2018年松原M5.7地震前地电阻率变化特征研究

高 研，李 飞， 史红军

（1.绥化地震台，黑龙江 绥化 152000；2.新沂地震台，江苏 新沂 221400；3.榆树地震台，吉林 榆树 130400）

0 引言

作为地震监测的一种观测手段，地电阻率由于其物理意义明确，观测对象清楚，观测中出现的干扰因素也能够识别并加以排除；因此，我国自1967年就开展了地电阻率观测。随着高精度、高稳定性的地电仪投入使用，以及地震工作者的积极探索与研究，目前地电阻率观测在映震异常上取得了一定的成果。但地震短临或临震预报仍然困难，还需对观测资料进行不断的总结与分析。

2018年5月28日在吉林省松原市宁江区发生了 M5.7 级地震 （124°43′E、45°16′N），此次地震的发震构造靠近扶余北断裂，震源深度为13 km。这是 2013年 10—12月吉林前郭M5.8级震群之后本区一次震级接近的地震，也是2017年7月23日松原M4.9级地震之后的一次中强震。在震前，相关台站未曾提出明确的预测意见。本文运用年变形态、速率法、各向异性度等方法对震中300 km范围内的吉林省四平台、榆树台、黑龙江省绥化台地电阻率资料进行异常提取并进行对比分析，期望能够得到明显的映震异常，进而提高台站对资料的认知与判断水平。

1 台站概况

四平台位于吉林省中南部四平市，地处松辽平原西缘，测区附近有北东向四平—长春断裂和北西向团子山—白山断裂，测区内第四纪盖层约20 m，下伏白垩系基岩，海拔约196 m。榆树台位于吉林省北部榆树市，地处松辽平原东部隆起区，测区附近有北东向四平—长春、伊通—舒兰两个深大断裂带和北西向卡岔河断裂，测区内第四纪盖层约40 m，下伏白垩系基岩，海拔约182 m。绥化台位于黑龙江省绥化市，地处松辽平原北缘，测区附近有呼兰河断裂带、扶余—肇东—绥化—逊克断裂带，测区内第四纪盖层约10m，下伏白垩系基岩，海拔约179m。三台的地质构造、台站、震中的具体位置与各台震中距如图1所示。三台观测系统的基本情况如表1所述，三台测线的布设方位不同，符合DB/T18.1-2006关于台站建设的技术要求[1]。

表1 台站基本情况

图1 台站地质构造图Fig.1 The geological structure of the seismic stations

2 资料分析

2.1 年变分析

在地电阻率时间序列上识别年变、形态、相位变化是探索地震前兆异常的一种常用的分析方法。年变畸变类型的归类为一项三类：年变幅度增大型、年变幅度减小或消失型、年变畸变混合型[2]。从图2可以看出三台地电阻率的年变特征规律（为避免2013年10月吉林前郭震群影响，资料选取自2014年开始，下同）：从年变化趋势上，各台出现异常的时间不同（见图中的辅助趋势线），总体上呈现出1～2年左右时间的中期异常；同台不同测向存在差异，不同台之间也存在差异。从年变化幅度上，各台之间差异也较为明显，具体情况如表2所示。

总体上，三台地电阻率年变幅度、形态、相位变化存在各向异性；年变曲线呈现出震中距越近发生转折的时间越早，（近）平行震中方向的地电阻率年变转折较早，（近）垂直与震中年变转折较晚；只有绥化台2个测向发生转折的日期基本一致。四平台与榆树台地电阻率的变化幅度、转折变化速率都很小，基本不超过1%，维持在0.5%左右，但四平台在转折后年变幅度明显大于正常年份（图2与表1）、榆树台年变发生转折的现象十分明显（图2）；绥化台地电阻率在转折后年变幅度大于转折前。在本文分析时段，各台观测系统稳定、观测场地未见干扰。查阅当地降雨资料（各台无降雨量资料），各台年降雨量略微呈现出逐年递增的趋势，各台地电阻率在年变发生转折前，地电阻率的年变趋势是随着年降雨量的增加而呈现出逐年略微下降的趋势，说明各台地电阻率存在降雨影响的现象。如果资料在地电阻率年变发生转折后仍存在降雨影响，各台地电阻率应延续2014—2015年的年变趋势，而不会出现图2所示的年变趋势。

表2 各台年变幅度与年变特征

图2 地电阻率日均值曲线（2004.01-2018.06）Fig.2 Daily mean value curves of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

