甘东南地球物理场异常与夏河MS5.7地震关系分析

苏鹤军,曹玲玲,范 兵,李晨桦,周慧玲,马东正

(1.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州730000；2.中国地震局兰州岩土地震研究所,甘肃 兰州 730000;3.甘肃省地震局,甘肃兰州730000)

0 引言

对震后地球物理场异常特征的研究已有几十年,不论是流体、形变还是地电,都总结出了一系列的异常指标,如流体异常在中短期阶段具有阶段性、加速性及空间分布上的群体性和配套性特征[1],且在异常发展的不同阶段,远源区与近源区异常的演化存在差异[2-3]。近震中区地电阻率异常以负向变化为主,异常出现时间具有时空转移特征[4-5],走滑型地震震中区异常形态成四象限分布[6];牛安福等[7]认为震前形变异常的空区是一种重要的前兆分布现象等。在异常信度的研究上,解滔等[8]和晏锐等[9]对汶川MS8.0地震的地电和流体异常再次进行分析和认定,认为异常信度的分析对认识地震孕育机理具有重要意义。但此项研究在正式出版的刊物上并不多见,这也可能是确定的前兆异常特征重复性差,建立的指标体系预测地震准确率不高的因素之一。

2019年10月28日,甘肃甘南州夏河县发生了MS5.7地震,震源深度10 km,发震断层为临潭—宕昌断裂,该断裂向南逆冲为主,具左旋走滑分量[10]。地震最高烈度为VII度,面积为196 km2,VI度面积为1 395 km2,震害沿临潭—宕昌断裂分布[11]。这是继2013年岷县—漳县MS6.6地震后发生在此断裂的又一次中强地震,且位于2019年度全国地震重点危险区内。目前地震的预测水平还很低,地震发生后对异常的回溯性研究对提高地震预测水平显得尤为必要。

夏河MS5.7地震发生在地球物理定点观测台站分布密集、学科齐全的地区,且2013年岷县—漳县MS6.6地震发生后,对该区域的构造活动和地震孕育机制已有深入的研究[10,12]。本文拟从异常重现性、多学科前兆协调性、异常的时空演化特征及震后异常变化4个方面对夏河地震前出现的异常进行信度分析,并综合计算出各个异常作为夏河地震异常的信度。该研究对有效跟踪地震,提高地震预测水平具有重要的意义。

1 研究区域的选择及异常提取

1.1 研究区域及资料的选择

夏河MS5.7地震发生在临潭—宕昌断裂上,东昆仑断裂向北扩展过程中发育了NW向的迭部—白龙江断裂、光盖山—迭山断裂和临潭—宕昌断裂,逐步过渡到西秦岭北缘断裂,迭部—白龙江断裂和光盖山—迭山断裂构造变形的动力源来自东昆仑断裂的推挤,而临潭—宕昌断裂不仅受到西秦岭北缘断裂的推挤,也受到东昆仑断裂向北推挤的影响[13-14](图1)。基于此构造背景,本文选取甘东南地区西秦岭北缘大断裂(包括北侧附近)和东昆仑大断裂的围限区为研究区域,研究该区域内地球物理定点观测资料在夏河地震前的变化。该区域共有地球物理场定点观测台站16个,台项63个,它们都在距离震中300 km范围之内。选取2017年已经观测、观测环境良好并仪器运行稳定的14个台站47个台项,对观测以来的全部数据进行了分析,需要说明的是,这些台站出现的异常变化都进行了现场核实,特别是水位的变化。

图1 夏河MS5.7地震地质构造背景[15]Fig 1. The Geological structure background of Xiahe MS5.7 earthquake[15]

1.2异常提取方法

定点异常的提取方法很多[16-19],但各种方法都有一定的使用条件,如采样频率、周期性等。本文选取的资料不仅采样频率不同,而且包含了流体、形变和电阻率3大测项,因此很难用一种数学处理方法进行异常提取。而原始观测资料具有明确的物理含义,不同测项都记录观测点周围介质的变化,相互间可以比较,均值计算只是对数据的简单平滑,不改变其物理意义,因此本文采用五日均值法进行异常提取。

