月速率法與月均值法在地電數(shù)據(jù)處理上的應用

馬金平，馬建新，葉慶東

(1.山西省地震局代縣中心地震臺，山西代縣　034200；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原　030025；3.青海省地震局，青海西寧　810001； 4.中國地震局第一監(jiān)測中心，天津　300180)

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月速率法與月均值法在地電數(shù)據(jù)處理上的應用

馬金平1，2，馬建新3，葉慶東4

(1.山西省地震局代縣中心地震臺，山西代縣034200；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原030025；3.青海省地震局，青海西寧810001； 4.中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

摘要：采用歸一化月速率法與月均值曲線法對山西北部2個地電臺站1990年以來的觀測數(shù)據(jù)進行處理，結合周邊地區(qū)1990年以來4級以上地震進行震前數(shù)據(jù)曲線異常變化特征分析，對2種數(shù)據(jù)處理方法進行對比總結。

關鍵詞：歸一化月速率法；月均值曲線法；地電阻率；異常變化特征

0引言

在進行地電阻率地震異常識別時，一般情況下，在地電阻率時間序列上無需進行任何處理，就可以清晰識別短臨異常，但對于識別震前中短期異常較為困難，其原因可能在于孕震晚期階段震源區(qū)動力學過程劇烈，引起介質物理性質的極大改變，而震前中短期階段震源區(qū)動力學過程引起的介質物理性質改變程度較低,所以震前中短期異常經(jīng)常需要采用有效的數(shù)據(jù)處理方法來進行提取。本文采用歸一化月速率法與月均值曲線法對地電阻率異常識別進行了嘗試。

1基本情況及資料選取

本文選取了山西省北部地區(qū)的大同地震臺與代縣地震臺的地電阻率觀測月均值資料(表1)。2個臺站及周邊1990年以來4.0級以上地震分布見圖1，2個臺站地電阻率觀測場地都分布在斷陷盆地邊緣的活動斷裂帶附近，布極方位為成正交的兩道或三道，其中一道與山前主干斷裂帶垂直，另一道與斷裂帶平行或斜交，臺站簡況見表1。選取1990年1月1日至2010年6月30的資料。

2山西北部及臨近地區(qū)震前地電阻率異常分析

2.1歸一化月速率法

2.1.1方法原理

以往判斷電阻率正常與異常是人工從原始值曲線或排除年變化的曲線上進行的，但具體研究一個臺站連續(xù)多年的觀測發(fā)現(xiàn)，同一臺站的電阻率測值并不是多年穩(wěn)定在一個基值附近，即使觀測條件不變動，周圍無大震、小震，地電阻率測值也有一定的長趨勢變化，正常值自身就較難確定，為了把背景值變化統(tǒng)一在限差之內(nèi)，把異常控制在限差之外，并保持地電阻率原有的上升或下降形態(tài)，在“九五”地電攻關期間，杜學彬等提出了歸一化月速率方法。該方法在歸一化時間序列上對所有臺站、測道的長程資料其異常指標統(tǒng)一(Si≥±2.4)。避免了人為判定正?；?、追蹤異常形態(tài)和幅度、時間的不確定性和隨意性。每個異常數(shù)據(jù)點反映了ξ(一般ξ=5～10)個電阻率測值的整體變化，排除了隨機干擾引起的偶然異常。Si<0時ρs為下降變化速率(包含異常形態(tài)、幅度和時間信息)，Si>0時ρs為上升變化速率。在地殼介質電性系統(tǒng)變化的正常時段，Si在限差之內(nèi)平穩(wěn)隨機變化，在存在系統(tǒng)性影響的異常時段，Si在限差之外變化[1]。

表1　　　　　　　　地電臺站簡況

選取的1990年1月至2010年6月大同和代縣的地電阻率月均值數(shù)據(jù)，排除年變化與去傾處理，然后再取7個月步長用歸一化速率進行處理分析[2-4]，得出結果見圖2。圖中月速率為∣Si∣=2.4，是杜學彬等統(tǒng)計了196次地震信息得到的異常限差，其數(shù)學意義比較清楚[1]。對限差之外的異常變化用橢圓線圈進行了圈定。

