2021—2022年川滇地區4次MS≥6.0地震前井下地電阻率觀測的異常變化

解 滔 韓 盈 于 晨

(中國地震臺網中心,北京 100045)

0 引言

中國應用于地震監測預報的地電阻率觀測采用對稱四級裝置,通過人工供電的方式連續監測地下相對固定體積范圍內的介質電阻率隨時間的變化。供電極距AB通常為數百米至2.4km不等,地電阻率觀測值是數百米至千米尺度體積內介質電阻率的綜合反映,可在不破壞地層結構的前提下實現具有體積效應的探測。自1967年開始觀測以來,已建成基本覆蓋中國主要地震活動區域的觀測站網,在50多年的連續觀測過程中,積累了豐富的觀測資料和數十次6級以上地震前的異常變化(錢家棟等,1985; 錢復業等,1998; 汪志亮等,2002; 杜學彬,2010; 解滔等,2022b)。地震前地電阻率異常的幅度通常較為微弱,分析時需要之前具有相對穩定的背景變化(杜學彬,2010)。隨著城鄉經濟發展和城鎮化建設,部分觀測站的測區環境遭受了不同程度的破壞,造成觀測數據質量下降,給異常分析和震情跟蹤工作帶來了困難。為應對測區地表局部范圍內出現的顯著改變地表電性結構的干擾源,中國地震局開展了井下地電阻率實驗觀測(康云生等,2013; 王蘭煒等,2015; 肖武軍等,2019),并陸續建設了32個具有井下觀測裝置的觀測站。其中,廣東河源站的井下觀測始于1992年,其余觀測站則始于2010年之后。井下觀測將供電電極和測量電極埋入地下一定深度處,通過增加觀測裝置與地表干擾源的距離以實現對干擾影響的抑制作用(解滔等,2016a,2019)。目前,多數井下觀測站的電極埋深為50～150m,江蘇江寧站和臨澤站的水平觀測裝置埋深達200m。采用井下觀測方式后,觀測數據的質量得到顯著提升(葉青等,2022)。

相較于觀測裝置埋深為2～3m的地表地電阻率觀測,井下觀測的建設成本相對較高,在觀測站附近發生強震前能否有效記錄到與地震晚期孕育過程有關的異常變化,是檢驗這一觀測方式有效性的關鍵所在。根據半個多世紀的觀測實踐、震例總結、實驗與理論研究發現,中強震前地電阻率中短期異常變化通常表現為偏離之前多年背景趨勢變化范圍、持續時間為數月至2a左右的下降或上升變化,且通常伴有年變形態畸變; 短臨異常通常表現為在已有中短期異?；A上的加速、轉折或不穩定擾動變化等形態(錢復業等,1998; 汪志亮等,2002; 杜學彬,2010)。2010—2020年期間,井下觀測站附近發生了2次6級以上地震,分別為2013年岷縣-漳縣MS6.6 和2017年九寨溝MS7.0 地震。天水站在這2次地震前均出現了高頻擾動異常變化(高曙德,2016,2020),此類變化通常反映短期地下介質內自然電場的不穩定性; 武都站在九寨溝地震前出現了持續性上升變化(解滔等,2022b)。2021年漾濞MS6.4 地震發生前,井下地電阻率觀測僅觀測到一次與地表觀測時發現的持續性下降或上升異常形態相似的異常。因此,這種觀測方式能否有效記錄到地震前的異常變化,仍需要更多震例予以支撐。

2014—2019年,四川地區的紅格、甘孜和冕寧3個觀測站先后完成改造升級,并開始井下觀測。2021—2022年,川滇地區先后發生了4次6級及以上地震。本文將介紹這些地震前井下地電阻率的異常變化和相應的震情跟蹤情況,以期為今后井下地電阻率的數據分析和觀測站建設提供一定參考。

1 觀測站簡介

四川地區的甘孜、冕寧、紅格觀測站分別位于川滇菱形地塊邊界的鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂附近,2021年漾濞MS6.4、2022年蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0、瀘定MS6.8 地震的震中及觀測站的空間分布如圖1所示。

圖1 川滇地區地電阻率觀測站和2021—2022年4次MS≥6.0地震的空間分布

紅格站于1970年初由西南地震地質隊開始建設,在地表布設NS和EW 2個測道,供電極距AB為1600m,自1972年起產出地電阻率觀測數據。2010年紅格溫泉小鎮開始建設,導致原觀測場地遭受破壞; 2014年,紅格站在原測區內建設井下地電阻率觀測裝置,同年7月正式投入運行。觀測站所在區域的構造形跡復雜,發育硫磺溝-納拉箐斷裂、倮果斷裂、五道河-雙龍灘斷裂、昔格達斷裂等。地電阻率測區內的高差為25～30m,地表溝壑較多,地下水平均埋深約為10m。

