安徽地震前兆臺網監測效能綜合分析＊

李罡風,趙建和,朱生水,張學應

(安徽省地震局,合肥 230031)

安徽地震前兆臺網監測效能綜合分析＊

李罡風,趙建和,朱生水,張學應

(安徽省地震局,合肥 230031)

分析了安徽地震前兆臺網三大學科觀測項目的現狀,統計了近年來安徽前兆觀測數據的同震效應與映震情況,結果表明:僅局限于地表或淺層的前兆觀測數據,很大程度上難以獲取到反映地震孕震過程的真實有用信息。提高現有前兆數據使用效率、選擇真正有意義的前兆觀測手段和直接觸及孕震區邊界的觀測敏感點是安徽地震前兆臺網的發展方向。

同震效應;異常特征;孕震體;敏感點;地震預測;安徽地區

0 前言

汶川大地震給地震工作者帶來了更多、更深層次的思考,究竟應該為地震預測預報提供什么樣的資料?人們需要對已運行的前兆臺網、觀測場構造特征、儀器觀測量物理含義以及數據處理方法,尤其是與孕震相關的過程有一個重新認識,這就需對前兆臺網的監測效能作綜合評估。本文通過分析安徽前兆臺網現狀,評估當前前兆數據的實用價值,為前兆觀測技術的突破做技術上的準備,爭取在前兆技術、儀器研發、孕震過程探索等方面有所作為。

我們從地震與前兆信息之間的關聯分析出發,選擇安徽地震前兆監測臺網三大前兆學科主要測項(地形變、地電阻率與電磁場、流磁與地下流體)的觀測資料,對 2008年汶川 8.0級地震和近年來安徽及鄰區中強震活動情況進行解析,對選定時間段的前兆數據進行映震檢驗與綜合評價,提出改善安徽前兆臺網監測效能的一些初步設想,以提高對安徽前兆臺網與觀測資料分析的有效性,實現對安徽及鄰近區域中強以上地震中長期和短臨異常概率判定,使前兆觀測從映震或同震效應的檢驗逐步向區域地震概率預測的物理異常判定過渡。

1 地球與地震活動

一般認為地球內部是分層的,它有三個同心球層:地核、地幔和地殼,其中地殼是地球的最外層,厚度一般為 30 km。地殼通常由上部地殼花崗巖層與下部地殼玄武巖層兩部分構成,構造地震一般發生在下部地殼中。在地殼巖層內部力的相互作用下,巖層內力產生一個聚集或擴張過程,若緩變中內力致使地殼內部巖體層某處發生失衡變形、引起區域多組斷裂的地縫間流體上升或下降,甚至出現化學變化,導致地殼內板塊出現瞬間錯動,就會發生地震。一個相當量級的地震在發生之前應存在一個孕震過程,這類似于人體內某種疾病發生的潛伏期,稱為“紅腫理論”(蔣長勝,2007)。地震前兆觀測就是在孕震的“紅腫邊界區”的敏感區觀察臨近構造斷裂隙縫的流體變化、巖石電磁介質特性突變、塊體變形或蠕變,這就是孕震過程中的前兆信息,通過對這些“病”前信息的分析處理和識別判斷,就可以得到有意義的物理地震概率預測結果。因此,前兆觀測傳感器是否觸及到這些“紅腫敏感區”就是前兆觀測的關鍵。

2 安徽地震前兆臺網現狀

安徽地震前兆臺網始建于 20世紀 70年代,主要由定點觀測站點與流動觀測點組成。截至 2009年初,全省已擁有國家Ⅰ類臺 4個、Ⅱ類臺 8個、Ⅲ類臺 13個、地市(企業)臺 11個以及 20多個靜水位觀測井;流動觀測主要有流動重力、流動水準和流動地磁。安徽地震前兆監測涉及到地表形變、地下水位、水溫、地下化學成分含量、地磁、地電阻率、大地電場與電磁波等多種手段。隨著科技的不斷進步,這些前兆觀測系統大都已實現數字化觀測。目前安徽省境內已有 120多個數字化前兆測項,實現了數據的自動采集、自動傳輸、自動報送,實現了前兆儀器的遠程監控、數據瀏覽、數據預處理等,觀測數據精度也大大提高,數據信息量成量級增長,并實現了臺網前兆數據的數據庫管理與共享,擁有對觀測數據的分級管理權限。