1.3 异常提取结果

通过数据分析,共有9个台站18个台项在夏河地震前出现了异常变化,具体台站及变化数据列于表1。其中8个台项为震前跟踪的年度异常(1)2019年度甘肃省地震趋势研究报告[R].2019.,分别为武山22号井水氡、临夏水位、两水水位、武都倾斜、两水应变(NS向、EW向)和天水应变(NS向、NW向)。空间上,异常台站分布在西秦岭北缘断裂两侧和光盖山—迭山断裂东南端(图2),位于西秦岭北缘断裂的异常台项有临夏水位、水温、钻孔应变,刘家峡钻孔应变、天水北道钻孔应变和武山22号井水氡,占该区域总台项数的27.5%。光盖山—迭山断裂东南端5个台站都出现了异常。测项分布上,流体有5个,占流体总台项数的35%;电阻率有2个台站4个台项,占电阻率总台项数的80%;形变异常台项虽然最多,为6个台站9个台项,但占形变总台项数的比例并不高,为33%。异常形态以趋势转折和破年变为主,异常开始时间为震前25个月到5个月。

图2 地球物理定点异常台站空间分布图Fig.2 Spatial distribution of geophysical fixed-point stations with anomalies

表1 地球物理定点观测异常特征统计表Table 1 Anomaly characteristics of geophysical fixed-point observation data

2 异常与地震关系分析

2.1 异常的重现性

位于同一断层且距离较近的地震,当震级相差不大时,在孕育过程中应力场的变化引起的异常应具有相似性特征,因此异常的重现性是判断异常与地震关系的重要指标。2013年7月 22日,在夏河地震的发震断层上发生了岷县—漳县MS6.6地震,两次地震震中相距160 km,震级相差0.9。在岷县—漳县地震前已观测且在夏河地震前出现异常的台站有7个,除临夏深层水温之外,其他都在岷县—漳县地震前出现了异常(图3)。

图3 岷县漳县MS6.6和夏河MS5.7地震前异常曲线Fig.3 Anomalious curves before Minxian-Zhangxian MS6.6 and Xiahe MS5.7 earthquakes

两次地震前,临夏水位和两水水位都呈现为上升→下降→发震→恢复变化;樊坝水位都呈现为上升→发震→恢复变化;临夏应变NS向都为低值变化,异常期间发震;宕昌倾斜EW向异常开始都为加速东倾,转折加速西倾后发生地震;武山22号井水氡2次地震前异常略有差别,岷县—漳县地震表现为下降→快速上升→转平→地震;而夏河地震前表现为下降→转平→地震,但都出现了下降→转折变化。因此,根据异常重现性特征,临夏水位、两水水位、樊坝水位、临夏应变NS分量和宕昌倾斜EW分量异常变化作为夏河地震的前兆异常信度最高,其次为武山22号井水氡,临夏水温最低。

2.2 多学科异常协调性特征

相同地质环境和构造背景下的地球物理场定点观测,多学科异常演化上具有协调性特征[15]。本文提取出的异常台站集中分布在两个地区,一个为西秦岭北缘断裂带两侧,一个为光盖山—迭山断裂带东南端(图2),且都包含流体、形变和地电阻率测项。

2.2.1 西秦岭北缘断裂

位于西秦岭北缘断裂两侧的异常台站有4个,分别为临夏台、刘家峡台、武山台和天水北道台,其中临夏台为多学科综合测点。除武山台位于断裂南侧外,其他都位于断裂北侧,临夏台和刘家峡台相距12.8 km,另外2个台相距较远且分散(图2)。临夏测点的5项异常,除电阻率为布极测量外,流体和形变测点相距仅几米。

从表1可看出,异常时间协调性变化上,临夏水位、水温和钻孔应变NS向异常出现的时间完全同步,都为2017年10月,并且当水位和应变2018年10月同步出现转折时,电阻率两个测向出现了异常。刘家峡钻孔应变异常的出现时间与距离最近的临夏测点并不同步,但与武山水氡异常的转折时间同步。天水钻孔应变异常出现在2019年5月,同期没有异常出现或转折。

异常变化形态上,最早出现异常的临夏测点(由于武山22号井水氡异常开始时间存在环境的干扰,再此不做分析),钻孔应变NS向为低值变化,同期水位在平稳变化的背景下快速上升,水温上升速率变缓。即在台站NS向受压的状态下,赋存流体的孔隙压力增加,水位出现上升变化。由于该观测井为正温度梯度,水温上升速度减缓,表明使水位上升的主要地下水来源于水温观测层之上。当应变NS向下降到最低至缓慢恢复时,受力状态由受压趋向拉张,水位虽然仍偏高,但出现了转折下降变化,同期电阻率在下降的背景上出现了转折。即在台站NS向拉张状态下,孔隙压力下降,水位下降,电阻率观测层含水率降低,电阻率在下降的背景下转平。刘家峡钻孔应变,虽然同期临夏测点没有异常出现或转折,但NS和NE向出现了各向异性变化,且与临夏钻孔应变NS向反映的应力状态一致。天水钻孔应变NS和NW向都为破年变高值异常,其中NS向与临夏和刘家峡钻孔应变NS向反映的受力方向一致。

