地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (1): 1-7   PDF    
地电潮汐力谐振共振波研究回顾与展望
安张辉1,2, 高悦1,2, 范莹莹1,2, 刘君1,2, 王建军1,2     
1. 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000
2. 甘肃省地震局, 兰州 730000
摘要:传统地电阻率观测对地震长趋势预测有一定的效果,但短临信息的提取研究仍需加强,而地电潮汐力谐振共振波(the harmonic resonance waves of geo-electricity driven by tidal forces,简称“HRT波”)方法,则是利用地电前兆的波动特征,进行地震短临信息提取的一种新尝试.本文首先对HRT波进行了的简单介绍;其次,从唐山地震前地电阻率观测出现异常开始,通过异常现象与起潮汐力的相关性研究,地电临震前兆起潮力模式的建立,以及印尼9.0级等地震的分析研究,对HRT波的发展历程进行了回顾;最后,借鉴汶川地震的一些实际工作,介绍了如何使用HRT波对震中距和震级进行预测的方法.此外,结合学习研究HRT波过程中,对潮汐力谐振波(Harmonic waves driven by tidal forces,简称HT波)的提取方法问题、建议使用数字信号处理技术进行,对潮汐力共振波(the resonance waves driven by tidal forces,简称RT波)不容易辨识的问题,仍需进一步探索研究.参考该方法在一些具体工作中的表现,指出该方法在短临信息的提取上有一定的创新性,可以对未来地震提出较为准确的短临预测意见,如果将常规地电阻率观测与PS100地电观测相结合,将是非常好的研究方向.
关键词地电阻率    HRT波    地电前兆    短临    地震预测    
Review and prospect for the harmonic resonance waves of geo-electricity driven by tidal forces
AN Zhang-hui1,2 , GAO Yue1,2 , FAN Ying-ying1,2 , LIU Jun1,2 , WANG Jian-jun1,2     
1. Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China
2. Earthquake administration of Gansu province, Lanzhou 730000, China
Abstract: By using the traditional geo-electric resistivity, some progresses have been achieved in predicting the long trend of future earthquakes, but that's still needed to be strengthened at the short-impending information extraction. Now, the harmonic resonance waves of geo-electricity driven by tidal forces (HRT wave) method, which uses the fluctuation characteristics of geo-electric precursors, is a new attempt to extract the short-impending information for impending earthquakes. In this paper, a simple introduction about the HRT wave will be carried out firstly; and then, by the study on the correlation between abnormal phenomena and the tidal forces, the establishment of geo-electric precursory short-term anomalies driven by tidal forces model and the analysis of magnitude 9.0 earthquake in Indonesia, etc, we reviewed the development of HRT wave method since the earth resistivity anomalies were observed before Tangshan earthquake. Finally, referencing some practical work of Wenchuan earthquake, we introduce how to use HRT wave method to predict epicenter distance and magnitude. In addition, we suggest that it's better to use digital signal processing technology to extract the harmonic waves driven by tidal forces (HT wave) from our study on HRT waves. Besides, it calls for more research on the recognition of the resonance waves driven by tidal forces (RT wave). After applying HRT wave method to some concrete work, we pointed out that this method which has some innovation in the extraction of short-term information can provide us more possibilities on earthquake short-term prediction in the future. Furthermore, if we can combine conventional earth resistivity observation with PS100 earth resistivity observation, it will be a very hopeful research area.
Key words: geo-electric resistivity     the harmonic resonance waves derived by tidal force     geo-electric precursor     short-impending     Earthquake prediction    
0 引言

地电阻率 (也称“视电阻率”) 观测资料在地震监测中的应用是我国的一大特色.从1966年邢台MS 7.2级破坏性地震开始,采用对称四极装置的地电阻率观测在我国逐步发展壮大 (杜学彬等,2006钱家栋等,2009).经过近50年的观测积累、发展和分析研究,地电台网记录到了与大震和强震突出相关的多次异常现象.如:对1976年7月28日唐山7.8级地震进行的地电阻率相关研究 (赵玉林和钱复业,1978钱复业等,1990钱家栋等,1993Lu et al., 1999),以及对2008年5月12日汶川MS 8.0和芦山MS 7.0地震地电阻率观测开展的相关分析研究 (张学民等,2009Huang, 2011钱家栋等,2013朱涛,2013杜学彬等,2015),都得到了非常好的结果.总体来看,大地震前地电阻率变化特征一般表现为:震前2~3年开始出现趋势下降异常现象;震前地电阻率异常具有阶段性,个别大震前还有短临和临震前兆现象;震前趋势异常表现出各向异性 (钱家栋等,1993) 等.

