2021—2022年川滇地區(qū)4次MS≥6.0地震前井下地電阻率觀測(cè)的異常變化

解 滔 韓 盈 于 晨

(中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045)

0 引言

中國應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的地電阻率觀測(cè)采用對(duì)稱四級(jí)裝置,通過人工供電的方式連續(xù)監(jiān)測(cè)地下相對(duì)固定體積范圍內(nèi)的介質(zhì)電阻率隨時(shí)間的變化。供電極距AB通常為數(shù)百米至2.4km不等,地電阻率觀測(cè)值是數(shù)百米至千米尺度體積內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映,可在不破壞地層結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)具有體積效應(yīng)的探測(cè)。自1967年開始觀測(cè)以來,已建成基本覆蓋中國主要地震活動(dòng)區(qū)域的觀測(cè)站網(wǎng),在50多年的連續(xù)觀測(cè)過程中,積累了豐富的觀測(cè)資料和數(shù)十次6級(jí)以上地震前的異常變化(錢家棟等,1985; 錢復(fù)業(yè)等,1998; 汪志亮等,2002; 杜學(xué)彬,2010; 解滔等,2022b)。地震前地電阻率異常的幅度通常較為微弱,分析時(shí)需要之前具有相對(duì)穩(wěn)定的背景變化(杜學(xué)彬,2010)。隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè),部分觀測(cè)站的測(cè)區(qū)環(huán)境遭受了不同程度的破壞,造成觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降,給異常分析和震情跟蹤工作帶來了困難。為應(yīng)對(duì)測(cè)區(qū)地表局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的顯著改變地表電性結(jié)構(gòu)的干擾源,中國地震局開展了井下地電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(cè)(康云生等,2013; 王蘭煒等,2015; 肖武軍等,2019),并陸續(xù)建設(shè)了32個(gè)具有井下觀測(cè)裝置的觀測(cè)站。其中,廣東河源站的井下觀測(cè)始于1992年,其余觀測(cè)站則始于2010年之后。井下觀測(cè)將供電電極和測(cè)量電極埋入地下一定深度處,通過增加觀測(cè)裝置與地表干擾源的距離以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾影響的抑制作用(解滔等,2016a,2019)。目前,多數(shù)井下觀測(cè)站的電極埋深為50～150m,江蘇江寧站和臨澤站的水平觀測(cè)裝置埋深達(dá)200m。采用井下觀測(cè)方式后,觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到顯著提升(葉青等,2022)。

相較于觀測(cè)裝置埋深為2～3m的地表地電阻率觀測(cè),井下觀測(cè)的建設(shè)成本相對(duì)較高,在觀測(cè)站附近發(fā)生強(qiáng)震前能否有效記錄到與地震晚期孕育過程有關(guān)的異常變化,是檢驗(yàn)這一觀測(cè)方式有效性的關(guān)鍵所在。根據(jù)半個(gè)多世紀(jì)的觀測(cè)實(shí)踐、震例總結(jié)、實(shí)驗(yàn)與理論研究發(fā)現(xiàn),中強(qiáng)震前地電阻率中短期異常變化通常表現(xiàn)為偏離之前多年背景趨勢(shì)變化范圍、持續(xù)時(shí)間為數(shù)月至2a左右的下降或上升變化,且通常伴有年變形態(tài)畸變; 短臨異常通常表現(xiàn)為在已有中短期異?；A(chǔ)上的加速、轉(zhuǎn)折或不穩(wěn)定擾動(dòng)變化等形態(tài)(錢復(fù)業(yè)等,1998; 汪志亮等,2002; 杜學(xué)彬,2010)。2010—2020年期間,井下觀測(cè)站附近發(fā)生了2次6級(jí)以上地震,分別為2013年岷縣-漳縣MS6.6 和2017年九寨溝MS7.0 地震。天水站在這2次地震前均出現(xiàn)了高頻擾動(dòng)異常變化(高曙德,2016,2020),此類變化通常反映短期地下介質(zhì)內(nèi)自然電場(chǎng)的不穩(wěn)定性; 武都站在九寨溝地震前出現(xiàn)了持續(xù)性上升變化(解滔等,2022b)。2021年漾濞MS6.4 地震發(fā)生前,井下地電阻率觀測(cè)僅觀測(cè)到一次與地表觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的持續(xù)性下降或上升異常形態(tài)相似的異常。因此,這種觀測(cè)方式能否有效記錄到地震前的異常變化,仍需要更多震例予以支撐。

