基于歸一化月速率法的甘肅四0四地震臺地電阻率異常分析

張彩艷，閆 勛，薛汶汶，張貴文 ，周 穎

(甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震監(jiān)測中心站，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引言

地電阻率是具有明確物理含義、直接反映介質(zhì)屬性的物理量?，F(xiàn)有觀測系統(tǒng)能獲得穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的有效反映地下介質(zhì)電阻率變化的觀測數(shù)據(jù)，其異常機(jī)理清晰，是較成熟的基于物理理論的一種地震預(yù)報(bào)分析方法。在長期的地震地電觀測中，已積累豐富的地電阻率觀測資料,獲取大量有價(jià)值的地電阻率震例異常變化。傳統(tǒng)、常規(guī)處理地電阻率觀測數(shù)據(jù)的方法在分析異常時(shí)，需判定正常變化基值，再根據(jù)基值識別地電阻率下降、上升等變化。因背景變化較復(fù)雜，判定基值難，人工判斷下降、上升等變化存在隨意性；再者，不同臺站甚至同一臺站的不同測道其介質(zhì)構(gòu)造條件不同，觀測物理量對同一量級的介質(zhì)物理?xiàng)l件變化反應(yīng)不同，背景變化和異常幅度均有較大差異，較難用統(tǒng)一的異常識別標(biāo)準(zhǔn)來判定異常。歸一化變化速率法能避免在判定正常背景變化基值和上升、下降異常時(shí)的難度和隨意性，同時(shí)，保留原有曲線的下降、上升等異常變化形態(tài)，減少識別異常的不確定性。

甘肅四0四地震臺(以下簡稱四0四臺)地處阿爾金斷裂帶北側(cè)邊緣，應(yīng)用該臺2014年以來的地電阻率觀測數(shù)據(jù)，采用歸一化月速率法提取祁連山北西向構(gòu)造帶、阿爾金斷裂帶、北西西向的廣義海原斷裂及近東西向的東昆侖斷裂帶12次MS3.6以上地震(中文提到的震級均為MS)前的異常信息(見圖1和第37頁圖2)，對其特征進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為今后該臺周圍發(fā)生的中強(qiáng)地震短臨預(yù)報(bào)提供一定判據(jù)。

圖1 甘肅四0四臺周圍斷裂分布圖Fig.1 Distribution map of faults around Gansu 404 Seismic Station

圖2 四0四臺周圍地震震中分布及地電阻率觀測布極圖Fig.2 Epicenter distribution of earthquakes around Gansu 404 Seismic Station and observation polar map of earth resistivity

1 四0四臺觀測概況

四0四臺位于甘肅省河西走廊中部，區(qū)域構(gòu)造上處于祁連山北西向構(gòu)造帶、阿爾金斷裂帶、北西西向的廣義海原斷裂及近東西向的東昆侖斷裂帶3條大型邊界斷裂帶上。布極區(qū)附近有活動斷裂通過，臺址附近地表主要為第四系沖洪積礫石層、各類砂層等。2013年8月，甘肅省地震局“背景場”項(xiàng)目對該臺進(jìn)行升級改造，觀測系統(tǒng)的建設(shè)及布極區(qū)的環(huán)境狀況均符合相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求[1-3]。

該臺外線路布設(shè)為對稱四極觀測裝置，布設(shè)南北和東西兩個(gè)測道。南北測道供電極距791 m，測量極距234 m；東西向供電極距732 m，測量極距188 m。布極區(qū)及觀測環(huán)境保護(hù)區(qū)地形開闊，觀測儀器為ZD8M觀測系統(tǒng)。

通過測區(qū)視電阻率剖面圖可以看出(見圖3)，布極區(qū)電性結(jié)構(gòu)大致分為3層(見圖3、圖4)。第一層總體為高阻層，厚度約40 m。該層存在局部低阻區(qū)域，如，距NS測線的北端點(diǎn)約190 m～460 m(見圖3)，距EW測線西端點(diǎn)約220 m～380 m的區(qū)域(見圖4)；第二層為低阻層，厚度約140 m。通過反演，獲得探測區(qū)域的水平層狀電性結(jié)構(gòu)模型參數(shù)(見表1、圖5)?？梢钥闯觯仉娮杪视^測受地表降雨的影響較大。

表1 四0四臺水平電性結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Table 1 Parameters of horizontal electrical structure model for Gansu 404 Seismic Station

圖3 NS向視電阻率剖面圖Fig.3 Apparent resistivity profile in NS direction

圖4 EW向視電阻率剖面圖Fig.4 Apparent resistivity profile in EW direction

圖5 觀測及反演的電測深曲線Fig.5 Electric sounding curve of observation and inversion

2 臺站周邊地震活動特征

四0四臺自改造以來，周邊800 km范圍內(nèi)共發(fā)生12次MS>3.6地震。其中，Δ<100 km地震2次、100 km<Δ<300 km地震5次，Δ>300 km地震5次。地震震中分布與臺站觀測裝置布極如圖2所示，12次地震的基本參數(shù)如第38頁表2所示。

