门源MS6.9地震前地电场优势方位角与加卸载响应比异常变化分析

辛建村, 孙君嵩, 于 晨, 方 炜, 赵 杰, 杨宜海

(1. 陕西省地震局, 陕西 西安 710068; 2. 江苏省地震局, 江苏 南京 210014; 3. 中国地震台网中心, 北京 100045)

0 引言

人类在19世纪初已经观测到了地球表面存在电流。我国是世界上唯一开展大规模、规范化地震地电场观测的国家,迄今超过110余个地电场台站分布在全国主要活动断裂带及其附近,这为地震监测预报研究提供了可贵的数据资料。

地电场是重要的地球物理场,其观测数据包含了大地电场、自然电场和干扰成分[1]。近几年,相关研究成果表明大地电场不仅起源于空间电流系,其日变波形还跟日、月潮汐作用相关[2-5]。基于这一认识,岩体裂隙水中的电荷是在Sq电流感应作用下以日为周期移动,或裂隙水在潮汐力作用下以日为周期渗流形成大地电场日变波形主体,由此建立了大地电场的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型[5]。在地下介质应力积累过程中会导致岩体裂隙结构变化,从而使得大地电场的强度或方向发生变化。因此,理论上通过研究大地电场也能够开展地震预测尝试,地电场优势方位角方法便由此提出。近些年,基于地电场优势方位角这一方法,研究人员也初步总结了一些典型震例[5-12],这对推动地电场学科在地震预测中的发展和应用或多或少都有意义。

加卸载响应比(LURR)计算方法是在20世纪80年代基于岩石应力与应变的非线性响应提出的地震预测方法[13-15],用来度量地壳介质的损伤程度。理论上任何能够反映孕震区介质损伤、失稳过程的地球物理量均可以作为响应量。孕震过程中,剧烈的区域构造活动常导致场地应力应变、地下流体的运移状态等发生变化,地表电磁信息与岩体形变、流体渗流的过程密切关联,因此这种变化通常在地电场观测数据中得以体现[5,16-19]。于晨等[18]以地电场为响应量,尝试计算了2020年6月26日于田MS6.4地震前和田地电场观测站LURR异常时序曲线,结果表明该站在地震前1～3个月出现了LURR异常逐渐增大的同步变化。

据中国地震台网中心(CENC)测定,北京时间2022年1月8日1时45分在青海海北州门源县(37.77°N,101.26°E)发生MS6.9地震,震源深度10 km。本文拟基于震中周围地电场近5年观测资料,采用地电场优势方位角[5]以及以地电场为响应量的库仑应力触发模型加卸载响应比计算方法[19],结合震源机制解对地电场异常变化现象进行初步分析讨论,总结地电场优势方位角的异常特征,探索加卸载响应比在地电场资料中的应用,旨在进一步认知地震孕育的物理过程。

1 地电场资料分析

1.1 观测数据

中国大陆地电场通常采用两个正交方位(NS与EW)及一个斜向(N45°W或N45°E)进行布设观测,各测道产出数据为分钟值(1次/min)。如图1所示,2022年1月8日青海门源MS6.9地震震中300 km范围内地电场观测站共12个,其中松山站有两个测点。由于红沙湾站自2017年1月停测,拦隆口站自2020年5月停测,门源站正式投入观测不足3年(2020年开始观测),因此本文中未对红沙湾、拦隆口和门源站观测数据进行分析(图1中未绘出红沙湾、拦隆口、门源等3站)。

图1 青海门源MS6.9地震震中300 km范围内地电场站分布图Fig.1 Distribution of geoelectric field stations within 300 km of the epicenter of Menyuan MS6.9 earthquake in Qinghai

对高台等9个地电场观测站2017年至2022年1月31日地电场数据的可用性进行统计并绘制图2[松山的两个站点分别为松山1和松山3(1、3为测点号)],图中以天为统计单位,其中数据可用时段是观测系统正常或数据经过处理、综合评估后可用,若当天观测缺数超过1小时(60个观测值),则当天按缺数统计。总体上,金银滩站因观测环境复杂在2019年之前数据连续率较低,其他各站有零星时段数据不可用或缺数,但基本上不影响应用其数据进行长时间段、趋势性变化分析。需说明,兰州站自2022年1月14日(门源MS6.9地震之后)停测,但不影响地震前的数据分析。

图2 地电场站数据可用性统计(2017-01-01—2022-01-31)Fig.2 Data availability statistics of geoelectric field stations (2017-01-01—2022-01-31)

