地球物理勘探方法在地震前兆监测中的应用

2016-04-14王静张磊李东

地球 2016年2期

关键词：前兆重力勘探

■王静张磊李东

（1山东省地震工程研究院山东济南250021；2天津市地震局天津300201；3山东电力工程咨询院有限公司山东济南250013）

地球物理勘探方法在地震前兆监测中的应用

■王静1张磊2李东3

（1山东省地震工程研究院山东济南250021；2天津市地震局天津300201；3山东电力工程咨询院有限公司山东济南250013）

地震孕育到发生是一个复杂的过程，它的孕育和发生会引起地球物理场和化学场的变化。地球物理探测技术从物理学的原理出发，利用岩石的物理性质的差异，观测和研究地球物理场的空间和时间分布规律，这同时为地震监测提供了观测手段和方法。地震系统通过利用地球物理方法探测重力场、地电场、地磁场的变化，来分析地球物理场的时空变化，开展地震前兆观测与预测研究工作。

地震重力场地电场地磁场

0　引言

我国位于亚欧板块的东南部，处于印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的夹持之中，受印度板块的挤压作用和太平洋板块俯冲作用的影响，晚第四纪和现代构造活动强烈，地震灾害频发。

地震预报作为一门以观测为基础的交叉学科，我国的地震预报工作始于1966年邢台6.8级地震后，经过多年的探索和实践，我国的地震预报工作取得了一定的进展，形成了“长-中-短-临”科学的地震预测思路，并对地震成因、孕震过程以及前兆异常机理也开展了不断的探索研究工作。从1975年海城7.3级地震到1999年辽宁岫岩5.4级等地震前都取得了具有减灾失效的短临预报[1]。研究表明[2-4]，这些地震震前不仅表现出了地震活动的异常和宏观异常现象，同时还表现出了丰富的地震前兆异常。因此，加强地震前兆观测与研究工作尤为重要。地球物理探测技术利用不同物质在密度、弹性、电性、磁性、放射性以及导热性等方面的差异，探测地球物理场的局部变化，这为地震前兆观测提供了技术依据。

1　地球物理勘探技术方法

地球物理场是指存在于地球周围（或内部）的具有物理作用的空间，包括天然存在的地球物理场和人工激发的地球物理场。地球物理学用物理学的原理和方法，对地球的各种物理场分布及其变化进行观测，探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。并在此基础上为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。地球物理勘探是利用地球物理的原理，根据各种岩石之间的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异，选用不同的物理方法和物探仪器，测量工程区的地球物理场的变化，以了解其水文地质和工程地质条件的勘探和测试方法。

按照所应用的物理性质可将地球物理勘探方法分为：重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探和地温测量。

2　地震前兆监测中的应用

地球物理探测技术从物理学的原理出发，利用岩石的物理性质的差异，观测和研究地球物理场的空间和时间分布规律，这同时为地震监测提供了观测手段和方法。我国经过“九五”、“十五”、“十一五”的建设先后建成了具有一定规模的数字地震前兆观测网络，为地震预测研究工作提供了丰富的基础数据资料。

2.1重力勘探方法应用

地壳厚度的差异、地壳密度的变化和地壳深部物质的迁移等构造活动信息都可以由重力场的变化反映出来。因此，重力场的时空动态演化特征可以作为研究现今地壳构造与地震孕育发生相互关联提供一定的根据。在2001年昆仑山口8.1级地震前后也观测到了明显的重力变化[5,6]。重力异常与地震的关系研究表明，重力异常能够反映强震孕育的中长期背景。

地震前兆观测中通过定点重力和流动重力测量方法，获取连续的定点观测数据或者区域性的重力异常数据来研究与地震有关的重力异常信息。我国自20世纪60年代邢台地震后开始流动重力测量，到80、90年代得到了发展。我国的地震重力监测网或线每年观测一至四期不等，大多进行了20-30年的重复测量。在滇西实验场和京津唐等地区建成了包括绝对重力测定、微重力测量和重力垂直梯度测量的重力试验观测网，构成了我国主要的重力试验观测基地，并且还陆续建立了多个用于仪器标定的国家长基线、短基线和垂直重力基线等高精度的重力测量基线[7]。这为开展重力测量方法进行地震预测研究工作积累了丰富的数据。