2014—2019年,四川地區(qū)的紅格、甘孜和冕寧3個(gè)觀測(cè)站先后完成改造升級(jí),并開始井下觀測(cè)。2021—2022年,川滇地區(qū)先后發(fā)生了4次6級(jí)及以上地震。本文將介紹這些地震前井下地電阻率的異常變化和相應(yīng)的震情跟蹤情況,以期為今后井下地電阻率的數(shù)據(jù)分析和觀測(cè)站建設(shè)提供一定參考。

1 觀測(cè)站簡介

四川地區(qū)的甘孜、冕寧、紅格觀測(cè)站分別位于川滇菱形地塊邊界的鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂附近,2021年漾濞MS6.4、2022年蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0、瀘定MS6.8 地震的震中及觀測(cè)站的空間分布如圖1所示。

圖1 川滇地區(qū)地電阻率觀測(cè)站和2021—2022年4次MS≥6.0地震的空間分布

紅格站于1970年初由西南地震地質(zhì)隊(duì)開始建設(shè),在地表布設(shè)NS和EW 2個(gè)測(cè)道,供電極距AB為1600m,自1972年起產(chǎn)出地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)。2010年紅格溫泉小鎮(zhèn)開始建設(shè),導(dǎo)致原觀測(cè)場(chǎng)地遭受破壞; 2014年,紅格站在原測(cè)區(qū)內(nèi)建設(shè)井下地電阻率觀測(cè)裝置,同年7月正式投入運(yùn)行。觀測(cè)站所在區(qū)域的構(gòu)造形跡復(fù)雜,發(fā)育硫磺溝-納拉箐斷裂、倮果斷裂、五道河-雙龍灘斷裂、昔格達(dá)斷裂等。地電阻率測(cè)區(qū)內(nèi)的高差為25～30m,地表溝壑較多,地下水平均埋深約為10m。

甘孜站觀測(cè)始于1970年,在地表布設(shè)N30°E 和 N60°W 2個(gè)測(cè)道,供電極距AB為500m。2017年甘孜縣人民政府啟動(dòng)“格薩爾文化城暨百村產(chǎn)業(yè)基地”項(xiàng)目,原觀測(cè)場(chǎng)地位于國道317以南的部分被征用。2017年甘孜站在原測(cè)區(qū)北側(cè)約150m處建設(shè)井下觀測(cè)裝置,2018年1月正式投入運(yùn)行。新測(cè)區(qū)位于斯俄盆地北側(cè)的布絨朗山腳一線,E、W、S向地勢(shì)較為平坦,淺部主要為厚15～40m的黏土沖積物覆蓋層,下伏地層主要為巖性較為破碎的細(xì)粒石英砂巖,地下水平均埋深約為7m。

冕寧站于1983年開始建設(shè),次年3月投入運(yùn)行,在地表布設(shè)NS、EW、N45°W 3個(gè)測(cè)道,供電極距AB為1200m。2008年后原測(cè)區(qū)附近出現(xiàn)民用設(shè)施(如小型電焊車間)漏電干擾,對(duì)觀測(cè)造成較為嚴(yán)重的影響。2019年在原測(cè)區(qū)SW向約5km處的回坪鄉(xiāng)橫路村南河河谷中心地帶選址建設(shè)井下觀測(cè)裝置,并于2020年1月正式投入運(yùn)行。新測(cè)區(qū)位于第四系河床階地,覆蓋層主要為黏土和砂礫石沖積堆積物,厚約130m,其下為砂礫石層并發(fā)育破碎花崗巖,且賦存豐富的地下水,厚約400m。

