吉林省地电阻率震兆异常分析研究*

史红军 赵卫星 张可佳 朱伟楠 李 宁

1) 中国长春130400榆树地震台 2) 中国长春130012长春市地震速测速报中心

吉林省地电阻率震兆异常分析研究*

1) 中国长春130400榆树地震台 2) 中国长春130012长春市地震速测速报中心

应用吉林省内榆树、 四平两个地电阻率台站观测资料,采用形态法、 归一化变化速率法和各向异性度法,分析研究了1999年汪清MS7.0深震以及2006年乾安—前郭MS5.0浅源地震前的地电阻率异常变化. 结果表明, 震前地电阻率出现长趋势下降变化或短临异常变化,表现为： ① 汪清MS7.0深震前,榆树台和四平台地电阻率月均值曲线上均显示出震前持续2年尺度的中期下降异常； ② 汪清MS7.0深震以及乾安—前郭MS5.0浅源中强震前,榆树台和四平台地电阻率变化速率均大于异常指标； ③ 乾安—前郭MS5.0地震前,四平台地电阻率各向异性度曲线显示出明显的低值异常变化,而榆树台各向异性度S曲线则出现破年变变化． 上述异常变化的原因可能为,太平洋板块向NW方向挤压,导致震源区及附近最大主压应力方位(或近于该方位)NW向的挤压作用突出,引起介质内部导电流体快速进入或重新分布,从而使地电阻率出现长趋势下降变化和各向异性变化．

地电阻率 地震 震兆异常 异常形态 归一化变化速率 各向异性度

引言

从1966年邢台地震开始,40多年的地震预测预报实践表明,在多次大地震、 中等地震前均记录到了地电阻率异常变化． 赵玉林和钱复业(1978)、 钱复业和赵玉林(1980)报道1976年唐山MS7.8强震和其它一些中小地震前震中及其附近地区电阻率下降, 并在震中形成一个电阻率下降的异常区． Qian等(1996)在唐山震例研究中得到,震前二三年多台出现地电阻率同步下降趋势异常． 关华平等(2008)利用四川及其周边省市的地电阻率观测资料分析2008年汶川地震前的地电阻率异常现象时,发现这次MS8.0地震前,距震中310 km范围内的5个地电阻率台站中,有3个台站出现2年以上趋势下降异常． 杜学彬等(2001)提出了归一化月速率方法,并用该方法处理了中等以上地震前近震中区地电阻率数据,提取出了地震地电阻率各向异性变化的前兆异常． 毛桐恩等(1999)提出了无量纲地电阻率各向异性度(S)方法,并将其应用于地震预报实践； 此后,其他学者也进行了大量震前地电阻率各向异性变化方面的研究,积累了不少震例(冯志生等,2004； 阮爱国等,2004)．

图1 吉林省地电阻率台站与震中分布图Fig.1 Distribution of earth resistivity observation stations and epicenters of Jilin Province

本文在考察吉林省地电阻率台站的观测环境、 观测仪器、 观测资料以及干扰源等前提下,在前人研究基础上,利用榆树和四平这两个地电阻率台站的观测数据,采用形态法、 地电阻率各向异性度法和归一化变化速率法,研究了区域(121.60°—131.40°E,40.75°—46.35°N)内发生的MS≥4.3 地震前各台站观测到的地电阻率震兆异常,期望为今后地电阻率观测资料的分析和应用,尤其是吉林省地震地电阻率异常的正确判定提供一定的依据．

1 吉林省地电阻率台站概况

目前,吉林省内有3个地电阻率观测台站,分别为四平台、 白城台和榆树台. 各台站及震中分布如图1所示． 因文中未使用白城台资料,故仅对四平台和榆树台的概况予以介绍.

1.1 四平台概况

四平台位于东北断块区松辽沉降坳陷带与张广才岭—老爷岭断块隆起带的交会部位,靠近松辽沉降坳陷带东部斜坡带的边缘. 其附近有NE向伊通—舒兰断裂带经过,基底为海西期花岗岩,埋深约500 m． 地表出露第四系黄土层,基岩为白垩系泉头统砂岩、 粉砂岩． 地下水类型为基岩裂隙水． 地表下11 m为第四系黏土、 亚黏土； 11—96 m为白垩系粉砂岩,泥岩互层； 96 m以下基底为海西期花岗岩． 四平台地处吉林省四平—长春—榆树中强地震活动带,属小震活动频发区(吉林省地震局,2005)．