目前,前兆觀測數據更多地用于地震預測會商、前兆映震分析、同震效應檢驗,通過漸進方式擬合已發生地震與存在異常的區域前兆觀測數據的物理關系,從而對未來區域地震趨勢開展有條件的預測研究,逐步有序地推進前兆觀測資料在區域地震預測中的應用。

2.1 地電磁觀測映震能力分析

安徽現有蒙城、嘉山、涇縣、合肥、金寨、蚌埠、安慶、黃山 8個地電磁監測臺站(圖 1)。從圖 1可見,皖中西部臺站較密集,南北走向臺站較稀疏,分布極不均勻,這種布局與安徽的構造斷裂分布有關。安徽地電磁觀測主要是定點測量大地某一地域淺層深度巖體或土層介質的地電磁場特性,即:地電阻率、大地電場與相對定點地磁場,物理量觀測較為清晰。通過定點觀測區域地下巖石介質電磁特性變化規律,可以初步了解該區域表層地下結構速度變化。通過長期資料積累與數據分析,能夠初步判斷一段時間內該區域地下巖石或土層結構介質電性變化是否存在異常,從而推測未來一段時間該地域巖體或土層介質的電性變化是否與未來地震有關(陸明勇等,2006),是否為區域場地電磁的前兆異常。由于這些地電磁觀測點大都僅在地表面幾十米至數百米深處,地殼深處孕震發震過程是否與觀測到的地電磁異常有關,還有待于更深入的研究和檢驗。

圖 1 安徽地區地電磁觀測臺站分布示意圖Fig.1 Sketch of geoelectric stations in Anhui

針對地電磁觀測資料特點,我們收集了 2004年 1月至 2008年 12月安徽數字化地電磁觀測數據,進行整理與均值計算,結果是:每個臺站地電磁觀測數據年變均值基本正常。合肥臺及鄰區地電阻率為 12.90～13.44Ω·m,嘉山臺及鄰區地電阻率為 19.74～21.15Ω·m,蒙城臺及鄰區地電阻率為 80.13～87.69Ω·m,年變化率Δ ρ≤ ±5.0%/年;臺站地磁總場強相對測值為 100～120 nT,年變化率ΔB≤±3%/年,基本上也在允許變化范圍內;大地電場由于觀測時間不長,觀測數據受場地環境影響也較大,電極測數極不穩定,目前還不能用于前兆映震檢驗。

以上地電磁觀測數據分析處理結果描述的僅僅是臺站所在地域的地表巖體或上土層結構介質電性,而這些數據在 2008年汶川大地震前后近一年沒有明顯異常特征。2007年初至今,安徽及周邊(省界外延 100 km)地區也未發生 5.0級以上地震,因而無法檢驗安徽地電磁觀測資料的近場映震能力。結合過去該區域地震活動情況,筆者認為安徽地電磁前兆觀測數據的同震效應并不明顯,難以根據此類數據對近場前兆異常作出判定。