2 觀測(cè)裝置分析

紅格站、甘孜站、冕寧站井下觀測(cè)裝置的參數(shù)如表1所示,甘孜站2個(gè)測(cè)道呈“L”形布局,并共用其中1個(gè)供電電極。紅格站和冕寧站的各測(cè)道基本呈共中心點(diǎn)對(duì)稱分布,無電極共用的情況。淺層介質(zhì)的電阻率受季節(jié)性降雨和溫度變化影響,在地表進(jìn)行觀測(cè)時(shí)地電阻率通常呈現(xiàn)出清晰的年變形態(tài)(趙和云等,1987; 薛順章等,1994)。井下觀測(cè)增加了觀測(cè)裝置到地表的距離,在多數(shù)電性結(jié)構(gòu)-裝置參數(shù)的組合下,井下觀測(cè)能有效減小年變化幅度(解滔等,2016a,2019)。下文將采用地電阻率影響系數(shù)理論,對(duì)比分析這3個(gè)觀測(cè)站井下觀測(cè)裝置對(duì)季節(jié)性氣象因素影響的抑制能力。

表1 四川地區(qū)3個(gè)井下地電阻率觀測(cè)站裝置的參數(shù)

2.1 影響系數(shù)

地電阻率觀測(cè)值是測(cè)區(qū)地下各區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映。如果將測(cè)區(qū)劃分為任意大小的N塊區(qū)域,每個(gè)區(qū)域電阻率為ρi,i=1,2,…,N,則地電阻率ρa(bǔ)是各區(qū)域介質(zhì)電阻率的函數(shù)(錢家棟等,1985; Parketal.,1991):

(1)

通常情況下,各區(qū)域介質(zhì)電阻率在一定時(shí)間段內(nèi)變化量很小,既Δρi/ρi?1。對(duì)式(1)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,忽略2階及以上高階項(xiàng),則地電阻率的相對(duì)變化幅度可表示為各區(qū)域介質(zhì)電阻率相對(duì)變化的加權(quán)和:

(2)

式中,Bi被稱為影響系數(shù):

(3)

影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系(Royetal.,1981; 毛先進(jìn)等,2021):

(4)

在水平層狀介質(zhì)模型下,將測(cè)區(qū)劃分為N層,則每層介質(zhì)的影響系數(shù)表示該層介質(zhì)電阻率變化對(duì)地電阻率觀測(cè)值變化的影響程度。依據(jù)層狀結(jié)構(gòu)計(jì)算井下地電阻率的觀測(cè)理論值時(shí),采用聶永安等(2009)推導(dǎo)的水平層狀均勻介質(zhì)中點(diǎn)電流源位于任意深度的電位解析表達(dá)式。

2.2 氣象因素影響的抑制能力

甘孜站井下觀測(cè)裝置位于原測(cè)區(qū)北側(cè)150m處,可沿用原測(cè)區(qū)的電測(cè)深曲線給出水平層狀電性結(jié)構(gòu)分層模型(圖2a),測(cè)區(qū)可解釋為AK型4層電性斷面。圖2b 為冕寧站井下觀測(cè)裝置所在測(cè)區(qū)的電測(cè)深曲線,測(cè)區(qū)同樣可解釋為AK型4層電性斷面。紅格站井下觀測(cè)和原地表觀測(cè)在同一測(cè)區(qū),圖2c 為紅格站的電測(cè)深曲線,測(cè)區(qū)可解釋為H型3層電性斷面。巖土介質(zhì)的電阻率隨含水量的增加而降低、隨溫度的升高而降低。春季至夏季階段,氣溫逐漸升高且降雨量逐漸增加,則淺表土層介質(zhì)電阻率降低; 秋季至冬季階段的情況則相反。因此,淺表土層介質(zhì)的真電阻率存在“夏低冬高”的年變化。由于不同觀測(cè)站地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的差異,淺表土層介質(zhì)真電阻率的年變化會(huì)引起觀測(cè)站的地電阻率數(shù)據(jù)出現(xiàn)3種類型的年變化形態(tài)(解滔等,2013,2014,2023a)。

