引言

在孕震过程中震中区及附近应力场的改变,将会引起岩石的裂隙度及裂隙的连通性发生变化,此时地电阻率也会随之发生改变。野外原地地电阻率的实验结果显示,在低应力下地电阻率会随着岩石介质体积被压缩导致地电阻率的下降,相反,岩石介质体积膨胀时地电阻率会上升(赵玉林等,1983)。近40年来地电阻率观测在地震监测预报工作中已经积累了大量的实际案例,例如:钱复业等(1982;1987)和钱家栋(1993)发现,在大震发生前,震中区及其附近地区的地电阻率一般会表现出2—3年、幅度为百分之几到百分之十几的趋势性变化,其中多以下降型负异常为主;同时赵玉林等(1978)也发现,在1976年唐山地震发生前,昌黎台、宝坻台、唐山台等的地电阻率也出现了下降变化,另外,在1976年松潘地震发生前,武都台的地电阻率也出现了下降变化;还有张学民等(2009)也发现,在2008年汶川地震发生前,郫县台的地电阻率在单测向下降的幅度达到7.2%,下降持续时间在2年左右,并在震前5个月出现异常转折,而地震就发生在地电阻率恢复上升的阶段。

本文基于阳原台地电阻率观测呈现出的有规则的冬高、夏低年周期变化特征,以及2014年2月出现的NE测向年变幅减小(年变畸变现象)和NW测向的年变形态及幅度与往年相当的资料(图1),并结合观测系统检测和背景场环境以及各年度日均值数据的相关性分析结果,重点分析了降雨量对阳原台地电阻率NE测向的趋势性影响。同时还进一步验证了阳原台地电阻率NE测向出现的异常变化(年变畸变现象)的可靠性。

图 1 阳原台地电阻率日均值 Fig. 1Daily resistivity at Yangyuan station
1 阳原台地电阻率观测概况

阳原台位于阳原县西城镇北关村,处于晋冀蒙三省交界处,属阴山—燕山和太行山两大构造交汇处。本地区主要活动断裂为北东东向延展的南山山前断裂(又称六棱山山前断裂)和北山山前断裂(又称八棱山山前断裂),两条断裂均为倾向盆地中心的正断层。由于阳原台的地电阻率测点位于断裂带和冲积扇上,因此有利于监测来自地壳深部的信息。

阳原台地电阻率观测有N22°E和N68°W两个测向,使用的仪器为ZD8B型地电仪,供电极距和测量极距分别为1.2km和0.2km。测区的电测深曲线为QQ型,地下电性结构可分为三层:第一层为第四纪黄土层,夹有砾石,电阻率为125.19—130.61Ω•m,层厚为18.0—19.8m;第二层为泥层,电阻率为11.29—15.27Ω•m,层厚为51.2—101.9m;第三层为粘土层,电阻率为4.12—4.21Ω•m,层厚为113.6—145.3m。第三层以下为砂质灰岩层,电阻率为2.75—3.24Ω•m。图2为阳原台岩性柱状图、电测深曲线和区域地质构造图。由于测区内有大秦铁路穿过,同时还有小型液化气站位于测区中央,所以对数据观测有一定的影响。

2 阳原台地电阻率变化分析
2.1 观测系统检测

根据《地震及前兆数字观测技术规范(电场观测)》(中国地震局科技监测司,2001)的要求,阳原台地电阻率观测仪器和系统每个季度定期检测一次,其结果显示测量仪器校检、稳流电源性能、供电线、测量线绝缘等均符合规范的要求,同时各电极接地电阻稳定。2014年6月16日,由河北省地震局预测研究中心电磁组和中国地震台网中心组成的工作组,到阳原台进行了现场考察,给出了电极连接良好、外线路无破损、线杆及瓷瓶无损毁的测评意见。同时,工作组还用ZC-8型接地电阻仪测量了各电极的接地电阻,并利用ZC-7型兆欧表测量了各测量线的绝缘电阻,其结果与2013年、2014年的各季度校验基本一致,具体如表1所示。从表中可以看出,供电极接地电阻小于或等于30Ω,测量线路对地绝缘电阻大于或等于5MΩ,均符合规范要求。