2.2 地下流體觀測映震能力分析

安徽地下流體觀測網點較密集且分布均勻(圖 2),觀測臺點密度達 1.36個 /萬 km2。其中,水位觀測有靜水位和動水位兩種觀測方式,靜水位觀測站點主要有淮北皖 22井、淮北皖 35井、渦陽皖 18井、臨泉皖 08井、懷遠召郢井、五河皖女山井、五河皖 11井、天長皖 07井、定遠 04井、金寨 05井、霍山皖 33井、肥東路口井、巢湖皖14井、無為皖 24井、含山皖 10井、蕪湖皖 28井、蕪湖皖 29井、馬鞍山皖 17井、馬鞍山皖 27井、安慶皖 23井、涇縣鳳村井、宣城皖 20井、黃山皖 30井;動水位觀測站點有廬江地震臺、香泉地震臺 2個。地下水化學成分與水溫觀測站點很少,氡值觀測僅有廬江地震臺、蚌埠地震臺、香泉地震臺、臨泉地震臺和湯池水化觀測站 5個;水溫觀測站點僅有廬江地震臺、巢湖皖 14井、無為皖 24井、黃山皖 30井和香泉地震臺 5個;氣體成分觀測點僅廬江地震臺 1個。水溫與地縫隙氡值觀測點密度為 0.28個 /萬 km2。顯然,從該區域地下流體中獲取背景場值或辨析異常信息所需數據量與臺站密度不相符。距郯廬斷裂中南段最近的地下流體觀測點只有廬江地震臺,要真正獲取與郯廬斷裂中南段區域地下構造間巖石塊體蠕變有關的地下流體信息,真正提高安徽區域前兆監測能力與預測研究水平,應在該區域增加臺點密度。

圖 2 安徽地區地下流體(水位、水溫)站點布局圖Fig.2 Distribution of underground fluid(water table,water temperature)stations in Anhui

汶川 8.0級大震安徽前兆流體測項是否存在異常與同震效應?筆者使用 2007年 5月至 2008年 12月全省 20多個地下流體站點的水位以及水溫、氡值觀測資料進行分析與計算,結果表明:汶川地震發生時全省水位站點均記錄到瞬間的明顯的水位振蕩(圖 3a)及同震效應。地震波能量傳遞到每個觀測井點,部分能量被井下流體吸收轉換成水波能量,使水位上下振蕩,振幅大小與震級大小、震中距離有關,也就是與震波能量轉換率有關。2007年 9月 12日印尼 8.5級巨震與 2008年 5月 12日汶川 8.0級地震發生時,廬江地震臺、臨泉地震臺氡值觀測均記錄到同震效應,廬江地震臺氡值振幅瞬間高于正常值的 25%～40%,震后 1～5個月才逐漸趨于正常;水溫觀測同震效應出現較大離散性,雖有一些異常特征,但用于地震預測較勉強,經數據處理后的時間變化記錄曲線與地震前兆信息間關聯程度很難準確判定(圖 3b)。

圖 3 2008年 5月 12日廬江臺(a-1)、淮北臺(a-2)、巢湖臺(a-3)水位觀測曲線和廬江井(b-1)、巢湖井(b-2)、無為井(b-3)水溫觀測曲線Fig.3 Curve of water table of Lujiang station(a-1),Huaibei station(a-2),Chaohu station(a-3)and Curve ofwater temperature of Lujiang well(b-1),Chaohu well(b-2)and Wuwei well(b-3)on 12th May,2008

以往地震工作者在選建流體觀測點時,更多考慮的是臺站是否易于維護管理,因此所選井點并不一定是斷層附近巖體縫隙處的觀測敏感點。根據同震效應,地震波能量通過巖石介質傳遞給地下流體介質,轉換成另一形式,引起井下水位移變化。在時域分析中,無論水溫、水化學物質含量或濃度的突跳現象,人們都無法判定它們是否屬于構造帶內巖體間流體出現的物理、化學現象異常。通過前人的工作我們知道數據有用性與采樣率有關(陸明勇等,2006),高采樣率可獲取海量數據及更多有用的地下信息。雖然目前數字化前兆觀測的采樣率已大大提高,達到小時或分鐘量級,但數據變化過程仍不能滿足判定水溫、水化學物質含量或濃度的變化現象就是構造帶內巖體間流體出現的物理、化學異常現象的要求。通過對 2007年 5月至 2008年 12月安徽流體資料的分析表明:水位、氡值含量有較好的大震同震效應,但存在數據量不夠,信息量明顯不足的現象,無法判定數據的突跳與大震孕震過程之間的物理、化學關聯。在合適的地點增加觀測點,提高數據采樣率以增加數據信息量是改善這一方法的有效手段。

