2021—2022年川滇地区4次MS≥6.0地震前井下地电阻率观测的异常变化

解 滔 韩 盈 于 晨

(中国地震台网中心,北京 100045)

0 引言

中国应用于地震监测预报的地电阻率观测采用对称四级装置,通过人工供电的方式连续监测地下相对固定体积范围内的介质电阻率随时间的变化。供电极距AB通常为数百米至2.4km不等,地电阻率观测值是数百米至千米尺度体积内介质电阻率的综合反映,可在不破坏地层结构的前提下实现具有体积效应的探测。自1967年开始观测以来,已建成基本覆盖中国主要地震活动区域的观测站网,在50多年的连续观测过程中,积累了丰富的观测资料和数十次6级以上地震前的异常变化(钱家栋等,1985; 钱复业等,1998; 汪志亮等,2002; 杜学彬,2010; 解滔等,2022b)。地震前地电阻率异常的幅度通常较为微弱,分析时需要之前具有相对稳定的背景变化(杜学彬,2010)。随着城乡经济发展和城镇化建设,部分观测站的测区环境遭受了不同程度的破坏,造成观测数据质量下降,给异常分析和震情跟踪工作带来了困难。为应对测区地表局部范围内出现的显著改变地表电性结构的干扰源,中国地震局开展了井下地电阻率实验观测(康云生等,2013; 王兰炜等,2015; 肖武军等,2019),并陆续建设了32个具有井下观测装置的观测站。其中,广东河源站的井下观测始于1992年,其余观测站则始于2010年之后。井下观测将供电电极和测量电极埋入地下一定深度处,通过增加观测装置与地表干扰源的距离以实现对干扰影响的抑制作用(解滔等,2016a,2019)。目前,多数井下观测站的电极埋深为50～150m,江苏江宁站和临泽站的水平观测装置埋深达200m。采用井下观测方式后,观测数据的质量得到显著提升(叶青等,2022)。

相较于观测装置埋深为2～3m的地表地电阻率观测,井下观测的建设成本相对较高,在观测站附近发生强震前能否有效记录到与地震晚期孕育过程有关的异常变化,是检验这一观测方式有效性的关键所在。根据半个多世纪的观测实践、震例总结、实验与理论研究发现,中强震前地电阻率中短期异常变化通常表现为偏离之前多年背景趋势变化范围、持续时间为数月至2a左右的下降或上升变化,且通常伴有年变形态畸变; 短临异常通常表现为在已有中短期异常基础上的加速、转折或不稳定扰动变化等形态(钱复业等,1998; 汪志亮等,2002; 杜学彬,2010)。2010—2020年期间,井下观测站附近发生了2次6级以上地震,分别为2013年岷县-漳县MS6.6 和2017年九寨沟MS7.0 地震。天水站在这2次地震前均出现了高频扰动异常变化(高曙德,2016,2020),此类变化通常反映短期地下介质内自然电场的不稳定性; 武都站在九寨沟地震前出现了持续性上升变化(解滔等,2022b)。2021年漾濞MS6.4 地震发生前,井下地电阻率观测仅观测到一次与地表观测时发现的持续性下降或上升异常形态相似的异常。因此,这种观测方式能否有效记录到地震前的异常变化,仍需要更多震例予以支撑。

2014—2019年,四川地区的红格、甘孜和冕宁3个观测站先后完成改造升级,并开始井下观测。2021—2022年,川滇地区先后发生了4次6级及以上地震。本文将介绍这些地震前井下地电阻率的异常变化和相应的震情跟踪情况,以期为今后井下地电阻率的数据分析和观测站建设提供一定参考。

1 观测站简介

四川地区的甘孜、冕宁、红格观测站分别位于川滇菱形地块边界的鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂附近,2021年漾濞MS6.4、2022年芦山MS6.1、马尔康MS6.0、泸定MS6.8 地震的震中及观测站的空间分布如图1所示。

图1 川滇地区地电阻率观测站和2021—2022年4次MS≥6.0地震的空间分布

红格站于1970年初由西南地震地质队开始建设,在地表布设NS和EW 2个测道,供电极距AB为1600m,自1972年起产出地电阻率观测数据。2010年红格温泉小镇开始建设,导致原观测场地遭受破坏; 2014年,红格站在原测区内建设井下地电阻率观测装置,同年7月正式投入运行。观测站所在区域的构造形迹复杂,发育硫磺沟-纳拉箐断裂、倮果断裂、五道河-双龙滩断裂、昔格达断裂等。地电阻率测区内的高差为25～30m,地表沟壑较多,地下水平均埋深约为10m。