圖2 觀測(cè)站電測(cè)深曲線

甘孜站原地表觀測(cè)時(shí),淺層介質(zhì)的影響系數(shù)為負(fù)值(圖3a),故年變形態(tài)為“夏高冬低”型,年變化幅度約為7.6%。而采用井下觀測(cè)裝置時(shí),淺層介質(zhì)的影響系數(shù)變?yōu)檎?圖3b),觀測(cè)曲線呈現(xiàn)“夏低冬高”的年變化。井下觀測(cè)時(shí),淺層介質(zhì)的影響系數(shù)遠(yuǎn)小于地表觀測(cè),年變化幅度也降低至約2%。冕寧站的井下觀測(cè)區(qū)與原地表觀測(cè)區(qū)相距5km,嚴(yán)格意義上不能用井下觀測(cè)區(qū)的電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。我們并未搜集到原地表觀測(cè)區(qū)的電測(cè)深數(shù)據(jù),但2個(gè)觀測(cè)區(qū)域均位于同一河床階地,推測(cè)二者具有一定的相似性。原地表觀測(cè)時(shí),年變形態(tài)為“夏高冬低”型,與淺部介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)值(圖3c)相符; 井下觀測(cè)時(shí),淺部介質(zhì)影響系數(shù)為正值(圖3d),故觀測(cè)數(shù)據(jù)的年變形態(tài)為“夏低冬高”型。地表觀測(cè)時(shí),淺部介質(zhì)影響系數(shù)明顯大于井下觀測(cè),地表觀測(cè)時(shí)的年變化幅度約為3.2%,井下觀測(cè)時(shí)降低至約0.8%。紅格站地表觀測(cè)和井下觀測(cè)時(shí)淺部介質(zhì)的影響系數(shù)均為正值,且數(shù)值相近(圖3e～f),故地表觀測(cè)和井下觀測(cè)時(shí)的年變化均為“夏低冬高”型,且年變化幅度相近,分別約為3.4%和3.0%。由此可見,甘孜站和冕寧站采用井下觀測(cè)裝置后,對(duì)氣象因素的影響具有很好的抑制作用,而紅格站幾乎無抑制作用。

圖3 地表觀測(cè)和井下觀測(cè)時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)的分布(虛線為負(fù)值)

3 異常變化與震情跟蹤

3個(gè)觀測(cè)站改造升級(jí)為井下觀測(cè)之后,觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量相較原有的地表觀測(cè)具有明顯提升。2020年底—2022年期間,這3個(gè)觀測(cè)站先后出現(xiàn)不同形態(tài)的異常變化。中國地震臺(tái)網(wǎng)中心地震預(yù)報(bào)部電磁預(yù)測(cè)研究室(以下簡稱電磁室)依據(jù)這些異常對(duì)2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了短期預(yù)測(cè)。

3.1 異常變化

2016—2020年中,紅格站NS和EW測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn),且年變形態(tài)清晰(圖4)。為便于對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)每年的變化,對(duì)于同一測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù),在相同的縱坐標(biāo)范圍內(nèi)將各年份1月1日的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊,繪制年度變化曲線。2020年12月觀測(cè)數(shù)據(jù)并未上升至往年同期水平,之后2個(gè)測(cè)道出現(xiàn)同步下降變化。截至2021年5月21日漾濞MS6.4 地震發(fā)生前,NS和EW測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)在去除年變化后的下降幅度分別約為2.1%和1.4%,紅格站距此次地震震中約232km。漾濞地震之后NS測(cè)道的異常逐漸恢復(fù),但EW測(cè)道的下降變化依然持續(xù),直至2022年9月5日發(fā)生瀘定MS6.8 地震,震中距約為340km。