表2 地震基本參數(shù)表Table 2 Basic seismic parameters

3 歸一化變化速率法的觀測資料分析

歸一化變化速率法(NVRM)是杜學(xué)彬等在“九五”期間研發(fā)的一種分析方法[4]。其數(shù)據(jù)處理以一定的步長時(shí)間,對月均值(5日均值、日均值等)曲線在時(shí)間軸上的斜率進(jìn)行歸一化或相對變化處理，其數(shù)學(xué)定義為：

Si=Ri×Ki/δn-1,(i=n,n+1,....,N)，

(1)

式中:Si為歸一化月速率;Ki為月均值對時(shí)間軸的斜率;Ri為相關(guān)系數(shù);δn-1為Ri×K之積的時(shí)間序列i的均方差;n為滑動步長。由于進(jìn)行歸一化處理，其速率值無量綱。對于月均值，異常判距為超過±2.4視為異常[4-7]。

四0四臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)正常年變形態(tài)為冬高夏低，選取2014至2019年的月均值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。去年變化、去傾，然后取9個(gè)月為步長用歸一化變化速率法進(jìn)行異常提取，計(jì)算結(jié)果如圖6、第39頁圖7所示?？梢钥闯觯?014年10月4日甘肅肅北MS4.2地震(Δ=169 km)前，該臺NS、EW測道月均值和歸一化速率均無明顯的上升或下降異常變化(數(shù)據(jù)時(shí)間短造成)；2015年4月15日內(nèi)蒙古阿拉善左旗MS5.8地震(Δ=776 km)前，當(dāng)年1月NS測道月均值、歸一化速率緩慢同步出現(xiàn)持續(xù)下降，歸一化變化速率曲線顯示突出的下降低值，在達(dá)到最低值負(fù)異常(≤-2.4)后發(fā)生地震；2015年10月28日之前，受觀測裝置系統(tǒng)不穩(wěn)定的影響，無法提取青海門源、甘肅金塔地震異常；2016年11月，NS測向開始出現(xiàn)下降變化，EW測向在當(dāng)年8月開始下降，2017年5月同步達(dá)到最低值負(fù)異常(≤-2.4)，之后發(fā)生內(nèi)蒙古阿拉善左旗(Δ=595 km)MS5.0地震，在異常轉(zhuǎn)折上升時(shí)段發(fā)生四川九寨溝(Δ=624 km)MS7.0地震。三次地震前的負(fù)異常在NS和EW測向的共性為兩測道均屬于負(fù)異常(≤-2.4)，差異在于NS向異常下降時(shí)間較EW向滯后3個(gè)月，且EW向下降幅度大于NS向。2017年8月20日NS向數(shù)據(jù)出現(xiàn)上升正異常(≥+2.4)，在轉(zhuǎn)折下降時(shí)發(fā)生青海玉樹MS5.3地震(Δ=650 km)；2018年6月17日甘肅酒泉MS4.5地震(Δ=283 km)、2018年8月10日甘肅玉門MS4.1地震(Δ=65 km)和2019年4月28日甘肅肅南MS5.2地震(Δ=106 km)前，兩測道歸一化速率出現(xiàn)同步上升正異常(≥+2.4)，顯示出上升、轉(zhuǎn)折、下降短臨異常變化，其中，甘肅肅南地震異常變化幅度較顯著。12次地震前四0四地電阻率數(shù)據(jù)變化情況如第39頁表3所示。

表3 四0四臺地電阻率數(shù)據(jù)震前變化情況Table 3 Variation of earth resistivity data of Gansu 404 Seismic Station before earthquake

圖6 四0四臺地電阻率變化曲線圖Fig.6 Variation curve of earth resistivity at Gansu 404 Seismic Station

圖7 四0四臺地電阻率變化曲線圖Fig.7 Variation curve of earth resistivity at Gansu 404 Seismic Station

如前所述，幾次有地震對應(yīng)的異常均表現(xiàn)出NS向較EW向異常明顯。如，2015年內(nèi)蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前，歸一化速率異常呈現(xiàn)NS向大于EW向；2017年九寨溝MS7.0地震前，歸一化速率異常呈現(xiàn)EW向大于NS向。2018年酒泉MS4.5地震、2018年玉門MS4.1地震、2019年肅南MS5.2地震，歸一化速率異常呈現(xiàn)NS向大于EW向。這種現(xiàn)象與阮愛國等[8]提出的APE理論較吻合，是由于垂直加載方向的地電阻率變化可能反映加載方向真實(shí)電阻率的變化。

4 結(jié)論與討論

通過對甘肅四0四臺地電阻率震前觀測數(shù)據(jù)變化特征的分析，可得出如下結(jié)論：

(1)應(yīng)用歸一化月速率法提取視地電阻率震前異常是一種行之有效的方法。

(2)對四0四臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)的分析研究表明，12個(gè)震例中，在7次地震前地電阻率能記錄到明顯的異常變化。地電阻率觀測數(shù)據(jù)在中強(qiáng)地震前多以短期、中短期下降或上升異常為主，且下降異常較上升異常的信號明顯。