引言

2016年10月20日4时51分,在江苏射阳县(33.70°N,120.30°E)发生了MS 4.4地震,震源深度25km。射阳县震感强烈,周边200km范围内地区有震感。此次地震是2012年高邮MS 4.9地震之后,江苏省发生的震级最高的1次地震;也是1992年以来射阳发生的最大1次地震。在震前,新沂台地电阻率、短水准存在一定的异常变化。2016年10月初提交的新沂台年度分析报告2中,明确提出了地震预报三要素,其中发震地点错误。通过对后续资料的补充及数据跟踪,本文总结与反思了震前对相关资料的处理或认识上存在的不足和错误,梳理了此次地震前,测震学指标(震群活动)存在的较为明确的异常,以期得到发震地点的正确判断,进而促进地震预报事业的发展。

2  李飞等,2016.新沂台2016年度质量分析报告.

1 台站基本情况与地震预测情况
1.1 台站基本情况

新沂地震台位于江苏省新沂市新安社区官庄村,台站共有地磁FHD、地电阻率、地电场、短水准4种前兆观测手段。其中,地电阻率观测系统有新旧2套,均布设了3个测向:NS向(A1B1)、N45°E向(A2B2)、EW向(A3B3)。其供电极距为1000m(新场地N45°E向的供电极距为1020m),测量极距为240m。新场地NS向测线为老场地测线向东平移60m,新场地N45°E向测线为老场地测线沿N45°E方向平移380m,EW向测线位于原处。老场地各电极埋深为2.5m;新场地各电极埋深则不同,平均约为6m,其中B3电极最浅,约为2.5m,A3电极最深,约为16.5m,总体上越往场地西侧,电极越深。地电场同样布设3个测向:NS向(B1O1、B2O2)、EW向(O1A1、O2A2)、N45°E向(B1A1、B2A2),其长极距分别为400m、400m和566m。短水准测线位于地电阻率测区内,EW走向,测线长度为460m。地磁FHD测点也位于台站院内,各测点(线)的具体分布情况见图 1(因比例尺问题,地磁FHD测点未示出)。从地质构造来看,新沂台地处郯庐断裂带中南段F1的西侧,F5断裂和f5断裂从地电阻率观测场地中穿过。根据地质调查可知,测区内的断层为逆掩-逆冲断层,兼有右旋水平位移,断面向深部具有收敛的现象,走向为近NS向,断层面倾角陡,台站基岩主要为红色砂岩。在测区内,新沂台第四纪覆盖为东薄西厚,变化范围2—40m;南北向覆盖层变化范围较小,约为2m;测区地形为东北略高、西南略低,总体相差约1m。


图 1 新沂台各测线示意图 Fig. 1 The survey lines of different techniques in Xinyi station

新沂台地电阻率老场地建于1979年,观测数据较连续可靠,已有研究(李飞等, 1999, 2002a, 2004, 2008a, 2008b李飞,2001)表明:新沂台在1995年9月20日前,地电阻率出现较为明显的短临异常;新沂台对周边的中强震有一定的对应能力。自2007年年中开始,测区内陆续新建蔬菜大棚,为此,对蔬菜大棚的钢线进行了绝缘处理,减小对地电阻率的影响(张秀霞等,2009)。为了验证及减小蔬菜大棚对地电阻率的影响,2013年1月1日建成另1套地电阻率观测系统进行对比观测至今。李飞等(2015a, 2015b)对新老观测系统进行了研究,结果表明:2个场地的观测精度略有差异,蔬菜大棚对新场地NS、N45°E测向没有影响。短水准观测建于1994年,历年来观测资料连续可靠,通过对资料进行分析,认为新沂台短水准对周边的中强震有一定的映震能力(李飞等, 2002b, 2008c)。

1.2 地震预测情况

2016年10月初提交的分析报告1中,提出了本台预测的时、空、强三要素。

1  李飞等,2016.新沂台2016年度质量分析报告.

