2022年青海門源MS6.9地震前地電阻率變化分析

姚賽賽 高曙德 陳雪梅 張曉陽 楊 超 醴武權(quán)

1 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定，2022-01-08 01:45青海海北州門源縣發(fā)生6.9級(jí)地震，震源深度10 km，震中位于37.77°N、101.26°E。本次地震發(fā)生在青藏高原東北緣，位于柴達(dá)木-祁連塊體、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯處，地處祁連地震構(gòu)造帶，距離最近的斷層為冷龍嶺斷裂帶西北端與托萊山斷裂階區(qū)[1]。

地電阻率作為地震監(jiān)測(cè)的一種手段，主要通過對(duì)地下介質(zhì)電性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定來研究介質(zhì)地電阻率變化與地震的關(guān)系。我國地電臺(tái)站大多布設(shè)在地震活動(dòng)區(qū)或地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)[2]，在地電臺(tái)網(wǎng)內(nèi)部或附近區(qū)域大震、中等地震發(fā)生前的中期、短臨階段可記錄到突出的異常，許多學(xué)者通過分析地電阻率數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)地震實(shí)現(xiàn)了中期預(yù)測(cè)[3-5]。本文通過分析門源地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用原始曲線分析和歸一化速率方法，總結(jié)震前地電阻率異常特征，為后續(xù)震情研判與分析提供參考依據(jù)。

1 震中周圍地電阻率臺(tái)站分布

1.1 臺(tái)站基本情況

青海門源地震震中300 km范圍內(nèi)共有5個(gè)地電阻率臺(tái)站，震中距由近到遠(yuǎn)分別為金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)、攔隆口臺(tái)、武威小西溝臺(tái)和蘭州臺(tái)，其中攔隆口臺(tái)、蘭州臺(tái)電磁環(huán)境復(fù)雜，暫不進(jìn)行分析，臺(tái)站分布情況如圖1所示。金銀灘臺(tái)臨近青海湖，位于祁連山構(gòu)造帶中部，附近發(fā)育EW-SE向斷裂，該地區(qū)第四紀(jì)以來受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程效應(yīng)影響明顯；山丹臺(tái)位于河西走廊區(qū)域性主干大斷裂附近，該斷裂切割地殼較深，走向NWW，屬于祁連山地震帶；武威小西溝臺(tái)位于合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷裂帶分界處，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以龍首山斷裂和河西堡-四道山斷裂為主。表1為門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站的基礎(chǔ)信息。

圖1 門源地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of earth resistivity stations within 300 km from the epicenter of Menyuan earthquake

在我國開展的地震地電阻率觀測(cè)中，絕大多數(shù)觀測(cè)臺(tái)站采用四極對(duì)稱觀測(cè)系統(tǒng)。而實(shí)際上，通過四極法測(cè)量得到的地電阻率值與地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與這四個(gè)電極的排列方式和相互距離有關(guān)，在震中區(qū)及附近可檢測(cè)到地殼較深部介質(zhì)的電阻率變化[6]，3個(gè)地電阻率臺(tái)站的布極情況如圖2所示。

表1 青海門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站基礎(chǔ)信息

圖2 地電阻率臺(tái)站布極示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrode layout of earth resistivity station

1.2 資料可靠性

穩(wěn)定形態(tài)的正常背景變化作為異常分析的基礎(chǔ)，取決于地電阻率臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)環(huán)境的穩(wěn)定性。其中，測(cè)量系統(tǒng)(地電儀器、穩(wěn)流電源)、裝置系統(tǒng)(電極、外線路、避雷裝置、配線)等構(gòu)成地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)，自然環(huán)境、人為設(shè)施、氣象天氣等構(gòu)成測(cè)區(qū)環(huán)境因素。