地电阻率观测台站的地震异常特征的总结早在1993年就已经由钱家栋等总结得出,但针对地电阻率观测资料在实际地震预测中进行的应用方法研究,仍显乏力.杜学彬等2001年提出的归一化月速率方法,推进了地电阻率观测手段在预测预报实际中的应用,并开展了一些较好的分析工作 (叶青等,2005).但受地电阻率短临异常的时空强分布复杂性 (杜学彬等,1993),孕震区的活动构造、震源机制、台站布局稀疏和观测环境等因素,制约了相关异常的甄别.因此,探索行之有效的地电阻率地震预测预报方法势在必行,地电潮汐力谐振共振波 (the harmonic resonance waves of geo-electricity driven by tidal forces,简称“HRT波”) 正是这样一种尝试.

HRT波由赵玉林、钱复业等人在2006年共同提出 (赵玉林等,2006),该方法主要研究地电阻率的波动特性,对强震的三要素在震前进行预测.基于我国地震短临预测的紧迫形势,本文将依据相关研究报道,从HRT波的简单介绍开始,对其发展历程进行回顾;结合实际震例介绍HRT波的使用方法,并进行相应讨论;最后,对该方法未来的发展方向进行简单论述.

1 HRT波简介

HRT波是地电潮汐力谐振共振波的简称,该方法主要分析研究地电阻率前兆的波动特性,特别是其传播规律.它包含潮汐力谐振波 (Harmonic waves driven by tidal forces,简称HT波) 和潮汐力共振波 (the resonance waves driven by tidal forces,简称RT波),HT波通常在震前数个月开始出现 (如印尼MW 9.0地震,在震前约3个月开始出现),主要表现为地电阻率波形出现周期等于潮汐力周期 (如MSf, K1, M2等)、振幅异常增大的地电潮汐力谐振现象;RT波通常在临震前几天到几小时成对出现,表现为一升一降 (或相反),一快一慢两个RT波,速度较快的是纵波,其速度初步确定约为307 km/h,较慢的是横波,速度初步确定约为126 km/h,是一种在地壳多孔岩石孔隙流体中传播的声波 (赵玉林等,2006).

2 HRT波发展回顾 2.1 起始阶段

我国的地电观测始于1966年邢台MS 7.2地震,随地震活动的越来越频繁,其观测规模不断扩大,台站总数最多时可达100个 (钱家栋,1993).在1976年,唐山MS 7.8地震震中周围200 km范围内,就有地电观测台站14个,台站观测采用三方位固定四极对称装置AMNB (通常供电极距AB在1~3 km,电流强度I在1~5 A),如图 1所示,记录震前岩土层视电阻率 (也称地电阻率) 绝对值ρs随时间的变化 (赵玉林和钱复业,1978).

图 1 地电阻率法规测装置简图 (右:布设有三方位测线的台站平面示意图) Figure 1 The sketch of apparent resistivity observation equipment

赵玉林和钱复业 (1978)对唐山地震震中周围14个地电观测台站,震前2~3年内的观测资料进行了分析研究,发现其中9个台在震前出现了长趋势下降异常现象.为研究地电阻率对岩石受压变形的响应,在现场条件下进行了岩土层受压实验,结果发现:对不饱和矽化灰岩来说,地电阻率的变化对线应变的放大系数可达103倍 (钱复业等,1982赵玉林等,1990).这些研究结果说明,震前地电阻率会发生相应的变化,而地电阻率对线应变的放大作用,则使地电观测手段能够观测到震前岩土层的微小变化,从而为HRT波理论的形成提供了先决条件.

2.2 萌芽阶段 (赵玉林和钱复业,1979)

发现了唐山地震前地电阻率下降异常现象后,研究的脚步并没有止步,对发现的异常现象进行了更深入分析研究.将地电阻率变化幅度超出3倍观测标准差作为异常标准,发现出现下降异常的这些台站,在震前半个月开始持续出现这种变化幅度异常现象,并叠加在下降趋势背景上.