(1)根据异常持续时间的长短、大小及先后等与判断指标之间的对应关系推算,发震时间最有可能在2017年10月中旬之后、11月初之前。

(2)根据上述对应关系推算出未来地震的震级不应超过5级。

(3)综合异常分析的各前兆结果,并考虑活动断裂,认为发震地点最有可能在宿迁西部的郯庐断裂带西侧苏皖交界地区、淮北南侧和宿州北侧的EW向断裂与近NS向断裂附近地区。

从新沂台、射阳4.4级地震震中及预测发震区域的空间分布(图 2)可以看出,预测发震区域与实际震中以新沂台为纵轴左右对称。


图 2 台站、构造及震中分布图 Fig. 2 The map of stations, structure and the epicenters
2 震前异常预判

震前分别对新沂台地电阻率、短水准、地电场、地磁FHD观测资料进行了分析。其中地电场、地磁FHD观测资料自2016年以来未发现明显的异常变化,故不做论述;但认为地电阻率、短水准存在一定的异常变化,下面分别叙述地电阻率、短水准异常的预判情况。

2.1 地电阻率异常预判

图 3为新沂台、马陵山台和蒙城台的地电阻率对比曲线(资料截至2016年9月30日)。对于EW向,3台变化同步(蒙城台与新沂台、马陵山台年变反向),无论是变化趋势还是变化幅度,判断该测向都无异常。对于N45°E向,2台(马陵山台无N45°E向)年变总体同步,2014年7月之后蒙城台呈现明显的下降(同期新沂台为上升变化),表明蒙城台受到挤压作用、新沂台受到拉张作用;此外,2016年蒙城台的下降幅度高于新沂台的上升幅度,由此判断未来异常区可能位于2个台站之间且靠近蒙城台。对于NS向,2016年8月之后新沂台出现破年变变化,同期与马陵山台反向,而马陵山台的2016年度年变正常;2016年8月之后蒙城台也出现破年变变化,其变化与新沂台准同步,且变化量的绝对值略高于新沂台。基于此,预判未来异常区应位于新沂台南部,结合3个台EW向的地电阻率无异常的情况,进一步预判未来异常区也不应在新沂台正东西方向。


图 3 新沂台、马陵山台和蒙城台地电阻率日值曲线 Fig. 3 Daily variation curves of resistivity in Xinyi, Malingshan and Mengcheng station

图 4为新沂台新场地的地电阻率变化曲线,与老场地的地电阻率(图 3)相比,新场的电阻率NS向也在2016年8月之后出现破年变,且快速上升;同台新旧系统2个EW向变化同步且变化趋势正常;新场地地电阻率N45°E向的地下电性结构与老场地存在差异,与老场地变化形态完全不同,总体上自2015年以来年变化基本正常。


图 4 新沂台新场地的电阻率日值曲线 Fig. 4 Daily variation curve of resistivity in new site of Xinyi station
2.2 短水准异常预判

图 5为新沂台、宿迁台的短水准滑动平均曲线,滑动步长为21天。从图可以看出,2012—2015年,新沂台EW向与宿迁台3个测向,特别是NW测向的一致性较高;2016年5月之后一致性明显降低,新沂台快速下降,并于2016年9月初发生转折后快速上升;2016年8月21日—9月13日,新沂台短水准存在超2倍均方差的低值异常变化。对比同期新沂台新、老地电阻率NS向的变化(图 34)可以看出,2类物理量的变化形态十分相似。根据李飞等(2008c)的研究,短水准和地电阻率不仅在形态上相关,在年变幅变化上也是准同步、准幅度变化的。新沂台短水准EW向观测资料在2016年5—9月出现了“加速下降—转折回升”的形态,断层的受力方式为“挤压—拉张”的模式,反映出造成这种变化的力源应为EW方向为主。宿迁台距新沂台约40km,且位于新沂台近似正南,虽然2台所跨断层稍有差异,但宿迁台3条测线总体变化不明显,说明造成新沂台变化的力源不在新沂台正NS方向。综合上述对未来异常区方位的判断得出:①2016年5—9月新沂台地电阻率NS向和短水准EW向的变化是真实可靠的;②预断未来异常区的方位不应在新沂台正NS方向,也不应在新沂台正EW方向。


图 5 新沂台、宿迁台短水准滑动平均曲线 Fig. 5 The moving average curves of short leveling in Xinyi and Suqian stations
2.3 地震三要素预判依据

