2. 中国地震台网中心, 北京 100045;
3. 湖南省地震局长沙地震台, 长沙 410012
2. China Earthquake Networks Center, China Earthquake Administration, Beijing 100045, China;
3. Hunan Earthquake Agency, Changsha 410012, China
地震孕震过程是地下介质应力持续加载最终导致断层失稳发生地震,其过程大致经历弹性形变(长期阶段)—非弹性变形(中期阶段)—应变软化(短临阶段)—失稳(发震)等几个阶段(牛志仁,1978;王新华等,1984).随着应力应变的持续积累,地下岩(土)介质的物理环境会发生变化,引起介质物性参数变化.地电阻率异常主要反映的是应力作用下介质变形诱发的地下水活动造成的电阻率变化(Mjachkin et al., 1975).1950—1970年日本、苏联和美国分别在东京南部、加尔姆和圣安德列斯断层开展了地震视电阻率(在我国又称“地电阻率”)实验观测,并观测到了震前地电阻率异常变化和同震变化(Barsukov and Sorokin, 1973;Mazzella and Morrison, 1974;Yamazaki,1975;Morrison et al., 1977).我国在邢台地震后,开展了大规模直流地电阻率观测,在探索地电阻率异常变化特征及机理、承载试验和数据处理等方面进行了深入研究和探索(钱复业等,1982;钱家栋等,1985;2010;汪志亮等,2002;Lu et al., 2004;Huang,2011).震源体受力失稳,地震孕育到应变软化阶段,应力高度集中和加强,超过岩体破裂强度后突然释放积累的应力—应变从而发生地震,与此同时地电阻率发生了与震前异常相反的变化,反映了地震前后应力积累与释放两个截然不同的应力—应变状态,1976年唐山MS7.8和松潘MS7.2地震前地电阻率随时间变化的过程真实地反映了强震孕震过程的几个阶段(钱复业等,1990;桂燮泰等,1989).叶青等(2005)应用岩石加载实验中电阻率变化和DD模式对2003年云南大姚MS6.2、6.1和甘肃民乐—山丹MS6.1、5.8地震进行了分析研究,解释了民乐—山丹地震前山丹台观测的电阻率异常变化过程和特点,分析表明两组地震前地电阻率中短期异常的各向异性变化与震源机制解的最大主压应力方位的关系明显,且这些地电阻率异常与强地震孕育的晚期过程有关.钱复业等(1982)分析表明,在唐山地震前电阻率出现趋势异常和临震异常,趋势异常反映孕震区应力加速积累的过程,其持续时间、分布范围及幅度与震级成对数关系,临震异常则可能是断层预滑的一种表现,其升、降变化取决于台址下介质的受力状态,且与震源机制有关.杜学彬等(2007)用归一化速率方法研究了中国大陆27次MS≥5.5地震的孕震晚期阶段震中区及附近41个台站的地电阻率变化,结论为超过95%的与震源断层主压应力方向正交或近于正交的测向地电阻率观测值下降变化幅度大于平行(或近于平行)主应力方向测向的下降幅度,分析了产生地电阻率变化各向异性的原因可能是孕震后期的扩容阶段,裂隙走向沿主压应力方向优势排列,介质电阻率的各向异性表现为地表观测的地电阻率呈各向异性.朱涛(2013)应用汶川MS8.0地震震中区周围17个地电阻率台站的观测资料,获得了震前5个月变化量的空间分布图像,研究了汶川地震前地电阻率异常的演化过程.结果表明随着发震时间的临近,地电阻率异常分布的范围逐渐缩小,并最终集中分布在汶川地震震中区附近;在临近发震前1—2个月地电阻率异常分布的长轴方向与汶川MS8.0地震的破裂方向——龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直,与震源机制解的主压应力轴方位基本一致.