2.1.2異常分析

從代縣地電南北向歸一化月速率曲線上看出，1991年1月山西忻州5.1級、1991年3月大同5.8級、1996年5月包頭6.4級、1999年11月渾源5.7級、2010年4月大同4.5級、2010年6月陽曲4.6級地震前，曲線均顯示出突出的低值異常，均在低值異常結束或結束不久時發(fā)震。在1998年1月10日張北6.2級地震前1年呈現(xiàn)高值異常，異常結束1年后再次呈現(xiàn)高值異常時發(fā)震。這條曲線對應地震多表現(xiàn)為低值異常反應。

圖1　大同與代縣地電臺站分布及周邊1990年以來4級以上地震的分布

從代縣地電東西向歸一化月速率曲線上看，1996年5月包頭6.4級地震前曲線呈現(xiàn)出高值與低值交替異常。2002年9月太原5.0級地震前20個月曲線呈現(xiàn)低值異常。

從大同地電南北向歸一化月速率曲線上看，1996年5月包頭6.4級、1998年1月張北6.2級地震前曲線均顯示低值異常，在曲線由低值異?；厣粮咧诞惓r發(fā)震。

從大同臺地電東西向歸一化月速率曲線上看， 2002年9月太原5.0級地震前18個月曲線顯示高值與低值交替異常。

從大同臺地電北西向歸一化月速率曲線上看，1996年5月包頭6.4級、2002年9月太原5.0級地震前曲線顯示高值異常，1999年11月渾源5.7級地震前曲線顯示低值異常。

通過以上分析可以看到， 采用歸一化月速率法對2個臺站的地電月均值資料進行處理后，曲線異常顯示對應地震概率較高，特別是代縣地電南北向歸一化月速率曲線，每處異常之后，距離臺站400 km范圍內(nèi)均有4.0級以上地震發(fā)生。

2.2月均值曲線法

采用月均值曲線法，能較好地屏蔽各種干擾的顯示，讓曲線變化的總體形態(tài)更為直觀，從而更容易找出曲線的變化特征(圖3)。為了使曲線異常變化形態(tài)顯示更為直觀，對異常變化進行了人工標注，圖3中的斜線為相近幾年內(nèi)有正常年變的地電阻率長趨勢均值變化線，橢圓所圈曲線為年變曲線畸變或打破年變規(guī)律變化。

從圖3可以看出，4.0級以上地震大多發(fā)生在地電阻率變化打破年變規(guī)律或年變曲線畸變以及長趨勢變化轉折之后，震前的打破年變規(guī)律或年變曲線畸變在時間上一般會持續(xù)1～2年，將此類有別于正常地電阻率變化背景的異常變化可定性為地電阻率地震前兆異常。

圖2　代縣地震臺與大同地震臺地電阻率歸一化月速率曲線

從大同南北向月均值曲線上看，1991年忻州5.1級、大同5.8級地震對應曲線年變高值超過往年異常。1999年11月渾源5.7級地震前，大約在2年前曲線開始失去正常年變，8個月前開始了異常下降，在經(jīng)歷了急速下降—緩慢下降后發(fā)震，震后曲線恢復正常年變。

從大同東西向月均值曲線上看，1996年包頭6.4級、2002年太原5.0級地震發(fā)生在長趨勢變化轉折后。

從大同北西向月均值曲線上看，1999年11月渾源5.7級地震前顯示的異常變化與大同北西向月均值曲線上顯示的異常變化相近。

從代縣南北向月均值曲線上看，1991年忻州5.1級、大同5.8級、1996年包頭6.4級、1998年張北6.2級地震前，曲線均失去正常年變。

從代縣東西向月均值曲線上看，1996年包頭6.4級地震前7個月左右曲線脫離正常年變化開始異常下降，在經(jīng)歷了下降—短暫轉平—再急劇下降—回返階段后發(fā)震。1998年張北6.2級、1999年渾源5.7級地震前年變曲線失去正常年變。2010年陽高4.5級、陽曲4.6級地震前，在2～3月時，本應回升的年變曲線沒有回升。

3分析總結

通過對山西省北部及周邊地區(qū)4.0級以上地震前，大同地震臺與代縣地震臺地電阻率異常特征分析，認為各次地震震前異常特征顯示比較明顯。現(xiàn)將各個地震震前地電阻率異常特征進行總結，結果見表2。