金銀灘臺(tái)位于青海省海北州海晏縣西海鎮(zhèn)西北方向牧民草場(chǎng)上，周圍無高壓輸電線路和大型變電所，場(chǎng)地周圍的干擾源均在觀測(cè)環(huán)境保護(hù)區(qū)的界定范圍之外。數(shù)據(jù)受到觀測(cè)系統(tǒng)影響較多，原因?yàn)橥饩€路架空，全年不定期受降雨、雷電、大風(fēng)等干擾，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。山丹臺(tái)位于山丹縣清泉鎮(zhèn)南灣村，測(cè)區(qū)地表為曠野型戈壁沙土堆，距離地表水系較遠(yuǎn)，土壤濕度小，測(cè)區(qū)地形開闊，場(chǎng)地內(nèi)無建筑物，人類生產(chǎn)活動(dòng)較少，無明顯的干擾源，同時(shí)干旱少雨的氣候條件使得觀測(cè)受到的氣候環(huán)境干擾較少。影響數(shù)據(jù)變化的主要因素為電極埋深1.8 m，全年少量的降雨會(huì)造成數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)輕微臺(tái)階變化。武威小西溝臺(tái)2017-07進(jìn)行異地遷建，新址位于甘肅省武威市石羊河林場(chǎng)小西溝分場(chǎng)公益保護(hù)區(qū)內(nèi)，該測(cè)區(qū)場(chǎng)地內(nèi)無建筑物，人類生產(chǎn)活動(dòng)較少，無明顯的干擾源，同時(shí)干旱少雨的氣候條件使得觀測(cè)受到的氣候環(huán)境干擾較少。

表2為影響3個(gè)地電阻率臺(tái)站運(yùn)行以來數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，從表中可以看出，3個(gè)地電阻率臺(tái)站中武威小西溝臺(tái)內(nèi)在資料最好，僅出現(xiàn)1次觀測(cè)系統(tǒng)事件(穩(wěn)流源故障)；金銀灘臺(tái)出現(xiàn)22次觀測(cè)系統(tǒng)事件(主要為UPS、外線路、穩(wěn)流電源、數(shù)采、供電出現(xiàn)故障)和8次人為干擾事件(主要為校檢、檢修)，因是無人值守臺(tái)站無法及時(shí)恢復(fù)，2020年以后觀測(cè)系統(tǒng)事件再未發(fā)生；山丹臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨、雷電和大風(fēng)的影響較大，出現(xiàn)過1次觀測(cè)系統(tǒng)事件(主機(jī)故障)和1次自然環(huán)境事件(降雨)。綜合來看，震前3個(gè)地電阻率臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)環(huán)境較為穩(wěn)定，精度達(dá)標(biāo)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，產(chǎn)出資料具有較高的可靠性。

表2 影響地電阻率觀測(cè)的主要因素統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)質(zhì)量情況

2 資料處理及異常分析

地震前兆異常識(shí)別很困難，原因?yàn)榍罢桩惓５臅r(shí)空強(qiáng)分布相當(dāng)復(fù)雜，此外異常往往是弱幅度變化[7]。本文采用原始曲線分析方法(整點(diǎn)值、日均值、月均值)和歸一化速率方法對(duì)資料進(jìn)行處理并分析。

2.1 原始曲線分析方法

研究表明，地震前受裂隙水、活動(dòng)構(gòu)造等因素影響，地電阻率的年變形態(tài)會(huì)發(fā)生畸變或突變[8]。因此，在地電阻率原始曲線上識(shí)別年變化幅度、形態(tài)、相對(duì)變化是探索地震前兆異常的常用方法之一。需要說明的是，因更換儀器、更換外線路、地電暴等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在繪圖中未采用，均按缺數(shù)處理，但不影響整體年變化趨勢(shì)分析。

金銀灘臺(tái)EW道地電阻率年變形態(tài)清晰，呈現(xiàn)夏低冬高的變化趨勢(shì)，其整點(diǎn)值在2020-12～2021-06期間出現(xiàn)較往年同期更高頻次的突跳變化，出現(xiàn)毛刺增多現(xiàn)象，2021-05-22在距離臺(tái)站355 km的青?，敹喟l(fā)生7.4級(jí)地震。2022-01-08門源地震前，毛刺增多現(xiàn)象從2021-11開始，且震后仍在持續(xù)(圖3(a))。金銀灘臺(tái)EW道日均值數(shù)據(jù)從2021年開始出現(xiàn)保持年變形態(tài)的趨勢(shì)下降，高值較往年同期下降0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖3(b))。值得注意的是，天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)在四川蘆山MS7.0、甘肅岷縣MS6.6及四川九寨溝MS7.0地震前均出現(xiàn)地電阻率整點(diǎn)值高頻次交替變化，此時(shí)日均值呈現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折或趨勢(shì)下降現(xiàn)象[9]，這種地表與井下臨震異常相似的情況還需進(jìn)一步研究。