2017年8月8日四川省九寨沟地区发生MS7.0地震,震中区位于南北地震带中段,东昆仑断裂带东端向东或东南散开的塔藏断裂南段、虎牙断裂和岷江断裂交汇的马尾巴状构造部位(张培震等,2003;徐锡伟等,2017),距离2008年5月12日汶川地震震中区约230 km.图 1中可以看出,九寨沟地震的余震序列呈现出北北西(NNW)—北东东(SSE)向线性展布,地震破裂将塔藏断裂南段和虎牙断裂北段几乎相连,在主震震中区北北西(NNW)向约5 km处,呈现出西北和东南两个余震活动分界线,有明显分段现象.本文收集了九寨沟MS7.0地震周边800 km范围(25—41°N、95—110°E)的25个台站2012—2018年连续地电阻率观测资料,通过归一化变化速率(Normalized Variation Rate Method,简称NVRM)方法对地震前后震中区及周边地电阻率数据进行时序和空间演化分析,探索了九寨沟地震发震机理和孕育产生过程.
九寨沟MS7.0地震周边800 km范围布设25个地电阻率观测台站(图 2),台站最小间距50 km左右、最大间距200 km左右,其中天水、武都、宝鸡和平凉台为井下小极距地电阻率观测,其他均为地表大极距观测台站.地表大极距观测供电极距1000~2000 m,电极埋深2 m;井下小极距观测供电极距80~200 m,电极埋深100~200 m.本文首先对25个台站2012年1月1日—2018年12月31日地电阻率观测环境、观测设备运行情况进行了调研,数据质量分析和预处理,其中数据预处理包括剔除突变、台阶、周期性变化等,再计算数据月均值并进行二次预处理;最后利用NVRM归一化速率方法分析地电阻率的时空变化.
本文采用杜学彬等(2001)归一化速率变化方法(NVRM),它主要用于原始时序数据曲线、消除年变化曲线等传统方法不易识别的“弱”幅度异常.方法计算过程是先对时序观测数据中的个别数据进行预处理;然后再按固定步长(ξ)组成子序列,对子序列线性回归并求得回归直线的斜率ki和相关系数Ri(第i个子序列),由ki·Ri得到初始速率值ρ·′i,以ξ步长依次向后滑动计算初始速率时间序列;对初始速率进行均值为“0”、均方差为“1”的归一化处理,最终得到NVRM时间序列(即ρ·值序列),并定义异常阈值为±2.4,无量纲.该方法计算变化速率严格采用相关系数Ri表征每个子序列回归直线与ξ个数据符合程度,Ri趋于“1”表示回归直线与ξ个数据高度相关,反之Ri趋于“0”.NVRM方法中每一个速率值
九寨沟地震前后周边800 km范围的地电阻率NVRM时序分析结果显示,平凉、临夏、冕宁、成都、海原、德令哈、通渭、玛曲、石嘴山、武都、西宁、银川、金银滩和宝鸡等14个台站观测数据在震前出现了超过阈值的上升或下降变化,结合观测日志等分析调研落实,发现玛曲、金银滩观测环境存在严重干扰;江油台观测时间为2016年01月01日开始,观测时间较短,而NVRM分析方法适用范围要求2年及以上长度的数据.3个台站的数据可靠性较低,因此本文后续分析中不包含它们.
钱复业等(1982)研究显示地震前兆异常多为地电阻率下降变化,6级以上强震的影响范围可达400 km左右.钱家栋等(1985)分析地电阻率中短期异常以下降异常为主,震级小或远距离强震前上升异常的比例增大,但下降异常仍占多数.Lu等(2016)讨论的汶川MS8.0地震前震中周围地电阻率也出现明显的下降型中短期异常.郭增建等(1973)总结了6级以上地震震源断层破裂尺度L和震级MS之间的关系,给出经验公式MS=3.3+2.1×logL可以进行估算.强地震前下降异常集中分布的空间范围与L尺度相当,震前中短期异常的变化幅度随震中区距离增大,异常变化幅度逐步减小.根据台站到震中区距离、地电阻率变化形态等分析,临夏、通渭、武都和宝鸡台站地电阻率数据下降变化是九寨沟地震前中短期前兆异常变化的可能性较大(图 3).
