地震前昌黎台地电阻率变化特征分析①

周剑青，郭建芳，朱彦珍，佟 鑫，平彩鹏，王秀敏，鞠 永，周 硕

（1.河北省地震局秦皇岛中心台，河北 秦皇岛 066100；2.河北省地震局，河北 石家庄 050021；3.河北省地震局红山基准台，河北 邢台 055350；4.河北省地震局承德中心台，河北 承德 067000）

0 引言

昌黎台始建于1972年，在1975年海城MS7.3地震、1976年唐山MS7.8大震中观测到了突出的地电阻率异常［1］。自1976年唐山大地震以来河北及近区未发生过6级以上地震，仅发生2006年7月4日文安MS5.1地震1次。随着全球地震活动不断增强，2012－2013年上半年华北东部发生了4次5级左右地震，分别为：2012年5月28日唐山MS4.8地震、2013年01月23日辽阳市灯塔MS5.1地震、2013年4月21日黄海海域MS5.0地震、2013年4月22日通辽市科尔沁左翼后旗MS5.4地震。另外自2000年以来中国大陆及周边也发生了几次7级以上甚至8级大震。昌黎台地电阻率在多年记录中出现了不同的异常变化。本文联系上述地震处理分析了1999年以来昌黎台的长程地电阻率观测数据，期望认识昌黎台地电阻率异常变化特点、原因以及该台的地震监测效能。

1 台站概况

昌黎地电台位于燕山山前冲积平原，属华北地台燕山沉降段东段。东侧约110km为郯庐断裂带渤海段，NE走向的宁河—昌黎深断裂位于测区东5 km附近，西侧约20km和65km处为NW走向的滦县—乐亭断裂和NE走向的唐山断裂。第四系覆盖层厚70m，含水层发育，总厚度20～30m，基岩风化厚度8m，下伏基岩为燕山期花岗岩。电性条件属两层电性断面：上覆第四系为低阻层，ρ2大体在几至几百Ω·m；下伏基岩为高阻层，ρ2大体在几千至数万Ω·m。台址勘察时得到该台地下有4个电性结构层，分别是：第一层h1＝6m，ρ1＝45Ω·m；第二层h2＝24m，ρ2＝90Ω·m；第三层h3＝85 m，ρ3＝ 55Ω·m；第四层 h4＝ ∞，ρ4＝ 1300 Ω·m［2］。第一层至第三层属于第四系覆盖层，第四层属于基岩层。由于下面是高阻层，所以地电阻率观测主要受浅层电性层的影响较大。

该台1999年7月起使用数字仪器ZD8B观测替代了人工仪器观测，更改为整点值测量。2个互相垂直测道分别为NS、EW，AB／2＝500m，铅板电极，接地良好，符合地电观测技术规范的要求。外线路原采用钢绞线架设，首都圈改造后采用屏蔽绝缘铜线观测。目前观测精度kσn－1≤0.3%。

台站地势平坦，西侧1.5km有深部承压热矿水，水位和水温高，矿化度大，属CaNa水型，近年来开采较多。西侧、南侧数公里范围内多粉丝厂。测区南环沟常年排放污水。该台数据年变规律明显，属冬高夏低型。数据内在质量可靠，连续率在98%以上。

2 震例选取

本文分析研究地电阻率长趋势异常和短临异常，分别选取远大震和近距离中强震作为分析对象。远距离大震有：2001年11月14日昆仑山口西MS8.1地震（36.20°N，90.90°E），震中距2521km；2004年12月26日苏门答腊 MS8.9地震（3.90°N，95.90°E），震中距4614km；2008年5月12日汶川MS8.0地震（30.95°N，103.40°E），震中距1715 km；2011年3月11日日本 MS9.0地震（38.10°N，142.57°E），震中距2043km。