甘孜站观测始于1970年,在地表布设N30°E 和 N60°W 2个测道,供电极距AB为500m。2017年甘孜县人民政府启动“格萨尔文化城暨百村产业基地”项目,原观测场地位于国道317以南的部分被征用。2017年甘孜站在原测区北侧约150m处建设井下观测装置,2018年1月正式投入运行。新测区位于斯俄盆地北侧的布绒朗山脚一线,E、W、S向地势较为平坦,浅部主要为厚15～40m的黏土冲积物覆盖层,下伏地层主要为岩性较为破碎的细粒石英砂岩,地下水平均埋深约为7m。

冕宁站于1983年开始建设,次年3月投入运行,在地表布设NS、EW、N45°W 3个测道,供电极距AB为1200m。2008年后原测区附近出现民用设施(如小型电焊车间)漏电干扰,对观测造成较为严重的影响。2019年在原测区SW向约5km处的回坪乡横路村南河河谷中心地带选址建设井下观测装置,并于2020年1月正式投入运行。新测区位于第四系河床阶地,覆盖层主要为黏土和砂砾石冲积堆积物,厚约130m,其下为砂砾石层并发育破碎花岗岩,且赋存丰富的地下水,厚约400m。

2 观测装置分析

红格站、甘孜站、冕宁站井下观测装置的参数如表1所示,甘孜站2个测道呈“L”形布局,并共用其中1个供电电极。红格站和冕宁站的各测道基本呈共中心点对称分布,无电极共用的情况。浅层介质的电阻率受季节性降雨和温度变化影响,在地表进行观测时地电阻率通常呈现出清晰的年变形态(赵和云等,1987; 薛顺章等,1994)。井下观测增加了观测装置到地表的距离,在多数电性结构-装置参数的组合下,井下观测能有效减小年变化幅度(解滔等,2016a,2019)。下文将采用地电阻率影响系数理论,对比分析这3个观测站井下观测装置对季节性气象因素影响的抑制能力。

表1 四川地区3个井下地电阻率观测站装置的参数

2.1 影响系数

地电阻率观测值是测区地下各区域内介质电阻率的综合反映。如果将测区划分为任意大小的N块区域,每个区域电阻率为ρi,i=1,2,…,N,则地电阻率ρa是各区域介质电阻率的函数(钱家栋等,1985; Parketal.,1991):

(1)

通常情况下,各区域介质电阻率在一定时间段内变化量很小,既Δρi/ρi≪1。对式(1)进行泰勒级数展开,忽略2阶及以上高阶项,则地电阻率的相对变化幅度可表示为各区域介质电阻率相对变化的加权和:

(2)

式中,Bi被称为影响系数:

(3)

影响系数Bi满足如下关系(Royetal.,1981; 毛先进等,2021):

(4)

在水平层状介质模型下,将测区划分为N层,则每层介质的影响系数表示该层介质电阻率变化对地电阻率观测值变化的影响程度。依据层状结构计算井下地电阻率的观测理论值时,采用聂永安等(2009)推导的水平层状均匀介质中点电流源位于任意深度的电位解析表达式。

2.2 气象因素影响的抑制能力

甘孜站井下观测装置位于原测区北侧150m处,可沿用原测区的电测深曲线给出水平层状电性结构分层模型(图2a),测区可解释为AK型4层电性断面。图2b 为冕宁站井下观测装置所在测区的电测深曲线,测区同样可解释为AK型4层电性断面。红格站井下观测和原地表观测在同一测区,图2c 为红格站的电测深曲线,测区可解释为H型3层电性断面。岩土介质的电阻率随含水量的增加而降低、随温度的升高而降低。春季至夏季阶段,气温逐渐升高且降雨量逐渐增加,则浅表土层介质电阻率降低; 秋季至冬季阶段的情况则相反。因此,浅表土层介质的真电阻率存在“夏低冬高”的年变化。由于不同观测站地下介质电性结构的差异,浅表土层介质真电阻率的年变化会引起观测站的地电阻率数据出现3种类型的年变化形态(解滔等,2013,2014,2023a)。