甘孜站觀測始于1970年,在地表布設N30°E 和 N60°W 2個測道,供電極距AB為500m。2017年甘孜縣人民政府啟動“格薩爾文化城暨百村產業基地”項目,原觀測場地位于國道317以南的部分被征用。2017年甘孜站在原測區北側約150m處建設井下觀測裝置,2018年1月正式投入運行。新測區位于斯俄盆地北側的布絨朗山腳一線,E、W、S向地勢較為平坦,淺部主要為厚15～40m的黏土沖積物覆蓋層,下伏地層主要為巖性較為破碎的細粒石英砂巖,地下水平均埋深約為7m。

冕寧站于1983年開始建設,次年3月投入運行,在地表布設NS、EW、N45°W 3個測道,供電極距AB為1200m。2008年后原測區附近出現民用設施(如小型電焊車間)漏電干擾,對觀測造成較為嚴重的影響。2019年在原測區SW向約5km處的回坪鄉橫路村南河河谷中心地帶選址建設井下觀測裝置,并于2020年1月正式投入運行。新測區位于第四系河床階地,覆蓋層主要為黏土和砂礫石沖積堆積物,厚約130m,其下為砂礫石層并發育破碎花崗巖,且賦存豐富的地下水,厚約400m。

2 觀測裝置分析

紅格站、甘孜站、冕寧站井下觀測裝置的參數如表1所示,甘孜站2個測道呈“L”形布局,并共用其中1個供電電極。紅格站和冕寧站的各測道基本呈共中心點對稱分布,無電極共用的情況。淺層介質的電阻率受季節性降雨和溫度變化影響,在地表進行觀測時地電阻率通常呈現出清晰的年變形態(趙和云等,1987; 薛順章等,1994)。井下觀測增加了觀測裝置到地表的距離,在多數電性結構-裝置參數的組合下,井下觀測能有效減小年變化幅度(解滔等,2016a,2019)。下文將采用地電阻率影響系數理論,對比分析這3個觀測站井下觀測裝置對季節性氣象因素影響的抑制能力。

表1 四川地區3個井下地電阻率觀測站裝置的參數

2.1 影響系數

地電阻率觀測值是測區地下各區域內介質電阻率的綜合反映。如果將測區劃分為任意大小的N塊區域,每個區域電阻率為ρi,i=1,2,…,N,則地電阻率ρa是各區域介質電阻率的函數(錢家棟等,1985; Parketal.,1991):

(1)

通常情況下,各區域介質電阻率在一定時間段內變化量很小,既Δρi/ρi?1。對式(1)進行泰勒級數展開,忽略2階及以上高階項,則地電阻率的相對變化幅度可表示為各區域介質電阻率相對變化的加權和:

(2)

式中,Bi被稱為影響系數:

(3)

影響系數Bi滿足如下關系(Royetal.,1981; 毛先進等,2021):

(4)

在水平層狀介質模型下,將測區劃分為N層,則每層介質的影響系數表示該層介質電阻率變化對地電阻率觀測值變化的影響程度。依據層狀結構計算井下地電阻率的觀測理論值時,采用聶永安等(2009)推導的水平層狀均勻介質中點電流源位于任意深度的電位解析表達式。

2.2 氣象因素影響的抑制能力

甘孜站井下觀測裝置位于原測區北側150m處,可沿用原測區的電測深曲線給出水平層狀電性結構分層模型(圖2a),測區可解釋為AK型4層電性斷面。圖2b 為冕寧站井下觀測裝置所在測區的電測深曲線,測區同樣可解釋為AK型4層電性斷面。紅格站井下觀測和原地表觀測在同一測區,圖2c 為紅格站的電測深曲線,測區可解釋為H型3層電性斷面。巖土介質的電阻率隨含水量的增加而降低、隨溫度的升高而降低。春季至夏季階段,氣溫逐漸升高且降雨量逐漸增加,則淺表土層介質電阻率降低; 秋季至冬季階段的情況則相反。因此,淺表土層介質的真電阻率存在“夏低冬高”的年變化。由于不同觀測站地下介質電性結構的差異,淺表土層介質真電阻率的年變化會引起觀測站的地電阻率數據出現3種類型的年變化形態(解滔等,2013,2014,2023a)。

