宁强MS5.3地震前的LURR综合分析

王秋宁

(陕西省地震局, 陕西 西安 710068)

0 引言

陕西地处南北地震带北端,青藏高原块体东北缘与鄂尔多斯地块西南缘在这里碰撞,关中地区构造断裂发育,历史上发生过华县8级地震。据中国地震台网测定,2018年9月12日在陕西省汉中市宁强县(105.69°E、32.75°N)发生MS5.3地震,震源深度11 km,震中位于青川断裂附近。青川断裂是龙门山断裂带的主要分支之一,西起平武,向东经青川至勉县,终止于汉中盆地,主体呈NE向展布,全长约265 km[1-2]。此次地震发生在2008年汶川MS8.0地震余震区北段,属于余震区北段的一次较强的起伏活动。

加卸载响应比(Load Unload Response Ratio,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[3-5],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。Yu等[6-10]尝试将库仑应力触发模型与加卸载响应比进行结合,提高了加卸载响应比方法中对有效剪切应力判断的准确性,同时也拓展了加卸载响应比方法在其他观测数据中的应用。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,形变、流体、电磁等观测与岩体形变、流体渗流的过程密切关联,因此这种变化通常在其观测数据中得以体现[11-17]。以往加卸载响应比计算方法主要应用于测震资料[3-5],而相对较少应用于地球物理资料[14-17],由此,基于多种地球物理观测资料计算加卸载响应比,综合分析探讨孕震过程中岩体的应力状态变化具有理论基础和发展必要。

宁强MS5.3地震在构造体系上属于青藏块体东北缘的巴颜喀拉地块与秦岭造山带和大别山构造带的交界部位,也属于我国著名的南北地震带中北段,其复杂多样的构造变形模式和构造活动特征是该地区中强地震孕育和发生的重要原因[18]。本文拟基于宁强MS5.3地震震中周围陕西区域地球物理观测资料,采用库仑应力触发模型的加卸载响应比计算方法,计算地下水位、洞体应变、体应变和地电场的LURR值,总结此次地震前的异常特征,探索加卸载响应比在多重物理参数中的应用,旨在进一步认知地震孕育的物理过程。

1 资料与方法

1.1 观测资料

基于陕西区域地球物理观测资料,选取震中距在500 km内,且在2014年1月1日—2018年12月31日连续观测的台站。经筛选后确定5个地下水位、7个洞体应变、4个体应变及4个地电场站点用于本研究,各异常站点分布、震中距、仪器型号、运行情况等见图1和表1(统计时间截止2018年年底)。其中乾陵有洞体应变、体应变、地电场三种观测手段,西安有洞体应变和体应变两种观测手段。

表1 异常观测站点基本信息统计Table 1 Statistics of basic information of abnormal observation stations

图1 宁强MS5.3地震震中周围陕西区域地球物理站点分布图Fig.1 Distribution map of geophysical stations in Shaanxi region around the epicenter of Ningqiang MS5.3 earthquake

对各站点的观测仪器、观测系统、观测环境等进行分析,其中宁强洞体应变仪数采故障导致EW分量产生毛刺较多,其他仪器运行基本正常,数据基本可用。

1.2 加卸载响应比方法

地震孕育的物理实质为震源区内介质的变形、损伤并导致最终失稳。加卸载响应比(LURR)是在断裂力学、损伤力学、非线性科学等研究成果基础上提出的地震预测新方法[12,15-16],用来度量地壳介质损伤程度。传统的加卸载响应比计算方法主要通过小震释放的Benioff应变进行计算。文中收集2018年宁强MS5.3地震距震中500 km内的陕西区域地下水位、洞体应变、体应变及地电场等观测资料,数据起止时间为2014年1月1日—2018年12月31日。分别取水位、应变、地电场观测资料一段时间内的平均值作为响应量(应变、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[14-16]:

(1)

式中:N+、N-分别代表处于加载和卸载状态的测值总数;Mi为第i个观测值;“+”、“-”分别表示加载和卸载。

在数据处理过程中,首先对原始数据进行预处理,主要包括去突跳、插值,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12～24 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计算方法,得到各观测手段的加卸载响应比值,其中计算时间窗长为60天,滑动步长为30天[16],计算库仑破裂应力采用的内摩擦系数为0.4[6-7,14-16]。构造参数采用USGS (https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的宁强MS5.3地震震源机制解结果,走向、倾角、滑动角分别为86°、167°、6°。