1.2 地电场优势方位角分析

岩石物理学和岩石破裂实验表明,加压初期的岩石裂隙小而无序,压力增大会使裂隙发育并呈现有序排列,破裂时有明显的剪裂、黏滑现象[20]。地壳中岩体内总存在含水裂隙,基于大地电场的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,这些裂隙水或水中电荷在以日为周期沿裂隙往返渗流或移动,因此,岩体裂隙结构的优势方位基本就是地电场的优势方位。在观测台站NS、NW测向地电场数据相关性高时,地电场优势方位角(即裂隙优势方位角,α代表北偏东角度,若为负表示北偏西)计算公式如下[5]:

(1)

式中:Ai是第i阶潮汐谐波振幅,计算中应用周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h的前10阶谐波振幅和。需指出,当装置系统变更或应用其他测向进行组合计算时,式(1)需做相应调整。

基于青海门源MS6.9地震震中周围300 km范围内9个地电场站2017年1月1日到2022年1月31日的观测数据(兰州站数据截止2022年1月13日,1月14日停测),根据式(1),分别计算了各观测站地电场优势方位角。图3(a)中黄羊川站方位角在2020年11月—2021年6月沿近45°的两个方向跳变,之后变化范围缩小并持续到此次地震发生。

图3 青海门源MS6.9地震震中300 km范围地电场台优势方位角(2017-01-01—2022-01-31)(图中L、S分别代表长、短极距,如L(NS/EW)表示应用NS和EW测向长极距数据,(NS/EW)表示应用NS和EW测向短极距数据)Fig.3 Dominant azimuth angle ofgeoelectric field within 300 km from the epicenter of Menyuan MS6.9 earthquake in Qinghai (2017-01-01—2022-01-31)

图3(b)中兰州站2020年11月开始方位角变化范围大幅缩小、挤压成近直线,同时段寺滩站方位角变化范围扩大至90°左右,两站持续这种现象至门源MS6.9地震发生。黄羊川、兰州和寺滩站地电场优势方位角异常变化在时间上具有准同步性。古丰站在2019年5—12月方位角大范围突跳,与当年10月28日夏河县发生MS5.7地震对应较好,2021年8月底开始方位角再次大范围突跳并持续到门源MS6.9地震发生[图3(c)]。

需要说明的是,2019年10月28日甘肃甘南州夏河县(35.1°N,102.69°E)发生MS5.7地震,震源深度10 km,上述黄羊川、兰州、寺滩、古丰等4站距离震中均在300 km范围内。从图3可看出兰州、古丰等站方位角异常现象也较为明显。

通常,震中附近孕震过程的应力在不断变化,理论上岩体裂隙结构会因应力变化而变化。在实际场地,岩体结构差异会使其裂隙结构对应力变化的响应出现差异,这导致了不同场地的优势方位角异常具有场地选择性现象[5]。表1对震中周围300 km范围内地电场站方位角异常变化情况进行了统计。上述4个地电场站优势方位角在震前出现了持续时间6个月以上的异常变化,其中黄羊川、兰州、寺滩3个站方位角变化具有准同步性。山丹、金银滩、武威、高台以及松山站两个测点方位角看不出明显的与此次地震关联的异常变化。

表1 青海门源MS6.9地震震中300 km范围内地电场站方位角α异常信息统计

1.3 地电场加卸载响应比分析

在进行地震预测实践中,理论上任何能够反映孕震区介质损伤、失稳过程的地球物理量均可以作为响应量。传统的加卸载响应比(LURR)计算方法主要通过小震释放的Benioff应变进行计算。利用地电场观测资料进行LURR计算具有连续性好、计算结果波动范围小等优点。计算地电场加卸载响应比时,应用地电场的总场资料为响应量,保留周期为8～24 h的固体潮频段,由于地电场观测资料为矢量观测,取一段时间内的观测资料绝对值的平均值作为响应量,定义加卸载响应比为[18]:

(2)

式中:N+、N-分别代表处于加载和卸载状态的地电场观测总数,“+”、“-”分别表示加载和卸载;Ei为第i个地电场观测值。

基于震中300 km范围内古丰等9个地电场站近5年(2017-01-01—2022-01-31,兰州站数据截止2022-01-13)的时均值观测数据,首先对各测向原始数据资料进行了预处理,删除单点突跳等明显错误数据,保证数据的连续性、可靠性、稳定性等,之后利用Butterworth滤波器保留8～24 h的潮汐频段信息,通过库仑应力触发模型的加卸载响应比方法计算LURR值。计算时间窗长为30天,滑动步长为30天,计算库仑破裂应力采用的内摩擦系数为0.4[18,21-22],构造参数采用USGS (https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq /moment-tensor)的青海门源MS6.9地震震源机制解结果,走向、倾角、滑动角分别为104°、88°、15°。