圖3 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)地電阻率EW曲線Fig.3 The EW component of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

利用2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)EW道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表3。從表中可以看出，2016～2019年，年變幅度較為穩(wěn)定，觀測(cè)值變化形態(tài)基本一致。2020年開始年變幅逐漸增大，2022年上半年變化幅度達(dá)到觀測(cè)以來的最大值，反映出原始數(shù)據(jù)高頻擾動(dòng)增多?，敹嗟卣鸢l(fā)生在趨勢(shì)下降階段，門源地震發(fā)生在趨勢(shì)上升階段。

表3 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)EW道年變幅

山丹臺(tái)地電阻率NS和N45°W道日均值觀測(cè)數(shù)據(jù)年動(dòng)態(tài)清晰，2018-10前EW道數(shù)據(jù)年變形態(tài)不清晰，2018-10更換配電箱后該道觀測(cè)資料出現(xiàn)較為清晰的年變形態(tài)；NS道呈現(xiàn)夏高冬低的年變形態(tài)，EW和N45°W道資料年變形態(tài)較為相似，呈現(xiàn)夏低東高的年變形態(tài)。山丹臺(tái)NS測(cè)值曲線在2020-06由上升轉(zhuǎn)為下降；EW測(cè)值從2018年起呈現(xiàn)明顯的逐年上升趨勢(shì)，2020-09之后曲線全部在均值線以上；N45°W測(cè)值從2018年起呈現(xiàn)緩慢的逐年上升趨勢(shì)，2020年之后曲線大部分在均值線以上。2019-09-16在距離山丹臺(tái)69 km處發(fā)生5.0級(jí)地震，震前三道曲線出現(xiàn)同步的緩慢下降，震前7 d NS道快速轉(zhuǎn)折上升，EW道緩慢轉(zhuǎn)折上升，N45°W道快速轉(zhuǎn)折下降。此次門源地震前山丹臺(tái)地電阻率日均值曲線未出現(xiàn)類似甘州地震前的短臨異常形態(tài)，但NS道趨勢(shì)下降、EW和N45°W道趨勢(shì)上升的現(xiàn)象也值得關(guān)注，具體見圖4。

圖4 2018-01～2022-04山丹臺(tái)地電阻率日均值曲線Fig.4 The daily average value of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-04

利用2018-01～2022-04山丹臺(tái)三道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表4。從表中可以看出，NS道2018～2020年年均值逐年上升，2020～2022年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而EW、N45°W道年均值逐年增大。三道曲線年變幅總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，反映出觀測(cè)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，測(cè)區(qū)觀測(cè)環(huán)境較好。

表4 2018-01～2022-04山丹臺(tái)地電阻率年變幅

武威小西溝臺(tái)地電阻率于2018-10正式觀測(cè)，NS道自觀測(cè)以來呈現(xiàn)夏低東高的年變形態(tài)，且出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢(shì)下降，門源地震發(fā)生在下降階段，且震后仍在繼續(xù)下降；而EW道自2020年才形成夏高冬低的年變形態(tài)，同時(shí)出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢(shì)上升，門源地震發(fā)生在趨勢(shì)轉(zhuǎn)折階段，震后曲線開始轉(zhuǎn)平。不同測(cè)道出現(xiàn)相反的年變現(xiàn)象由測(cè)區(qū)介質(zhì)非均勻性所引起[10]。NS道日均值數(shù)據(jù)從2019年開始出現(xiàn)保留年變形態(tài)的趨勢(shì)下降，2021年高值較往年同期下降0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖5(a))；EW道日均值數(shù)據(jù)從2019年開始呈現(xiàn)趨勢(shì)上升，2021年高值較往年同期上升0.05 Ω·m(相對(duì)變化0.19%，圖5(b))。武威小西溝臺(tái)降水稀少，年均降水量為127.7 mm，且地表為砂土和砂壤土，覆蓋層較深，距離地表水系20 m以上，土壤濕度小，因此可推斷兩道地電阻率的趨勢(shì)變化和降雨、水位的關(guān)系較小，地電阻率長期趨勢(shì)變化的物理意義在于巖石孔隙率的變化。

