強(qiáng)震前視電阻率月速率變化特征分析

李相平， 張建國(guó)， 李曉鵬， 張英杰

(河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲　056001)

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強(qiáng)震前視電阻率月速率變化特征分析

李相平， 張建國(guó)*， 李曉鵬， 張英杰

(河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，河北 邯鄲056001)

用歸一化月速率方法處理了2次強(qiáng)震前周邊7個(gè)地電阻率臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果，研究了強(qiáng)震前后視電阻率各項(xiàng)異性變化及映震特征。研究結(jié)果表明，與震源機(jī)制解最大主壓應(yīng)力方位正交(或近于正交)測(cè)道的視電阻率，在地震前1年內(nèi),大部分臺(tái)站視電阻率月速率值出現(xiàn)下降和短臨階段上升變化，而與主壓應(yīng)力方位一致(或近于該方位)的測(cè)道變化則相反?；谶@一物理現(xiàn)象，若能加大觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度、合理布設(shè)電極方位，就有可能推斷出地震震中的大致位置。

視電阻率；歸一化月速率；各向異性；最大主壓應(yīng)力；地震預(yù)測(cè)

0　引言

自地電學(xué)方法引入地震學(xué)領(lǐng)域以來，已成為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)不可或缺的手段之一，在中期和短期地震預(yù)測(cè)中起著重要的作用。地電學(xué)主要包括地電阻率、地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)、電磁擾動(dòng)等。地電阻率主要是通過對(duì)地下介質(zhì)電性參數(shù)的測(cè)定，研究介質(zhì)電阻率(電導(dǎo)率)隨時(shí)間變化與地震的關(guān)系，震前地電阻率異常變化時(shí)間一般持續(xù)較長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較短的短臨異常[1-4]。一百多年以前，人們就已注意到地電阻率異常變化與地震的關(guān)系，國(guó)外做了許多這方面的研究工作[5-8]。我國(guó)自1966年河北邢臺(tái)地震后開展了地電觀測(cè)，經(jīng)過50年的發(fā)展，在震電效應(yīng)理論研究和地震預(yù)測(cè)方面取得了可喜的進(jìn)展[9]。

目前，地震預(yù)報(bào)仍是一個(gè)世界性的科學(xué)難題?，F(xiàn)實(shí)的發(fā)展戰(zhàn)略是，最大限度地利用現(xiàn)代地震科學(xué)技術(shù)所能提供的科學(xué)認(rèn)識(shí)和技術(shù)條件，從孕震過程的各類信息中識(shí)別和檢驗(yàn)出地震前兆信息是地震預(yù)報(bào)的關(guān)鍵[10-12]。大量的研究表明，地震發(fā)生時(shí)地電阻率各向異性異常是存在的，并且具有一定的特征[13-15]。20世紀(jì)50年代初，A.Ⅱ.KpaeB[16]研究了均勻各向異性介質(zhì)中視電阻率的計(jì)算方法；國(guó)內(nèi)的錢復(fù)業(yè)等[17-20]也從不同角度研究了電性各向異性變化。后來的一系列研究表明，在巖石(土)標(biāo)本加載過程中視電阻率變化顯示與最大加載方向有關(guān)的各向異性變化[21-23]。近些年，人們?cè)谂μ剿鞯卣鹎耙曤娮杪实母飨虍愋宰兓?，這對(duì)震源區(qū)地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)研究、地震前兆機(jī)理解釋及地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)都具有重要的意義。

本文利用歸一化月速率方法，結(jié)合震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果，研究了強(qiáng)震前后視電阻率各向異性變化及其映震特征，這對(duì)地電阻率臺(tái)站架設(shè)及在電極埋設(shè)方位的選擇上可提供一些參考依據(jù)。

1　觀測(cè)資料來源與選取

本研究所采用的儀器為中國(guó)地震局蘭州地震研究所生產(chǎn)的ZD8型數(shù)字地電阻率觀測(cè)儀，該儀器采樣率為小時(shí)值，電極布設(shè)方式大部分為NS(南北)向、EW(東西)向的2個(gè)測(cè)道。觀測(cè)資料選用汶川、玉樹地震時(shí)附近7個(gè)地電阻率臺(tái)站，自有觀測(cè)資料以來的所有數(shù)據(jù)(表1，圖1)。關(guān)華平等[24]曾對(duì)40余次5級(jí)以上的地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析表明：5.0≤MS≤5.9，電磁輻射出現(xiàn)異常距離為500 km；6.0≤MS≤6.9異常距離為1 000 km；MS≥7.0則異常距離可大于1 000 km。所以，這7個(gè)地電阻率臺(tái)站與震中距選取范圍是可行的。