对异常现象进行具体分析后,发现它们主要表现为脉冲形式,并且每个脉冲持续的时间较长,一般为13个小时左右,脉冲极小值出现的时刻规律性后延,其延迟规律与引潮力极大值时刻的延迟规律一致,说明地电阻率脉冲异常与引潮力有关.这一规律的发现为HRT波奠定了基础.

2.3 发展阶段

随着震例的不断增加,以及对震前地电阻率长趋势前兆现象的不断深入研究,钱复业等 (1990)发现长趋势变化与地震的关系,并不是一一对应的关系.在利用河北省里坦地电阻率台站资料,对1967年4月19日ML 4.0地震进行分析时,发现震前4小时出现了电阻率功率谱异常,周期约为12小时,变化幅度达到4.4%,超出平时观测误差10倍.

参考1982年陈颙 (1982)关于若干地质体组成的不稳定力学系统中,部分介质本构曲线的斜率逐渐变小,经零值转为负值后,地震才会发生.当定义介质的本构关系曲线的斜率,在转折变小并趋于零值以后阶段为临震阶段,并考虑到受力条件下岩土层电阻率变化与应变变化的有关结果时,将有可能在临震前检测到与起潮力有关的被放大了的电响应 (钱复业等,1996).

对昌黎地电台1973年至1978年的资料进行了功率谱分析后,发现在唐山MS 7.8地震的前后两个多月,特别是临阵前半个月,该台地电阻率连续出现了半日周期的幅度异常和频次异常,其幅值超出平时观测误差5~20倍,临震前脉冲月频次异常较平时背景高出3~4倍.对比西集、宝坻台大地电场半月功率谱异常赵玉林和钱复业,1982),发现两者很相似,据此认为此种功率谱异常与强地震有着密切的关系.

2.4 HRT波方法形成

Von Kayman (1911)指出,脆性岩石的主破裂并不发生在应力达到岩石强度的瞬间,而是在已开始产生应力降的某一时刻,再考虑陈颙 (1982)关于地震发生时,地质体力学系统不稳定性问题的相关论述,可推论得出:利用起潮力对岩体的加载来检验原地介质的刚度是否已转为零的状态,而无需直接测定原地岩体的刚度值.通过分析刚度等于零时,起潮力引起响应的特征与规律,得到了孕震区介质从稳态向失稳转化过程中所必然产生的前兆现象 (Qian et al., 1990; Qian and Zhao, 1990钱复业等,1996).

通常认为,刚度λ是构造力F对位移u曲线的斜率,即λ=dF/du,结合介质失稳条件:K+λ≤0(K为周围弹性岩石的刚度),即当|λ|≥K时,介质才会达到失稳状态.设在构造力F的作用下,介质的本构关系为:F=f(u),其增量:ΔF=f′(uu或ΔF=λ·Δuu为位移增量).考虑叠加在变化很慢的构造力上的某种周期的正弦型起潮力为力的增量时则有:ΔF=Asinωt,式中ω=2π/TT为起潮力的周期,A为相应周期起潮力的振幅,于是,由于起潮力引起的位移增量为:,当刚度λ趋于零值时,则会引起位移增量的巨大变化.图 2给出了起潮力触发模式示意图 (钱复业等,1996).

图 2 临震前兆起潮力触发模式示意图 (钱复业等,1996) Figure 2 The schematic diagram showing the model for impending-earthquake precursors triggered by tidal force

钱复业等 (1996)对孕震区介质在不同阶段,产生的位移增量变化进行了分析,得出:临震阶段的位移 (Δu) 及其电响应具有与起潮力周期一致的周期性与规律.其幅度比平时异常地增大,据此可以将它们与平时的各种干扰区分开来.由于起潮力仅在刚度足够小 (正向或负向趋于零都可以) 时,即可引起可检测的电响应,所以一旦检测到与起潮力具有相同周期与规律、幅度异常增大的电响应,便可认为系统已经从稳态过度到临震阶段.为了能够在日趋复杂的干扰背景下,观测到HRT波,赵璧如等 (2006)利用伪随机码 (CDMA) 技术,研制成功了高精度抗干扰大地电测仪器系统 (PS100型地电仪).2006年,赵玉林等借助PS100型地电仪 (赵玉林等,2006Zhang et al., 2006),在中国川滇地区的台站,记录到了印尼MW 9.0海啸地震前的地电前兆.