圖4 2016—2023年紅格站井下地電阻率的觀測(cè)數(shù)據(jù)

自2022年4月開始,甘孜站N10°E 測(cè)道的下降變化與前4年同期變化的時(shí)間相比有所提前(圖5),6月底開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折回升,10月下旬異?；謴?fù),同期 N60°W測(cè)道并未出現(xiàn)相似的異常變化。異常期間先后發(fā)生了2022年6月1日蘆山MS6.1、6月10日馬爾康MS6.0、9月5日瀘定MS6.8 地震,震中距分別約為306km、183km、293km。2022年9—11月,N60°W測(cè)道出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間約為3個(gè)月的年變形態(tài)畸變異常,異常結(jié)束2個(gè)月后發(fā)生2023年1月26日瀘定MS5.6 地震。

圖5 2018—2023年甘孜站井下地電阻率的觀測(cè)數(shù)據(jù)

冕寧站NS、EW、N45°W測(cè)道在2022年6月1日蘆山MS6.1 和6月10日馬爾康MS6.0 地震前無明顯異常變化,自2022年6月下旬開始出現(xiàn)同步上升變化,與之前2a同期變化的形態(tài)相反(圖6)。9月5日瀘定MS6.8 地震后,3個(gè)測(cè)道均恢復(fù)至與往年一致的年變化形態(tài)。3個(gè)測(cè)道6月下旬的上升變化時(shí)間與甘孜站N10°E 測(cè)道下降變化后的轉(zhuǎn)折回升基本同步。

圖6 2020—2023年冕寧站井下地電阻率的觀測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 震情跟蹤研判

自2020年12月紅格站出現(xiàn)異常之后,電磁室將川滇交界地區(qū)作為中期時(shí)間尺度約6級(jí)的危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。自2021年3月下旬起,電磁室在周、月會(huì)商中持續(xù)給出該區(qū)域地震危險(xiǎn)性緊迫的分析意見,直至5月21日發(fā)生漾濞MS6.4 地震。震后,紅格站EW測(cè)道的下降變化依然持續(xù),結(jié)合2021年7月云南祥云站地電阻率出現(xiàn)的下降異常,電磁室在2021年9月—2022年5月期間的月會(huì)商依然提出川滇交界地區(qū)約6級(jí)地震危險(xiǎn)性緊迫的分析意見,但其間只發(fā)生了2022年1月2日云南寧蒗MS5.5 地震。2022年1月13日電磁學(xué)科組和四川省地震局對(duì)紅格站進(jìn)行了異?，F(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作,5月之后將EW測(cè)道的異常作為背景性異常對(duì)待,將川滇交界地區(qū)作為6～7級(jí)地震危險(xiǎn)性的跟蹤區(qū)域,未再提出地震危險(xiǎn)性緊迫的研判意見。