临夏台地电阻率布设NS和EW两个测向,供电极距AB=1500 m,测量极距MN=500 m.NS测向日均值数据2014年数据变化平稳,存在清晰的年变形态,2015年年变幅度相比2014年略大,2016年3月出现数据畸变并持续下降.NVRM速率变化2015年6月出现数据持续下降至2015年11月(≤-2.4),之后地电阻率变化折返上升,2016年1月6日门源MS6.4地震发生在地电阻率上升时段,地震震中区距离台站大约270 km.地震发生后地电阻率继续恢复,2016年4月再次出现下降并持续至2017年1月,达最低值≤-2.4,随后折返上升持续到2018年初.EW测向则变化不明显,九寨沟地震发生在NS测向NVRM速率变化折返上升时段(图 3a).根据Mjachkin等(1975)、Nur(1972)和Scholz等(1973)的结果,地震往往发生在这种地电阻率下降—折返上升的过程.
通渭台是天水中心地震台的子台,地电阻率观测分别为N20W和EW向,供电极距AB=1500 m,测量极距MN=500 m.2012年在地电阻率观测测区周边建设综合工业园,2012—2018年观测数据持续受此影响,但长趋势变化依然清晰.N20W测向数据2016年3月出现持续下降,到2017年6月折转变平缓,下降幅度约为1.7 Ωm,约8%左右.NVRM速率变化从2015年末出现上升,2016年3月达到最高值后折返下降变化,至2017年初到达最低值≤-2.4,然后再次折返上升,九寨沟地震发生在NVRM速率变化折返上升时段(图 3b).
武都台井下地电阻率观测距离震中区最近,约125 km,2012年5月建设,井下布极采用四极对称,布设多个水平向和垂直向观测,其中一个垂直向观测运行良好,供电极距AB为220 m,测量极距MN为95 m,A埋深5 m,B埋深225 m.2014—2017年原始数据变化平稳、年变清晰,2018年台站改造造成数据不连续.垂直测向NVRM速率2016年初出现下降变化,2016年7月为最低(≤-2.4),之后折返上升.九寨沟MS7.0地震发生在折返上升后相对平稳变化时段,而水平布设的两个测向也几乎同步出现类似小幅变化(图 3c).
宝鸡台地电阻率建设于2013年,布极采用四极对称,布设两个水平NS测向和一个垂直测向,三个测向供电极距AB=120 m,测量极距MN=40 m,水平测向A、B埋深20 m,M、N埋深80 m和120 m;垂直测向井深160 m,A埋深40 m.垂直测向2015年下半年数据出现下降变化,持续至2017年9月.NVRM曲线2015年5月出现下降变化,2016年7月出现最低值后折返上升至2017年6月接近正异常(≥+2.4)后稍转平稳,九寨沟地震发生在折返上升后的平稳变化时段.两个NS测向长趋势变化同步,2015年12月至2016年2月出现正异常(≥+2.4),随后持续下降至2017年4月出现负异常(≤-2.4)(图 3d—3f).
从图 3中NVRM曲线中还可以看出,临夏、武都和宝鸡台地电阻率观测在2018年9月12日的陕西宁强MS5.3地震前也出现了类似的现象.
九寨沟地震前地电阻率异常现象出现的范围较大,距离震中区800 km甚至更远的观测台站也出现异常,变化形态明显类似于前兆异常变化模式,下降趋势持续时间较长且不同观测台站同步、似同步的发生反向转折或加速变化,变化幅度大于1%.图 4中的大同、代县地电阻率台站距离九寨沟MS7.0和青海门源MS6.4地震震中区超过1000 km,地震前观测数据出现了与震中区附近台站类似的异常变化,但本台站附近没有发生显著地震.
