2022年青海门源MS6.9地震前地电阻率变化分析

姚赛赛 高曙德 陈雪梅 张晓阳 杨 超 醴武权

1 中国地震局兰州地震研究所，兰州市东岗西路450号，730000

据中国地震台网正式测定，2022-01-08 01:45青海海北州门源县发生6.9级地震，震源深度10 km，震中位于37.77°N、101.26°E。本次地震发生在青藏高原东北缘，位于柴达木-祁连块体、阿拉善地块和鄂尔多斯地块的交汇处，地处祁连地震构造带，距离最近的断层为冷龙岭断裂带西北端与托莱山断裂阶区[1]。

地电阻率作为地震监测的一种手段，主要通过对地下介质电性参数进行测定来研究介质地电阻率变化与地震的关系。我国地电台站大多布设在地震活动区或地震重点监视区[2]，在地电台网内部或附近区域大震、中等地震发生前的中期、短临阶段可记录到突出的异常，许多学者通过分析地电阻率数据，对台网内发生的强地震实现了中期预测[3-5]。本文通过分析门源地震震中300 km范围内地电阻率观测数据，运用原始曲线分析和归一化速率方法，总结震前地电阻率异常特征，为后续震情研判与分析提供参考依据。

1 震中周围地电阻率台站分布

1.1 台站基本情况

青海门源地震震中300 km范围内共有5个地电阻率台站，震中距由近到远分别为金银滩台、山丹台、拦隆口台、武威小西沟台和兰州台，其中拦隆口台、兰州台电磁环境复杂，暂不进行分析，台站分布情况如图1所示。金银滩台临近青海湖，位于祁连山构造带中部，附近发育EW-SE向断裂，该地区第四纪以来受喜马拉雅运动远程效应影响明显；山丹台位于河西走廊区域性主干大断裂附近，该断裂切割地壳较深，走向NWW，属于祁连山地震带；武威小西沟台位于合黎山-龙首山褶皱带南缘与河西走廊断裂带分界处，区域地质构造以龙首山断裂和河西堡-四道山断裂为主。表1为门源MS6.9地震震中300 km范围内地电阻率台站的基础信息。

图1 门源地震震中300 km范围内地电阻率台站分布Fig.1 Distribution of earth resistivity stations within 300 km from the epicenter of Menyuan earthquake

在我国开展的地震地电阻率观测中，绝大多数观测台站采用四极对称观测系统。而实际上，通过四极法测量得到的地电阻率值与地下介质的电性结构有关，也与这四个电极的排列方式和相互距离有关，在震中区及附近可检测到地壳较深部介质的电阻率变化[6]，3个地电阻率台站的布极情况如图2所示。

表1 青海门源MS6.9地震震中300 km范围内地电阻率台站基础信息

图2 地电阻率台站布极示意图Fig.2 Schematic diagram of electrode layout of earth resistivity station

1.2 资料可靠性

稳定形态的正常背景变化作为异常分析的基础，取决于地电阻率台站观测系统和观测环境的稳定性。其中，测量系统(地电仪器、稳流电源)、装置系统(电极、外线路、避雷装置、配线)等构成地电阻率观测系统，自然环境、人为设施、气象天气等构成测区环境因素。

金银滩台位于青海省海北州海晏县西海镇西北方向牧民草场上，周围无高压输电线路和大型变电所，场地周围的干扰源均在观测环境保护区的界定范围之外。数据受到观测系统影响较多，原因为外线路架空，全年不定期受降雨、雷电、大风等干扰，会对数据产生一定影响。山丹台位于山丹县清泉镇南湾村，测区地表为旷野型戈壁沙土堆，距离地表水系较远，土壤湿度小，测区地形开阔，场地内无建筑物，人类生产活动较少，无明显的干扰源，同时干旱少雨的气候条件使得观测受到的气候环境干扰较少。影响数据变化的主要因素为电极埋深1.8 m，全年少量的降雨会造成数据曲线出现轻微台阶变化。武威小西沟台2017-07进行异地迁建，新址位于甘肃省武威市石羊河林场小西沟分场公益保护区内，该测区场地内无建筑物，人类生产活动较少，无明显的干扰源，同时干旱少雨的气候条件使得观测受到的气候环境干扰较少。