2 加卸载响应比分析

2.1 地下水位LURR

选取2014—2018年正常观测的泾阳、洛南、毛西、双王及石泉等5口井(其位置分布如图1所示),计算其水位LURR值。石泉井深约400 m,属于深部承压井,距离此次地震震中234 km;从图2(d)中可以看出,其LURR值变化较为平稳,保持在1.06附近波动;2017年10月开始波动幅度增大,同年12月达到极大值1.09,之后逐步下降;2018年8月达到极小值1.02;宁强MS5.3地震发生在下降之后的上升阶段。洛南井深约200 m,其LURR存在明显的年变形态,但对比历年的变化幅度仍可看出异常信息,且其异常变化与石泉井具有准同步性,均在2017年12月达到极大值。

图2 地下水位加卸载响应比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.2 LURR of groundwater level (2014-01-01—2018-12-31)

选取的5口井中,泾阳、毛西和双王井水位LURR值看不出明显的异常变化,石泉和洛南井水位LURR出现了异常变化,且变化具有准同步性。

2.2 地应变LURR

选取的陕西区域7个洞体应变观测站中,华阴和西安两个站点加卸载响应比出现了异常变化。图3绘制了两个异常站点的整点值波形以及LURR时序图。图3(b)中华阴NE向LURR值在2017年8月出现高值后数据变化较为平稳,2018年2月开始波动,2018年5月再次出现高值。图3(d)中西安NS向LURR值变化较为平稳,围绕在1附近小幅波动,2018年5月开始逐渐变大,到2018年7月达到极大值。

图3 洞体应变加卸载响应比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.3 LURR of cave strain (2014-01-01—2018-12-31)

需说明,2017年8月8日四川九寨沟MS7.0地震震中距离陕西省界约154 km。文中所用到的7个洞体应变观测站中,华阴和平利距离此次地震震中超过500 km,而其他5个站点均分布在震中500 km以内。因此,在绘图过程中对此次地震进行了标注。

选取的乾陵、西安、安康及宁陕等4个体应变观测站中,宁陕自2018年2月开始LURR值波动,3月达到极大值,之后变化逐步平稳[图4(b)]。宁陕距离2017年8月8日九寨沟地震震中约419 km,可以看出LURR值在震前也有波动变化。需说明,图4(a)中宁陕体应变整点值曲线中,2016年9月28日—10月12日由于供电线路漏电,导致数据出现阶变甚至超限,仪器不断开阀自动调零,线路维修后数据恢复正常。从图4中可以看出,该故障对LURR计算影响较小。此外,图4(b)中LURR曲线2015年底也表现出较为明显的异常变化,查阅了台站观测日志,这期间没有明显的干扰源,2016年该观测站点500 km范围内发生4级以上地震6次,最大震级为MS4.8,异常变化是否与这些地震有关还需进一步研究。

图4 宁陕体应变加卸载响应比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.4 LURR of volumetric strain at Ningshan station (2014-01-01—2018-12-31)

乾陵、西安及安康等3个站体应变LURR值看不出明显的异常变化,宁陕站LURR值在震前半年出现了高值。

2.3 地电场LURR

选取乾陵、周至、合阳和宝鸡等4个地电场观测站,通过库仑应力触发模型的加卸载响应比计算方法得到LURR值。图5(a)周至地电场原始观测数据看不出明显异常,计算的LURR值2018年4月开始增大,6月出现极大值1.3[图5(b)]。

根据大地电场的岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型[11],计算周至地电场优势方位角,可看出2018年4月开始方位角背景值发生偏转[图5(c)],这与LURR异常变化在时域上较为同步。乾陵、合阳和宝鸡3个站LURR值看不出明显的异常变化。

需说明,图5(a)中LURR值在2014年初、2015年也表现出异常变化,通过查阅观测日志确定这期间观测环境没有出现明显的变化。2014—2016年距周至地电场观测站500 km内发生的MS4.0及以上地震较多,最大震级为MS4.9,LURR异常变化是否与这些地震关联,尚需进行更多的研究。