图2 观测站电测深曲线

甘孜站原地表观测时,浅层介质的影响系数为负值(图3a),故年变形态为“夏高冬低”型,年变化幅度约为7.6%。而采用井下观测装置时,浅层介质的影响系数变为正值(图3b),观测曲线呈现“夏低冬高”的年变化。井下观测时,浅层介质的影响系数远小于地表观测,年变化幅度也降低至约2%。冕宁站的井下观测区与原地表观测区相距5km,严格意义上不能用井下观测区的电性结构进行对比分析。我们并未搜集到原地表观测区的电测深数据,但2个观测区域均位于同一河床阶地,推测二者具有一定的相似性。原地表观测时,年变形态为“夏高冬低”型,与浅部介质影响系数为负值(图3c)相符; 井下观测时,浅部介质影响系数为正值(图3d),故观测数据的年变形态为“夏低冬高”型。地表观测时,浅部介质影响系数明显大于井下观测,地表观测时的年变化幅度约为3.2%,井下观测时降低至约0.8%。红格站地表观测和井下观测时浅部介质的影响系数均为正值,且数值相近(图3e～f),故地表观测和井下观测时的年变化均为“夏低冬高”型,且年变化幅度相近,分别约为3.4%和3.0%。由此可见,甘孜站和冕宁站采用井下观测装置后,对气象因素的影响具有很好的抑制作用,而红格站几乎无抑制作用。

图3 地表观测和井下观测时各层介质影响系数的分布(虚线为负值)

3 异常变化与震情跟踪

3个观测站改造升级为井下观测之后,观测数据的质量相较原有的地表观测具有明显提升。2020年底—2022年期间,这3个观测站先后出现不同形态的异常变化。中国地震台网中心地震预报部电磁预测研究室(以下简称电磁室)依据这些异常对2021年漾濞MS6.4、2022年泸定MS6.8、2023年泸定MS5.6 地震做出了短期预测。

3.1 异常变化

2016—2020年中,红格站NS和EW测道的观测数据较为平稳,且年变形态清晰(图4)。为便于对比观测数据每年的变化,对于同一测道的观测数据,在相同的纵坐标范围内将各年份1月1日的观测数据对齐,绘制年度变化曲线。2020年12月观测数据并未上升至往年同期水平,之后2个测道出现同步下降变化。截至2021年5月21日漾濞MS6.4 地震发生前,NS和EW测道的观测数据在去除年变化后的下降幅度分别约为2.1%和1.4%,红格站距此次地震震中约232km。漾濞地震之后NS测道的异常逐渐恢复,但EW测道的下降变化依然持续,直至2022年9月5日发生泸定MS6.8 地震,震中距约为340km。

图4 2016—2023年红格站井下地电阻率的观测数据

自2022年4月开始,甘孜站N10°E 测道的下降变化与前4年同期变化的时间相比有所提前(图5),6月底开始出现转折回升,10月下旬异常恢复,同期 N60°W测道并未出现相似的异常变化。异常期间先后发生了2022年6月1日芦山MS6.1、6月10日马尔康MS6.0、9月5日泸定MS6.8 地震,震中距分别约为306km、183km、293km。2022年9—11月,N60°W测道出现持续时间约为3个月的年变形态畸变异常,异常结束2个月后发生2023年1月26日泸定MS5.6 地震。

图5 2018—2023年甘孜站井下地电阻率的观测数据

冕宁站NS、EW、N45°W测道在2022年6月1日芦山MS6.1 和6月10日马尔康MS6.0 地震前无明显异常变化,自2022年6月下旬开始出现同步上升变化,与之前2a同期变化的形态相反(图6)。9月5日泸定MS6.8 地震后,3个测道均恢复至与往年一致的年变化形态。3个测道6月下旬的上升变化时间与甘孜站N10°E 测道下降变化后的转折回升基本同步。

图6 2020—2023年冕宁站井下地电阻率的观测数据

3.2 震情跟踪研判

自2020年12月红格站出现异常之后,电磁室将川滇交界地区作为中期时间尺度约6级的危险地区进行持续跟踪。自2021年3月下旬起,电磁室在周、月会商中持续给出该区域地震危险性紧迫的分析意见,直至5月21日发生漾濞MS6.4 地震。震后,红格站EW测道的下降变化依然持续,结合2021年7月云南祥云站地电阻率出现的下降异常,电磁室在2021年9月—2022年5月期间的月会商依然提出川滇交界地区约6级地震危险性紧迫的分析意见,但其间只发生了2022年1月2日云南宁蒗MS5.5 地震。2022年1月13日电磁学科组和四川省地震局对红格站进行了异常现场核实工作,5月之后将EW测道的异常作为背景性异常对待,将川滇交界地区作为6～7级地震危险性的跟踪区域,未再提出地震危险性紧迫的研判意见。

