基于归一化月速率法的甘肃四0四地震台地电阻率异常分析

2022-03-28张彩艳薛汶汶张贵文

山西地震 2022年1期

张彩艳，闫勋，薛汶汶，张贵文，周颖

(甘肃省地震局嘉峪关地震监测中心站，甘肃嘉峪关 735100)

0 引言

地电阻率是具有明确物理含义、直接反映介质属性的物理量。现有观测系统能获得稳定、可靠、连续的有效反映地下介质电阻率变化的观测数据，其异常机理清晰，是较成熟的基于物理理论的一种地震预报分析方法。在长期的地震地电观测中，已积累丰富的地电阻率观测资料,获取大量有价值的地电阻率震例异常变化。传统、常规处理地电阻率观测数据的方法在分析异常时，需判定正常变化基值，再根据基值识别地电阻率下降、上升等变化。因背景变化较复杂，判定基值难，人工判断下降、上升等变化存在随意性；再者，不同台站甚至同一台站的不同测道其介质构造条件不同，观测物理量对同一量级的介质物理条件变化反应不同，背景变化和异常幅度均有较大差异，较难用统一的异常识别标准来判定异常。归一化变化速率法能避免在判定正常背景变化基值和上升、下降异常时的难度和随意性，同时，保留原有曲线的下降、上升等异常变化形态，减少识别异常的不确定性。

甘肃四0四地震台(以下简称四0四台)地处阿尔金断裂带北侧边缘，应用该台2014年以来的地电阻率观测数据，采用归一化月速率法提取祁连山北西向构造带、阿尔金断裂带、北西西向的广义海原断裂及近东西向的东昆仑断裂带12次MS3.6以上地震(中文提到的震级均为MS)前的异常信息(见图1和第37页图2)，对其特征进行分析，研究结果可为今后该台周围发生的中强地震短临预报提供一定判据。

图1 甘肃四0四台周围断裂分布图Fig.1 Distribution map of faults around Gansu 404 Seismic Station

图2 四0四台周围地震震中分布及地电阻率观测布极图Fig.2 Epicenter distribution of earthquakes around Gansu 404 Seismic Station and observation polar map of earth resistivity

1 四0四台观测概况

四0四台位于甘肃省河西走廊中部，区域构造上处于祁连山北西向构造带、阿尔金断裂带、北西西向的广义海原断裂及近东西向的东昆仑断裂带3条大型边界断裂带上。布极区附近有活动断裂通过，台址附近地表主要为第四系冲洪积砾石层、各类砂层等。2013年8月，甘肃省地震局“背景场”项目对该台进行升级改造，观测系统的建设及布极区的环境状况均符合相关规范技术要求[1-3]。

该台外线路布设为对称四极观测装置，布设南北和东西两个测道。南北测道供电极距791 m，测量极距234 m；东西向供电极距732 m，测量极距188 m。布极区及观测环境保护区地形开阔，观测仪器为ZD8M观测系统。

通过测区视电阻率剖面图可以看出(见图3)，布极区电性结构大致分为3层(见图3、图4)。第一层总体为高阻层，厚度约40 m。该层存在局部低阻区域，如，距NS测线的北端点约190 m～460 m(见图3)，距EW测线西端点约220 m～380 m的区域(见图4)；第二层为低阻层，厚度约140 m。通过反演，获得探测区域的水平层状电性结构模型参数(见表1、图5)。可以看出，地电阻率观测受地表降雨的影响较大。

表1 四0四台水平电性结构模型参数Table 1 Parameters of horizontal electrical structure model for Gansu 404 Seismic Station

图3 NS向视电阻率剖面图Fig.3 Apparent resistivity profile in NS direction

图4 EW向视电阻率剖面图Fig.4 Apparent resistivity profile in EW direction

图5 观测及反演的电测深曲线Fig.5 Electric sounding curve of observation and inversion

2 台站周边地震活动特征

四0四台自改造以来，周边800 km范围内共发生12次MS>3.6地震。其中，Δ<100 km地震2次、100 km<Δ<300 km地震5次，Δ>300 km地震5次。地震震中分布与台站观测装置布极如图2所示，12次地震的基本参数如第38页表2所示。