图 2 阳原台岩性柱状图、电测深曲线和区域地质构造图 Fig. 2Basic background of Yangyuan geoelectrical station
表1 部分电极的接地电阻结果 Table 1 The grounding resistance of some electrodes
2.2 背景场环境

工作组对阳原台周边一定范围内新建(或改建)工程以及其它环境变化情况进行了专门的巡查和走访。在测区内,有一个1993年9月修建的小型液化气站;1987年修建的大秦铁路从测区通过,铁路距NW道的东供电极(B3)只有20m;同时NW道的西测量电极(M3)附近有一个小型养羊场,其建于2014年4月位于NW测线的北边,距M3 电极约100m;另外NW道的东测量电极(N3)附近有两个蘑菇大棚,其建于2010年位于NW测线的南边,距N3电极约200m。由于养羊场和蘑菇大棚采用钢丝网接地,所以形成了一个低阻体,在雨季时其对NW道地电阻率有一定影响,但对NE道干扰不大,如图3所示。根据笔者核实,周边建筑物造成的环境影响在时间上与2014年阳原台地电阻率NE测向出现的年变畸变并不同步。

图 3 阳原台地电阻率测区背景 Fig. 3The resistivity interference of Yangyuan station
2.3 地电阻率与降雨的关系

阳原台的地电阻率观测资料显示,每逢雨季地电阻率就会出现突变,且N68°W测道比N22°E测道受降雨影响更明显。笔者统计了2003年以来阳原地区的降雨量后发现,阳原的日地电阻率受降雨的影响比较明显,降雨后地电阻率测值开始下降,而且表现为降雨越大,测值下降的幅度越大;降雨停止后,随着地面慢慢变干,测值又逐渐恢复到变化前的状态。阳原台地电阻率在夏季呈现“山羊胡子”状变化,其主要原因是受降雨影响(见图1)。从月降雨量和地电阻率的关系(图4)可以看出,每年的6—9月为降雨量较大的季节,地电阻率较低,存在冬高、夏低的年变规律。笔者通过统计地电阻率月均值与月降雨总量的相关关系后发现,其相关系数达0.7左右,说明地电阻率与降雨量有较好的相关性。另外从机理上看,这可能也与大秦铁路穿过测区有关(图5),降雨时地下电极与铁轨形成通路,供电后就会有部分电流流向铁轨,从而造成测值降低。

图 4 阳原台地电阻率月均值与降雨量的关系 Fig. 4Relationship between resistivity and monthly rainfall at Yangyuan
图 5 阳原台地电阻率布极及环境示意图 Fig. 5Sketch map showing the resistivity poles and environment of Yangyuan station

地电阻率观测的是一定体积内岩层电性结构随时间的变化,而区域内表层电性可能受测区内环境、气象和水文条件变化的影响(刘允秀等,1999)。降雨对地电阻率的影响比较复杂,它不仅有一定的即时效应,还存在一定的时间滞后效应,利用褶积滤波法可以较好地去除降雨对地电阻率的影响(张学民等,1996)。

根据褶积滤波法原理,即把土层看成一个系统,降雨量CR(t)作为输入信号,当降雨量对ρs的影响函数为R(t)、地电阻率的趋势变化为M(t)=B0+B1t时,则地电阻率ρs(t)=M(t)+R(tCR(t),如果将降雨的即时及滞后效应考虑进去的话,则有:

ρs(t)=M(t)+R(tCR(t)=B0+B1t+ R(τ)CR(t-τ)

例如选取滞后影响时间为5个月时,则上式可表示为:

ρs(t)=B0+B1(t)+A0C0+A1C1+A2C2+A3C3+A4C4+A5C5

张学民等(1996)曾利用上述方法对昌黎台的地电阻率进行了降雨量校正,计算结果表明其效果要比使用一般的回归方法好。笔者利用Matlab软件对2003—2014年阳原台降雨量对NE向地电阻率的影响值进行了多元回归计算,其结果如图6所示。从图中可以看出,阳原台NE向地电阻率年变主要是由降雨量引起的,当去掉降雨量的影响后,地电阻率相对稳定一些,年变不再清晰,但是还是存在趋势性变化,也就是说这种趋势性的地电阻率年变畸变下降变化,不是仅由降雨量造成的。

2.4 地电阻率与自然电位的对比

图7是阳原台NE向自然电位变化曲线,从图中可以看出,NE测向的自然电位在2014年的幅值要比往年的高,出现了年变畸变,而NW测向的自然电位变化不明显,这表明在时间和测向上自然电位与地电阻率有很好的对应关系。尹相好等(2010)在总结了前人的研究后认为,当自然电位和地电阻率同时发生异常变化时,可提高异常的可信度。同时异常出现的时间与地震的发生也有比较好的对应关系,例如:1998年12月9日山东莒县陵阳ML4.1级地震和2001年4月14日山东五莲于里ML3.8级地震发生前,在山东莒县深井的地电阻率和自然电位同时出现了异常变化。从物理成因上来说,在地震发生前由于应力的积累,地下介质会发生变化,裂隙的膨胀和发展以及地下流体的共同作用,可能会造成自然电位和地电阻率同时发生变化。

图 6 降雨定量校正后地电阻率曲线图 Fig. 6The resistivity curve after removing the rain effect
图 7 阳原台NE向自然电位变化曲线 Fig. 7The spontaneous potential curve in NE direction at Yangyuan station
2.5 震例总结

张国民等(1995)的研究表明,在中国大陆发生的地震往往具有成组活动的特征,即地震的发生在时间和空间上具有相对集中的特点。同时,大量的地震案例也证实,地电阻率的异常变化与成组地震的发生有一定的对应性,这种现象在地电阻率台站密集的华北地区表现的尤为显著。在1989年大同地震和1998年张北成组地震发生时,就有多个台站记录到了长时间的地电阻率异常,并且异常的时空变化对成组强震活动的迁移有一定的指示意义。这种异常多呈现出比单个地震更为复杂的形态特征,异常往往持续到成组地震中最后一个强震发生后才结束(王志贤等,1994;1996a;1996b;汪志亮等,2000;2002;张学民等,2003)。总体表现为趋势性变化背景下的反复升降,并呈现出异常持续时间长、幅度大和恢复慢的特点(严玲琴等,2013)。

自1977年至今,阳原台地电阻率观测已经连续进行了37年,在此期间,距离台站300km范围内发生的MS5.0级以上地震共有8次(去除余震)。在张学民等(2003)总结震例的基础上,笔者对阳原台地电阻率观测数据进行了重新分析后发现,在几次地震发生前阳原台的地电阻率都曾出现过显著的年变畸变异常变化,这种地电阻率的异常变化对距离阳原台300km以内的地震具有很好的映震能力,尤其是对晋冀蒙交界地区发生的中强地震,具体映震能力如表2所示。

表2 阳原台地电阻率异常变化对地震的映震能力 Table 2 Corresponding earthquakes of resistivity at Yangyuan station
3 结论与讨论

通过对观测系统的检测,确认阳原台地电观测仪器、外线路、电极工作状态正常。测区背景场环境调查和辅助资料分析表明,降雨量和地下水位引起地电阻率数据异常的可能性较小,阳原台的地电阻率变化反映了真实的应力变化,可视为地震前兆异常。同时,通过地电阻率与自然电位的对比分析后发现,阳原台地电阻率的NE测向与自然电位在2014年的变化具有同步性,验证了地电阻率异常的可靠性;阳原台地电阻率的异常变化多以年变畸变为主,2014年以来的异常形态与1998年大同地震和2006年文安地震发生前的异常形态较为类似。综合分析认为,阳原台地电阻率异常变化的可信度较高,可视为地震前兆异常,类型为背景异常。

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