2.2电法勘探应用

电法勘探方法通常包括电阻率法、充电法、激发极化法、大地电磁测深法以及电磁感应法等。在地震前兆观测中主要是在某一台站开展定点的、连续的大地电场和地电阻率观测。许多震例研究表明，震前会出现电磁异常。关于震前产生电磁异常的机理主要有：压电效应、热电效应、电动效应、岩石摩擦和岩石破裂产生电磁辐射。

我国开展大地电场观测最早始于20世纪60年代，经过“九五”、“十五”建设，目前国内大陆已建成由108个地电场观测台站，地电阻率观测台站75个。

2.3磁法勘探应用

地磁场同地电场和重力场一样，是地球三大地球物理场之一。它携带着地球内部和外部空间的丰富信息[8]。地震前兆观测中，地磁观测包括绝对地磁观测和相对地磁观测。震例研究表明，1975年海城地震前大连地磁测点地磁垂直分量出现异常【9】；1976年唐山地震前京津唐地区的一些台站和测点地磁垂直分量出现明显异常，并且空间均集中在唐山、昌黎一带，尤其是1975年12月以后垂直分量持续下降【10】。我国地磁观测工作已有100多年的历史，1966年邢台地震后我国科技工作者正式开始了震磁关系的研究。目前，我国拥有覆盖124个台站的150套数字化网络化地磁相对观测仪器台站和42个绝对观测台站[11]。

2.4放射性勘探与地温勘探应用

放射性勘探与地温勘探在地震前兆观测中的应用主要体现在水化学放射性元素氡含量的测定和地下流体水温测量方面。实验证明，氡反应灵敏，当受到外界的压力、振动等作用时，氡容易从其赋存的介质中逃逸出来。因此，当地下应力发生变化时，地下水中的氡浓度会出现不同程度的变化[12]。

地下水温度是描述地下水物理性质的重要参数。一方面，地壳表层接收太阳辐射增温，可以通过热传导使地下水升温；另一方面地壳内部的热能也是地下水温度升高的热能来源。地下水位温度通过热传导和热对流方式来改变。2002年4月22日河北4.8级地震前河北赤城水温自3月25日改变缓慢下降的趋势出现形态持续上升的短临异常变化，北京昌平大宫门井3 月22 日水温突降，天津张道口井3月17日出现在缓慢下降背景下转为上升的过程，之后恢复下降的短临异常[13]。

3　总结与展望

地球物理探测技术利用岩石的物理性质的差异，从物理学的原理出发，观测和研究地球物理场的空间和时间分布规律，为开展地震监测预报研究工作提供了技术手段。地球物理勘探方法多用于地质调查，矿产、油气等资源勘查，构造研究及解决一些工程地质问题，观测过程中一般针对某一区域，空间分辨率相对较高，地震前兆观测是对地球物理勘探方法的继承和发展，依据地震前兆台网的布局，多开展定点、连续观测（一般达到分钟采样甚至秒采样）或定期的重复观测，通过长时间跟踪数据的变化，研究可能与地震有关的前兆异常现象。

地震从孕育到发生，是应力不断积累的过程，在这个过程当中会引起重力场、地电场、地磁场和地球化学场的变化。通过利用地球物理勘探方法，观测定点重力、流动重力、地电场、地电阻率、地磁场以及水温、水化学变化，为地震预测研究工作提供了丰富的数据，为深入开展地震前兆异常以及机理研究奠定了坚实的基础。另外，地震勘探在地震活断层探测方面也发挥了重要的作用，为地震发震构造和活动构造研究提供了重要的技术手段。GPS、卫星遥感技术这些空间对地观测技术的发展，丰富了地球物理勘探的手段，使得快速、周期性、大范围地获取重力场、电磁场以及地温场信息成为可能，这同样也为地震监测和预测研究提供了新的数据源。

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