表2为影响3个地电阻率台站运行以来数据质量的主要因素及数据质量情况，从表中可以看出，3个地电阻率台站中武威小西沟台内在资料最好，仅出现1次观测系统事件(稳流源故障)；金银滩台出现22次观测系统事件(主要为UPS、外线路、稳流电源、数采、供电出现故障)和8次人为干扰事件(主要为校检、检修)，因是无人值守台站无法及时恢复，2020年以后观测系统事件再未发生；山丹台观测数据受降雨、雷电和大风的影响较大，出现过1次观测系统事件(主机故障)和1次自然环境事件(降雨)。综合来看，震前3个地电阻率台站的观测系统和观测环境较为稳定，精度达标、数据稳定，产出资料具有较高的可靠性。

表2 影响地电阻率观测的主要因素统计及数据质量情况

2 资料处理及异常分析

地震前兆异常识别很困难，原因为前兆异常的时空强分布相当复杂，此外异常往往是弱幅度变化[7]。本文采用原始曲线分析方法(整点值、日均值、月均值)和归一化速率方法对资料进行处理并分析。

2.1 原始曲线分析方法

研究表明，地震前受裂隙水、活动构造等因素影响，地电阻率的年变形态会发生畸变或突变[8]。因此，在地电阻率原始曲线上识别年变化幅度、形态、相对变化是探索地震前兆异常的常用方法之一。需要说明的是，因更换仪器、更换外线路、地电暴等产生的数据在绘图中未采用，均按缺数处理，但不影响整体年变化趋势分析。

金银滩台EW道地电阻率年变形态清晰，呈现夏低冬高的变化趋势，其整点值在2020-12～2021-06期间出现较往年同期更高频次的突跳变化，出现毛刺增多现象，2021-05-22在距离台站355 km的青海玛多发生7.4级地震。2022-01-08门源地震前，毛刺增多现象从2021-11开始，且震后仍在持续(图3(a))。金银滩台EW道日均值数据从2021年开始出现保持年变形态的趋势下降，高值较往年同期下降0.05 Ω·m(相对变化0.19%，图3(b))。值得注意的是，天水台井下地电阻率观测在四川芦山MS7.0、甘肃岷县MS6.6及四川九寨沟MS7.0地震前均出现地电阻率整点值高频次交替变化，此时日均值呈现趋势转折或趋势下降现象[9]，这种地表与井下临震异常相似的情况还需进一步研究。

图3 2016-01～2022-04金银滩台地电阻率EW曲线Fig.3 The EW component of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

利用2016-01～2022-04金银滩台EW道原始数据计算地电阻率年变幅，结果见表3。从表中可以看出，2016～2019年，年变幅度较为稳定，观测值变化形态基本一致。2020年开始年变幅逐渐增大，2022年上半年变化幅度达到观测以来的最大值，反映出原始数据高频扰动增多。玛多地震发生在趋势下降阶段，门源地震发生在趋势上升阶段。

表3 2016-01～2022-04金银滩台EW道年变幅

山丹台地电阻率NS和N45°W道日均值观测数据年动态清晰，2018-10前EW道数据年变形态不清晰，2018-10更换配电箱后该道观测资料出现较为清晰的年变形态；NS道呈现夏高冬低的年变形态，EW和N45°W道资料年变形态较为相似，呈现夏低东高的年变形态。山丹台NS测值曲线在2020-06由上升转为下降；EW测值从2018年起呈现明显的逐年上升趋势，2020-09之后曲线全部在均值线以上；N45°W测值从2018年起呈现缓慢的逐年上升趋势，2020年之后曲线大部分在均值线以上。2019-09-16在距离山丹台69 km处发生5.0级地震，震前三道曲线出现同步的缓慢下降，震前7 d NS道快速转折上升，EW道缓慢转折上升，N45°W道快速转折下降。此次门源地震前山丹台地电阻率日均值曲线未出现类似甘州地震前的短临异常形态，但NS道趋势下降、EW和N45°W道趋势上升的现象也值得关注，具体见图4。