圖5 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率日均值曲線Fig.5 The daily average value of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

利用2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)兩道原始數(shù)據(jù)計(jì)算地電阻率年變幅，結(jié)果見表5。從表中可以看出，2019～2022年，臺(tái)站NS和EW道年變幅逐年減小，2021-06-24～07-22發(fā)生一次變壓器、配線器故障，經(jīng)維修后恢復(fù)正常，反映出原始數(shù)據(jù)日變較小，觀測(cè)系統(tǒng)開始趨于穩(wěn)定。

表5 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率年變幅

地電阻率的異常變化在長期觀測(cè)中主要包括破年變變化和保留年變形態(tài)的1 a以上趨勢(shì)變化[11]，金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)和武威小西溝臺(tái)的異常變化屬于后者。

2.2 歸一化速率方法

歸一化速率(NVRM)是一種無量綱的地電學(xué)處理方法，以一定的步長計(jì)算月均值曲線的斜率，并進(jìn)行歸一化處理。

觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線對(duì)時(shí)間軸的斜率可表示為：

(1)

自相關(guān)系數(shù)為：

(2)

歸一化速率法序列為：

(3)

式中，n為滑動(dòng)步長，N為資料長度，σn-1為N-n個(gè)Ri×Ki時(shí)間序列的均方差，y為等間隔前兆數(shù)據(jù)時(shí)間序列，T為相應(yīng)的等間隔時(shí)間序列。利用月均值曲線滑動(dòng)可得到月速率時(shí)間序列Si，在月均值觀測(cè)曲線上計(jì)算月速率來提取中短期異常迅速方便，異常形態(tài)突出，幅度明顯。歸一化速率的優(yōu)點(diǎn)為：不同臺(tái)站、不同測(cè)道之間存在因介質(zhì)結(jié)構(gòu)差異等引起的地電阻率變化差異，但NVRM異常的閾值統(tǒng)一為±2.4，即變化速率值<2.4為地電阻率下降異常，包含異常形態(tài)、幅度和時(shí)間信息；反之，變化速率≥2.4為地電阻率上升異常[12]。

金銀灘臺(tái)EW道月均值在2017～2020年保持穩(wěn)定的正常年變趨勢(shì)，2021-02開始呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，下降0.03 Ω·m(相對(duì)變化11.3%，圖6(a))，震后仍在持續(xù)下降。從圖6(b)可以明顯看出，在2019-05～09出現(xiàn)一次明顯的正異常，2019-10-28在距離臺(tái)站260 km的甘肅甘南州夏河縣發(fā)生5.7級(jí)地震；2020-06～07、2021-02～06出現(xiàn)2次負(fù)異常后，2021-05-22發(fā)生瑪多7.4級(jí)地震以及2022-01-08發(fā)生門源6.9級(jí)地震。

山丹臺(tái)地電阻率月均值曲線年變形態(tài)及變化幅度更為清晰，NS道在2020-06由上升轉(zhuǎn)為下降，EW道呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，N45°W道呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。門源地震發(fā)生在NS道由下降轉(zhuǎn)為上升的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折階段，以及EW道和N45°W道由上升轉(zhuǎn)為下降的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折階段。從歸一化速率曲線來看，門源地震前NS道在震前11個(gè)月出現(xiàn)一次正異常，N45°W道在震前12個(gè)月出現(xiàn)一次正異常，EW道歸一化速率未顯示異常，但在2019-09-16甘肅甘州地震前出現(xiàn)一次正異常，在震中出現(xiàn)一次負(fù)異常，地震發(fā)生在負(fù)異常時(shí)段，具體見圖7。

圖6 2016-01～2022-04金銀灘臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.6 The monthly average value and normalizedrate of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

圖7 2018-01～2022-03山丹臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.7 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-03

武威小西溝臺(tái)NS道月均值在保持正常年變形態(tài)的情況下出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，從歸一化速率曲線來看，NS道在2020-02～05出現(xiàn)一次小幅負(fù)異常，2020-07～11出現(xiàn)一次較大幅度的正異常。EW道月均值呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，從歸一化速率曲線來看，EW道在2021-11～2022-01出現(xiàn)一次小幅正異常，具體見圖8。