昌黎台400km以内MS5.0左右地震包括：2006年7月4日文安MS5.1地震（38.90°N，116.25°E），震中距253km；2012年5月28日唐山MS4.8（39.71°N，118.47°E），震中距45km。在撰写本文期间华北东部2013年连续发生了3次5级地震，打破了该区长期5级地震平静态势，故将2013年1月23日辽宁灯塔 MS5.1地震（41.50°N，123.20°E，407km）、2013年4月21日黄海海域MS5.0地震（N35.2°，E124.6°，703km）、2013年4月22日内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗MS5.4地震（N42.9°，E122.4°，456km）一并纳入分析。

3 数据分析

3.1 远距离大震前地电阻率变化

昌黎台地电阻率有非常明显的年变形态，EW和SN测道受雨季降雨影响明显，年变呈现冬高夏低形态，一般最低值出现在7、8月份，最高值出现在2、3月份，两测道年变化幅度约3.6%～7.4%。

图1为昌黎台地电阻率1999年至今的原始日均值曲线。为了连续分析观测数据，对3次存在具体原因的地电阻率台阶变化进行了处理：1999年7月1日由模拟仪器观测改为数字仪器观测，EW测道台阶明显于NS测道；2000年11月14日重新埋设NS测向S－端电极出现下降台阶；2004年4－12月由于距测区NS线路N－供电极100m左右新建一座输电线路铁塔，为避免环境干扰于2005年3月21日－4月3日对NS测线向西北迁移300m，新架设线路后观测数据正常。

图1 昌黎台地电阻率与降雨量对比图Fig.1 The contrast figures of earth resistivity observations with rainfall at Changli station

首先对昌黎台地电阻率年变趋势进行分析。昌黎地电阻率日值突出表现了两种变化特征：其一，两个测道同步存在2次长趋势转折变化，转折点分别为2003年下半年－2004年的年中和2008年下半年－2009年上半年。EW测道2003、2008年具体表现为趋势上升－继续趋势上升（但有整体台阶下降）－趋势下降；NS测道具体表现与EW测道大致类似。其二，两个测道分别存在不同程度的1年尺度异常变化：EW 测道2003年、2008－2009年，NS测道2001年、2003－2004年、2008－2009年，属于破年变异常。

图2为各测道年变幅和年变幅变化量统计结果，年变幅均在2004—2005年开始变小，持续至2008年开始增大，同时NS测道年变幅在2002年凸显偏大，EW测道2010年偏大。年变幅变化量则突出显示了2000年、2010年NS测道偏高，EW测道2008年、2010年明显偏高的特征。

图2 昌黎地电阻率年变幅、年变幅相对变化量Fig.2 The variations and relative change amount of earth resistivity observations at Changli station

对上述第二个变化特征中的NS测道2003－2004年破年变需做一详细解析。经对当时观测环境调查，秦皇岛电力公司着手施工开始于2004年4月，架线始于11月，通电始于12月26日。台站开始迁移线路始于3月21日，结束于4月3日。此时间段该台数据在7月24日曾出现同步下降台阶，经调查是雷击后更换仪器所致。但2003年开始的下降破年变异常尚无环境影响。另外，11月26日－12月27日期间NS测道数据出现趋势下降（图1放大部分），与EW测道变化反相，但2005年1－3月恢复与EW测道相同趋势。如果认为是输电线路影响则难以解释2005年1－3月的数据变化。是否对应12月26日印尼苏门答腊MS8.9地震？经查阅相关文献此次地震对本地区其它观测手段也有影响：昌黎地电场、何家庄动水位（距昌黎地电台约10 km）在11－12月间出现明显异常［2］，何家庄井及河北省多口井中层水温于震前几日出现异常［3］，说明该地震波及的范围已被多种观测手段所证实，故昌黎台此次异常变化属前兆异常的可能性更大。