因此,临夏水位和钻孔应变NS向异常不仅在时间上具有很好的协调性,而且具有阶段性配套性特征,都反映的是区域应力的变化,异常信度最高。临夏电阻率、临夏水温、刘家峡钻孔应变和武山22号井水氡异常虽然在时间演化上,都有与之对应的异常测项,且可以用应力变化解释异常形态的变化,但异常演化上没有阶段性特征,异常信度较低。天水钻孔应变异常演化上与其他异常在时间上不具有协调性,也没有配套性,信度最低。

2.2.2 光盖山—迭山断裂

光盖山—迭山断裂有5个台站出现异常,其中位于断裂东南端的4个台站分布在方圆14 km范围内,分别为武都(倾斜)、樊坝(水位)、两水(水位和应变)以及汉王(电阻率)台,宕昌(倾斜)台位于光盖山—迭山断裂北东侧且更靠近临潭—宕昌断裂,与其他4个台站集中区相距78 km(图2)。

两水为多测项测点,其水位和钻孔应变EW向在2017年9月同步出现异常,同期,樊坝水位和武都水管倾斜NS向也出现了异常变化,异常都表现为上升。2018年8—10月,当两水水位由上升转为恢复性下降时,宕昌倾斜EW向出现了东倾异常,两水钻孔应变NS向由上升转平。2019年1—3月出现了成组转折的协调性变化,包括汉王电阻率、两水钻孔应变EW向和武都水管NS向都转为恢复性的下降。汉王电阻异常的开始时间与其他测项不具有协调性,宕昌倾斜EW向异常转折时间最晚,为震前5个月,同期也没有其他异常开始或转折(表1和图5)。

因此,两水水位、两水钻孔应变EW向和武都水管倾斜NS向异常不仅在时间演化上具有协调性,并且具有配套性,因此它们的信度最高。樊坝水位,两水钻孔NS向异常虽然在时间上具有协调性特征,但并没有配套性。汉王电阻率NS向和EW向以及宕昌倾斜EW向异常出现了配套性,但异常出现时间或转折时间与其他测项不协调,因此它们的信度较低。

2.3 地球物理场定点异常时空演化

异常集中区多学科异常的协调性变化特征是判断异常信度的主要依据之一,但作为地震异常,整个孕震区域的异常在时空演化上也相互关联且协调一致。

时间演化上(图6),除汉王电阻率和天水应变异常的开始时间以及宕昌倾斜异常的转折时间比较离散之外,其他异常演化共经历了3个时段:第一时段为震前27～25个月(2017年7—9月),为异常开始的时间,这与《中国震例》(2011—2012)[20]记载的3次MS5.7～5.8地震异常的开始时间是一致的;第二时段为震前14～11个月(2018年8—11月),包括了异常的开始和转折;第三阶段为震前9—7个月(2019年1—3月),主要为异常的转折。异常演化的3个阶段正好对应了地震孕育的3个阶段。

图6 异常时空演化图Fig.6 Temporal and spatial evolution of anomalies

空间演化上,不论哪个阶段出现或转折的异常,都分布在整个研究区域(图6),没有明显的时空转移特征,这与《中国震例》中总结的相当震级的震例是一致的。

异常形态上,除水位为高值异常外,位于临夏地区的其他测点,主要表现为低值异常,而位于武都地区的测点,主要表现为高值异常,不同区域出现了各向异性变化。杜学彬等[21]研究发现电阻率异常呈现出与震源机制解最大应力轴方位有关的各向异性变化。野外试验证实压应力加载过程中压应力方向电阻率呈下降变化,剪应力方向电阻率呈上升变化[4-5,22],并且电阻率的变化不仅与孔隙饱水量有关,也与裂隙的扩展有关[23]。根据震源机制解,夏河地震的主压应力方向为N248°E,表明临夏地区位于主压应力区,武都地区位于剪切应力区域(图2)。异常方向性上,临夏地区的大多为NS向异常,而武都地区大多为EW向异常,这与台站相对于震中的方位是一致的。因此两个区域异常形态的差异性变化正好反映了孕震过程中的异常变化的象限性分布特征。

因此,根据异常时空演化协调性特征,作为夏河地震的前兆异常,天水钻孔应变信度最低,其次为汉王电阻率和宕昌倾斜,其他异常信度都比较高。

2.4 震后异常变化分析

震后异常是否恢复是判断异常与地震关系的重要依据,从图4和图5可以看出,至2020年4月底,18项异常中,12项已经恢复或在恢复中,6项异常持续震前的状态,持续异常为临夏电阻率NS、EW向,临夏水温,武山水氡及刘家峡钻孔应变NS、NE向。空间上,异常持续的台站全部位于西秦岭北缘断裂两侧,并且距离震中最近的2个台站的7项异常只有临夏水位和临夏钻孔应变NS向2项异常恢复。因此,除震后未出现恢复迹象的这6项异常信度比较低之外,其他的信度相当,都比较高。

