)炎.唐山7.8級地震的地磁效應 [J].華北地震科學，1997，15（1）：17-24.

[10]肖和平.1975年遼寧海城地震預報之回顧 [J].城市防震減災，2000，3：15-16.

[11]朱榮，楊冬梅，張素琴.數(shù)字地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)應用進展 [J].地震地磁觀測與研究，2010，31（4）：102-107.

[12]張昱，劉小鳳，常千軍，等.大震前水氡同步異常變化及其預測意義探討 [J].地震研究，2010，33（3）：253-258.

[13]車用太，王吉易，李一兵，等.首都圈地下流體監(jiān)測與地震預報研究 [M].北京：氣象出版社.2004.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-204-2

王靜（1982～），女，碩士，工程師，研究方向為地震。