甘孜站N10°E 測(cè)道雖然于2022年4月出現(xiàn)異常變化,但由于年變形態(tài)較為清晰,當(dāng)時(shí)也并未開展同年對(duì)比分析。同期冕寧站還未出現(xiàn)上升異常,因此未對(duì)蘆山MS6.1 和馬爾康MS6.0 地震做出預(yù)測(cè)。馬爾康地震發(fā)生后,電磁室基于斷層虛位錯(cuò)模式分析認(rèn)為甘孜站的異常變化與這2次地震之間的關(guān)聯(lián)性較弱(解滔等,2023b),加之6月下旬冕寧站和甘孜站同步出現(xiàn)上升變化,四川省地震局隨即在7月和8月分別對(duì)冕寧站和甘孜站進(jìn)行了異常核實(shí),并與電磁室就異常核實(shí)的觀測(cè)環(huán)境調(diào)查和分析情況進(jìn)行了討論,確認(rèn)了異常變化的真實(shí)性。電磁室在2022年8月26日周會(huì)商上提出川西北地區(qū)(甘孜站250km范圍)存在約6級(jí)地震危險(xiǎn)性緊迫的分析意見,9月5日發(fā)生的瀘定MS6.8 地震距預(yù)測(cè)區(qū)域約43km。此次預(yù)測(cè)的震級(jí)和空間范圍均與實(shí)際發(fā)生的地震之間存在差異,其原因如下:地電阻率異常以下降變化居多(杜學(xué)彬,2010; 解滔等,2022b),地震發(fā)生前將紅格站和甘孜站的異常作為核心,2個(gè)觀測(cè)站雖然都位于川滇菱形地塊的東邊界,但二者的空間直線距離約為600km,因而將空間預(yù)測(cè)范圍分為了2個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。冕寧站和紅格站位于安寧河-則木河斷裂附近,且相距約220km,震前將二者視為一組存在關(guān)聯(lián)的異常,但由于冕寧站的異常為上升變化,故并未將其作為核心異常對(duì)待。甘孜站N10°E 的異常持續(xù)約5個(gè)月,依據(jù)異常的持續(xù)時(shí)間和震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)擬合關(guān)系(錢復(fù)業(yè)等,1982)預(yù)測(cè)震級(jí)約為6級(jí),下降異常在轉(zhuǎn)折回升階段發(fā)生地震的比例最高(汪志亮等,2002),加之8月下旬時(shí)轉(zhuǎn)折回升已經(jīng)2個(gè)月,故做出了川西北地區(qū)存在6級(jí)地震危險(xiǎn)性緊迫的研判意見。震后復(fù)盤分析認(rèn)為,瀘定地震幾乎發(fā)生在紅格和甘孜站的中間位置,如果將3個(gè)觀測(cè)站的異常視為一個(gè)整體來對(duì)待,則震級(jí)和發(fā)震地點(diǎn)的研判可能會(huì)更好。甘孜站 N60°W測(cè)道在2022年9—11月出現(xiàn)年變畸變異常后,電磁室對(duì)2022年10月—2023年1月該地區(qū)的震情形式依然維持6級(jí)左右緊迫性的意見,2023年1月26日瀘定MS5.6 地震發(fā)生后取消了對(duì)該地區(qū)的震情預(yù)測(cè)。

4 討論

中強(qiáng)地震發(fā)生前,地電阻率觀測(cè)的異常信息較為微弱,類似1976年唐山MS7.8 和2008年汶川MS8.0 地震前的大幅度異常極為稀少,多數(shù)異常的變化幅度為1%～3%,甚至更為微弱(杜學(xué)彬,2010),因此異常分析離不開高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于地電阻率采用大極距的觀測(cè)方式,且觀測(cè)裝置通常布設(shè)在地表,極易受到測(cè)區(qū)內(nèi)及附近區(qū)域觀測(cè)環(huán)境變化的影響。地電阻率觀測(cè)值的表達(dá)式為ρa(bǔ)=K·ΔV/I。其中,K為裝置系數(shù),在電極位置固定時(shí),K固定不變;I為穩(wěn)流源提供的供電電流,在穩(wěn)流源工作正常的情況下,每個(gè)測(cè)道每次觀測(cè)時(shí)的供電電流I固定不變,且能準(zhǔn)確測(cè)量。環(huán)境干擾源主要通過對(duì)測(cè)量電位差ΔV產(chǎn)生影響,進(jìn)而對(duì)觀測(cè)值造成干擾。根據(jù)干擾源對(duì)觀測(cè)造成影響的方式,大致可將其分為2大類(解滔等,2016b):1)電流性質(zhì)的工農(nóng)業(yè)及民用設(shè)施漏電(如地鐵、變電站接地、機(jī)電設(shè)備接地、輸電線路破損接地等),這類干擾源的漏電強(qiáng)度通常不穩(wěn)定,在測(cè)量電極之間產(chǎn)生附加電位差; 2)測(cè)區(qū)內(nèi)及附近區(qū)域局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的改變淺層電性結(jié)構(gòu)的干擾源(如金屬水管、鐵絲網(wǎng)、基建施工、開挖溝渠等),即地表局部電性異常體,這類干擾源改變了原有供電電流所維持的電流場(chǎng)分布,引起測(cè)量電位差的變化。對(duì)于漏電類干擾源,低頻交流供電觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)其具有很好的抑制作用(馬小溪等,2023); 對(duì)于地表局部電性異常體,井下觀測(cè)裝置對(duì)其具有很好的抑制作用(解滔等,2019)。