甘孜站N10°E 测道虽然于2022年4月出现异常变化,但由于年变形态较为清晰,当时也并未开展同年对比分析。同期冕宁站还未出现上升异常,因此未对芦山MS6.1 和马尔康MS6.0 地震做出预测。马尔康地震发生后,电磁室基于断层虚位错模式分析认为甘孜站的异常变化与这2次地震之间的关联性较弱(解滔等,2023b),加之6月下旬冕宁站和甘孜站同步出现上升变化,四川省地震局随即在7月和8月分别对冕宁站和甘孜站进行了异常核实,并与电磁室就异常核实的观测环境调查和分析情况进行了讨论,确认了异常变化的真实性。电磁室在2022年8月26日周会商上提出川西北地区(甘孜站250km范围)存在约6级地震危险性紧迫的分析意见,9月5日发生的泸定MS6.8 地震距预测区域约43km。此次预测的震级和空间范围均与实际发生的地震之间存在差异,其原因如下:地电阻率异常以下降变化居多(杜学彬,2010; 解滔等,2022b),地震发生前将红格站和甘孜站的异常作为核心,2个观测站虽然都位于川滇菱形地块的东边界,但二者的空间直线距离约为600km,因而将空间预测范围分为了2个独立的区域。冕宁站和红格站位于安宁河-则木河断裂附近,且相距约220km,震前将二者视为一组存在关联的异常,但由于冕宁站的异常为上升变化,故并未将其作为核心异常对待。甘孜站N10°E 的异常持续约5个月,依据异常的持续时间和震级的经验拟合关系(钱复业等,1982)预测震级约为6级,下降异常在转折回升阶段发生地震的比例最高(汪志亮等,2002),加之8月下旬时转折回升已经2个月,故做出了川西北地区存在6级地震危险性紧迫的研判意见。震后复盘分析认为,泸定地震几乎发生在红格和甘孜站的中间位置,如果将3个观测站的异常视为一个整体来对待,则震级和发震地点的研判可能会更好。甘孜站 N60°W测道在2022年9—11月出现年变畸变异常后,电磁室对2022年10月—2023年1月该地区的震情形式依然维持6级左右紧迫性的意见,2023年1月26日泸定MS5.6 地震发生后取消了对该地区的震情预测。

4 讨论

中强地震发生前,地电阻率观测的异常信息较为微弱,类似1976年唐山MS7.8 和2008年汶川MS8.0 地震前的大幅度异常极为稀少,多数异常的变化幅度为1%～3%,甚至更为微弱(杜学彬,2010),因此异常分析离不开高质量的观测数据。由于地电阻率采用大极距的观测方式,且观测装置通常布设在地表,极易受到测区内及附近区域观测环境变化的影响。地电阻率观测值的表达式为ρa=K·ΔV/I。其中,K为装置系数,在电极位置固定时,K固定不变;I为稳流源提供的供电电流,在稳流源工作正常的情况下,每个测道每次观测时的供电电流I固定不变,且能准确测量。环境干扰源主要通过对测量电位差ΔV产生影响,进而对观测值造成干扰。根据干扰源对观测造成影响的方式,大致可将其分为2大类(解滔等,2016b):1)电流性质的工农业及民用设施漏电(如地铁、变电站接地、机电设备接地、输电线路破损接地等),这类干扰源的漏电强度通常不稳定,在测量电极之间产生附加电位差; 2)测区内及附近区域局部范围内出现的改变浅层电性结构的干扰源(如金属水管、铁丝网、基建施工、开挖沟渠等),即地表局部电性异常体,这类干扰源改变了原有供电电流所维持的电流场分布,引起测量电位差的变化。对于漏电类干扰源,低频交流供电观测系统对其具有很好的抑制作用(马小溪等,2023); 对于地表局部电性异常体,井下观测装置对其具有很好的抑制作用(解滔等,2019)。