3 讨论

利用地球物理观测资料进行LURR计算具有连续性好、计算结果波动范围小等优点。地应变观测的是由岩石应力改变导致的岩石应变变化,是体现岩石由弹性变形至损伤、再至失稳破坏过程中最直接的物理量,在震前更易观测到岩石的异常变化。在构造应力作用下,承压含水层破坏、变形、渗透率改变等,地下水位与岩石圈含水体的变形破裂密切相关,作为反映地震孕育发生过程的重要指标,其变化能够灵敏反映地震孕育发生过程,因而受到广泛的研究关注[19-20]。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[11,14,17]。

表2对2018年宁强MS5.3地震前陕西区域的地下水位、洞体应变、体应变及地电场等4种资料的LURR异常信息进行了统计。可看出,地下水位LURR出现异常变化时间最早,出现极大值的时间也最早,洞体应变、体应变和地电场LURR异常开始时间集中在2018年2—5月,极大值出现时间集中在2018年3—7月。从各观测手段的异常变化幅度来看,地下水位的变化幅度最小,地应变的变化幅度最大,如宁陕体应变异常幅度达2倍以上,地电场的变化幅度居中。从空间分布看,不同测项的异常站点有分布较为集中的现象。

表2 宁强MS5.3地震前陕西区域地球物理观测资料LURR异常信息统计Table 2 LURR anomaly information statistics of regional geophysical observation data in Shaanxi Province before the Ningqiang MS5.3 earthquake

总体上,通过地球物理观测资料计算加卸载响应比,基本能反应出孕震过程中地下岩体介质的动态变化。应用以上4种观测资料计算LURR,结果表明在大部分时间LURR值基本保持在1.0附近,在地震前2—9月出现了高值,这一现象与以往的研究结论一致[14-17]。地应变、地下水位和地电场等地球物理观测资料反映的LURR演化具有准同步性,这为尝试多种观测资料计算LURR,进行多重物理量相互验证,提高异常信息的可信度、提升数据的利用率等提供了参考。

值得注意的是,从表2中可看出异常站点距离九寨沟MS7.0震中相对较远,这可能是九寨沟地震前LURR没有表现出异常的原因之一。另一方面根据USGS(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的震源机制解结果显示,九寨沟MS7.0的走向、倾角、滑动角分别为246°、57°、-173°;宁强MS5.3的走向、倾角、滑动角分别为86°、167°、6°,两次地震的主压应力P走向夹角为160°,应力方向差异较大,因此这可能是九寨沟地震前没有异常的另一原因。显然,这还有待进一步深入研究。

4 结论

基于2018年宁强MS5.3地震震中500 km内陕西区域地球物理资料,采用库仑应力触发模型的加卸载响应比计算方法,计算了5个地下水位、7个洞体应变、4个体应变以及4个地电场观测站点LURR,对此次地震前异常特征进行了分析讨论,初步有以下认知:

(1) LURR异常出现时间集中在2017年年底到2018年5月,其中地下水位LURR出现异常变化时间最早,出现极大值的时间也最早,洞体应变、体应变、地电场LURR异常开始时间较晚,集中在2018年2—5月,极大值出现时间集中在2018年3—7月。

(2) 地下水位、地应变、地电场等观测资料反映的LURR异常演化具有准同步性,这为尝试多种观测资料计算LURR,进行多重物理量相互验证,提高异常信息的可信度等提供了参考。

(3) 从各观测手段的异常变化幅度来看,地下水位的变化幅度最小,地应变的变化幅度最大,地电场的变化幅度居中。从空间分布看,不同测项的异常站点有分布较为集中的现象。

(4) 周至地电场LURR与优势方位角异常变化在时域上较为同步。这两种方法在机理上具有关联性,反映的都是应力调整下的岩体变形、流体运移等,综合分析可能有助于提升认识的可靠性。

从站点分布上看,文中所用的陕西区域数据主要分布在此次地震震中的东侧和东北侧,因此得出的结论具有区域性,这对检验陕西区域地球物理观测资料、提升数据的应用率等具有一定的意义。然而,全面分析宁强MS5.3地震的异常特征,还需开展更多的研究。

致谢：文中使用的LURR计算程序来自余怀忠研究团队,审稿专家提出了宝贵的修改意见,作者在此一并表示感谢。