四平台地电阻率于1977年4月开始观测,观测仪器为ZD8B,布设N40°E 和N50°W共两个测道,供电极距AB=1100 m,测量极距MN=300 m． 供电/测量电极采用厚5 cm、 100 cm×100 cm正方形铅板电极,电极埋深3.0 m. 供电电极接地电阻为 4.0—26.0 Ω,测量电极接地电阻为4.0—20.0 Ω． 2003年11月以前,外线路采用架空方式,供电线、 测量线均使用2×1.5 mm2电缆； 2003年11月以后,外线路采用地埋方式,供电线、 测量线均使用2×2.5 mm2镀锌铠装电缆,外线路绝缘≥50 MΩ． 该台装置系统符合DB/T 18.1—2006关于台站建设的技术要求(杜学彬等,2006)．

1.2 榆树台概况

榆树台所处大地构造位置为东北断块区松辽断陷沉降带的东部隆起区,位于NE向伊通—舒兰、 四平—长春两个深大断裂带北延部分的中间地带、 NNW向卡岔河断裂西侧2.5 km的平原地区． 沿NE向四平—长春断裂带及伊通—舒兰断裂带上曾发生过中等强度的地震,现代中小震活动明显． 该台站位于NE和NNW向3条活动断裂交会部位附近. 台站东侧的NNW向卡岔河断裂构造比较发育,台址所处的地质背景对捕捉地震前兆信息十分有利． 榆树台台址基岩主要是白垩系砂岩, 第四纪覆盖大多在70—90 m,岩石结构致密,对监测明显地震前兆信息是有利的(史红军等,2011)．

榆树台地电阻率于1993年1月正式观测,观测仪器为ZD8BI,布设N45°E 和N45°W两个测道,供电极距AB=900 m,测量极距MN=300 m． 供电/测量电极采用厚6 cm、 100 cm×100 cm正方形铅板电极,电极埋深2.5 m. 供电电极接地电阻为 6.0—27.0 Ω,测量电极接地电阻为5.5—27.5 Ω． 2003年11月以前,外线路采用架空方式,供电线使用2×1.5 mm2电缆,测量线1997年4月以前使用被覆线,1997年5月—2003年10月,使用2×1.5 mm2电缆； 2003年11月以后,外线路采用地埋方式,供电线、 测量线均使用2×2.5 mm2镀锌铠装电缆,外线路绝缘≥50 MΩ． 该台装置系统符合DB/T 18.1—2006关于台站建设的技术要求(杜学彬等,2006)．

1.3 台站运行观测情况

对四平台、 榆树台建台以来数据统计结果表明,四平台、 榆树台的装置系统稳定性均满足《地震及前兆数字观测技术规范——电磁观测(试行)》(以下简称《规范》, 中国地震局,2001)技术要求： ① 测量极接地电阻<100 Ω； ② 供电极接地电阻<30 Ω； ③ 漏电电流影响系数ε1<0.1%； ④ 漏电电位差影响系数ε2<0.5%．

地电阻率观测精度由观测系统误差和偶然误差两部分组成(中国地震局,2001)． 观测系统误差主要是测量仪器误差,一般可通过对仪器的定期标定予以克服； 偶然误差则是多种因素的综合作用使观测值产生某些变化. 偶然误差使测量值在均值附近波动,其大小用日均方误差的月均值来衡量,一般取其相对均方根误差Kσ． 从四平台、 榆树台仪器标定统计结果来看,建台以来,这两个台站的仪器标定结果均合格. 多年来,这两个台的地电仪器,尤其是数字地电仪器产生的地电阻率相对均方根误差Kσ的月均值均在0.3%以内变化,保证了可靠识别不低于1%的地电阻率异常．

2 震兆异常分析

吉林省属于少震省份,省内自1960年榆树土桥MS5.8地震、 1966年怀德范家屯MS5.2地震后,直至2006年3月31日乾安—前郭MS5.0地震发生,5级以上浅源中强地震发生的时间跨度达40年； 而处于我国深源地震区的汪清,于1999年、 2002年先后发生MS7.0、MS7.2深源地震(史红军等,2011). 经整理吉林省地电阻率台站观测数据,采用形态法、 归一化变化速率法和各向异性度法深入分析研究得到的结果表明,在汪清MS≥7.0深源地震以及乾安—前郭MS5.0等中强地震前,均记录到了较为明显的地电阻率震兆异常．