在分析过程中,将印尼MW 9.0(YN) 地震到冕宁 (MN) 台,印尼地震到红格 (HG) 台,以及九江MS 5.7(JJ) 地震所求出的相速度与时间同距离的坐标点绘在图中时,发现这些点几乎准确地落在一条速度等于307 km/h的直线上,当将2004年楚雄 (CX)MS 5.0、2006年班达海MS 7.6、以及2006年永胜 (YS)MS 4.8地震的相关信息也画在图中后,可以发现有非常好的一致性 (赵玉林等,2006)(图 6).将台站记录到的印尼MW 9.0、2006年班达海MS 7.6、以及2005年九江MS 5.7等地震的两个RT波的到时差,与其后所发生的地震至台站的震中距的坐标点画在图 3a上,发现这些点都落在虚波速度Vv=(V1×Vt)/(V1-Vt) 约为207 km/h的一条直线附近.根据虚波速度的定义计算出慢波速度约为126 km/h.将HRT波法发震断层固有周期T0与震级M画在图 3b中时,拟合得到关系式M=4.14×log (T0)-1.486(钱复业等,2009).

图 3 (a) 震前RT波虚速度曲线;(b) HRT波发震断层固有震动周期T0与震级的关系曲线 (钱复业等,2009) Figure 3 (a) The curve of virmal wave about RT wave before earthquakes; (b) The relation curve of magnitude and the natual period of earthquake fault about the HRT wave

图 6 红格台EW测到提取到的HT波曲线图 Figure 6 The HT wave curve extract from the data of EW direction at HG station

此时,HRT波理论方法已经形成.

3 HRT波使用方法及应用实例 3.1 HRT波使用方法

利用HRT波波动前兆,可以对未来可能发生地震震中距、以及震级进行预测,以冕宁台记录到印尼9级地震为例 (如图 4所示)(赵玉林等,2006).Δt表示RT波快慢波的到时差,约为14 h,利用虚波速度207 km/h,可计算出震中与台站之间的震中距约为2898 km,而真实震中距约为2903 km,如果有多台观测到HRT波,利用交切法则可以对未来震中进行准确判断 (赵玉林等,2001).图中RT波快慢波的初至幅度,衰减到1/e的时间段为断层系统的固有周期T0,约为4~5小时,利用T0与未来地震震级的统计关系:M=4.14×log (T0)-1.486,则可以估算出未来地震的震级约为8.4~8.8(钱复业等,2009).

图 4 印尼9级地震临震前2天潮汐力共振波 (RT)(赵玉林等,2006) Figure 4 The RT wave before the two days about MW 9.0 earthquake of the Indonesia
3.2 HRT波应用实例

在汶川地震前,钱复业等 (2009)对HG台记录到的HRT波信号进行了分析研究,如图 5所示,图a是EW向记录到的汶川地震前HT波出现的7天及半月潮谱;图b是NE向HRT波5分钟测值图,红色阴影部分为汶川地震RT波;图c是EW向HRT波5分钟测值,阴影部分为RT波;图d是汶川地震RT波记录图,利用RT共震波计算得到未来地震的可能震中距和震级参数 (见表 1).

图 5 2008年汶川地震红格台 (HG) 实测HRT波记录图 (钱复业等,2009) Figure 5 The HRT wave record of HG station about the 2008 Wenchuan earthquake

表 1 汶川地震前红格台EW测道RT波分析得到的预测震级、震中距结果 (钱复业等,2009) Table 1 The results of predict magnitude and epicenter by the RT wave analysis at HG station before the Wenchuan earthquake

针对上述异常,利用公式:M=4.14×log (T0)-1.486计算预测震级 (注:在此计算过程中T0使用分钟值),利用虚波传播速度 (207 km/h) 与T0的乘积来预测震中距.基于前面的计算方法以及表 1数据资料,钱复业、赵玉林等在汶川大震前 (5月11日至12日凌晨5时),得出如下分析意见:2008年5月12-13日前后,下列地段将发生地震:(1) 震中距 (2000±200) km,M=7(5月11日中国台湾发生6.6级地震);(2) 震中距600~800 km,M=7~8.实际上,HG台距宏观震中之一的北川约640 km.

