甘肃张掖MS5.0地震前山丹地电异常探讨

杨兴悦, 王 燕, 张俏丽, 高振生, 李 亮

(兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

据中国地震台网中心测定,2019年9月16日20时48分,在甘肃张掖市甘州区(38.60°N,100.35°E)发生了MS5.0地震,震源深度11 km[1]。地震震中位于甘州区花寨乡附近,张掖市甘州区、临泽县有明显震感;酒泉市肃州区、金昌市有震感,无人员伤亡。

祁连山中段被认为是未来可能发生强震的重点区域(1)2019年度甘肃省震情趋势会商报告.2018.,震情形势较为严峻,受到相关人员的广泛关注。张掖市甘州区MS5.0地震位于中国地震局和甘肃省地震局划定的2019年度强震危险区域,该地震发生后,该区域未来的震情形势依然不明朗,仍需要重点关注。

地电观测是地球物理场观测的重要组成部分[2],用于地震观测的地电观测主要进行地电阻率和地电场观测。地电阻观测对介质应变状态有灵敏响应,观测数据无须进行复杂的数学处理,通过直观的形态变化就能发现异常[3]。地电场分为大地电场和自然电场两部分,地电场主要是地球外部空间的各种电流在地球内部所产生的感应电场;自然电场主要是地壳中某些物理、化学作用引起的电场[4],国内外已开展的大量地电观测用于地震预测研究,取得了良好的效果[2,5-10]。地电观测是我国地震监测预报的重要手段之一,经历了近50余年的发展,积累了大量的观测数据和丰富的观测经验,为地震探索研究提供了基本保障[11]。但地震预测至今还是世界上未解决的难题,各级政府对地震预测研究高度重视,社会公众对地震预测预报的需求仍然很高[12]。因此在祁连山地区地震形势依然严峻的情况下,有必要行分析总结张掖5.0地震前的地球物理观测资料,排除观测资料包含的各种干扰信息[13],提取异常信息,总结经验,为后序地震预测研判提供参考。

1 山丹台地电简介

山丹台位于河西走廊中部,东邻永昌,南接青海、北靠内蒙古阿拉善右旗。地电测区在距离山丹县城8 km的清泉镇南湾村,处于荒山丘陵,地表为旷野型戈壁沙土堆,覆盖层较深,地形稍有起伏,地表几乎没有植被,地下潜水位埋深在50 m以下,观测环境好。构造上位于祁连山地震带,所处的断裂带是河西走廊区域性主干大断裂,切割地壳较深,呈NWW走向,测区地质岩性为砂岩[14]。台站主要进行地电阻率、地电场、地磁和气象三要素观测。

2019年9月16日在甘肃张掖市甘州区发生的MS5.0地震,震中位于山丹台西偏南15°方向63 km处。

1.1 地电阻率观测

地电阻率观测开始于1972年,2006年9月起使用ZD8BI型地电仪,采用水平对称四极法观测,分别进行南北(NS)、东西(EW)、北N45°西(N45°W)三测道时值观测。三个测道供电极极距均为1 000 m,NS和N45°W测道测量极极距为200 m,EW测道测量极极距为226 m,布极示意图如图1(a)。电极采用1 000 mm×800 mm×5 mm的铅板,埋深1.8 m,外线路架设采用空架方式。

1.2 地电场观测

地电场观测开始于2006年,使用仪器为ZD9A-Ⅱ型地电场仪,采用三角形布极,正交长极距为300 m,短极距为200 m,斜长极距为424 m,斜短极距为283 m,布极示意图如图1(b),分别进行NS、EW和N45°E三个方向长、短极距六测道分钟值观测。采用固体不极化电极,埋设在地表冻土层以下,埋深约4.2 m,各电极基本处于同一平面。外线路全部为铠装电缆,采用空架方式。

图1 山丹地电阻率和地电场观测布极示意图Fig.1 Schematic diagram of electrode arrangement of geoelectrical resistivity and geoelectric field at Shandan station

2 山丹台地电异常分析

2.1 山丹地电阻率

2006年以来山丹地电阻率采用ZD8BI型地电仪进行NS、EW、N45°W三测道观测,观测资料稳定可靠,NS、和N45°W测道时值观测数据年动态清晰,2018年10月前EW测道时值数据年变形态不清晰,2018年10月更换配电箱后该道观测资料出现了较为清晰的年变形态,EW和N45°W测道资料年变形态较为相似(图2)。

图2 2017—2019年山丹地电阻率时值曲线Fig.2 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from 2017 to 2019