图 5给出了九寨沟MS7.0地震震中区周边约600 km区域17个台站地电阻率观测数据的NVRM值NS和EW两个测向等值线空间动态演化过程,分析时段为地震发生前6—12个月到地震后6—12个月.从NS测向空间分布(图 5a—5c)可以看出,2017年03月在九寨沟地震震中区附近出现了一个NW—ES方向地电阻率变化的负异常条带;2017年05月负异常条带范围缩小,且向九寨沟地震震中区方向移动和集中;2017年07月负异常条带趋于消失且分布具有不均匀性.异常演化过程中临夏、武都、通渭和宝鸡地电阻率负异常现象相比周边台站较为突出.从EW测向空间分布(图 5d—5f)同样可以看到九寨沟地震震中区周边的地电阻率负异常条带,但相对NS测向条带分布不明显,这可能和观测测向布设方向有关.本文也对相同范围的数据分析了青海门源MS6.4地震前后地电阻率NS测向的NVRM空间演化过程(图 6),同样在门源MS6.4地震前,震中区周边也出现了地电阻率负异常条带,但较九寨沟地震不明显.二者联系起来可见地电阻率负异常在门源地震后从北西向东南方向迁移,直至九寨沟地震发生.
祁玉萍等(2018)和梁姗姗等(2018)分析九寨沟地震在区域构造应力场背景下以走滑为主,主震及余震序列发生在东昆仑断裂带东端NW向塔藏断裂与近NS向岷江断裂带的中间,未扩展至东南侧的N-NW向虎牙断裂带.任俊杰等(2017)和易桂喜等(2017)认为九寨沟MS7.0地震发震构造可能为虎牙断裂向北西方向延伸的隐伏构造,属于左旋走滑的东昆仑断裂的分支,并根据震源机制解推测是东昆仑断裂带东端向东扩展的结果.九寨沟MS7.0地震发生后,至2017年8月13日23时共发生ML4.0以上余震13次,本文采用Cut And Paste(CAP)波形拟合反演了主震和13个余震的震源机制解(Zhao and Helmberger, 1994;Zhu and Helmberger, 1996),分析得出11次余震的震源机制解为走滑型,1次余震为逆冲型,1次为逆冲走滑型,表明发震区持续以走滑的方式释放应力(图 7a).杜学彬(2010)研究显示走滑型强震前地电阻率异常主要分布在震源周围的断裂带附近,同一断裂带附近同地震前不同观测台记录到的异常同步或似同步,空间分布与主要活动断层展布和震源机制密切相关,大多数异常出现在对称震中区的两个象限,与断层的震源机制解主压(或张)应力方向吻合.强震孕震期间在构造应力作用下,地下介质物性发生改变,地电阻率则能较为显著地反映这种变化.从图 3和图 5分析可以看出,九寨沟地震发生前近震区一些地电阻率近同步出现显著的负异常且各向异性,即与震源机制P轴方位正交或近于正交的测向变化较为明显,变化幅度最大,斜交则次之,平行或近于P轴方位的变化幅度最小.九寨沟地震以主震为界明显分为南北两个震群,北震群NEE向相对比较分散,南震群SWW向分布集中且明显较长,地震前地电阻率负异常条带在北南向突出,北端活动强烈且较早地出现震前异常,这很可能是受发震断层释放应力方式及发震断裂两端构造差异的影响.
我们又采用Hash方法对震后3个月(2017年8月8日—2017年11月8日)的ML3.0级以上的41个余震进行了震源机制解和构造应力场的反演(图 7b),震源区的构造应力场方向总体表现出空间一致性,其最大主应力方向呈NWW—SEE向(近EW向),最小主应力优势方向为NNE—SSW向(近NS向).九寨沟MS7.0地震地电阻率异常台站布极方向和震源机制解主压力方向对比,发现临夏台NS、通渭台N20W、武都台垂直、宝鸡台NS和垂直测向与震源机制的主压力方向基本垂直(图 8),且这几个台站距离地震主破裂区小于400 km,地震前地电阻率均出现下降型异常,数据变化形态符合前人总结的下降—折返型孕震机理变化过程,认为是九寨沟MS7.0地震前兆异常的可能性较大.