表2 地震基本参数表Table 2 Basic seismic parameters

3 归一化变化速率法的观测资料分析

归一化变化速率法(NVRM)是杜学彬等在“九五”期间研发的一种分析方法[4]。其数据处理以一定的步长时间,对月均值(5日均值、日均值等)曲线在时间轴上的斜率进行归一化或相对变化处理，其数学定义为：

Si=Ri×Ki/δn-1,(i=n,n+1,....,N)，

(1)

式中:Si为归一化月速率;Ki为月均值对时间轴的斜率;Ri为相关系数;δn-1为Ri×K之积的时间序列i的均方差;n为滑动步长。由于进行归一化处理，其速率值无量纲。对于月均值，异常判距为超过±2.4视为异常[4-7]。

四0四台地电阻率观测数据正常年变形态为冬高夏低，选取2014至2019年的月均值数据进行预处理。去年变化、去倾，然后取9个月为步长用归一化变化速率法进行异常提取，计算结果如图6、第39页图7所示。可以看出，在2014年10月4日甘肃肃北MS4.2地震(Δ=169 km)前，该台NS、EW测道月均值和归一化速率均无明显的上升或下降异常变化(数据时间短造成)；2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震(Δ=776 km)前，当年1月NS测道月均值、归一化速率缓慢同步出现持续下降，归一化变化速率曲线显示突出的下降低值，在达到最低值负异常(≤-2.4)后发生地震；2015年10月28日之前，受观测装置系统不稳定的影响，无法提取青海门源、甘肃金塔地震异常；2016年11月，NS测向开始出现下降变化，EW测向在当年8月开始下降，2017年5月同步达到最低值负异常(≤-2.4)，之后发生内蒙古阿拉善左旗(Δ=595 km)MS5.0地震，在异常转折上升时段发生四川九寨沟(Δ=624 km)MS7.0地震。三次地震前的负异常在NS和EW测向的共性为两测道均属于负异常(≤-2.4)，差异在于NS向异常下降时间较EW向滞后3个月，且EW向下降幅度大于NS向。2017年8月20日NS向数据出现上升正异常(≥+2.4)，在转折下降时发生青海玉树MS5.3地震(Δ=650 km)；2018年6月17日甘肃酒泉MS4.5地震(Δ=283 km)、2018年8月10日甘肃玉门MS4.1地震(Δ=65 km)和2019年4月28日甘肃肃南MS5.2地震(Δ=106 km)前，两测道归一化速率出现同步上升正异常(≥+2.4)，显示出上升、转折、下降短临异常变化，其中，甘肃肃南地震异常变化幅度较显著。12次地震前四0四地电阻率数据变化情况如第39页表3所示。

表3 四0四台地电阻率数据震前变化情况Table 3 Variation of earth resistivity data of Gansu 404 Seismic Station before earthquake

图6 四0四台地电阻率变化曲线图Fig.6 Variation curve of earth resistivity at Gansu 404 Seismic Station

图7 四0四台地电阻率变化曲线图Fig.7 Variation curve of earth resistivity at Gansu 404 Seismic Station

如前所述，几次有地震对应的异常均表现出NS向较EW向异常明显。如，2015年内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前，归一化速率异常呈现NS向大于EW向；2017年九寨沟MS7.0地震前，归一化速率异常呈现EW向大于NS向。2018年酒泉MS4.5地震、2018年玉门MS4.1地震、2019年肃南MS5.2地震，归一化速率异常呈现NS向大于EW向。这种现象与阮爱国等[8]提出的APE理论较吻合，是由于垂直加载方向的地电阻率变化可能反映加载方向真实电阻率的变化。