圖2 觀測站電測深曲線

甘孜站原地表觀測時,淺層介質的影響系數為負值(圖3a),故年變形態為“夏高冬低”型,年變化幅度約為7.6%。而采用井下觀測裝置時,淺層介質的影響系數變為正值(圖3b),觀測曲線呈現“夏低冬高”的年變化。井下觀測時,淺層介質的影響系數遠小于地表觀測,年變化幅度也降低至約2%。冕寧站的井下觀測區與原地表觀測區相距5km,嚴格意義上不能用井下觀測區的電性結構進行對比分析。我們并未搜集到原地表觀測區的電測深數據,但2個觀測區域均位于同一河床階地,推測二者具有一定的相似性。原地表觀測時,年變形態為“夏高冬低”型,與淺部介質影響系數為負值(圖3c)相符; 井下觀測時,淺部介質影響系數為正值(圖3d),故觀測數據的年變形態為“夏低冬高”型。地表觀測時,淺部介質影響系數明顯大于井下觀測,地表觀測時的年變化幅度約為3.2%,井下觀測時降低至約0.8%。紅格站地表觀測和井下觀測時淺部介質的影響系數均為正值,且數值相近(圖3e～f),故地表觀測和井下觀測時的年變化均為“夏低冬高”型,且年變化幅度相近,分別約為3.4%和3.0%。由此可見,甘孜站和冕寧站采用井下觀測裝置后,對氣象因素的影響具有很好的抑制作用,而紅格站幾乎無抑制作用。

圖3 地表觀測和井下觀測時各層介質影響系數的分布(虛線為負值)

3 異常變化與震情跟蹤

3個觀測站改造升級為井下觀測之后,觀測數據的質量相較原有的地表觀測具有明顯提升。2020年底—2022年期間,這3個觀測站先后出現不同形態的異常變化。中國地震臺網中心地震預報部電磁預測研究室(以下簡稱電磁室)依據這些異常對2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了短期預測。

3.1 異常變化

2016—2020年中,紅格站NS和EW測道的觀測數據較為平穩,且年變形態清晰(圖4)。為便于對比觀測數據每年的變化,對于同一測道的觀測數據,在相同的縱坐標范圍內將各年份1月1日的觀測數據對齊,繪制年度變化曲線。2020年12月觀測數據并未上升至往年同期水平,之后2個測道出現同步下降變化。截至2021年5月21日漾濞MS6.4 地震發生前,NS和EW測道的觀測數據在去除年變化后的下降幅度分別約為2.1%和1.4%,紅格站距此次地震震中約232km。漾濞地震之后NS測道的異常逐漸恢復,但EW測道的下降變化依然持續,直至2022年9月5日發生瀘定MS6.8 地震,震中距約為340km。

圖4 2016—2023年紅格站井下地電阻率的觀測數據

自2022年4月開始,甘孜站N10°E 測道的下降變化與前4年同期變化的時間相比有所提前(圖5),6月底開始出現轉折回升,10月下旬異?；謴?同期 N60°W測道并未出現相似的異常變化。異常期間先后發生了2022年6月1日蘆山MS6.1、6月10日馬爾康MS6.0、9月5日瀘定MS6.8 地震,震中距分別約為306km、183km、293km。2022年9—11月,N60°W測道出現持續時間約為3個月的年變形態畸變異常,異常結束2個月后發生2023年1月26日瀘定MS5.6 地震。

圖5 2018—2023年甘孜站井下地電阻率的觀測數據

冕寧站NS、EW、N45°W測道在2022年6月1日蘆山MS6.1 和6月10日馬爾康MS6.0 地震前無明顯異常變化,自2022年6月下旬開始出現同步上升變化,與之前2a同期變化的形態相反(圖6)。9月5日瀘定MS6.8 地震后,3個測道均恢復至與往年一致的年變化形態。3個測道6月下旬的上升變化時間與甘孜站N10°E 測道下降變化后的轉折回升基本同步。

圖6 2020—2023年冕寧站井下地電阻率的觀測數據

3.2 震情跟蹤研判

自2020年12月紅格站出現異常之后,電磁室將川滇交界地區作為中期時間尺度約6級的危險地區進行持續跟蹤。自2021年3月下旬起,電磁室在周、月會商中持續給出該區域地震危險性緊迫的分析意見,直至5月21日發生漾濞MS6.4 地震。震后,紅格站EW測道的下降變化依然持續,結合2021年7月云南祥云站地電阻率出現的下降異常,電磁室在2021年9月—2022年5月期間的月會商依然提出川滇交界地區約6級地震危險性緊迫的分析意見,但其間只發生了2022年1月2日云南寧蒗MS5.5 地震。2022年1月13日電磁學科組和四川省地震局對紅格站進行了異?，F場核實工作,5月之后將EW測道的異常作為背景性異常對待,將川滇交界地區作為6～7級地震危險性的跟蹤區域,未再提出地震危險性緊迫的研判意見。