上述两个特征综合起来与杜学彬等人研究的第Ⅱ类视电阻率异常基本一致［4］，即对应中国大陆和周边的远距离8级左右大震，大陆视电阻率转折／加速变化或1年尺度下降／上升异常明显，并以乌鲁木齐台为例，分析了在1997年西藏玛尼MS7.6、2001年昆仑山口西MS8.1、2003年俄－蒙边界MS7.9大震当年或前一年出现显著的视电阻率长趋势转折异常。2001年11月昆仑山口西MS8.1地震、2004年12月苏门答腊MS8.9地震、2008年5月汶川MS8.0地震也正好发生在昌黎地电阻率趋势转折前后或1年尺度的破年变时间段。2011年3月日本MS9.0地震前1年内虽未出现破年变和趋势转折，但两个测道2010年年变幅变化量在2009～2010年降雨量没有明显变化的情况下均出现明显增大，说明还有其它因素影响。因其观测系统等观测条件未发生改变，对应远距离地震的可能性更大。

为了对降雨影响做深入分析，图2对昌黎地区月降雨量进行对比分析，发现降雨量也存在3个变化阶段：1999～2002年、2003～2009年各处于相对持平阶段，但后期年降雨量明显高于前者，即有阶跃式上升。两个阶段降雨量与地电阻率趋势变化似乎关系不够明显。2010年后降雨量逐年增大，此时地电阻率也呈现逐年下降趋势，负相关性明显。由于昌黎台基岩属于高阻层，在极距只有1000m左右的条件下，电流倾向于分布在覆盖层上，因而浅层介质电性变化易于引起视电阻率变化，降雨量越大电阻率下降越明显。研究表明，降雨对昌黎地电阻率不仅有初始下降影响，而且还有“滞后”效应［6］，滞后时间主要集中在雨后3～6个月的时间内［7］。由此可见，2010年之后地电阻率随降雨量逐年增强而呈现的年变趋势下降符合理论变化。

除了降雨影响，浅层水位变化也是地电阻率观测中不可忽视的影响因素，但浅层水位埋深又同时受降雨和开采的影响，随着工农业采水量的不断加大，其中变数无从查找。作者曾收集昌黎台附近8 km内2口井浅水位资料，水位动态变化约2～7m左右，因受农田灌溉或工厂开采影响较大，与地电阻率相关性不甚理想。但有一点我们可以假设，年降雨量增多，总体上对浅层地下水位的影响可能是升高，因为除了渗透作用还可以缓解灌溉需求。一般情况下地下水位下降通常使地电阻率上升，而对下层电阻率较低的地电断面，地下水位下降才有可能使较大电极距的电阻率测值下降［8］。

3.2 NVRM方法处理

上述长趋势年变转折／加速、破年变现象基本与4个远强震的发生有关，但未体现另外5个近距离中强震的前兆异常。本文利用NVRM方法做中短期异常的提取，看5级左右地震之前是否有异常显示。据杜学彬等［4］，为了把持续一定时间的下降或上升变化用统一的标准度量，把背景变化统一在限差内，把异常统一在限差之外，并保持曲线原有的下降或上升变化形态，以一定的步长对月均值（五日均值、日均值等）曲线计算对时间轴的斜率，并进行归一化或相对变化处理。

曲线斜率：

归一化变化速率：

根据图1两测道数据阶段性变化特征，分3个时间段计算：1999年1月～2003年12月、2004年1月～2009年12月、2010年1月～2013年5月，阈值为±2.58（图3）。经计算，2001年11月昆仑山口西MS8.1地震前NS道提前6个月出现下降异常，EW测道提前22个月出现上升异常；2004年12月苏门答腊MS8.9地震前EW道出现2次异常，分别为震前21个月的上升和震前15个月的下降；2008年5月汶川MS8.0地震前无异常，但震后EW道立刻出现下降异常；随之2009年NS、EW又各自出现2次异常；距2011年3月日本MS9.0地震最长时隔26个月。其它5个5级左右地震前NS道均未出现异常，EW道自2012年下半年开始出现3次异常，分别为2012年7～8月、2012年12月、2013年2～3月，可能对2012年5月28日唐山MS4.8、2013年1月23日辽宁灯塔MS5.1、2013年4月21日黄海海域MS5.0、2013年4月22日内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗MS5.4地震丛集现象有一定反应。5个地震均发生在华北东北部，应该是同一区域地应力结构发生变化的结果。

