2008年汶川MS8.0地震前后地電阻率時空變化

王同利 崔博聞 王麗紅 顏曉曄 李菊珍

摘要：采用歸一化速率變化方法對2008年汶川MS8.0地震震中周邊19個定點臺站觀測到的地電阻率的時空變化過程進行了計算分析。時序分析結(jié)果顯示：在汶川地震前，震中周邊多個地電阻率臺站準同步地出現(xiàn)了中短期前兆異常;空間分布過程顯示，地震孕震過程中地電阻率在震中區(qū)域有負異常叢集和由遠及近的遷移現(xiàn)象，負異常叢集呈象限分布，長軸方向與震源機制解主壓力方向基本吻合，且受孕震斷裂、臺站位置、觀測裝置布設方向等的影響。

關(guān)鍵詞：汶川MS8.0地震;地電阻率;時序分析;空間分布;歸一化速率變化方法

中圖分類號：P315.722 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2022）01-0066-09doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0008

0 引言

2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣發(fā)生MS8.0強烈地震，造成69 000多人死亡，500多萬間房屋倒塌，有感面積達250萬km2，主震后又發(fā)生了多次余震。震后眾多的學者研究了可能與汶川地震孕震有關(guān)的前兆異常變化（杜學彬，2010;解滔等，2018;Luet al，2016;張學民等，2009;馮志生，2013;高曙德等，2010;何案華，2012;邱澤華等，2010）。

地電阻率是地下探測范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，其在地震孕震過程中表現(xiàn)出的異常變化主要反映構(gòu)造應力作用下，測區(qū)介質(zhì)變形誘發(fā)的微裂隙活動引起的電阻率變化，在靠近震中區(qū)的地電阻率異常形態(tài)常以負異常為主，并伴有年變畸變（杜學彬等，2007）。震前電阻率異常與震源機制有關(guān)，其升、降變化取決于臺址下介質(zhì)的受力狀態(tài)（如膨脹或壓縮等），巖層電阻率對微小應變有放大效應，通?？煞糯?個數(shù)量級。在地震發(fā)生前的短期階段，由于斷層預滑，近斷層破裂區(qū)的地下介質(zhì)應變加速積累，地電阻率在原有的變化背景上通常會出現(xiàn)加速變化，而在近震中區(qū)應變被部分釋放，地電阻率通常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)折的正異常變化（汪志亮等，2002;Du，2011）。對巖石進行應力加載實驗也表明，隨著應力的增大巖石電阻率呈下降變化，同時在相同應力加載作用下，巖石不同方向的電阻率呈現(xiàn)出各向異性變化（陸陽泉等，1990）。

我國的地電阻率觀測是在邢臺地震后快速發(fā)展起來的，通常采用對稱四極裝置，觀測供電極距在800～2 400 m，同一臺站在地表布設2～3個不同方向的測道，以整點觀測的方式進行長期連續(xù)觀測。在超過50年的觀測實踐中，多次記錄到了發(fā)生在臺網(wǎng)內(nèi)和臺網(wǎng)附近的中強地震震中區(qū)的顯著地電阻率中短期異常（錢復業(yè)等，1982;錢家棟等，1985;桂燮泰等，1989;汪志亮等，2002;杜學彬等，2015;Lu et al，2016;解滔等，2018;王同利等，2020）。2008年汶川MS8.0地震前，其震中周邊大范圍內(nèi)臺站記錄的地電阻率出現(xiàn)了較為顯著的異常變化（杜學彬，2010;Zhang et al，2009;Huang，2011;錢家棟等，2013;朱濤，2013;Lu et al，2016）。為研究汶川MS8.0地震前后地電阻率的時空動態(tài)變化，本文對其震中周邊19個定點臺站的地電阻率數(shù)據(jù)進行歸一化速率變化分析，研究地電阻率的時序變化過程和空間分布動態(tài)過程，探討地電阻率在強地震發(fā)生前后的異常變化、各向異性以及遷移過程等。