此外，榆树台地电阻率在2017年7月23日松原M4.9级地震前（距榆树台150 km）表现出一定的中短期异常：N45°E测向和N45°W测向分别于2016年12月28日—2017年3月27日、2016年11月15日—2017年3月17日左右出现高值方波变化；N45°E测向的变化较N45°W测向明显，但变化量都较小。

2.2 归一化速率分析

归一化速率法是提取地电阻率中短期至短临异常的一种分析方法。其关键归结为分析曲线变化速率的大小及其正（上升）、负（下降）变化的形态，并统一异常指标（阈值）；因此其单位是无量纲的。只要被分析的数据时段固定，就可避免人为研判正常与异常的不确定性，且实际应用证明该方法用于月均值数据分析1年尺度中短期异常的分辨力较高[3]。

图3为三台地电阻率月均值归一化速率变化曲线，由图可见各台在震前都存在明显的异常：对于四平台N40°E向，2017年3—5月出现负异常后转折上升，2017年8—10月出现正异常后转折下降，于2018年4、5月间出现接近负的短临异常，转折上升后即发震。对于四平台N50°W向，2017年9—11月出现负异常后转折上升，于2018年4—5月出现接近正的短临异常，转折下降后即发震。对于榆树台N45°E向，2017年8月出现低值后转折上升，于2018年2—3月出现负的短期异常，转折下降后即发震。对于榆树台N45°W向，2016年1—5月出现负的中长期异常后转折上升，于2018年2—6月出现正的短临异常，在阈值线附近发震。对于绥化台NS向，2017年3—5月出现正异常后转折下降，2017年7—8月出现负异常后转折上升走平，半年多后发震。对于绥化台EW向，2017年2—5月出现正异常后转折下降，于2017年10—11月出现接近负的短临异常，之后缓慢上升，7个月后发震。

三台不同测向的原始曲线（月均值类似与分钟值，图略）年变幅度较小，四平台、榆树台基本为0.5%左右，绥化台为2.0%左右；但归一化速率法异常较为明显。由于各台都夹杂着2017年7月23日松原M4.9级地震的前兆异常信息，增加了对资料研判的难度。此外还可以看出地震基本发生在归一化速率曲线出现正异常（或接近正异常）之后，当出现正异常时，一般震级偏小，不超过6级。同时通过对比，此次地震前后，榆树台、四平台地电阻率速率法的异常形态与以往震例研究的异常形态略有不同，这与各自研究时段的年变规律存在差异有关[4]。

图3 地电阻率归一化变化速率曲线（2004.01-2018.06）Fig.3 Curves of normalized variation rates of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

2.3 各向异性度分析

为表征孕震过程中地电阻率各向异性变化特征，在通常情况下S为常数值，若两个方向上观测值相差增大，说明介质的各向异性增大；反之，说明各向异性减弱[5]。即S值的大小及变化表征了孕震岩石介质各向异性的强弱变化，或岩石破裂程度的变化；其实质还是反应了映震构造应力场的动态。本文的各向异性度S值采用各台正交地电阻率月均值计算而来。图4为各台地电阻率各向异性度S值曲线，从图可以看出各台各向异性度特征：四平台在2016年5—6月为最低值，之后呈现出“上升—下降—再上升—再下降”的变化形态，于2018年1月出现-77的极大值，之后下降，在下降的过程中发震。从出现最低值到发震，经历了近2年的时间。榆树台在2015年6月为最低值，之后呈现出“上升—下降”的变化形态，于2018年1月出现-17的极大值，之后下降，在下降的过程中发震。从出现最低值到发震，经历了近3年的时间。绥化台在2017年7月为最低值，之后呈现出“上升—下降”的变化形态，于2018年2—3月出现-53的极大值，之后下降，在下降的过程中发地震。从出现最低值到发震，经历了近11个月的时间。由此看出，三台的地电阻率各向异性总体呈现出先上升后下降的正脉冲型异常形态；但三台之间的变化形态存在差异性，其中四平台和绥化台较为相近，榆树台与其它两台之间的差异性较大。此外还可以看出发震时间距S值出现正脉冲型异常的时间不同。同归一化速率曲线相似，三台各向异性度曲线都夹杂着2017年7月23日松原M4.9级地震的前兆异常信息。通过对比，此次地震前，榆树台、四平台地电阻率各向异性的异常形态与以往震例研究的异常形态存在一定差异，这亦与各自研究时段的年变规律存在差异有关。