图3 昌黎台地电阻率归一化变化速率分析Fig.3 Normalized variation rate curves in apparent resistivity of Changli station

3.3 昌黎地电阻率与环渤海地区中等地震活动性的关系

2000年1月1日－2013年5月31日，环渤海地区（37.0°～41.5°N，117.0°～123.0°E）共发生MS4.0以上地震9次（表1），震中距均在350km以内，其中2005－2007年略显平静，2008年后显活跃，且频次和震级2012年居高（图4）。研究表明，2004－2018年可能是新一轮巨大地震强活跃期［9］：1900年以来MS≥8.5以上地震在此时间段出现频次最多；中国大陆MS≥5.0以上地震频次和震级在2008－2010年重现活跃，2013年目前也处于活跃期。华北地区4级以上地震活动与此有共性，且东部环渤海区域活动明显。

图3昌黎地电阻率自2008年后有多次异常，尤其EW道2008－2009年、2012－2013年异常频次明显，NS道2009年异常突出。如果把NVRM方法提取的异常进一步与表1中的9个中等地震对应的话，有5个地震可以提取6个月之内的短临异常（表中黑体字）。EW、NS测道异常并不同步，此类原因多位学者曾分析探讨过［10－12］，在此不赘述。由此表明，利用NVRM方法提取昌黎台地电阻率短临异常预报环渤海区域400km左右的中等地震有60%左右的概率（2013年1月23日辽宁灯塔MS5.1地震考虑在内）。地电阻率异常能反应地壳介质力学状态的变化［5，13］，昌黎台地电阻率2008年以后异常频次的增加反映了台站附近一定区域内地电阻率变化与应变之间的某种内在联系。

4 讨论与结论

图4 2000年1月1日－2013年5月31日环渤海地区MS4.0以上地震M－T图Fig.4 The M－Tdiagram of MS≥4.0earthquakes around Bohai Sea area from January1，2000to May 31，2013

表1 2000年1月1日－2013年5月31日环渤海地区MS4.0以上地震统计Table 1 The MS≥4.0earthquakes around Bohai Sea area from January 1，2000to May 31，2013

引起地电阻率破年变或趋势转折／加速的现象不只被昌黎台地电阻率监测到，地形变资料显示2006年以来华北地区出现较为突出的形变趋势异常，2009年前后部分异常出现加速变化。时间演变特征表现为：郯庐带南段及周边的趋势异常在2009年底先出现转折，张一渤带的趋势异常在2010年下半年开始出现转折，日本9.0级地震前1年左右异常出现时间主要分布在38°～42°N 左右［14］。GPS资料显示日本9.0级地震造成东北地区连续站同震位移较明显，且主要表现为水平同震位移［15］。汶川地震研究表明，2008年华北地区可能存在着不同于背景场的动态变化：东北部地区水平形变场由原来的W向运动变为E向运动；渤海属于裂张型的活动构造，多年来其扩张方向主要以NS向为主，而2008年却显示EW向扩张很突出［16］。昌黎台记录到的2次趋势转折异常和3次破年变异常有较高的可信度，与华北大范围背景下的地壳介质力学状态的变化有一定联系。

经上述分析，本文认为在对应远强震和近距离中等地震时，应该把破年变或趋势转折变化与NVRM方法结合分析比较合理，如果出现畸变、趋势转折异常，很可能与强震有关，且变化速率异常持续时间可能在6～24个月左右，而4、5级地震的能量积累或释放一般不会引起年变畸变或趋势转折变化。

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