月速率法与月均值法在地电数据处理上的应用

马金平，马建新，叶庆东

(1.山西省地震局代县中心地震台，山西代县　034200；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原　030025；3.青海省地震局，青海西宁　810001； 4.中国地震局第一监测中心，天津　300180)



月速率法与月均值法在地电数据处理上的应用

马金平1，2，马建新3，叶庆东4

(1.山西省地震局代县中心地震台，山西代县034200；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025；3.青海省地震局，青海西宁810001； 4.中国地震局第一监测中心，天津300180)

摘要：采用归一化月速率法与月均值曲线法对山西北部2个地电台站1990年以来的观测数据进行处理，结合周边地区1990年以来4级以上地震进行震前数据曲线异常变化特征分析，对2种数据处理方法进行对比总结。

关键词：归一化月速率法；月均值曲线法；地电阻率；异常变化特征

0引言

在进行地电阻率地震异常识别时，一般情况下，在地电阻率时间序列上无需进行任何处理，就可以清晰识别短临异常，但对于识别震前中短期异常较为困难，其原因可能在于孕震晚期阶段震源区动力学过程剧烈，引起介质物理性质的极大改变，而震前中短期阶段震源区动力学过程引起的介质物理性质改变程度较低,所以震前中短期异常经常需要采用有效的数据处理方法来进行提取。本文采用归一化月速率法与月均值曲线法对地电阻率异常识别进行了尝试。

1基本情况及资料选取

本文选取了山西省北部地区的大同地震台与代县地震台的地电阻率观测月均值资料(表1)。2个台站及周边1990年以来4.0级以上地震分布见图1，2个台站地电阻率观测场地都分布在断陷盆地边缘的活动断裂带附近，布极方位为成正交的两道或三道，其中一道与山前主干断裂带垂直，另一道与断裂带平行或斜交，台站简况见表1。选取1990年1月1日至2010年6月30的资料。

2山西北部及临近地区震前地电阻率异常分析

2.1归一化月速率法

2.1.1方法原理

以往判断电阻率正常与异常是人工从原始值曲线或排除年变化的曲线上进行的，但具体研究一个台站连续多年的观测发现，同一台站的电阻率测值并不是多年稳定在一个基值附近，即使观测条件不变动，周围无大震、小震，地电阻率测值也有一定的长趋势变化，正常值自身就较难确定，为了把背景值变化统一在限差之内，把异常控制在限差之外，并保持地电阻率原有的上升或下降形态，在“九五”地电攻关期间，杜学彬等提出了归一化月速率方法。该方法在归一化时间序列上对所有台站、测道的长程资料其异常指标统一(Si≥±2.4)。避免了人为判定正常基值、追踪异常形态和幅度、时间的不确定性和随意性。每个异常数据点反映了ξ(一般ξ=5～10)个电阻率测值的整体变化，排除了随机干扰引起的偶然异常。Si<0时ρs为下降变化速率(包含异常形态、幅度和时间信息)，Si>0时ρs为上升变化速率。在地壳介质电性系统变化的正常时段，Si在限差之内平稳随机变化，在存在系统性影响的异常时段，Si在限差之外变化[1]。

表1　　　　　　　　地电台站简况

选取的1990年1月至2010年6月大同和代县的地电阻率月均值数据，排除年变化与去倾处理，然后再取7个月步长用归一化速率进行处理分析[2-4]，得出结果见图2。图中月速率为∣Si∣=2.4，是杜学彬等统计了196次地震信息得到的异常限差，其数学意义比较清楚[1]。对限差之外的异常变化用椭圆线圈进行了圈定。

2.1.2异常分析

从代县地电南北向归一化月速率曲线上看出，1991年1月山西忻州5.1级、1991年3月大同5.8级、1996年5月包头6.4级、1999年11月浑源5.7级、2010年4月大同4.5级、2010年6月阳曲4.6级地震前，曲线均显示出突出的低值异常，均在低值异常结束或结束不久时发震。在1998年1月10日张北6.2级地震前1年呈现高值异常，异常结束1年后再次呈现高值异常时发震。这条曲线对应地震多表现为低值异常反应。

图1　大同与代县地电台站分布及周边1990年以来4级以上地震的分布

从代县地电东西向归一化月速率曲线上看，1996年5月包头6.4级地震前曲线呈现出高值与低值交替异常。2002年9月太原5.0级地震前20个月曲线呈现低值异常。

从大同地电南北向归一化月速率曲线上看，1996年5月包头6.4级、1998年1月张北6.2级地震前曲线均显示低值异常，在曲线由低值异常回升至高值异常时发震。

从大同台地电东西向归一化月速率曲线上看， 2002年9月太原5.0级地震前18个月曲线显示高值与低值交替异常。

从大同台地电北西向归一化月速率曲线上看，1996年5月包头6.4级、2002年9月太原5.0级地震前曲线显示高值异常，1999年11月浑源5.7级地震前曲线显示低值异常。

通过以上分析可以看到， 采用归一化月速率法对2个台站的地电月均值资料进行处理后，曲线异常显示对应地震概率较高，特别是代县地电南北向归一化月速率曲线，每处异常之后，距离台站400 km范围内均有4.0级以上地震发生。

2.2月均值曲线法

采用月均值曲线法，能较好地屏蔽各种干扰的显示，让曲线变化的总体形态更为直观，从而更容易找出曲线的变化特征(图3)。为了使曲线异常变化形态显示更为直观，对异常变化进行了人工标注，图3中的斜线为相近几年内有正常年变的地电阻率长趋势均值变化线，椭圆所圈曲线为年变曲线畸变或打破年变规律变化。