图4 2018-01～2022-04山丹台地电阻率日均值曲线Fig.4 The daily average value of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-04

利用2018-01～2022-04山丹台三道原始数据计算地电阻率年变幅，结果见表4。从表中可以看出，NS道2018～2020年年均值逐年上升，2020～2022年呈现下降趋势，而EW、N45°W道年均值逐年增大。三道曲线年变幅总体呈现逐年下降趋势，反映出观测系统逐渐趋于稳定，测区观测环境较好。

表4 2018-01～2022-04山丹台地电阻率年变幅

武威小西沟台地电阻率于2018-10正式观测，NS道自观测以来呈现夏低东高的年变形态，且出现保留年变形态的趋势下降，门源地震发生在下降阶段，且震后仍在继续下降；而EW道自2020年才形成夏高冬低的年变形态，同时出现保留年变形态的趋势上升，门源地震发生在趋势转折阶段，震后曲线开始转平。不同测道出现相反的年变现象由测区介质非均匀性所引起[10]。NS道日均值数据从2019年开始出现保留年变形态的趋势下降，2021年高值较往年同期下降0.05 Ω·m(相对变化0.19%，图5(a))；EW道日均值数据从2019年开始呈现趋势上升，2021年高值较往年同期上升0.05 Ω·m(相对变化0.19%，图5(b))。武威小西沟台降水稀少，年均降水量为127.7 mm，且地表为砂土和砂壤土，覆盖层较深，距离地表水系20 m以上，土壤湿度小，因此可推断两道地电阻率的趋势变化和降雨、水位的关系较小，地电阻率长期趋势变化的物理意义在于岩石孔隙率的变化。

图5 2019-01～2022-04武威小西沟台地电阻率日均值曲线Fig.5 The daily average value of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

利用2019-01～2022-04武威小西沟台两道原始数据计算地电阻率年变幅，结果见表5。从表中可以看出，2019～2022年，台站NS和EW道年变幅逐年减小，2021-06-24～07-22发生一次变压器、配线器故障，经维修后恢复正常，反映出原始数据日变较小，观测系统开始趋于稳定。

表5 2019-01～2022-04武威小西沟台地电阻率年变幅

地电阻率的异常变化在长期观测中主要包括破年变变化和保留年变形态的1 a以上趋势变化[11]，金银滩台、山丹台和武威小西沟台的异常变化属于后者。

2.2 归一化速率方法

归一化速率(NVRM)是一种无量纲的地电学处理方法，以一定的步长计算月均值曲线的斜率，并进行归一化处理。

观测数据曲线对时间轴的斜率可表示为：

(1)

自相关系数为：

(2)

归一化速率法序列为：

(3)

式中，n为滑动步长，N为资料长度，σn-1为N-n个Ri×Ki时间序列的均方差，y为等间隔前兆数据时间序列，T为相应的等间隔时间序列。利用月均值曲线滑动可得到月速率时间序列Si，在月均值观测曲线上计算月速率来提取中短期异常迅速方便，异常形态突出，幅度明显。归一化速率的优点为：不同台站、不同测道之间存在因介质结构差异等引起的地电阻率变化差异，但NVRM异常的阈值统一为±2.4，即变化速率值<2.4为地电阻率下降异常，包含异常形态、幅度和时间信息；反之，变化速率≥2.4为地电阻率上升异常[12]。

金银滩台EW道月均值在2017～2020年保持稳定的正常年变趋势，2021-02开始呈现缓慢下降趋势，下降0.03 Ω·m(相对变化11.3%，图6(a))，震后仍在持续下降。从图6(b)可以明显看出，在2019-05～09出现一次明显的正异常，2019-10-28在距离台站260 km的甘肃甘南州夏河县发生5.7级地震；2020-06～07、2021-02～06出现2次负异常后，2021-05-22发生玛多7.4级地震以及2022-01-08发生门源6.9级地震。