图4 西秦岭北缘断裂地球物理定点异常曲线Fig.4 Anomaly curves of geophysical fixed points along the northern margin fault of West Qinling

3 地球物理定点观测异常信度合成及结果分析

首先将各种判断方法划分的异常信度从高到低依次记为1、2、3,再对各种异常信度划分方法赋予一定的权重,由于重复性和震后变化作为判断地震异常的依据可靠性更高,因此给它们都赋予0.3的权重,而其他2种方法赋予0.2的权重。同一方法下,1的信度为80%,2的信度为60%,3的信度为40%。由于大部分异常台站2013年岷县—漳县地震前没开始观测,根据概率法,这些台站异常重复性上信度都定为50%。根据赋值利用式(1)计算出各个异常的综合信度值。

异常综合信度=∑(信度×权重)

(1)

表2显示,18项异常的信度都在50%以上,表明该批异常作为夏河地震的前兆异常基本可信。其中异常信度最高的是临夏水位、临夏钻孔应变NS向和两水水位,信度达到了80%,其次为两水钻孔应变EW向、宕昌钻孔应变EW、武都水管倾斜NS向和樊坝水位,异常信度都在70%以上,异常信度最低的为临夏水温和天水钻孔应变,信度在55%以下。2019年度跟踪的8项异常中5项的信度在70%以上。

表2 异常信度合成结果Table 2 The reliability values of anomalies

从空间分布来看,位于西秦岭北缘断裂带两侧的异常信度大多低于光盖山—迭山断裂附近的,特别是距离震中最近的临夏和刘家峡台站的7项异常中,5项异常的信度最高才61%,距离较远的武都地区的异常62.5%的异常信度在70%以上。从图1可以看出,光盖山—迭山断裂和发震断裂为东昆仑断裂向北扩展过程形成的几乎平行的两条断裂,东昆仑断裂向北挤压和向东的运动是该区域构造应力集中的主要原因,也是该区中强地震的主要孕震环境和机制[15],由此可见光盖山—迭山断裂与地震孕育的关系更为紧密。另外信度低的异常在西秦岭北缘大断裂北侧,而地震发生在断裂南侧,是否存在大断裂的阻隔作用还需另行分析。

4 结论

对位于甘东南地区,且在西秦岭北缘和东昆仑断裂之间的地球物理定点测点16个台站63个台项进行了全时空分析,震前9个台站18个台项出现异常变化,通过异常的重复性、多学科前兆协调性、异常时空演化及震后异常变化等4个方面进行了分析,根据分析结果计算了各个异常的信度。

(1)异常重复性上,临夏水位、两水水位、樊坝水位、临夏应变NS分量,宕昌倾斜EW分量异常作为前兆异常信度最高,其次为武山22号井水氡,临夏水温最低。

(2)多学科前兆协调性上,临夏水位、临夏钻孔应变NS向、两水水位、两水钻孔应变EW向、武都水管倾斜NS向和作为前兆异常信度最高,临夏电阻率、临夏水温、刘家峡钻孔应变和武山22号井水氡、樊坝水位,两水钻孔NS向、宕昌倾斜EW向及汉王电阻率NS向和EW向异常相对较低,天水钻孔应变信度最低。

(3)异常时空演化上,天水钻孔应变信度最低,其次为汉王电阻率和宕昌倾斜,其他异常信度都比较高。

(4)震后异常变化上,震后半年,与震中构造更加密切的光盖山—迭山断裂东南端的异常完全恢复,距离震中较近的临夏和刘家峡异常大多未恢复。

(5)异常信度合成结果显示,本文提取出的异常信度都在50%以上,表明这些异常作为夏河地震的异常基本可信,但信度上存在差别,天水钻孔和临夏水温信度最低,低于55%,临夏水位、两水水位和临夏钻孔NS向信度最高,达到了80%。从学科来看,流体类异常信度较高,其次为形变类;从空间上来看,信度较低的异常台站位于西秦岭北缘断裂北侧,特别是距离震中最近临夏和刘家峡地区,这与区域构造应力的集中有关,是否还存在深大断裂的阻隔作用还需以后深入分析。该研究结果也证实离开构造背景仅从几何距离确定地震异常的范围存在着不合理性。