分析九寨沟MS7.0地震震中区周边800 km范围22个定点台站地电阻率2012—2018年的观测数据,结果显示在地震发生前后有14个台站数据出现了异常变化.其中9个台站为负异常(先下降再上升)变化,5个台站为正异常(先上升再下降)变化.根据钱家栋等(1985)和杜学彬(2010)认为地震地电阻率前兆异常常发生在震中区附近且以负异常为典型,即9个负异常变化台站中的临夏、通渭、武都和宝鸡台的地电阻率数据变化是九寨沟地震前兆异常的可能性较大.图 5显示出2017年3月震中区周边大范围地区地电阻率负异常集中的空间动态演化,异常条带近南北向象限对称,且由北到南、由远及近、由弱变强沿主断裂带迁移.2016年1月21日门源MS6.4和2017年8月8日九寨沟MS7.0地震相距大约600 km,两次地震均出现地电阻率负异常区,图 5和图 6即呈现出两次地震的异常空间迁移过程.门源地震前周边出现地电阻率负异常区,地震后逐渐减弱并向南迁移,2017年3月门源地震震中区附近的负异常明显减弱,九寨沟地震震中区域开始集中,2017年5月异常在九寨沟地震震中区更加集中,冕宁、成都台附近等远处负异常消失.地电阻率负异常变化源于地下介质应力应变作用下微裂隙发展及其引起的导电流体通道的链通,上述异常演化过程也体现了门源地震后九寨沟地震介质力学过程的加强.EW测向负异常演化不如NS测向的突出,可能与震源机制近EW向主压应力方位(杜学彬等,2007)有关.文中等值线空间分析采用克里格法插值计算,即在有限区域内对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计的一种方法,因此台站分布的疏密程度对分析结果有很大的制约性.
地震孕育、发生是地下介质运动过程,地电阻率异常也是地下介质运动过程中微裂隙、导电流体活动等引起的介质电阻率变化造成的地电阻率变化.地电阻率相对变化与介质微裂隙、骨架电阻率和裂隙水电阻率之间的本构关系(杜学彬等,2007)以及扩展的阿尔奇(Archies)公式(钱家栋等,2013)较清晰地解释了地电阻率正、负异常变化的物理机制.非震的构造应力扰动同样也可以引起台站所处地下介质物理环境改变造成地电阻率异常,因此多个台站先后均出现异常才有可能在该区域或周边发生显著地震.九寨沟MS7.0地震前周边22个地电阻率观测只有14个台站数据出现了异常变化,其中9个台站为负异常变化,5个台站为正异常变化,而8个台站没有出现异常变化,这与地电阻率短临异常空间分布与断层、加载方向以及台站的位置有关,震中与台站之间的主要活断层走向与主应力方向平行或近平行相交时,断层对观测短临异常起“减弱”或“阻隔”作用,地电阻率变化不显著或无异常(郑国磊等,2011).
长期地电阻率观测表明,大震前在距离数千米的地电阻率台站也出现显著的异常,这种数据异常是地下介质运动产生的,不是台站测量过程、场地环境变化等引起的干扰,但与具体的震源孕育过程并无直接联系.前兆异常与震源孕育、地震发生机制有直接关系,其时、空、强分布和变化形态符合经震例剖析而总结出的异常特征,主要集中在震中区及周围.杜学彬和谭大诚(2000)联系地球自转速率变化,讨论了地电阻率异常丛集现象对应高地震活动水平的可能原因,认为异常时空丛集现象和大区域内的高地震活动水平和远距离大震属于“同源异像”现象.钱复业等(1982)和赵玉林等(2001)对不同震级地震出现地电阻率异常范围的统计结果得出,7级以上强震的影响范围往往可达三、四百公里,震中区更为清晰,异常形态以负异常为主.张国民等(1995)把地震前兆分为源兆和场兆,所谓源兆是由地震前震源孕育发展所形成,直接出现在未来地震的震源区周围,在时间、空间和力学过程上都显示出与未来地震相对应的异常.场兆则是在构造块体孕震过程中由构造应力场整体增强所造成,这些异常从出现一直到结束,周边都未发生地震,然而在异常的发展过程中,其所在构造体内却发生了多次地震.