圖8 2019-01～2022-04武威小西溝臺(tái)地電阻率月均值和歸一化速率曲線Fig.8 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

3 震前異常變化機(jī)理討論

張學(xué)民等[13]通過對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震前地電阻率異常進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，震前郫縣臺(tái)NE向、甘孜臺(tái)EW向出現(xiàn)持續(xù)性大幅度下降，而武都臺(tái)NW向從2006-08開始至地震前出現(xiàn)趨勢(shì)上升。史紅軍等[14]通過對(duì)吉林省地電阻率震兆異常進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，汪清MS7.0深震前，榆樹臺(tái)和四平臺(tái)地電阻率月均值曲線均顯示出震前持續(xù)2 a尺度的中期下降異常。

金銀灘臺(tái)地處祁連山構(gòu)造帶中部，距日月山斷裂帶西約22 km；山丹臺(tái)地處河西走廊區(qū)域性主干大斷裂，距龍首山斷裂帶西23 km，屬于祁連山地震帶；武威小西溝臺(tái)距合黎山-龍首山褶皺帶南緣與河西走廊斷裂帶分界處約20 km，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以龍首山斷裂和河西堡-四道山斷裂為主。這3個(gè)地電阻率臺(tái)站分布在主要活動(dòng)斷層附近，在地震孕育過程中應(yīng)力更容易集中，在構(gòu)造應(yīng)力作用下區(qū)域介質(zhì)更容易變形。

此次門源6.9級(jí)地震前，3個(gè)地電阻率臺(tái)站的異常變化以趨勢(shì)變化為主，伴有臨震突跳變化。震中距最近的金銀灘臺(tái)地電阻率EW道表現(xiàn)出年變幅逐年增大的現(xiàn)象，在2021年形成新的年變形態(tài)，震前2個(gè)月出現(xiàn)高頻突跳，震后仍在持續(xù)；山丹臺(tái)地電阻率和武威臺(tái)地電阻率NS道表現(xiàn)為趨勢(shì)下降、EW道表現(xiàn)為趨勢(shì)上升，無臨震突跳變化。此次地震異常的各向異性特征比較明顯，NS道或EW道異常更為突出，同時(shí)異常臺(tái)站的分布也存在一定規(guī)律，主要分布在NS走向上，反映出孕震機(jī)理及活動(dòng)構(gòu)造對(duì)地電阻率變化的影響。

4 結(jié) 語

本文采用歸一化速率方法，對(duì)青海門源MS6.9地震震中300 km范圍內(nèi)金銀灘臺(tái)、山丹臺(tái)及武威小西溝臺(tái)的地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)(整點(diǎn)值、日均值及月均值)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，震前3個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)的地電阻率異常變化與地震具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從原始曲線來看，金銀灘臺(tái)既有臨震異常，又有趨勢(shì)下降變化，而山丹臺(tái)及武威小西溝臺(tái)在門源地震前存在持續(xù)3 a以上的趨勢(shì)變化(NS趨勢(shì)上升、EW趨勢(shì)下降)，需結(jié)合歸一化速率方法判斷是否為地震異常。此次地震前出現(xiàn)與最大主應(yīng)力相關(guān)的趨勢(shì)異常，震后出現(xiàn)與震前異常相反的趨勢(shì)恢復(fù)變化或趨勢(shì)轉(zhuǎn)平，符合前人總結(jié)的地電阻率孕震機(jī)理。后期需關(guān)注山丹臺(tái)地電阻率EW道和N45°W道是繼續(xù)保持年變呈現(xiàn)趨勢(shì)上升，還是出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降形成新的年變形態(tài)；武威臺(tái)地電阻率NS道持續(xù)下降、EW道趨勢(shì)轉(zhuǎn)平態(tài)勢(shì)何時(shí)結(jié)束并形成新的年變。

地電阻率的趨勢(shì)變化可反映周圍區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化，針對(duì)不同地電阻率臺(tái)站，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，正確識(shí)別地震異常和數(shù)據(jù)異常，總結(jié)異常類型與震例的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為今后該地區(qū)及鄰區(qū)地電阻率異常的分析、識(shí)別及地震預(yù)報(bào)提供參考。