(1)对发震时间的判断

根据李飞等(2008a)的研究结果可知,新沂台地电阻率异常既有正异常,又有负异常,且多以负异常为主,异常恢复后发震。另根据李飞等(2008c)的研究结果可知,震前新沂台短水准资料一般表现出“加速下降—回升—下降”的形态,异常恢复后发震。由图 35可以看出,地电阻率NS向和短水准自2016年8月开始准同步下降,后于9月1日开始转折,然后快速上升,此变化形态符合2类资料的短临变化特点。由此推断出预测地震的发震时间较为紧迫,故得出“发震最有可能在2017年10月中旬之后、11月初之前”的结论。

(2)对发震震级的判断

根据地电阻率异常持续时间T(9月1日开始转折视为异常开始)与推算震级M的经验公式M=2.51lgT+0.5(钱家栋等,1985),推算出预测震级为4.7级。

根据短水准异常持续时间T(8月21日视为异常开始)与推算震级M的经验公式M=2.44lgT-0.1(国家地震局科技监测司,1995),推算出预测震级为4.2级。

因此,综合新沂台地电阻率和短水准资料得出了“判断未来发震震级不超过5级”的结论。

(3)对发震地点的判断

根据同台同测向地电阻率的对比、不同台站之间地电阻率的对比、不同台站之间短水准的对比、同台地电阻率与短水准的对比,结合研究区域的地质构造情况,综合预判了此次地震的发震区域(图 2)。

3 震后异常跟踪

2016年10月20日4时51分,江苏省射阳县发生MS 4.4地震,虽然震级、发震时刻与预测结果相差不大,但预测震中和发震震中存在较大差异,因此有必要进行相关反思和相应的异常跟踪。

3.1 地电阻率跟踪

首先,对于图 3中新沂台与蒙城台NS向对比分析的判读有误。蒙城台自2011年来,年变基本正常,即使在2016年8月之后出现破年变变化,虽然绝对变化量略高于新沂台,但其相对变化量(即绝对变化量与年变的比值)远小于新沂台NS向的变化。其次,对N45°E测向,蒙城台地电阻率自2013年年中以来一直为下降趋势,与新沂台新场地同测向变化形态(图 4)不同,新沂台新场地同期在2016年之前为上升趋势,2016年转为下降。对以上2台同测向对比分析的认识不足,是造成预测发震地点错误的一个原因。

图 6新沂台新老场地的地电阻率日值曲线(资料截至2016年12月31日)可以看出,对于EW向,2013年以来新沂台2个EW向一直为下降趋势,年变正常。


图 6 新沂台新(a)、老场地(b)电阻率日值曲线 Fig. 6 Daily variation curves of resistivity in new site (a) and old site (b) in Xinyi station

新沂台新、旧系统的2个NS向和N45°E向在2013年7月—2016年3月(新场地到2015年12月)同为上升趋势,后发生明显转折,打破年变规律;并于2016年8月中旬以后快速上升,2016年10月初转为快速下降,呈现出明显倒“N”形;NS向较N45°E向、老场地较新场地更为明显;此异常在震前没有完全得到认识。此外,2016年NS向和N45°E向都出现的倒“N”形,与1997年黄海5.1级(34.72°N,121.16°E)地震前(李飞,2001)、2002年黄海5.1级(35.39°N,22.13°E)地震前(李飞等,2004),老场地仅N45°E向出现倒“N”不同,并且3次N45°E向倒“N”的异常形态不同,说明此次发震地点与上2次地震的震中位置可能不同。震前对新沂台N45°E向的资料认识不足或错误,是造成预测发震地点错误的另一个原因。根据阮爱国等(2000)的研究结果:垂直加载方向地电阻率的变化反映了加载方向真电阻率的变化,加载方向地电阻率的变化反映了加载方向以真电阻率的变化为主、垂直加载方向以真电阻率变化为辅的变化特征,说明地电阻率NS向反映的是EW向真电阻率的变化,N45°E向地电阻率反映的是N45°W向真电阻率变化。由于在射阳MS 4.4地震前,新沂台地电阻率NS向和N45°E向存在异常,说明力源的方向与新沂台地电阻率NS和N45°E布线方向近乎垂直,即它们之间的夹角都要大,同时,由于马陵山台地电阻率无异常,说明新沂台距离发震地点较马陵山台要近一些。故孕震区(即力源的来源方向)位于台站东偏南的方向最为可能,而射阳MS 4.4地震就位于台站的东南方向(图 2)。马陵山台地电阻率无异常出现,这可能与2台处于不同的断层存在较大关联。根据数据跟踪,射阳MS 4.4地震之后,新沂台地电阻率数据逐步恢复正常,未有新的异常发展。