由此分析来看,九寨沟MS7.0地震前地电阻率观测数据出现负异常变化的14个台站中,临夏NS、通渭NS、武都垂直和宝鸡NS及垂直测向与震源机制的主压力方向基本垂直,台站距离地震主破裂区较近,且震前近同步地出现下降—折返的异常变化,符合前人总结的地电阻率孕震异常的机理,是地震前兆的可能性较大.距离震中区距离较远的大同、代县台等地电阻率,虽然震前也出现了下降—折返变化,可能都属于“同源异象”的场兆现象.震前出现的上升—下降型异常变化还需进一步研究.
3.3 九寨沟地震前兆异常图像演化地电阻率变化的区域性异常、在强震发生前有很好的短临震前兆指示意义.强震前地电阻率异常空间范围约400 km,异常形态以连续性变化的负异常为主,并伴随有年畸变,异常出现时间由震中区向外围逐渐延伸,异常幅度也随震中距增加而减小.临震阶段断层预滑或介质塑性蠕变加剧,近震区介质应变加速积累,地电阻率通常会出现加速变化.九寨沟MS7.0地震前,周边600 km区域的地电阻率等值线空间演化过程显示在地震前震中区周边出现明显的负异常条带且逐步向震中区迁移(图 5).观测台站不同观测测向显示的负异常条带清晰程度不同,这是孕震过程中地下应力变化而引起的介质物性明显的变化过程和各向异性表现,与孕震断层活动密切有关.九寨沟地震前NS测向相比EW测向负异常条带更为明显, 同样,汶川MS8.0地震周边地电阻率也出现类似于九寨沟MS7.0地震的负异常现象.图 9为汶川地震前震中区周边地电阻率EW测向NVRM等值线空间变化负异常条带现象,最显著时段为2008年1—4月(图 9a—9c),负异常以汶川地震震中区为中心,沿NE—SW方向负异常条带较为突出,NW—SE方向则不明显.汶川地震发生在青藏高原东缘龙门山构造带,地震破裂面长达330 km,断裂带呈NE—SW向延伸.汶川地震前地电阻率负异常分布的长轴方向与汶川MS8.0地震的破裂方向、龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直,而与其震源机制解的主压应力轴方向基本一致.汶川地震后负异常向震中区以南冕宁、西昌附近迁移(图 9d),2008年8月30日发生的会理MS6.1地震与此迁移有很好的关联性.总之,九寨沟地震地电阻率变化的时空演化特征分析对认识孕震断层活动性以及震源区应力场变化具有很好的研究意义.
(1) 中强以上地震震中周围地电阻率定点观测常常在震前出现与主压应力方位有关的持续性下降异常,震后出现与震前异常变化形态相反的恢复变化,这是孕震过程中应力应变积累引起的介质物性变化.九寨沟MS7.0地震前临夏NS、通渭NS、武都垂直和宝鸡NS及垂直测向出现下降—折返的异常变化,符合前人总结的地电阻率孕震异常的机理,本文认为这些台站的异常为前兆异常的可能性大.
(2) 大同、代县等远距离台站在震前出现的地电阻率下降—折返变化符合九寨沟MS7.0地震前兆出现的异常时间,但应属于“同源异象”的场兆,即这些异常变化可能与震前青藏块体东北缘的构造运动引起的大空间尺度介质物性变化有关.其他5个台站在震前出现的上升—下降型异常变化与九寨沟MS7.0地震的联系还需进一步研究.
(3) 空间图像演化过程可以直观地显示出多个地电阻率台站出现的负异常及异常迁移变化.强地震孕育晚期,震中区及附近地电阻率负异常出现明显的空间条带,随着地震震级越大,负异常条带面积越大,形状越规则.
感谢 河北省地震局王晓山博士对本文震源机制解的分析提供了指导和帮助,在此深表谢意;感谢中国地震局地质研究所汤吉研究员和中国台网中心解滔博士对本文分析的指导和修改意见;感谢甘肃地震局高曙德副研究员提供的基础资料;感谢审稿专家对本文精心修改和提出的宝贵意见,让本文更加完善.
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