2.1 地电阻率形态异常分析

形态分析是根据原始资料的变化形态进行分析的一种常用方法． 形态法由于没有作任何数据处理,因此能较好反映震前各个时段地电阻率的原始形态,直观、 简单,物理意义明确． 1978年唐山MS7.8地震前河北昌黎台观测的地电阻率出现大幅度下降性异常变化； 同年8月四川松潘MS7.2地震前甘肃武都台观测的地电阻率也出现了下降性异常变化,地震发生时异常幅度达到最大,地震后逐渐恢复(钱家栋,1993)． 杜学彬等(1999,2000)应用归一化变化速率法处理了我国100多个地电台站资料. 统计表明,MS7.0—7.8地震附近约150 km范围内出现异常的台站全部为下降性异常；MS6.0—6.9地震约50 km范围内出现异常的台站也全部为下降性异常. 随着震中距增加,下降性异常占异常总数目的比例减小,MS5.0—5.9地震出现的下降性异常仍为多数(张继红等,2010)．

应用形态法分析榆树台和四平台地电阻率观测数据,可以看出汪清MS7.0深震前,两个台站地电阻率月均值曲线均存在长趋势下降． 汪清MS7.0深震前,榆树台两测向地电阻率月均值曲线从1997年1月初开始几乎同步出现长趋势下降(图2)； 震后,两测向地电阻率月均值曲线均缓慢回升(史红军等,2008)． 这种异常变化,与唐山、 松潘以及汶川大地震的震例总体异常特征相似(赵玉林,钱复业,1978； 钱复业,赵玉林,1980； 张学民等,2009)． 尽管两测向地电阻率的变化幅度均小于1%,但均显示出2年尺度的中期异常． 四平台N50°W向地电阻率月均值曲线从1997年1月初出现长趋势下降,到1998年11月降至最低点后开始转折加速上升,上升至最高点时发生MS7.0深震． 该曲线显现了一个完整的下降—上升异常变化,与杜学彬等(2000)的研究成果相一致． 虽然异常变化幅度只有0.47%,但1—2年尺度中期异常较明显．

2.2 地电阻率归一化变化速率异常分析

归一化变化速率法为杜学彬等(2001)提出的一种提取地电阻率中短期至短期短临异常的方法,杜学彬(2010)进一步完善了该方法. 其数学定义为

(1)

图2 榆树台和四平台地电阻率月均值曲线Fig.2 The curves of monthly mean values of earth resistivity recorded at Yushu and Siping stations

(2)

图3与图4分别给出了榆树台和四平台1997—2002年及2003—2011年地电阻率归一化变化速率曲线,滑动步长为8． 由图可见,在1999年汪清MS7.0、 2002年汪清MS7.2、 2011年珲春MS6.1深震以及2006年乾安—前郭MS5.0、 2009年伊通—公主岭MS4.3浅源中强地震前,榆树台、 四平台地电阻率归一化变化速率均出现不同程度的异常变化． 对于MS6.1以上深震而言,地电阻率归一化月速率值于震前3—28个月出现异常. 例如,汪清MS7.2深震前,榆树台N45°E测向地电阻率归一化月速率值于2002年4—6月出现最大值为6.04的短临异常,N45°W测向地电阻率归一化月速率值于2000年3—6月出现最大值7.29后,于2001年3—6月又出现最小值为-6.77的中期异常； 四平台N50°W测向地电阻率归一化月速率值于2001年5、 6月出现最小值为-3.28的中期异常. 而对于浅源中强地震而言,地电阻率归一化月速率值于震前3—28个月出现异常. 例如,乾安—前郭MS5.0地震前,四平台N40°E测向地电阻率归一化月速率值于2005年7—9月出现近1年尺度的高值异常变化后,又于2006年1—2月出现短临低值异常； 其N50°W测向地电阻率归一化月速率值于2003年12月—2004年1月出现2年尺度的低值异常．

图3 1997—2002年榆树台和四平台地电阻率归一化变化速率曲线

图4 2003—2011年榆树台和四平台地电阻率归一化变化速率曲线

2.3 地电阻率各向异性度异常分析

(3)