圖3　大同地震臺與代縣地震臺地電阻率月均值曲線

表2　　　　　　　山西北部及周邊地區(qū)地震前各分析方法顯示異常特征

從表2中可以看出，歸一化月速率法曲線對應地震概率要比月均值曲線法要高，異常指標明確，異常形態(tài)簡單，從而更易于識別。

4結論及認識

通過以上分析看出，地電阻率觀測數(shù)據(jù)采用不同的方法進行處理后，在不同的地震前呈現(xiàn)出了不同的異常變化特征，不同的分析方法應用到不同的臺站，不同方向的測道上，效果都不同。因此在分析地電阻率異常特征時，各種方法要綜合使用，才能達到較好的預報效果。

在地電阻率月均值曲線圖中，代縣臺地電東西向在包頭6.4級地震前，呈現(xiàn)的下降—短暫轉平—再急劇下降—回返階段，其變化的原因可能是地下巖體應力加強，巖體未飽和孔隙逐漸減小，導電通道得到改善，使得地電阻率下降，當巖體抗壓強度與構造應力達到平衡時，地電阻率變化趨于平穩(wěn)，當構造應力進一步加強，使巖體孔隙進一步縮小或閉合，導電通道進一步改善，地電阻率又進一步下降，當構造應力強度超過巖體的抗壓強度，以致發(fā)震，發(fā)震后應力釋放，巖體孔隙逐漸恢復，飽和度減少，導致導電性能下降，地電阻率回返[3]。 代縣臺地電南北向在包頭6.4級地震前，以及1999年11月山西渾源5.7級地震前，大同地電南北、北西向也存在這樣類似的部分發(fā)展演化階段。不同地震前異常變化形態(tài)不完全相同有可能是不同地震在孕育過程中構造應力的變化不盡相同，從而對觀測場地的地電阻率的影響也不同所造成的。

對于發(fā)育較早，持續(xù)1～2年，趨勢背景比較明顯的異常，采用月均值曲線法較好。異常特征呈現(xiàn)明顯的孕震模式：1.下降—轉平—再急劇下降—發(fā)震后回返； 2. 下降—轉平—發(fā)震后回返。對于變化幅度小、時間短、隱蔽性強的異常，歸一化月速率法有較好的應用效果。

參考文獻：

[1]杜學彬.強震近震中區(qū)地電阻率變化速率的各向異性[J].地震學報，2001，23(3)：289-297.

[2]張學民，翟彥忠.晉冀蒙交界地區(qū)震前地電阻率異常分析與研究[J].華北地震科學，2002，20(1)：16-24.

[3]張學民，武有文.河北張北地震前后地電阻率異常分析[J].山西地震，2000，(4):3-5.

[4]陳有發(fā).地震地電阻率階段性變化特征的物理解釋[J].東北地震研究，1987，3(3)：21-27.

MONTHLY RATE METHOD AND MONTH AVERAGE METHODIN THE APPLICATION OF ELECTRICALDATA PROCESSING

MA Jinping1,2,MA Jianxin3,YE Qingdong4

(1.Earthquake Administration Of Shanxi Province,Taiyuan 030021,China;2.Continental Rift ValleyDynamics State Observatory Of Taiyuan,Shanxi Province,Taiyuan 030021,China;3.Earthquake Administration Of Qinghai Province,Xining 810001,China;4.First Crust Monitoring And Application Center,CEA,Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Abstract:The earth resistivity observed data of two stations in the northern Shanxi province since 1990 are analyzed by monthly rate method and month average method,and compared and summarized the processing procedure of the two methods by the anomalies variation characteristics of M≥4.0 earthquakes.

Key words:Normalized monthly ratio method;Month average method;Earth resistivity;Anomalous variation characteristic

收稿日期：2014-09-28

作者簡介：馬金平(1973—)，男，山西岢嵐人，工程師，2004年畢業(yè)于北京理工大學計算機科學與技術專業(yè)，從事地震監(jiān)測工作。E-mail:245176808@qq.mail。

中圖分類號：P315.72+2

文獻標識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)02-0025-05