1 研究區(qū)概況

汶川MS8.0地震發(fā)生在青藏高原東緣的龍門山構(gòu)造帶內(nèi)，地震破裂面長達330 km。龍門山斷裂帶呈NE—SW向延伸，自新生代以來發(fā)生過多次強烈的地殼變形和破裂，致使該地區(qū)不同走向和規(guī)模的斷裂縱橫交錯，其西側(cè)是鮮水河斷裂帶，北側(cè)是西秦嶺北緣斷裂帶，西北側(cè)是東昆侖斷裂帶（圖1）。這些斷裂帶的地震活動頻度和強度均較高，其中鮮水河斷裂帶就曾多次發(fā)生7級以上大地震。

本文研究區(qū)范圍為四川及周邊的甘肅、云南、寧夏和陜西等地區(qū)（25°～40°N，95°～110°E），選取2003—2009年汶川MS8.0地震震中周邊500 km范圍內(nèi)共19個臺站（圖1）記錄的地電阻率數(shù)據(jù)。臺間距為50～200 km，地表觀測極距為1 000～2 000 m，電極埋深為2 m;井下觀測極距為80～200 m，電極埋深為100～200 m。

2 研究方法

歸一化速率變化方法（Normalized Variation Rate Method，簡稱NVRM）主要用于處理原始時序數(shù)據(jù)曲線，消除年變化曲線等傳統(tǒng)方法不易識別的“弱”幅度異常（杜學彬等，2001）。計算過程為：首先對時序觀測數(shù)據(jù)中的個別數(shù)據(jù)進行預處理，然后再按固定步長ξ個數(shù)據(jù)組成子序列，對子序列進行線性回歸并求得回歸直線的斜率ki和相關(guān)系數(shù)Ri（第i個子序列），由ki·Ri得到初始速率值ρ·′i，以ξ為步長依次向后滑動計算初始速率時間序列;對初始速率進行均值為“0”“1”的歸一化處理，得到最終的時間序列（即ρ·值序列）。杜學彬等（2001）通過對196次MS3.2～7.9地震（94%以上為MS≥4.0地震）的計算表明前兆異常閾值為±2.4，無量綱。NVRM方法的關(guān)鍵是首先要對觀測資料進行預處理，去除突跳數(shù)據(jù)、年變化、非年變周期等，對存在階段性長趨勢變化的資料要根據(jù)實際異常落實情況進行分時段處理。該方法已得到廣泛應用，眾多學者獲得了地震前后的地電阻率時序異常（劉君等，2013;史紅軍等，2014;徐錫泉等，2014;閻睿等，2015;李姜，2019）。

NVRM原理如下，首先針對時間軸計算斜率：

ki=∑nj=1Tj∑nj=1yj-n∑nj=1Tjyj（∑nj=1Tj）2-n∑nj=1Tj2（1）

再計算自相關(guān)系數(shù)：

Ri=∑nj=1Tjyj-1n（∑nj=1Tj∑nj=1yj）∑nj=1Tj2-1n（∑nj=1Tj）2·∑nj=1y2j-1n（∑nj=1yj）2（2）

最后計算得出歸一化速率變化法序列為：

Si=Ri×Ki/σn-1 （i=n，n+1，…，N）（3）

式中：n為滑動步長;N為資料長度;σn-1為N-n個Ri×Ki時間序列的均方差，{y}是等間隔前兆數(shù)據(jù)時間序列，{T}是相應的等間隔時間序列。如果利用月均法曲線滑動，Si是月速率;如果利用五日均法曲線滑動，Si是五日變化速率。

3 地電阻率時序變化

對2003—2009年汶川地震震中周邊500 km范圍內(nèi)臺站定點的地電阻率的原始觀測曲線進行分析，并進行NVRM分析，結(jié)果顯示：成都、冕寧、江油、天水、甘孜和武都臺的地電阻率長程時序曲線在震前均出現(xiàn)了中短期的下降變化異常（圖2）。圖2中橫虛線為歸一化閾值線，黑色區(qū)域表示超出閾值部分。

成都臺NE測道原始數(shù)據(jù)和NVRM計算數(shù)據(jù)曲線均在2006年中出現(xiàn)年變畸變，原始曲線出現(xiàn)持續(xù)性下降至地震發(fā)生后發(fā)生折返，下降幅度約5.5%（圖2a-1）;NVRM曲線在2007年5月超過閾值，6月到達最低值后開始轉(zhuǎn)折回升，汶川地震就發(fā)生在折返上升的過程中（圖2a-2）;成都臺NW與NE測道原始曲線變化基本同步，但變化較為不明顯（圖2b-1），NW測道NVRM曲線則更清晰地反映了震前地電阻率的變化過程（圖2b-2）。