图4 地电阻率各向异性度曲线（2004.01-2018.06）Fig.4 Curves of anisotropic degree of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

3 讨论与结论

根据以往几次松原周边中强震的震源机制解：几次中强地震均呈现逆断层兼少量走滑性质，其中NW走向的节面Ⅰ为几次中强地震序列的断层面，发震断层的优势走向集中在320°左右[6]。根据中国大陆及周边GPS的观测数据显示，东北块体的主压应力方位角是N73.9°～N75.9°E，为近EW方向；沿 45.0°N纬度线，从110°E到135°E的区域范围中，随着太平洋板块向欧亚板块俯冲边界的靠近，主压应变率自西向东逐渐增大[7]。此次M5.7级地震处于松原盆地老震区，其发震断层的优势走向与以往中强震未发生明显变化、主压应力仍以近EW向的挤压为主。结合各台与震中的空间相对位置的关系（图1），三台地电阻率的变化可能受控于以上因素，这是致使不同台站的年变曲线、各向异性度曲线、归一化速率曲线呈现出不同变化的主因。

同时通过前文可知：各台的地质构造存在差异，各台所处断裂不同。榆树台存在NW向断裂，四平台存在NE向断裂，两断裂都与此次地震的发震构造存在一定的关联性；使与震中方向近平行测向的地电阻率发生了较明显的变化，即存在“传递通道”的放大作用。此次地震的发震构造靠近扶余北断裂，根据相关的地质调查：EW向扶余北断裂与NE向的扶余—肇东断裂关系密切，其深部存在相连的可能性[8]。而绥化台就坐落在扶余-肇东断裂附近，这是造成绥化台即使震中距相对较远（Δ=270 km），但异常也较为明显的原因。由于各台地质构造存在差异性、所处断裂不同、所处断裂与发震构造的关联性不同，这是造成不同台之间、不同测向之间、不同分析方法之间出现差异性的另一个原因。

产生差异性的另一个原因可能是受到2017年7月23日M4.9级地震的影响：由于两次地震震中相距150 km左右，发震构造不同，各台的震中距等诸多因素各不相同，对各台地电阻率（包括不同测向）产生的影响量也各不相同。

分析表明，不同台站之间、不同测向之间、不同分析方法的差异性符合与主压应力方向正交（或近于正交）测向的地电阻率变化的速率大于平行（或近于平行）主应力方向的变化速率；也符合震源区周围地电阻率中期、短临异常空间不均匀分布的根本原因是断层构造以及不同震源机制引起的地下介质变形的不均匀性[9]。通过三台地电阻率各向异性度S值计算的结果表明，在震前ρNS（或ρNE）变化速率大于ρEW（或ρNW）的变化速率的现象与相关专家[10-14]的研究结果相符：各向异性度曲线在震前都出现正异常，地震发生时S值的变化基本都处于高值出现的附近或之后一段时间。从地电阻率各向异性度分析，本区的主压应力方向为EW向或近于EW向。对于各台速率曲线基本呈现出 “先期下降—转折上升—出现正异常—转折下降—发震”的现象。此外也可以看出本研究结果对本区以往震例研究结果有相似之处，但异常形态存在差异，这与不同研究时段的年变规律存在不同有关。

因此，通过以上研究，得出如下结论：

（1）三台不同测向地电阻率的年变一般是在震前1～2年出现中期异常，归一化速率、各向异性度在震前都存在较为明显的中、短期异常，其中四平台N50°E向、榆树台N45°W向归一化速率出现了短临异常，表明此分析方法捕捉异常灵敏度较高；但此次地震未见明显的临震异常。

（2）各台之间、不同测向之间存在差异性，产生差异性的原因是各台地下介质均匀度、地质构造差异性、主压应力方向、发震构造与破裂方向、所处断裂与发震构造的关联性、台站与震中的相对位置等不同因素的综合效应。

（3）三台的三种分析方法都呈现出异常变化，其中三台归一化速率的异常都较为明显，四平台、绥化台各向异性度的异常较为明显，榆树台略差；三台年变化虽然都呈现出异常变化，但出现的早晚不尽相同，并且四平台、绥化台不同测向之间也存在差异；说明三种分析方法在不同台站的异常显示度存在差异，同时也说明了地电阻率异常的产生过程存在复杂性。因此，在分析过程中，一定要进行多台、多种分析方法相结合，才可能有利于震兆异常的提取与判定；同时也要结合各台的地质构造、区域应力场及发震前应力变化等情况。