从图3可以看出，4.0级以上地震大多发生在地电阻率变化打破年变规律或年变曲线畸变以及长趋势变化转折之后，震前的打破年变规律或年变曲线畸变在时间上一般会持续1～2年，将此类有别于正常地电阻率变化背景的异常变化可定性为地电阻率地震前兆异常。

图2　代县地震台与大同地震台地电阻率归一化月速率曲线

从大同南北向月均值曲线上看，1991年忻州5.1级、大同5.8级地震对应曲线年变高值超过往年异常。1999年11月浑源5.7级地震前，大约在2年前曲线开始失去正常年变，8个月前开始了异常下降，在经历了急速下降—缓慢下降后发震，震后曲线恢复正常年变。

从大同东西向月均值曲线上看，1996年包头6.4级、2002年太原5.0级地震发生在长趋势变化转折后。

从大同北西向月均值曲线上看，1999年11月浑源5.7级地震前显示的异常变化与大同北西向月均值曲线上显示的异常变化相近。

从代县南北向月均值曲线上看，1991年忻州5.1级、大同5.8级、1996年包头6.4级、1998年张北6.2级地震前，曲线均失去正常年变。

从代县东西向月均值曲线上看，1996年包头6.4级地震前7个月左右曲线脱离正常年变化开始异常下降，在经历了下降—短暂转平—再急剧下降—回返阶段后发震。1998年张北6.2级、1999年浑源5.7级地震前年变曲线失去正常年变。2010年阳高4.5级、阳曲4.6级地震前，在2～3月时，本应回升的年变曲线没有回升。

3分析总结

通过对山西省北部及周边地区4.0级以上地震前，大同地震台与代县地震台地电阻率异常特征分析，认为各次地震震前异常特征显示比较明显。现将各个地震震前地电阻率异常特征进行总结，结果见表2。

图3　大同地震台与代县地震台地电阻率月均值曲线

表2　　　　　　　山西北部及周边地区地震前各分析方法显示异常特征

从表2中可以看出，归一化月速率法曲线对应地震概率要比月均值曲线法要高，异常指标明确，异常形态简单，从而更易于识别。

4结论及认识

通过以上分析看出，地电阻率观测数据采用不同的方法进行处理后，在不同的地震前呈现出了不同的异常变化特征，不同的分析方法应用到不同的台站，不同方向的测道上，效果都不同。因此在分析地电阻率异常特征时，各种方法要综合使用，才能达到较好的预报效果。

在地电阻率月均值曲线图中，代县台地电东西向在包头6.4级地震前，呈现的下降—短暂转平—再急剧下降—回返阶段，其变化的原因可能是地下岩体应力加强，岩体未饱和孔隙逐渐减小，导电通道得到改善，使得地电阻率下降，当岩体抗压强度与构造应力达到平衡时，地电阻率变化趋于平稳，当构造应力进一步加强，使岩体孔隙进一步缩小或闭合，导电通道进一步改善，地电阻率又进一步下降，当构造应力强度超过岩体的抗压强度，以致发震，发震后应力释放，岩体孔隙逐渐恢复，饱和度减少，导致导电性能下降，地电阻率回返[3]。 代县台地电南北向在包头6.4级地震前，以及1999年11月山西浑源5.7级地震前，大同地电南北、北西向也存在这样类似的部分发展演化阶段。不同地震前异常变化形态不完全相同有可能是不同地震在孕育过程中构造应力的变化不尽相同，从而对观测场地的地电阻率的影响也不同所造成的。

对于发育较早，持续1～2年，趋势背景比较明显的异常，采用月均值曲线法较好。异常特征呈现明显的孕震模式：1.下降—转平—再急剧下降—发震后回返； 2. 下降—转平—发震后回返。对于变化幅度小、时间短、隐蔽性强的异常，归一化月速率法有较好的应用效果。

参考文献：

[1]杜学彬.强震近震中区地电阻率变化速率的各向异性[J].地震学报，2001，23(3)：289-297.

[2]张学民，翟彦忠.晋冀蒙交界地区震前地电阻率异常分析与研究[J].华北地震科学，2002，20(1)：16-24.

[3]张学民，武有文.河北张北地震前后地电阻率异常分析[J].山西地震，2000，(4):3-5.

[4]陈有发.地震地电阻率阶段性变化特征的物理解释[J].东北地震研究，1987，3(3)：21-27.

MONTHLY RATE METHOD AND MONTH AVERAGE METHODIN THE APPLICATION OF ELECTRICALDATA PROCESSING

MA Jinping1,2,MA Jianxin3,YE Qingdong4

(1.Earthquake Administration Of Shanxi Province,Taiyuan 030021,China;2.Continental Rift ValleyDynamics State Observatory Of Taiyuan,Shanxi Province,Taiyuan 030021,China;3.Earthquake Administration Of Qinghai Province,Xining 810001,China;4.First Crust Monitoring And Application Center,CEA,Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Abstract:The earth resistivity observed data of two stations in the northern Shanxi province since 1990 are analyzed by monthly rate method and month average method,and compared and summarized the processing procedure of the two methods by the anomalies variation characteristics of M≥4.0 earthquakes.

Key words:Normalized monthly ratio method;Month average method;Earth resistivity;Anomalous variation characteristic

收稿日期：2014-09-28

作者简介：马金平(1973—)，男，山西岢岚人，工程师，2004年毕业于北京理工大学计算机科学与技术专业，从事地震监测工作。E-mail:245176808@qq.mail。

中图分类号：P315.72+2

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)02-0025-05