甘孜站N10°E 測道雖然于2022年4月出現異常變化,但由于年變形態較為清晰,當時也并未開展同年對比分析。同期冕寧站還未出現上升異常,因此未對蘆山MS6.1 和馬爾康MS6.0 地震做出預測。馬爾康地震發生后,電磁室基于斷層虛位錯模式分析認為甘孜站的異常變化與這2次地震之間的關聯性較弱(解滔等,2023b),加之6月下旬冕寧站和甘孜站同步出現上升變化,四川省地震局隨即在7月和8月分別對冕寧站和甘孜站進行了異常核實,并與電磁室就異常核實的觀測環境調查和分析情況進行了討論,確認了異常變化的真實性。電磁室在2022年8月26日周會商上提出川西北地區(甘孜站250km范圍)存在約6級地震危險性緊迫的分析意見,9月5日發生的瀘定MS6.8 地震距預測區域約43km。此次預測的震級和空間范圍均與實際發生的地震之間存在差異,其原因如下:地電阻率異常以下降變化居多(杜學彬,2010; 解滔等,2022b),地震發生前將紅格站和甘孜站的異常作為核心,2個觀測站雖然都位于川滇菱形地塊的東邊界,但二者的空間直線距離約為600km,因而將空間預測范圍分為了2個獨立的區域。冕寧站和紅格站位于安寧河-則木河斷裂附近,且相距約220km,震前將二者視為一組存在關聯的異常,但由于冕寧站的異常為上升變化,故并未將其作為核心異常對待。甘孜站N10°E 的異常持續約5個月,依據異常的持續時間和震級的經驗擬合關系(錢復業等,1982)預測震級約為6級,下降異常在轉折回升階段發生地震的比例最高(汪志亮等,2002),加之8月下旬時轉折回升已經2個月,故做出了川西北地區存在6級地震危險性緊迫的研判意見。震后復盤分析認為,瀘定地震幾乎發生在紅格和甘孜站的中間位置,如果將3個觀測站的異常視為一個整體來對待,則震級和發震地點的研判可能會更好。甘孜站 N60°W測道在2022年9—11月出現年變畸變異常后,電磁室對2022年10月—2023年1月該地區的震情形式依然維持6級左右緊迫性的意見,2023年1月26日瀘定MS5.6 地震發生后取消了對該地區的震情預測。

4 討論

中強地震發生前,地電阻率觀測的異常信息較為微弱,類似1976年唐山MS7.8 和2008年汶川MS8.0 地震前的大幅度異常極為稀少,多數異常的變化幅度為1%～3%,甚至更為微弱(杜學彬,2010),因此異常分析離不開高質量的觀測數據。由于地電阻率采用大極距的觀測方式,且觀測裝置通常布設在地表,極易受到測區內及附近區域觀測環境變化的影響。地電阻率觀測值的表達式為ρa=K·ΔV/I。其中,K為裝置系數,在電極位置固定時,K固定不變;I為穩流源提供的供電電流,在穩流源工作正常的情況下,每個測道每次觀測時的供電電流I固定不變,且能準確測量。環境干擾源主要通過對測量電位差ΔV產生影響,進而對觀測值造成干擾。根據干擾源對觀測造成影響的方式,大致可將其分為2大類(解滔等,2016b):1)電流性質的工農業及民用設施漏電(如地鐵、變電站接地、機電設備接地、輸電線路破損接地等),這類干擾源的漏電強度通常不穩定,在測量電極之間產生附加電位差; 2)測區內及附近區域局部范圍內出現的改變淺層電性結構的干擾源(如金屬水管、鐵絲網、基建施工、開挖溝渠等),即地表局部電性異常體,這類干擾源改變了原有供電電流所維持的電流場分布,引起測量電位差的變化。對于漏電類干擾源,低頻交流供電觀測系統對其具有很好的抑制作用(馬小溪等,2023); 對于地表局部電性異常體,井下觀測裝置對其具有很好的抑制作用(解滔等,2019)。