2019年9月16日20时48分,在甘肃张掖市甘州区发生了MS5.0地震,震源深度11 km,地震发生在山丹台西偏南15°方向63 km处。2019年9月9日(震前8天)山丹地电阻率资料开始出现较为同步异常(图3)。经调查,震前观测场地和观测环境无变化,观测资料出现异常变化后观测人员检查观测系统正常。

图3 2019年1—9月山丹地电阻率时值与降雨量日值曲线Fig.3 Hourly value curves of geoelectrical resistivity and daily rainfall curve at Shandan station from January to September 2019

山丹台2018年12月17日安装气象三要素仪,从一年来记录的降雨量资料来看,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后换算成降雨量为37.5 mm,对山丹地电阻率观测资料影响不明显(图3)。2019年6—9月山丹降雨量相对集中,其中6月和7月降雨量比8月多且频繁,地电阻率观测资料6—7月变化不明显(图3)。由于之前没有降雨量记录,无法深度分析降雨对山丹地电阻率的影响,但是河西地区干旱少雨,每年降雨集中在夏季,从近几年地电阻率观测曲线来看,少量降雨对山丹地电阻率观测资料影响不明显(图2)。而2019年9月8—12日降雨分别为24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,观测资料从8—15日出现不同程度的趋势性变化,综上分析认为降雨对山丹地电阻率影响不明显,但是此次地震前恰逢降雨相对较多,认为此次震前异常是较为可信的地震前兆异常,但可能夹杂一定程度的降雨影响。

山丹地电阻率NS测道测值总体从6月中旬左右开始趋势性缓慢下降,9月8日转折呈快速上升趋势,8日07时—12日14时累计上升幅度为0.38 Ω·m(相对变化1.12%),9月12日13时开始测值转折呈缓慢下降趋势,16日发生地震,震后继续呈缓慢下降趋势。EW测道测值从3月中旬左右开始趋势性缓慢下降,9月9日转折缓慢上升,9日02时—13日17时累计上升幅度为0.19 Ω·m(相对变化0.73%)。N45°W测道测值从2月中旬左右开始趋势性缓慢下降,9月8日下降速率加快,8日20时—15日14时累计下降幅度为0.34 Ω·m(相对变化0.86%),2019年9月26日9—21时缺记的原因是仪器故障停测(图4)。

图4 2019年8—9月山丹地电阻率时值曲线Fig.4 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from August to September 2019

另外,2019年7月31日—8月26日山丹地电阻率三个测道测值出现“毛刺增多”现象(图3)。天水井下地电阻率在芦山MS7.0、岷县漳县MS6.6、天水MS3.8、临洮MS4.5、阿拉善左旗MS5.8和九寨沟MS7.0地震前均出现了“毛刺增多”现象[12,15-16],因此山丹地电阻率在震前出现的毛刺增多现象也可能为地震前兆异常。

2.2 山丹地电场

山丹地电场NS、EW道长、短极距时值观测资料年动态较为清晰;N45°E道长、短极距时值观测资料年动态不明显,正常情况下观测资料变化幅度小(图5)。张掖5.0级地震前山丹地电场出现了两次较为明显的异常变化,其中一次为2019年5月9日18时—12日18时,是由于地电场仪器出现故障导致的,排除故障后重启数采,观测资料恢复正常(图5)。另一次是9月12日观测资料开始出现快速上升或下降变化异常,经调查,观测场地和观测环境较平时无变化,异常出现后经观测人员检查观测系统正常(图5),经查数据异常期间北京时间9月9日17—19时发生急始磁暴,K指数为5,从观测曲线看磁暴对地电场影响不明显(图6)。

图5 2018年1月—2019年9月山丹地电场时值曲线Fig.5 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station from January 2018 to September 2019

山丹台2018年12月17日安装气象三要素仪,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后换算成降雨量为37.5 mm,对山丹地电场观测资料影响不明显,2019年6—8月山丹降雨量相对较多,从地电场观测曲线上看少量降雨对山丹地电场影响不明显(图5)。而2019年9月8—12日降雨分别为24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,观测资料从12日开始出现异常变化,综合分析认为少量降雨对山丹地电场影响不明显,此次观测资料变化异常认为是地震前兆异常(图6)。

图6 2019年山丹地电场时值与降雨量日值曲线Fig.6 Hourly value curves of geoelectric field and daily rainfall curve at Shandan station in 2019