目前,多數(shù)觀測(cè)站的觀測(cè)裝置位于地表,電極埋深為2～3m,觀測(cè)極距AB約為1km,深度探測(cè)范圍與觀測(cè)極距相當(dāng)(趙和云等,1982; 杜學(xué)彬等,2008)。井下觀測(cè)將觀測(cè)裝置埋入地下一定深度處,在觀測(cè)極距相同的情況下,深度探測(cè)范圍相較于地表觀測(cè)將有所增加。但目前裝置的埋深為數(shù)十米至200m,深度探測(cè)范圍的增加幅度并不明顯。此外,當(dāng)前開展的多數(shù)大極距井下觀測(cè),其觀測(cè)極距相較于地表觀測(cè)有一定縮短,因而深度探測(cè)范圍實(shí)際上并未有顯著變化。但在晉冀蒙交界地區(qū),有9個(gè)觀測(cè)站在地表觀測(cè)的測(cè)區(qū)內(nèi)建設(shè)了小極距井下觀測(cè)裝置,其特點(diǎn)是觀測(cè)極距小于裝置埋深。其中裝置埋深和觀測(cè)極距最大的是延慶站,裝置埋深為150m,觀測(cè)極距為120m。這些觀測(cè)站的井下觀測(cè)的深度探測(cè)范圍明顯小于同場(chǎng)地的地表大極距觀測(cè)。井下觀測(cè)的作用主要還是通過增加觀測(cè)裝置與地表潛在環(huán)境干擾源的距離以削弱其對(duì)觀測(cè)的影響,從而提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,地電阻率相對(duì)變化與介質(zhì)變形之間近似存在Δρa(bǔ)/ρa(bǔ)=FΔV/V的比例關(guān)系。式中,F為介質(zhì)的放大系數(shù),不同介質(zhì)的放大系數(shù)存在數(shù)量級(jí)上的差異(Yamazaki,1966; 趙玉林等,1983)。在地震孕育過程引起相同附加變形的情況下,不同地層條件下的地電阻率觀測(cè)變化幅度將不具有可比性。例如,2008年汶川MS8.0 地震前,成都站和江油站與斷層主破裂區(qū)的距離分別為35km和30km,地震發(fā)生前成都站的下降異常幅度高達(dá)6.7%,而江油站的下降幅度僅為1.5%(杜學(xué)彬,2010)。因此,關(guān)于異常幅度并沒有一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),是否將觀測(cè)數(shù)據(jù)中的一次變化視為異常,主要還是以之前其自身多年的背景變化幅度范圍和形態(tài)特征為參考。除廣東河源站外,當(dāng)前觀測(cè)站網(wǎng)中的井下觀測(cè)站均于2010年后建設(shè),故地電阻率觀測(cè)的震例幾乎完全是地表觀測(cè)所積累的。盡管多數(shù)異常的幅度為1%～3%(杜學(xué)彬,2010),但幅度<1%的異常也較為常見(解滔等,2022a)。在2021—2022年川滇地區(qū)4次MS≥6.0地震前,在扣除年變化之后,紅格站觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常幅度為1%～3%,甘孜站NE測(cè)道的下降幅度為0.5%,而冕寧站主要表現(xiàn)為與往年同期下降變化形態(tài)相反的轉(zhuǎn)折回升變化。這3個(gè)觀測(cè)站于地震前出現(xiàn)的異常幅度并未因采用井下觀測(cè)方式而高于地表觀測(cè)時(shí)的異常幅度。