目前,多數觀測站的觀測裝置位于地表,電極埋深為2～3m,觀測極距AB約為1km,深度探測范圍與觀測極距相當(趙和云等,1982; 杜學彬等,2008)。井下觀測將觀測裝置埋入地下一定深度處,在觀測極距相同的情況下,深度探測范圍相較于地表觀測將有所增加。但目前裝置的埋深為數十米至200m,深度探測范圍的增加幅度并不明顯。此外,當前開展的多數大極距井下觀測,其觀測極距相較于地表觀測有一定縮短,因而深度探測范圍實際上并未有顯著變化。但在晉冀蒙交界地區,有9個觀測站在地表觀測的測區內建設了小極距井下觀測裝置,其特點是觀測極距小于裝置埋深。其中裝置埋深和觀測極距最大的是延慶站,裝置埋深為150m,觀測極距為120m。這些觀測站的井下觀測的深度探測范圍明顯小于同場地的地表大極距觀測。井下觀測的作用主要還是通過增加觀測裝置與地表潛在環境干擾源的距離以削弱其對觀測的影響,從而提升觀測數據質量。依據實驗結果可知,地電阻率相對變化與介質變形之間近似存在Δρa/ρa=FΔV/V的比例關系。式中,F為介質的放大系數,不同介質的放大系數存在數量級上的差異(Yamazaki,1966; 趙玉林等,1983)。在地震孕育過程引起相同附加變形的情況下,不同地層條件下的地電阻率觀測變化幅度將不具有可比性。例如,2008年汶川MS8.0 地震前,成都站和江油站與斷層主破裂區的距離分別為35km和30km,地震發生前成都站的下降異常幅度高達6.7%,而江油站的下降幅度僅為1.5%(杜學彬,2010)。因此,關于異常幅度并沒有一個嚴格統一的標準,是否將觀測數據中的一次變化視為異常,主要還是以之前其自身多年的背景變化幅度范圍和形態特征為參考。除廣東河源站外,當前觀測站網中的井下觀測站均于2010年后建設,故地電阻率觀測的震例幾乎完全是地表觀測所積累的。盡管多數異常的幅度為1%～3%(杜學彬,2010),但幅度<1%的異常也較為常見(解滔等,2022a)。在2021—2022年川滇地區4次MS≥6.0地震前,在扣除年變化之后,紅格站觀測數據的異常幅度為1%～3%,甘孜站NE測道的下降幅度為0.5%,而冕寧站主要表現為與往年同期下降變化形態相反的轉折回升變化。這3個觀測站于地震前出現的異常幅度并未因采用井下觀測方式而高于地表觀測時的異常幅度。

井下觀測需要將觀測裝置埋設于數十米至數百米深度處,故布設一個測道的對稱四級裝置就需要鉆取4口井,一個觀測站通常需布設2、3個水平方向的測道,即使采用共用供電電極的方式,也需要鉆取7～10口井,工程經費的投入較地表觀測時顯著增加。在電極下放至指定位置之后,需要對井孔進行回填,故工程建設是一次性的,電極和井下電纜無法更換?？紤]到這些可能存在的問題與風險及之前井下觀測只積累到一次與地表觀測時相似的地震異常,井下地電阻率觀測還未得到廣泛應用。2021—2022年川滇地區發生4次MS≥6.0地震前,區域內的3個井下觀測站出現了不同程度和形態的異常變化,且依據這些異常對2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了短期預測,從觀測實踐的角度很大程度說明了井下地電阻率觀測應用于地震預測的可行性。由于單個觀測站的建設成本相對較高,今后在建設觀測站時還是應優先考慮在人為影響因素較小的地方進行地表觀測,采用無人值守的方式運維; 在需要建設觀測站但存在人為地表電性異常體干擾源的區域實施井下觀測; 在存在漏電影響的區域采用低頻交流供電觀測系統。

5 結論

四川地區的紅格、甘孜、冕寧3個觀測站在實施改造進行井下觀測之后,觀測數據的質量得到顯著提升,在2021—2022年川滇地區4次MS≥6.0地震前先后出現了不同程度和形態的異常變化。依據這些異常對2021年漾濞MS6.4、2022年瀘定MS6.8、2023年瀘定MS5.6 地震做出了較好的短期預測,從觀測實踐的角度說明井下地電阻率觀測具備記錄到地震前異常信息的能力。甘孜站于2022年4月出現異常,但未及時據此對2022年6月10日馬爾康MS6.0 地震做出預測,這也提醒我們在日常跟蹤的過程中需要采用多種方法從不同維度對觀測數據中的弱異常信息進行分析。此外,將直線距離約600km的甘孜站和紅格站的異常分開進行對待,導致對瀘定MS6.8 地震震級的研判較低、對地點的研判出現偏差,今后需要從更大區域的角度開展震例總結研究和異常之間的聯合分析。

致謝四川省地震局張永久副局長、甘肅省地震局譚大誠研究員、北京市地震局王同利研究員現場指導了紅格站的異常核實工作; 四川省地震局任越霞、何暢、廖曉峰,紅格觀測站、冕寧觀測站、甘孜觀測站的相關工作人員開展了異常核實工作。在此一并表示感謝!