2019年9月12日山丹地电场除N45°E测道短极距观测资料无明显异常外,其余5个测道观测资料均出现了准同步的快速上升或下降变化。震前NS道长极距12日02时左右出现转折,上升速率明显变大,累计上升幅度约21.12 mV/km,9月16日11时左右观测资料变化变为平稳。EW道长极距12日00时左右出现转折,下降速率明显变大,累计下降幅度约12.64 mV/km,9月22日17时左右观测资料变化变为平稳。N45°E道长极距11日23时左右出现转折,上升速率明显变大,累计上升幅度约12.74 mV/km,9月16日11时左右观测资料变化变为平稳。NS道短极距12日14时左右出现转折,上升速率明显变大,累计上升幅度约18.24 mV/km,9月21日9时左右观测资料变化变为平稳。EW道短极距12日00时左右出现转折,下降速率明显变大,累计下降幅度约17.95 mV/km,9月22日14时左右观测资料变化变为平稳(图6)。

谭大诚等[7]对青藏高原中强地震前的地电场潮汐波进行了研究,认为一些地电场资料在震前出现短临波形畸变异常,其中新疆和田地电场NS道观测资料在汶川8.0级地震前20天开始的异常形态与山丹地电场在张掖地震前畸变异常形态非常相似。

另外,2015年11月23日祁连MS5.2地震前,山丹地电场长极距NS测道、长极距EW测道、短极距NS测道、短极距EW测道观测资料也出现了与上述形态一致的地震前兆异常,长、短极距N45°E测道异常不明显。该地震与山丹地电场震中距为102 km。山丹地电场NS道长极距2015年10月31日06时左右至11月2日23时左右,观测数据呈现快速转折上升趋势,累计上升幅度为14.31 mV/km。EW道长极距10月30日22时左右至11月3日08时左右,观测数据呈现快速转折下降趋势,累计下降幅度为35.79 mV/km。NS道短极距10月26日17时左右至11月3日11时左右,观测数据呈现快速转折上升趋势,累计上升幅度为16.78 mV/km。EW道短极距10月26日17时左右至11月2日09时左右,观测数据呈现快速转折下降趋势,累计下降幅度为13.17 mV/km(图7)。

图7 2015年山丹地电场时值曲线Fig.7 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station in 2015

山丹地电场2015年11月28日观测资料出现台阶状变化,随后逐渐恢复正常,该异常变化是由于11月28日09:45—16:46改造观测系统,更换测量电极所造成的数据干扰(图7)。

3 认识与讨论

(1) 张掖MS5.0地震震中位于山丹台西偏南15°方向,震中距63 km。山丹地电阻率与地电场观测资料在张掖MS5.0地震前均出现了较为明显的异常,排除场地周围观测环境,观测系统,自然环境等因素外,认为该异常是较为可信的地震短临前兆异常。另外2015年11月23日祁连发生了MS5.2地震,震中位于山丹台西偏南55°方向,震中距102 km。震前山丹地电场观测资料也出现了与张掖地震前形态相似的地震前兆短临异常。谭大诚研究认为一些地电场资料在震前出现短临波形畸变异常,山丹地电场在上述两次地震前异常形态与列举的畸变异常形态非常相似,进一步增加了山丹地电异常的可信度。

(2) 山丹地电阻率观测资料异常开始于震前8天,结束于震前2天,异常持续时间为6天,异常结束后发生地震。异常形态表现为NS测道转折快速上升-缓慢下降,EW测道为转折缓慢上升,N45°W测道为缓慢下降-转折缓慢上升。山丹地电场观测资料异常开始于震前4天,最晚结束于震后6天,异常持续时间最长为11天,异常持续过程中发生地震。地电场观测资料异常形态长极距NS道、长极距N45°E道、短极距NS道表现为转折同步缓慢上升,长极距EW道和短极距EW道转折同步缓慢下降,短极距N45°E道异常不明显。

(3) 山丹台位于河西地区,当地年降雨量少,7—9月降雨相对较多,由于山丹台2018年12月17日安装气象三要素仪,之前未记录降雨资料,不能深入分析降雨对地电阻率与地电场观测资料的影响程度,但是对比分析一年来有记录的降雨资料与地电观测资料,认为少量降雨对山丹地电阻率和地电场观测资料影响不明显。但是2019年张掖5.0级地震前恰逢当地降雨相对较多,地电阻率观测资料开始变化时间基本与降雨量开始变化时间同步变化,地电场观测资料在持续降雨4天结束后开始出现异常变化,另外2015年11月祁连5.2级地震前地电场出现的异常形态与此次异常形态非常相似,理论上2015年11月无大降雨,异常可信度高。综合分析认为此次地电阻率和地电场异常是较为可信的地震前兆异常,但地电阻率可能夹杂一定程度的降雨影响,而降雨对地电场较小。