目前,多数观测站的观测装置位于地表,电极埋深为2～3m,观测极距AB约为1km,深度探测范围与观测极距相当(赵和云等,1982; 杜学彬等,2008)。井下观测将观测装置埋入地下一定深度处,在观测极距相同的情况下,深度探测范围相较于地表观测将有所增加。但目前装置的埋深为数十米至200m,深度探测范围的增加幅度并不明显。此外,当前开展的多数大极距井下观测,其观测极距相较于地表观测有一定缩短,因而深度探测范围实际上并未有显著变化。但在晋冀蒙交界地区,有9个观测站在地表观测的测区内建设了小极距井下观测装置,其特点是观测极距小于装置埋深。其中装置埋深和观测极距最大的是延庆站,装置埋深为150m,观测极距为120m。这些观测站的井下观测的深度探测范围明显小于同场地的地表大极距观测。井下观测的作用主要还是通过增加观测装置与地表潜在环境干扰源的距离以削弱其对观测的影响,从而提升观测数据质量。依据实验结果可知,地电阻率相对变化与介质变形之间近似存在Δρa/ρa=FΔV/V的比例关系。式中,F为介质的放大系数,不同介质的放大系数存在数量级上的差异(Yamazaki,1966; 赵玉林等,1983)。在地震孕育过程引起相同附加变形的情况下,不同地层条件下的地电阻率观测变化幅度将不具有可比性。例如,2008年汶川MS8.0 地震前,成都站和江油站与断层主破裂区的距离分别为35km和30km,地震发生前成都站的下降异常幅度高达6.7%,而江油站的下降幅度仅为1.5%(杜学彬,2010)。因此,关于异常幅度并没有一个严格统一的标准,是否将观测数据中的一次变化视为异常,主要还是以之前其自身多年的背景变化幅度范围和形态特征为参考。除广东河源站外,当前观测站网中的井下观测站均于2010年后建设,故地电阻率观测的震例几乎完全是地表观测所积累的。尽管多数异常的幅度为1%～3%(杜学彬,2010),但幅度<1%的异常也较为常见(解滔等,2022a)。在2021—2022年川滇地区4次MS≥6.0地震前,在扣除年变化之后,红格站观测数据的异常幅度为1%～3%,甘孜站NE测道的下降幅度为0.5%,而冕宁站主要表现为与往年同期下降变化形态相反的转折回升变化。这3个观测站于地震前出现的异常幅度并未因采用井下观测方式而高于地表观测时的异常幅度。

井下观测需要将观测装置埋设于数十米至数百米深度处,故布设一个测道的对称四级装置就需要钻取4口井,一个观测站通常需布设2、3个水平方向的测道,即使采用共用供电电极的方式,也需要钻取7～10口井,工程经费的投入较地表观测时显著增加。在电极下放至指定位置之后,需要对井孔进行回填,故工程建设是一次性的,电极和井下电缆无法更换。考虑到这些可能存在的问题与风险及之前井下观测只积累到一次与地表观测时相似的地震异常,井下地电阻率观测还未得到广泛应用。2021—2022年川滇地区发生4次MS≥6.0地震前,区域内的3个井下观测站出现了不同程度和形态的异常变化,且依据这些异常对2021年漾濞MS6.4、2022年泸定MS6.8、2023年泸定MS5.6 地震做出了短期预测,从观测实践的角度很大程度说明了井下地电阻率观测应用于地震预测的可行性。由于单个观测站的建设成本相对较高,今后在建设观测站时还是应优先考虑在人为影响因素较小的地方进行地表观测,采用无人值守的方式运维; 在需要建设观测站但存在人为地表电性异常体干扰源的区域实施井下观测; 在存在漏电影响的区域采用低频交流供电观测系统。

5 结论

四川地区的红格、甘孜、冕宁3个观测站在实施改造进行井下观测之后,观测数据的质量得到显著提升,在2021—2022年川滇地区4次MS≥6.0地震前先后出现了不同程度和形态的异常变化。依据这些异常对2021年漾濞MS6.4、2022年泸定MS6.8、2023年泸定MS5.6 地震做出了较好的短期预测,从观测实践的角度说明井下地电阻率观测具备记录到地震前异常信息的能力。甘孜站于2022年4月出现异常,但未及时据此对2022年6月10日马尔康MS6.0 地震做出预测,这也提醒我们在日常跟踪的过程中需要采用多种方法从不同维度对观测数据中的弱异常信息进行分析。此外,将直线距离约600km的甘孜站和红格站的异常分开进行对待,导致对泸定MS6.8 地震震级的研判较低、对地点的研判出现偏差,今后需要从更大区域的角度开展震例总结研究和异常之间的联合分析。

致谢四川省地震局张永久副局长、甘肃省地震局谭大诚研究员、北京市地震局王同利研究员现场指导了红格站的异常核实工作; 四川省地震局任越霞、何畅、廖晓峰,红格观测站、冕宁观测站、甘孜观测站的相关工作人员开展了异常核实工作。在此一并表示感谢!