4 讨论及展望 4.1

HRT波利用地电阻率对岩土层形变的放大作用,参考岩石破裂主要发生在应力开始下降阶段,以及介质不稳定力学系统的特性,通过地电阻率观测,反映潮汐力对岩石的加卸载,检测介质刚度为零的阶段.与以往利用地电阻率观测开展与地震相关性研究不同,该方法利用的是地电阻率的波动特性,利用HT波和RT波的传播速度差、以及幅度衰减所耗时间来确定地震的震中和震级.从实际应用震例可以看出,该方法对地震短临信息的提取有一定实用性,可能是探索应该地电阻率观测,开展地震短临预测预报的新思路、新方法.

4.2

在前期PS100观测台站运行过程中,除去运行维护的问题之外.冕宁台的观测效果最为理想,可能与该台所处的地质构造有较大的关系.冕宁台地表为第四系洪冲积,残坡积的沙砾石、卵砾石、砂夹少许粘砂土所覆盖,地形为河谷地,较之平坦.该地区的地质构造受安宁河大断裂带的控制形成该区地质构造格架.地质构造复杂,多次经受构造运动的影响,沿安宁河断裂带形成带状陷落,地貌上为断陷盆地.这种构造更利于HRT波的出现,此种构造可以为后续台站建设提供相应参考.

4.3

虽然HRT波有较好的短临信息反映能力,但HRT波的识别技术还有待进一步提高,例如:在图 5a中对HT波的识别主要依据的是长周期的信息,从原始图中虽能够看出变化形态,但如果采用数字信号处理手段,如经验模态分解等方法 (安张辉等, 2010, 2011),去除掉高频信号,便可以得到比较清晰的HT波信号了 (如图 6),从图可以发现,在5月3日之前,7天及半月潮的相对变化振幅都小于0.1 Ω·m,从5月3日开始,HT波相对变化幅度明显增大,在汶川地震前5月10日达到最大值约0.37 Ω·m,此后,HT波的相对变化幅度开始逐渐减小.0.37 Ω·m的变化量是地电阻率背景值 (59.5 Ω·m) 的0.62%,而PS100仪器系统精度,在信噪比20 dB的情况下,仪器观测精度可达0.05%~0.1%,0.62%的变量是观测精度的6~12倍,该异常幅度为有效信号.

4.4

相对于图 5a来说,图 6更容易辨识出HT波,同时存在有多次地震HT波重复叠加的问题,给HT的识别带来一些困难,如果图 6中,汶川地震发生后,余震的频繁发生,使HT波变化较为复杂;有关RT波的识别问题则比较复杂,如图 5b~d所示,在观测曲线上,除了原作者用红色阴影部分标识的RT波外,还存在其他与RT波比较相似的波形,因此,继续开展普遍适用的RT波识别或处理方法非常必要,也将是今后工作的重点.

4.5

从一些研究成果和研究报告可以看出,利用常规地电阻率观测进行长趋势预测已有一定效果,但其在短临信息提取方面的研究仍需大力推进.而HRT波在一些实际地震预测工作的表现,说明该方法在短临信息的提取上有一定的创新性,可以对未来地震提出较为准确的短临预测意见.如果将常规地电阻率观测与PS100地电观测相结合,将是非常好的研究方向.同时,HRT波由于在波形识别方法上的局限性,以及作为一种新的地电阻率短临信息提取方法,仍需继续开展相关理论方法的研究探索 (如曾雄飞,2013),以及更多地震事件的回溯性和实践性检验.

4.6

从HRT波已有的研究结果看,该方法在短临信息的提取上有一定的创新性,可以对未来地震提出较为准确的短临预测意见.如果将常规地电阻率观测与PS100地电观测相结合,将是非常好的研究方向.

致谢 感谢中国地震局监测预报司的大力支持.对本文审稿专家有益建议和编辑老师的辛勤劳动表示衷心感谢.
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