计算结果表明,9个地电场站中古丰、兰州、寺滩和黄羊川LURR在震前表现出明显异常变化,其他站异常变化不明显。图4绘制了各异常站具有代表性测向时均值波形(兰州站为短极距数据,其他各站为长极距数据)及LURR值时序图。从图4地电场小时值波形中可看出,除古丰站外,兰州、寺滩和黄羊川站均显示出较为清晰的年变形态。地电场观测易受周围电磁环境干扰,这些或多或少都会对日常观测有影响,但对以年为单位的长时间段数据影响有限,基本不会改变其变化趋势或形态,如图4(b)、(d)中的兰州、黄羊川站周围电磁环境复杂,存在明显的干扰数据,但年变形态仍然可见。

图4 地电场小时值波形及其LURR时序曲线(2017-01-01—2022-01-31)(构造参数:走向、倾角、滑动角分别为104°、88°、15°)Fig.4 Hourly value waveform of geoelectric field and the LURR time series curves (2017-01-01—2022-01-31)

从图4的LURR时序曲线可以看出,中古丰站LURR值从2019年10月开始出现波动,2020年9月达到最大值1.14;兰州站该值在2020年8月开始出现波动,2021年4月出现最大值1.07;寺滩站该值2020年8月开始逐渐增大,2021年4月达到最大值1.02,其变化与兰州站在时间上具有准同步性;黄羊川站2021年6月开始LURR值增大,2021年8月达到最大值1.02。此外,从图4中也可看出,2019年10月28日甘肃甘南州夏河县MS5.7地震前LURR值变化不明显,这可能和震级、构造参数等有关。

Yin等[23]指出当远离地震发生的临界状态时,LURR值在1附近波动,在接近地震发生前LURR会出现明显高值并持续数月至数年。表2对各站LURR异常信息进行了统计,可看出各站LURR背景值均保持在1附近,且波动范围很小。LURR值异常持续时间在2～12个月,地震发生在最大值出现后恢复正常阶段,这与以往的研究结果较为吻合[24-25]。受台站分布、所处地质构造、震中距等影响,异常开始时间、结束时间、变化幅度等存在差异。

表2 地电场观测站LURR异常信息统计

需说明,确定为LURR异常站中各站长、短极距6个测向至少有3个测向出现了异常变化,但异常开始、结束的时间以及幅度存在差异。5个无异常站中,最多只有一个测向出现了异常,无法判断其可靠性,故文中暂没有归为异常站。因此,有必要对地电场LURR异常现象进行更多的深入研究。

2 讨论

2.1 数据处理方法可信度分析

众所周知,地电场观测数据易受场地周围电磁环境影响。文中在应用地电场数据时未特意说明所受干扰情况,一方面优势方位角和LURR计算方法均从潮汐频段提取异常信息,因其计算方法及取值特点,理论上受干扰影响可能小。其实,模拟分析表明常规的直流供电、突跳、脉冲、地铁等典型干扰对方位角计算结果影响有限[26]。另一方面数据应用长度达1 800多天,且分析的是趋势变化,一般的短期干扰基本不会改变其变化趋势,且在数据变异的可信度分析中,采用同区域多场地准同步性判断原则[27]。因此,个别台站尽管电磁环境复杂,如兰州、黄羊川等站存在地铁、游散电流等影响,但选择适当的数据处理方法,其震前异常信息也可能会表现出来。

2.2 地电场优势方位角与区域主压应力P走向

图5展示了黄羊川等4站地电场优势方位角与区域主压应力P走向的位置关系,其中P走向为237°(来自USGS的青海门源MS6.9地震震源机制解结果)。

图5(a)黄羊川站方位角在2020年10月到2021年6月在0°～45°范围有序跳变,可能反映了期间场地岩体剪裂现象,之后变化范围逐渐稳定,与P走向夹角接近45°(小于45°)。兰州站方位角变化范围在2020年11月开始大幅度缩小,向主压应力P走向靠近(夹角10°左右),期间出现小幅突跳,临震前1个月突跳消失[图5(b)]。寺滩站方位角变化范围在2020年11月开始变大,并持续到地震发生,其变化最大范围值与主压应力P走向近90°夹角[图5(c)]。古丰站方位角与主压应力P走向夹角在0°～37°范围内,2021年3—10月方位角向与P走向夹角增大的方向集中[图5(d)]。