表1　汶川、玉樹大地震信息參數(shù)表

圖1　地震震中和地電阻率臺(tái)站位置圖(圖中十字線為電極布設(shè)方向)

2　歸一化月速率方法

采用歸一化月速率法[25]提取異常的關(guān)鍵是，首先要對(duì)資料進(jìn)行去傾、排除年變化、非年變周期等成份，對(duì)存在階段性長(zhǎng)趨勢(shì)變化的資料要分時(shí)段進(jìn)行處理。然后， 以一定的步長(zhǎng)對(duì)月均值(五日均值、日均值等)數(shù)據(jù)曲線計(jì)算對(duì)時(shí)間軸的斜率，并進(jìn)行歸一化或相對(duì)變化處理。該方法避免了判定異常變化的隨意性，同時(shí)還保留了原有曲線的上升、下降等異常變化形態(tài)，使所有臺(tái)站識(shí)別異常與正常的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。具體計(jì)算過程為：

觀測(cè)物理量曲線對(duì)于時(shí)間軸的斜率:

(1)

自相關(guān)系數(shù)：

(2)

歸一化速率法序列為：

Si=Ri×Ki/σn-1(i=n,n+1,…,N)

(3)

式中：n為滑動(dòng)步長(zhǎng),N為使用觀測(cè)資料長(zhǎng)度,σn-1為N-n個(gè)Ri×Ki時(shí)間序列均方差,{y}是等間隔觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列,{T}是相應(yīng)的等間隔時(shí)間序列，Si是月速率(月均值數(shù)據(jù)曲線滑動(dòng))或五日變化速率(五日均值數(shù)據(jù)曲線滑動(dòng))等。在提取中短期異常時(shí)，利用月均值滑動(dòng)來計(jì)算月速率值較方便，且異常形態(tài)突出、幅度明顯。

不同地電臺(tái)測(cè)區(qū)介質(zhì)特征不同,架在覆蓋層上的不同地電臺(tái),其地電阻率變化對(duì)測(cè)區(qū)介質(zhì)物理?xiàng)l件變化的敏感程度也不同。(3)式中用Ri×Ki時(shí)間序列的均方差進(jìn)行歸一化，目的就是克服上述不利因素,用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)控制不同臺(tái)站的背景變化和異常限差。因此，目前就提取中短期異常而言，月速率歸一化方法效果較好。

3　計(jì)算結(jié)果分析

杜學(xué)彬等[25]通過對(duì)196次MS3.2～7.9地震(94%以上為MS≥4.0地震)的計(jì)算表明：異常限差確定為±2.4比較客觀，即|S|(速率值)≥2.4時(shí)判定為異常。本研究以震前1年尺度時(shí)間作為地震中短期階段，計(jì)算出各地電臺(tái)站視電阻率月速率變化。從圖2～8可以看出，在正常背景變化時(shí)或無震時(shí)段，各個(gè)臺(tái)站視電阻率的月速率值變化曲線較平緩、幅度小，而地震前后月速率值的短期變化呈現(xiàn)出急轉(zhuǎn)形態(tài)。從圖中(第1、3條線為2倍均方差控制線，中間線為均值線)分析得出，各臺(tái)站月速率值變化顯示出2個(gè)特點(diǎn)：

圖2　蘭州臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖3　隴南臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖4　成都臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖5　西昌臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖6　甘孜臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖7　紅格臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

圖8　冕寧臺(tái)視電阻率月速率歸一化變化曲線

1)地震前1年時(shí)間尺度內(nèi)一些臺(tái)站的月速率為下降或短臨階段的上升變化較為明顯；

2)按|S|≥2.4作為異常判據(jù)，一些臺(tái)站的月速率(尤其汶川地震時(shí))均出現(xiàn)了短臨異常變化，測(cè)向不同、異常幅度不同，反映出不同臺(tái)站地下介質(zhì)的電性靈敏度及背景變化等存在著差異。

表2～3表明，在地震孕育晚期階段(震前1年內(nèi))，震源區(qū)附近的視電阻率變化表現(xiàn)為：

1)一些臺(tái)站測(cè)向月速率值出現(xiàn)了大于或等于判定指標(biāo)的異常,汶川地震時(shí)出現(xiàn)異常測(cè)向次數(shù)占總測(cè)向的60%(表2),不同測(cè)向速率值不同，顯示出視電阻率各向異性的這一變化特征；