冕寧臺EW測道原始曲線自2005年12月至2008年2月出現(xiàn)持續(xù)性下降變化，下降幅度約23%（圖2c-1），NVRM曲線顯示下降變化明顯超過閾值（圖2c-2）。NS和NW 測道2種曲線都無顯著變化。

江油臺NE測道原始曲線在震前無明顯變化，震后則出現(xiàn)快速下降-折返上升變化（圖2d-1），NW測道自2006年8月開始出現(xiàn)下降變化，下降幅度約1.1%（2e-1）;兩測道的NVRM曲線顯示，在震前的下降變化均沒有超過閾值，在震后下降超過閾值后折返上升（圖2d-2、e-2）。

天水臺EW測道原始曲線于2008年2月底出現(xiàn)階躍性上升短期變化，上升幅度約1.5%，之后快速下降，汶川地震就發(fā)生在快速下降的過程中，地震后恢復至震前的觀測狀態(tài)，NVRM曲線變化基本同步（圖2f）。

自2006年開始，甘孜臺NE和NW測道原始曲線在震前2～3 a就開始出現(xiàn)持續(xù)趨勢下降，且年變形態(tài)清晰，震前累計下降幅度分別約為4.9%和8.3%，地震發(fā)生后原有變化趨勢也未改變（圖2g-1、h-1）;NVRM曲線顯示，在2006年底，兩測道均出現(xiàn)下降變化，超過閾值后發(fā)生折返上升，于2007年5—6月上升到最高值后下降，同時NW測道年變形態(tài)發(fā)生改變，于2008年1月又開始出現(xiàn)下降變化，略折轉(zhuǎn)上升至3月再次下降，在汶川地震發(fā)生后又下降（圖2g-2、h-2）。

武都臺EW測道原始曲線年變形態(tài)清晰穩(wěn)定，自2007年2月開始呈現(xiàn)趨勢上升，未出現(xiàn)年變畸變現(xiàn)象，地震后其變化趨勢也未改變，截至2009年6月上升幅度約8%，之后折返（圖2i-1）;NVRM曲線顯示，震前上升超過閾值現(xiàn)象明顯（圖2i-2），地震發(fā)生在折返下降過程中，NS和NE測道震前無明顯異常變化。

4 空間異常動態(tài)分析

空間異常動態(tài)過程，是指異常的空間分布圖像隨時間遷移變化的過程。電阻率觀測的空間異常動態(tài)是由區(qū)域性應力場加強和介質(zhì)不均勻性引起的，即除震源區(qū)是一個高應力集中區(qū)外，周圍介質(zhì)還會形成多個集中點，這些應力集中點多分布在斷層附近，介質(zhì)不均勻性較為明顯，且對震源區(qū)的應力變化較為靈敏。因此，當震源區(qū)應力場加強到一定程度時，周圍介質(zhì)就會出現(xiàn)多個局部地段應力集中，形成區(qū)域應力場異常，這種反映震源區(qū)域的應力場變化通常會導致地電阻率的明顯異常，一般以地電阻率下降為主。強震發(fā)生時地電阻率下降的異常區(qū)范圍半徑約一二百千米。桂燮泰等（1987）、金安忠（1982）分析結(jié)果顯示在1976年唐山MS7.8地震前，華北地區(qū)相當大的范圍內(nèi)地電阻率觀測值就出現(xiàn)了負異常隨時間、空間的動態(tài)變化?？臻g上常常表現(xiàn)為以震中區(qū)為中心向外擴展，異常變化幅度從震中區(qū)向外逐漸由大變小，且分布不均勻;同一觀測站點的異常變化動態(tài)過程為隨著地震發(fā)生時間臨近，負異常變化幅度愈來愈大。王同利等（2020）分析了2017年九寨溝MS7.0地震前地電阻率的空間動態(tài)演化過程，結(jié)果顯示地電阻率負異?？臻g分布隨時間遷移，且和地震震中區(qū)有很好的關(guān)聯(lián)。