井下觀測(cè)需要將觀測(cè)裝置埋設(shè)于數(shù)十米至數(shù)百米深度處,故布設(shè)一個(gè)測(cè)道的對(duì)稱四級(jí)裝置就需要鉆取4口井,一個(gè)觀測(cè)站通常需布設(shè)2、3個(gè)水平方向的測(cè)道,即使采用共用供電電極的方式,也需要鉆取7～10口井,工程經(jīng)費(fèi)的投入較地表觀測(cè)時(shí)顯著增加。在電極下放至指定位置之后,需要對(duì)井孔進(jìn)行回填,故工程建設(shè)是一次性的,電極和井下電纜無法更換?？紤]到這些可能存在的問題與風(fēng)險(xiǎn)及之前井下觀測(cè)只積累到一次與地表觀測(cè)時(shí)相似的地震異常,井下地電阻率觀測(cè)還未得到廣泛應(yīng)用。2021—2022年川滇地區(qū)發(fā)生4次MS≥6.0地震前,區(qū)域內(nèi)的3個(gè)井下觀測(cè)站出現(xiàn)了不同程度和形態(tài)的異常變化,且依據(jù)這些異常對(duì)2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了短期預(yù)測(cè),從觀測(cè)實(shí)踐的角度很大程度說明了井下地電阻率觀測(cè)應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)的可行性。由于單個(gè)觀測(cè)站的建設(shè)成本相對(duì)較高,今后在建設(shè)觀測(cè)站時(shí)還是應(yīng)優(yōu)先考慮在人為影響因素較小的地方進(jìn)行地表觀測(cè),采用無人值守的方式運(yùn)維; 在需要建設(shè)觀測(cè)站但存在人為地表電性異常體干擾源的區(qū)域?qū)嵤┚掠^測(cè); 在存在漏電影響的區(qū)域采用低頻交流供電觀測(cè)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

四川地區(qū)的紅格、甘孜、冕寧3個(gè)觀測(cè)站在實(shí)施改造進(jìn)行井下觀測(cè)之后,觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到顯著提升,在2021—2022年川滇地區(qū)4次MS≥6.0地震前先后出現(xiàn)了不同程度和形態(tài)的異常變化。依據(jù)這些異常對(duì)2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了較好的短期預(yù)測(cè),從觀測(cè)實(shí)踐的角度說明井下地電阻率觀測(cè)具備記錄到地震前異常信息的能力。甘孜站于2022年4月出現(xiàn)異常,但未及時(shí)據(jù)此對(duì)2022年6月10日馬爾康MS6.0 地震做出預(yù)測(cè),這也提醒我們?cè)谌粘８櫟倪^程中需要采用多種方法從不同維度對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的弱異常信息進(jìn)行分析。此外,將直線距離約600km的甘孜站和紅格站的異常分開進(jìn)行對(duì)待,導(dǎo)致對(duì)瀘定MS6.8 地震震級(jí)的研判較低、對(duì)地點(diǎn)的研判出現(xiàn)偏差,今后需要從更大區(qū)域的角度開展震例總結(jié)研究和異常之間的聯(lián)合分析。

致謝四川省地震局張永久副局長、甘肅省地震局譚大誠研究員、北京市地震局王同利研究員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)了紅格站的異常核實(shí)工作; 四川省地震局任越霞、何暢、廖曉峰,紅格觀測(cè)站、冕寧觀測(cè)站、甘孜觀測(cè)站的相關(guān)工作人員開展了異常核實(shí)工作。在此一并表示感謝!