山丹台地电阻率月均值曲线年变形态及变化幅度更为清晰，NS道在2020-06由上升转为下降，EW道呈现快速上升趋势，N45°W道呈现缓慢上升趋势。门源地震发生在NS道由下降转为上升的趋势转折阶段，以及EW道和N45°W道由上升转为下降的趋势转折阶段。从归一化速率曲线来看，门源地震前NS道在震前11个月出现一次正异常，N45°W道在震前12个月出现一次正异常，EW道归一化速率未显示异常，但在2019-09-16甘肃甘州地震前出现一次正异常，在震中出现一次负异常，地震发生在负异常时段，具体见图7。

图6 2016-01～2022-04金银滩台地电阻率月均值和归一化速率曲线Fig.6 The monthly average value and normalizedrate of earth resistivity of Jinyintan station on 2016-01～2022-04

图7 2018-01～2022-03山丹台地电阻率月均值和归一化速率曲线Fig.7 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Shandan station on 2018-01～2022-03

武威小西沟台NS道月均值在保持正常年变形态的情况下出现缓慢下降趋势，从归一化速率曲线来看，NS道在2020-02～05出现一次小幅负异常，2020-07～11出现一次较大幅度的正异常。EW道月均值呈现逐年上升趋势，从归一化速率曲线来看，EW道在2021-11～2022-01出现一次小幅正异常，具体见图8。

图8 2019-01～2022-04武威小西沟台地电阻率月均值和归一化速率曲线Fig.8 The monthly average value and normalized rate of earth resistivity of Wuwei Xiaoxigou station on 2019-01～2022-04

3 震前异常变化机理讨论

张学民等[13]通过对2008年汶川8.0级地震前地电阻率异常进行分析发现，震前郫县台NE向、甘孜台EW向出现持续性大幅度下降，而武都台NW向从2006-08开始至地震前出现趋势上升。史红军等[14]通过对吉林省地电阻率震兆异常进行分析发现，汪清MS7.0深震前，榆树台和四平台地电阻率月均值曲线均显示出震前持续2 a尺度的中期下降异常。

金银滩台地处祁连山构造带中部，距日月山断裂带西约22 km；山丹台地处河西走廊区域性主干大断裂，距龙首山断裂带西23 km，属于祁连山地震带；武威小西沟台距合黎山-龙首山褶皱带南缘与河西走廊断裂带分界处约20 km，区域地质构造以龙首山断裂和河西堡-四道山断裂为主。这3个地电阻率台站分布在主要活动断层附近，在地震孕育过程中应力更容易集中，在构造应力作用下区域介质更容易变形。

此次门源6.9级地震前，3个地电阻率台站的异常变化以趋势变化为主，伴有临震突跳变化。震中距最近的金银滩台地电阻率EW道表现出年变幅逐年增大的现象，在2021年形成新的年变形态，震前2个月出现高频突跳，震后仍在持续；山丹台地电阻率和武威台地电阻率NS道表现为趋势下降、EW道表现为趋势上升，无临震突跳变化。此次地震异常的各向异性特征比较明显，NS道或EW道异常更为突出，同时异常台站的分布也存在一定规律，主要分布在NS走向上，反映出孕震机理及活动构造对地电阻率变化的影响。

4 结 语

本文采用归一化速率方法，对青海门源MS6.9地震震中300 km范围内金银滩台、山丹台及武威小西沟台的地电阻率观测数据(整点值、日均值及月均值)进行分析，结果表明，震前3个台站出现的地电阻率异常变化与地震具有较好的对应关系。

从原始曲线来看，金银滩台既有临震异常，又有趋势下降变化，而山丹台及武威小西沟台在门源地震前存在持续3 a以上的趋势变化(NS趋势上升、EW趋势下降)，需结合归一化速率方法判断是否为地震异常。此次地震前出现与最大主应力相关的趋势异常，震后出现与震前异常相反的趋势恢复变化或趋势转平，符合前人总结的地电阻率孕震机理。后期需关注山丹台地电阻率EW道和N45°W道是继续保持年变呈现趋势上升，还是出现转折下降形成新的年变形态；武威台地电阻率NS道持续下降、EW道趋势转平态势何时结束并形成新的年变。

地电阻率的趋势变化可反映周围区域应力场变化，针对不同地电阻率台站，应根据实际情况，正确识别地震异常和数据异常，总结异常类型与震例的对应关系，为今后该地区及邻区地电阻率异常的分析、识别及地震预报提供参考。