本文對汶川地震震中周邊19個臺站地電阻率觀測數(shù)據(jù)進行NVRM分析，得到了相對月變化，再進行空間等值線動態(tài)分析（圖3、4），計算中考慮大多數(shù)臺站的布極為NS和EW兩個測道，因此空間等值線動態(tài)分析為NS和EW兩個方向，布極方式?jīng)]有這兩個方向的臺站，分別用各臺和這兩個方向之間夾角最小的測道在NS和EW向上的投影計算得到的地電阻率變化量進行替代。

圖3顯示了2007年11月至2008年9月汶川地震震中周邊地區(qū)地電阻率NS測道的空間動態(tài)變化過程。從圖中可以看出，2007年11月震中區(qū)周邊地電阻率變化平穩(wěn);2008年1月在天水、通渭和武都附近出現(xiàn)了小區(qū)域的負異常變化;2月負異常變化范圍逐漸擴大，向NE-SW向延伸，SW向延伸至甘孜附近，NE向延伸至寶雞附近;3月負異常范圍進一步擴大且異常更加明顯，出現(xiàn)顯著的NE-SW向負異常條帶;4～5月負異常在震中區(qū)附近積聚，但相比3月有減弱的趨勢。5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生，6月地電阻率負異常條帶現(xiàn)象減弱趨于消失，在7～8月出現(xiàn)近NS向的負異常條帶并向南遷移，2008年8月30日四川仁和發(fā)生MS6.1地震。綜上，隨著地震發(fā)生時間臨近，負異?，F(xiàn)象首先在震中區(qū)附近形成，然后面積逐漸變大并向外延伸形成條帶，且以震中區(qū)為中心呈象限分布，地震發(fā)生后異常條帶逐漸變?nèi)跸Щ蛘甙l(fā)生遷移。

圖4顯示了2007年11月至2008年9月汶川MS8.0地震震中周邊地區(qū)EW測道地電阻率的空間動態(tài)變化過程。從圖中可以看出，2007年11月震中周邊地區(qū)地電阻率的空間變化基本平穩(wěn)，沒有負異?，F(xiàn)象;2008年1—4月在震中區(qū)附近出現(xiàn)由弱變強的NE-SW向負異常條帶，負異常區(qū)域首先出現(xiàn)在通渭和平?jīng)龈浇缓笙騈E和SW兩個方向延伸，NE向延伸至銀川，SW向經(jīng)過成都、甘孜延伸至冕寧和紅格附近。2008年5月汶川地震發(fā)生后，負異常條帶減弱消失，6～9月僅有零散的負異常，大部分地區(qū)表現(xiàn)為正異?；蛘Ｗ兓?。

EW測道的地電阻率空間動態(tài)變化過程與NS測道基本一致，但異常變化稍顯明顯。EW測道負異常集中區(qū)域范圍大于NS測道，負異常強度也較NS測道強。地電阻率負異?？臻g動態(tài)變化過程與地震孕育中的應力積累動態(tài)變化有關(guān)，且明顯地表現(xiàn)為各向異性。這種各向異性現(xiàn)象與九寨溝MS7.0、唐山MS7.8地震前地電阻率出現(xiàn)的負異常集中現(xiàn)象較為相似。汶川地震負異常集中區(qū)遷移方向、異常幅度增強方式與九寨溝MS7.0地震基本一致，這種異常遷移、震級不同、異常幅度也不同可能與地震斷層錯動方式和震中區(qū)巖性有關(guān)，兩次地震都發(fā)生在龍門山斷裂帶附近，汶川MS8.0地震的震源機制解顯示發(fā)震斷層以逆沖和走滑為主，震中區(qū)以花崗巖分布為主（易桂喜等，2012;王振榮，蘭江華，2008）。

5 結(jié)論

汶川MS8.0地震震中周邊地區(qū)地電阻率觀測是我國相對密集的地區(qū)之一。震中周邊共有19個地電阻率定點觀測臺站，多個臺站在地震發(fā)生前2～3 a出現(xiàn)了準同步下降變化。結(jié)合中強地震前地電阻率的孕震機理分析，獲得了以下主要結(jié)論：