式中,ρSN和ρEW为NS向和EW向的地电阻率月均值,n为月数(n≥7)． 在孕震等周围环境因素无变化时,S通常为常数． 若两个测量方向的观测值ρSN与ρEW之差增大,表明岩石介质的各向异性增强； 反之,则表明介质的各向异性减弱． 即S值的大小及变化,表征了孕震过程中岩石介质各向异性的强弱及变化,或者岩石破裂程度的变化. 其实质反映了孕震构造应力场的动态变化(陆阳泉等,1998； 钱复业,赵玉林,1998； 毛桐恩等,1999)．

根据式(3),分别对四平台、 榆树台近年地电阻率进行计算,得到了四平台和榆树台的地电阻率各向异性度S曲线(图5,6)．

图5 2004—2009年四平台电阻率月均值曲线及各向异性度(S)曲线

图6 2004—2009年榆树台电阻率月均值曲线及其各向异性度(S)曲线

四平台地电阻率各向异性度值从2005年6月份开始出现加速下降,至10—11月各向异性度出现最低值,在各向异性度值恢复上升过程中,发生了2006年3月乾安—前郭MS5.0地震． 同样,其各向异性度值在2008年6月再次开始出现加速下降,至8—9月份各向异性度出现最低值,然后转折上升,在此过程中,发生了伊通—公主岭MS4.3地震． 在这两次地震前,四平台地电阻率各向异性度曲线均显现出半年尺度的短临异常．

由图6可见,榆树台地电阻率各向异性度曲线变化比较有规律,呈现类似于正弦波变化,但在2006年3月乾安—前郭MS5.0地震前,这一规律被打破,各向异性度曲线在2005年8月—2006年5月呈近乎直线变化,从2005年8月份出现破年变变化,到地震发生,持续时间为8个月； 地震发生后,各向异性度曲线逐渐恢复正常．

3 地电阻率异常变化特征

研究结果表明,大震地电阻率异常范围,其半径大于200 km、 小于700 km,异常时间在12—20个月内的发震概率最高,为97.8%； 强震地电阻率异常范围大多在300 km以内,趋势异常时间在12个月内发震的概率最高,为86.5%； 中强地震地电阻率异常范围,半径一般在200 km以内,趋势异常时间在180天之内的发震概率最高,为95.0%(汪志亮等,1995)． 在吉林省境内发生的MS≥6.1深源地震及MS≥4.3浅源中强地震前,地电阻率能够较好地反映震前异常变化,异常特征及地震的各项参数如表1所示． 从表1可以清楚地看到,映震范围为50—550 km； 异常出现至发震时间间隔为90—840天； 异常持续时间为30—730天； 异常变化幅度为0.47%—0.89%. 异常变化形态主要以地电阻率月均值曲线呈长趋势下降、 归一化速率曲线出现高值或低值、 各向异性度曲线出现低值等异常形式出现．

4 地电阻率异常变化的物理解释

吉林省的汪清、 珲春至黑龙江省的东宁、 穆棱一带(129°—132°E,40.5°—44.5°N),是我国唯一的深源地震区． 张立敏和唐晓明(1983)研究了西太平洋板块俯冲运动对东北深震带的影响,认为东北地区深震是西太平洋板块俯冲到中国大陆之下造成的． 孟宪森等(1996)研究认为,深震是地幔流驱动太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲时下插板块发生断裂所致, 且深震活动与东北浅震活动明显相关, 因此东北浅震的动力来源也是板块俯冲作用． 由于岩石层俯冲深度大于70 km时, 应力状态是压性的, 主压应力轴的方向与俯冲板块的倾斜方向一致, 因而震源机制解中的P轴方向即代表俯冲板块的运动方向． 吕政(2003)研究吉林省汪清深震时指出,2002年6月29日地震矩张量解显示的震源类型是逆断层性质,而1999年4月8日地震则是逆断层兼走滑分量,但两次地震的压应力轴均为WNW方向,反映了太平洋板块向NW方向俯冲并与向东漂移的欧亚板块碰撞的事实．

上述研究结果为地电阻率震前出现长趋势下降以及各向异性变化提供了物理解释． 参照杜学彬等(2007)关于地震前地电阻率各向异性变化的研究,作者认为,由于榆树台、 四平台位于汪清、 珲春深震NW向或近NW向,在孕震扩容阶段,台站所处介质内部微破裂数量急剧增大,裂隙走向沿最大主压应力方向(NW向)优势排列,导电流体快速进入或重新分布,导致真电阻率快速、 大幅度下降变化,从而引起地电阻率快速下降变化．