2) 月速率變化值與最大主壓應(yīng)力方位正交或近于正交的測(cè)道，顯示出較顯著的視電阻率變化特征，而沿主應(yīng)力方位或近于該方位測(cè)道的變化較小,如蘭州、西昌、甘孜、紅格電阻率臺(tái)的NS向視電阻率變化較大，而EW向或接近EW向的變化較小。分析認(rèn)為，在2次大地震的后期孕育階段，大部分臺(tái)站地下較深的介質(zhì)可能發(fā)生了大致沿微裂隙優(yōu)勢(shì)趨向的發(fā)育，地下水由此進(jìn)入微裂隙，導(dǎo)電通道開始聯(lián)通，從而導(dǎo)致了真(視)電阻率的各向異性變化。

表2　汶川地震前后地電阻率各向異性變化與最大主壓應(yīng)力方位的關(guān)系

表3　玉樹地震前后地電阻率各向異性變化與最大主壓應(yīng)力方位的關(guān)系

4　討論與結(jié)論

1)用歸一化月速率方法處理汶川、玉樹地震前后視地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化特征表明，在孕震中短期至短臨階段(地震前1年的時(shí)間尺度內(nèi))，與主壓應(yīng)力方向正交或近于正交方向的視地電阻率值變化速率大于平行或近于平行主應(yīng)力方向的變化速率，這進(jìn)一步驗(yàn)證了地震時(shí)視電阻率各向異性變化的可靠性[26-27]。

2) 研究結(jié)果表明，一些地電阻率臺(tái)站(尤其汶川地震時(shí))在地震孕育晚期階段，與最大主壓應(yīng)力位正交(或近于正交)測(cè)向的視電阻率各向異性的變化較顯著，反之則較弱或不明顯，即達(dá)不到異常的判定標(biāo)準(zhǔn)。研究認(rèn)為，只要電阻率臺(tái)站架設(shè)合理、電極布設(shè)方位選擇正確，就能在震中區(qū)附近觀測(cè)到地震電阻率各向異性變化的異常信號(hào)，也許就有可能推斷出地震震中的大致位置。

以上對(duì)地震電阻率變化特征研究只是一個(gè)初步解釋，使用震例樣本較少，且周邊臺(tái)站不多、資料積累時(shí)間也不長(zhǎng)，最好的方法是針對(duì)多個(gè)地震事件，從時(shí)間、空間上進(jìn)行長(zhǎng)周期、大尺度范圍研究，提取其較為準(zhǔn)確的地震電阻率異常信息；還可建立地下電阻率理論模型，模擬分析不同深度、不同頻率的電阻率在不同分層、不同介質(zhì)參數(shù)、不同結(jié)構(gòu)(構(gòu)造)及不同斷層分布介質(zhì)中的變化特性，并與實(shí)際觀測(cè)資料對(duì)比研究，進(jìn)而修正理論模型，讓理論模擬結(jié)果更加符合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，為地震電阻率異常信號(hào)解釋提供科學(xué)的理論依據(jù)。

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Research on Normalized Variation Characteristics of Apparent Resistivity Before Strong Earthquakes

LI Xiang-ping, ZHANG Jian-guo*, LI Xiao-peng，ZHANG Ying-jie

(Handan Seismic Station, Earthquake Administration of Hebei Province, Handan 056001, China)

Using Normalized variation rate method, we study the resistivity data of 7 stations in the epicenter areas of 2 strong earthquakes before the events. The relationship between variation of anisotropic apparent resistivity and the focal mechanism solution of earthquake is analyzed. The result shows that significant apparent resistivity variation occurs in the direction that is perpendicular to the azimuth of the maximum principal stress while only small fluctuation are recorded in the direction of the maximum principal stress. Most of the anisotropic resistivity variation occurs in the late stage of the development of a strong earthquake, which can be observed in the epicenter area. If the density of the observation stations can be increased and the direction of the observed resistivity can be appropriately set, the epicenter of an earthquake may be estimated by the observed resistivity anomaly.

apparent resistivity; normalized variation rate; anisotropy characteristics; direction of maximum principal compressive stress; earthquake prediction

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274079)；河北省地震局重點(diǎn)科研基金課題

李相平(1958—)，男，河北涉縣人，工程師，主要從事地震電磁監(jiān)測(cè)等工作．E-mail：370894278@qq.com

張建國(guó)(1974-)，男，河南濮陽人，高級(jí)工程師，主要從事地震電磁預(yù)測(cè)與研究等工作．E-mail：zhangjg_909@163.com

P315.722

A

1003-1375(2016)03-0068-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.012

李相平，張建國(guó)，李曉鵬，等．強(qiáng)震前視電阻率月速率變化特征分析[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):68-72.