总体上,黄羊川、兰州、寺滩、古丰站异常期间其方位角与区域主压应力P走向分别接近45°、10°、90°、34°夹角,这基本符合岩石物理学中剪切破裂与主压应力夹角接近但小于45°,岩体发生共轭剪裂时与主压应力接近正交等理论[20]。这从另一方面也增强了地电场优势方位角方法在分析地震前兆异常中的可信度。

需说明,文中1.2节计算各站方位角起始时间为2017年1月1日—2022年1月10日,本节中主要分析方位角异常时与区域主压应力P走向的方位关联,因此方位角起始时间选为2019年1月1日—2022年1月31日(兰州站数据截止2022年1月13日)。事实上,通过上文分析各站在2019年前也没有出现与此次地震可能关联的方位角异常现象。

2.3 地电场优势方位角与LURR值

近年来,谭大诚等[3-5]的研究表明,地电场波形的异常变化一方面与岩石所受应力的突变有关,另一方面可能反映岩石微破裂加剧导致地下水向破裂区渗流的现象。孕震过程中,应力不断加卸载,当孕震区岩石介质处于弹性阶段,岩石对加载时和卸载时响应率是一致的,此阶段岩体没有产生新的裂隙,岩体内的流体运移状态没有发生明显变化,由地电场计算的LURR值、优势方位角也应该没有明显变化。随着应力不断积累,岩石逐渐进入屈服阶段,此时岩石在加载时的响应率大于卸载时的响应率,LURR出现高值异常,此时在应力的加卸载影响下岩体开始出现新裂隙,导致流体运移状态发生变化[5,18],因此反映岩体裂隙结构、流体渗流变化的地电场优势方位角也应该出现异常变化。

门源MS6.9地震震中300 km范围内古丰、 黄羊川、寺滩、兰州等地电场站优势方位角与LURR值在震前均出现了异常变化,综合分析区域岩体状态发生变化的可能性较大。表3对两者的异常时段进行了统计。其中古丰站LURR异常开始较早,持续时间为12个月,方位角异常出现在LURR异常结束后。兰州和寺滩站方位角、LURR异常变化均具有同步性,且LURR异常开始时间、结束时间都在前。黄羊川站方位角异常开始时间在LURR异常前,结束时间在其后。岩体裂隙在岩体屈服阶段产生较多[28],理论上方位角异常开始时间应在LURR出现异常之后,上述4个地电场站中3个符合这一推测。在实际场地,岩体结构差异会使其裂隙结构对应力变化的响应出现差异,因此黄羊川站LURR异常出现在方位角异常之后也存在可能性。

表3 地电场优势方位角与LURR值异常时段统计

3 结论

基于青海门源MS6.9地震震中300 km范围内地电场近5年观测资料,根据大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型计算了其优势方位角,并尝试通过库仑应力触发模型的加卸载响应比计算方法计算了地电场LURR值,结合区域主压应力P走向,对地电场优势方位角和LURR异常现象进行了初步分析和讨论,得出以下几点认知:

(1) 两种不同方法计算的地电场异常站在空间分布上具有一致性。具体来说,古丰、黄羊川、寺滩和兰州站地电场优势方位角、LURR皆出现了异常变化,而山丹、金银滩、武威、高台以及松山站两个测点方位角、LURR均看不出明显的异常变化。

(2) 兰州和寺滩站两种计算方法的结果时序变化较为吻合,表现出准同步性。此外,黄羊川方位角变化与兰州、寺滩站也具有准同步性。

文中地电场异常站其优势方位与区域主压应力P走向的关联基本符合岩石物理学理论,结合震源机制解结果分析地电场优势方位角变化,在一定程度上可增强地电场优势方位角方法在分析地震前兆异常中的可信度。总体上青海门源MS6.9地震前地电场优势方位角以及以地电场为响应量的LURR值异常变化较为明显,这两种方法在机理上具有关联性,综合分析其异常演化特征可能有助于进一步认知地震孕育的物理过程。然而,在这方面还需要开展更多、更深入的研究。

致谢:地电场数据来源于青海、甘肃等省地震局,作者感谢工作人员的辛勤付出。