在强地震孕震晚期阶段,由于太平洋板块向NW方向挤压,导致震源区及附近最大主压应力方位(或近于该方位)NW向的挤压作用突出. 处于NW向的榆树台和四平台介质内部竖向微裂隙发育、 快速发展,微裂隙走向沿最大加压方向优势取向,导电水溶液快速进入或重新分布,产生沿最大加压方向快速、 大幅度变化为主的真电阻率各向异性变化． 由于真、 视电阻率变化最显著的方向不同,所以产生了垂直加压方向快速、 大幅度变化为主的视电阻率各向异性变化． 这一观点与杜学彬等(2007)给出的强震前视电阻率各向异性变化的原因相吻合．

5 结论

综上所述,通过对吉林省内榆树和四平两个地电阻率台站观测数据的处理与分析研究表明,在中强地震及深源地震前,地电阻率能够记录到明显的异常变化. 这一结果可以为吉林省地震前期预测提供一定的参考依据．

1) 榆树台和四平台观测到了2年尺度长趋势的地电阻率下降异常现象. 在震前,四平台地电阻率各向异性度出现下降,而榆树台各向异性度则出现破年变变化. 这两个台站的地电阻率归一化变化速率出现短期至2年尺度异常变化．

2) 榆树台、 四平台所观测到的地电阻率2 年尺度长趋势下降异常,源于介质内部微破裂、 微裂隙数目急剧增大,裂隙走向沿最大主压应力方向(NW向)优势排列,导电流体快速进入或重新分布,导致真电阻率快速、 大幅度下降变化．

3) 由于太平洋板块向NW方向挤压,导致在强地震孕震晚期阶段,震源区及附近最大主压应力方位(或近于该方位)NW向的挤压作用突出. 处于NW向的榆树台和四平台介质内部微裂隙发育、 快速发展,微裂隙走向沿最大加压方向优势取向,导电水溶液快速进入或重新分布,产生沿最大加压方向快速、 大幅度变化为主的真电阻率各向异性变化,最终导致地面观测的视电阻率各向异性变化．

地震的孕育和发生是一个极其复杂的过程,吉林省又属于少震省份,可供借鉴的震例有限. 上述地电阻率异常变化是否具有普适性,仍有待震例资料的进一步积累和检验.

中国地震局地震预测研究所钱家栋研究员、 赵家骝研究员和中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地杜学彬研究员以及上海市地震局马钦忠研究员对本研究提出了有益建议； 审稿专家及编辑部老师对稿件提出了修改意见与建议； 本文资料由吉林省地震局四平地震台和榆树地震台提供． 作者在此一并表示感谢！

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Characteristics of precursor anomalies of earth resistivity at Yushu and Siping seismic stations of Jilin Province

1)YushuSeismicStation,Changchun130400,China2)EarthquakeFastDeterminationandReportCenterofChangchunCity,Changchun130012,China

This paper studies the anomalous changes of earth resistivity before 1999 WangqingMS7.0 earthquake and 2006 Qian’an--QianguoMS5.0 earthquake observed at Yushu and Siping stations of Jilin Province. The results show that, at the Yushu and Siping stations a long-trend decreasing or short-impending anomaly of earth resistivity appeared before the two earthquakes. Monthly mean curves of earth resistivity displayed two-year decrease anomalies at Yushu and Siping stations before the Wangqing earthquake. Before Wangqing and Qian’an--Qianguo earthquakes, normalized variation rates of earth resistivity are larger than anomaly index at Yushu and Siping stations. Before Qian’an--Qianguo earthquake, earth resistivity anisotropy degree showed obviously low value anomaly at Siping station, and at Yushu station it broke its annual variation value. Possible reasons for the anomalous changes maybe are related to the maximum principal compressive stress orientation’s (or close to the range) compressing NWwards in the source region and its vicinity resulting from NWwards extrusion of Pacific Plate, which makes the conductive fluid in the media quickly enter or redistribute, so that the earth resistivity shows a long-trend decrease and anisotropic variation.

earth resistivity； earthquake； earthquake precursor anomaly； shape anomaly； normalized variation rate； anisotropy degree

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.011.

中国地震局“地震监测、 预报、 科研三结合”课题(201112, 140701)资助.

2012-12-03收到初稿,2013-03-10决定采用修改稿.

e-mail: dzshj@sina.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.011

P319.3+2

A

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