（1）在汶川地震前，成都、冕寧、江油、天水、甘孜、武都臺地電阻率出現(xiàn)下降異常變化，從孕震機理上符合地電阻率地震異常變化機理，且臺站距離震中區(qū)域較近，這種變化是汶川地震前兆的可能性較大。

（2）地震前，震中周邊地區(qū)一個相當大的范圍內(nèi)，地電阻率觀測值形成了以震中區(qū)為中心的電阻率負異常區(qū)域。異?？臻g分布表現(xiàn)出比較顯著的條帶各向異性，長軸方向和震源機制解P軸、發(fā)震斷層破裂方向等基本一致。

（3）空間異常變化分布形狀取決于斷層方向、臺站和震中區(qū)的位置，并且與震中區(qū)附近的臺站數(shù)和臺站分布有關(guān)，異常變化幅度大小和臺站與震中區(qū)距離有關(guān)。

（4）汶川地震前地電阻率的負異常區(qū)域在NE—SW方向較為突出，負異常變化的長軸方向與震源機制解主壓力方向吻合，且EW測道條帶異常較NS測道明顯。這可能與在孕震晚期，近震中區(qū)主壓應力擠壓占優(yōu)勢有關(guān)。地震前，孕震區(qū)域地下介質(zhì)內(nèi)部裂隙發(fā)育、裂隙走向沿主壓應力方向優(yōu)勢排列，導電介質(zhì)重新分布，導致地電阻率出現(xiàn)以快速下降為主的各向異性。不同觀測臺站或者同一觀測臺站不同測道的各向異性現(xiàn)象，是由于在孕震過程中震中區(qū)域應力加強引起發(fā)震斷層附近不均勻介質(zhì)電阻率的變化所導致，與孕震斷層活動密切有關(guān)。

地電阻率時序分析能清晰地反映出汶川MS8.0地震孕震過程中斷層的應力變化過程。空間動態(tài)演化過程分析是多臺觀測數(shù)據(jù)變化的集合，因而單臺數(shù)據(jù)受周邊環(huán)境的干擾影響可以忽略。時序分析和空間異常動態(tài)分析相結(jié)合，能夠更有效地揭示出中強地震的發(fā)生要素，對汶川地震的發(fā)震機理、震中區(qū)域的認識等有很好的幫助，但分析結(jié)果中難免存在因臺站密度低而造成偏差的情況。總之，汶川地震發(fā)生前，地電阻率出現(xiàn)長時程負異常變化、空間叢集現(xiàn)象真實地反映了強震孕育過程中發(fā)震斷層應力及周邊應力應變的變化，它和地震活動性等變化有很好的關(guān)聯(lián)性。分析地電阻率的時空變化過程對認識中強地震孕育過程及震源區(qū)應力場變化具有很大的意義。

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Temporal and Spatial Evolution of the Apparent Resistivity beforeand after the 2008 Wenchuan MS8.0 Earthquake

WANG Tongli1，CUI Bowen1，WANG Lihong1，YAN Xiaoye2，LI Juzhen1

（1.Beijing Earthquake Agency，Beijing 100080，China）（2.Sichuan Earthquake Agency，Chengdu 610000，Sichuan，China）

Abstract

In this paper，the Normalized Variation Rate method is used to analyze the sequential and spatial variation of the apparent resistivity observed by 19 stations around the Wenchuan MS8.0 earthquake.The sequential analysis shows that some of the earthquake stations had quasi-synchronously recorded the short- and medium-term precursory anomalies of the apparent resistivity before the Wenchuan earthquake.The spatial analysis shows that in the epicentral region，the negative anomalies of the apparent resistivity had been featured with a strip distribution and with a migration from far to near before the earthquake.The cluster of the anomalies displayed a quadrant pattern，whose long axis was consistent with the direction of principal compressive stress of the focal mechanism solution.The seismogenic fault，the station location，and the layout direction of the observational instruments also influenced the distribution direction of the long axis of the precursory anomalies.

Keywords：the Wenchuan MS8.0 earthquake;apparent resistivity;time sequential analysis;spatial distribution;the Normalized Variation Rate method