3.2 短水准跟踪

图 7为新沂台短水准滑动平均曲线(资料截至2016年12月31日),滑动步长为21天。从图中可以看出,2016年8月21日—9月13日存在超2倍均方差的低值异常变化,之后观测资料开始快速回升,在靠近均值线下时发生射阳MS 4.4地震。由于测区内的断层为逆掩—逆冲断层,短水准数据下降变化反映的是东盘受到挤压或西盘受到拉张的结果;结合同场地的地电阻率在NS向与N45°E向准同期的下降变化,说明新沂台短水准下降变化反映的是东盘受到挤压的结果,其力源的来源方向位于台站总体的东部。宿迁台短水准无异常出现,可能与2台处于不同的断层存在较大关联。根据数据跟踪,射阳MS 4.4地震之后,新沂台短水准观测数据缓慢回升,逐步恢复正常,未有新的异常发展。


图 7 新沂台短水准滑动平均曲线 Fig. 7 The moving average curve of short leveling in Xinyi station
3.3 震群活动跟踪

自1977年江苏地区有震群记录以来,射阳地区共发生4次中强震,在震前1—134天邻近地区共5次震群。表 1为射阳中强震与邻近地区震群的关系及相关参数统计,从中可以看出这几次震群比较符合黄耘等(2011)的研究结果,即江苏及其邻区震群活动可能是1个判断地震活动趋势的中期—中短期指标;震群的强度和频次与未来中强地震的对应率和地震强度无明显的相关性;震群频次的多少与其后发生地震的对应率高低也没有明显的相关性。

表 1 射阳中强震与邻近地区震群的关系及参数统计表 Table 1 The statistical parameters and relation between moderate-strong earthquakes and swarm of the Sheyang areas

1992年靖江震群、2016年大丰震群与主震相隔时间不长,距离主震震中不远。前者与主震相隔14天,距离主震震中180km;后者与主震相隔42天,距离主震震中仅60km,反映出震群活动和主震之间存在较强的对应关系。对于2016年射阳震群,由于跟主震仅间隔1天,严格说应是“前震-主震-余震”的地震类型。由于分析报告1中各学科资料截至2016年9月30日,此震群在震前没有引起台站人员的足够重视,也没有对2016年大丰震群进行跟踪。若在震前对这2次震群活动进行分析,再结合前兆资料的预判,可能是预测发震时间较为紧迫的1个启示,同时也可能是预测发震地点的另1个启示。经过1年多的震群活动跟踪,震群周边200km范围内未发生MS 3.5以上地震,说明2016年的射阳和大丰震群活动应与射阳MS 4.4地震对应。对于能够支持此次地震的其它测震学,如空区、条带等参数的分析,在此不一一赘述。

1  李飞等,2016.新沂台2016年度质量分析报告.

4 结论

通过上述分析,得出如下结论:

(1)在射阳MS 4.4地震前,新沂台地电阻率、短水准资料存在较为明显的地震异常,虽然部分测向的变化形态与历史资料有一定的相同之处,但各测向的变化形态、异常持续时间、幅度等异常指标还是具有一定的独特性。

(2)只有将各学料资料进行充分的综合运用,才可能提高预报水平。新沂台地电阻率、短水准前兆异常变化与预测地震的发震时刻、震级对应较强,由于对地电阻率对比分析的结果认识不足,对新沂台地电阻率N45°E向资料变化的判读存在认识不足或错误,造成了对发震地点的误判;如能再结合震群活动性等参数进行综合分析,预测地点可能更为准确。

(3)根据数据跟踪,新沂台地电阻率、短水准资料已经恢复正常。

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