2.3 形變觀測映震能力分析

安徽地形變觀測有定點觀測和野外流動觀測兩種。定點觀測主要有淮北、泗縣、金寨、涇縣、安慶、肥東及佛子嶺 7個定點觀測臺站(圖 4);野外流動觀測主要由郯廬斷裂中南段流動觀測場和大別山地區的霍山落兒嶺—土地嶺斷裂與仙人沖斷裂兩側的流動觀測場組成。定點觀測傳感器主要采用水管傾斜儀,金屬擺、石英擺傾斜儀和高精密水準測量儀,觀測區域場地球表面潮汐變化趨勢;流動觀測主要為定期跨斷層短水準測量,其中霍山地區有 5個跨斷層流動短水準場地,郯廬斷裂中南段有 2個跨斷層流動短水準場地。儀器采用高精密水準測量儀,觀測方式是跨斷層主斷面測量,點位為基巖點,復測頻率為6次 /年,流動測量通過觀測監視該區域跨斷層面間地表的相對位移變化,判斷區域變形是否存在異常。形變觀測的原理是區域性潮汐變化或相對位移變形一定程度上反映了地球內部某一部位點應力聚集或遷移(錢曉東等,2004)。

圖 4 安徽地區地形變觀測臺站布局圖Fig.4 Distribution of deformation stations in Anhui

筆者選取 2007年 5月至 2008年 12月安徽 5個定點形變臺觀測資料與跨斷層流動水準資料進行復核計算,繪制時間曲線,得出的定點臺站傾斜記錄曲線固體潮清晰,對較遠的大地震(M≥7.0)有明顯同震效應(圖 5)。由圖 5可見,涇縣、金寨、淮北、泗縣臺的傾斜記錄較好地反映了 2008年 5月 12日汶川地震引起的區域場形變位移過程,但在大震發生前沒有出現明顯異常,如矢量打折、固體潮畸變、曲線高頻抖動、階躍、鋸齒波或串珠形狀等現象。近幾年來安徽及周邊地區(由省界外延 100 km)沒有 5.0級以上中強震發生,因而安徽地形變傾斜觀測的近場同震效應和短臨異常無法驗證。

圖 5 2008年 5月 12日涇縣臺(a)、金寨臺(b)、淮北臺(c)、泗縣臺(d)形變觀測的日變化曲線Fig.5 Deformation curve of Jingxian station(a),Jinzhai station(b),Huaibei station(c)and Sixian station(d)on May 12,2008

3 前兆異常綜合分析與預測概率

我們選取安徽前兆臺站 2004年 1月至 2008年5月的地電磁觀測資料,2007年 5月至 2008年 5月地下流體及大地形變觀測資料與記錄曲線,采用各前兆觀測學科制定的異常指標判定方法,對汶川大震前后的資料進行對比分析,判定是否存在異常,并針對近年來安徽及周邊地區沒有 5.0級以上地震的情況,分析觀測資料的背景值變化趨勢,進行異常特征綜合效能判定。安徽前兆臺網觀測資料綜合分析判定見表 1。

表 1 安徽前兆臺網資料綜合性能分析判定Tab.1 Comprehensive performance of the Anhui Earthquake Precursory Net work

從地震活動趨勢概率預測角度出發,筆者對2009年度山東、江蘇、安徽交界地區 33°～36°N,117°～119°E)的 5.0級以上地震活動趨勢進行實時分析,并使用山東、江蘇、安徽交界區域 2008年 1月至 2009年 9月 41個測項的觀測資料①～⑧,分別以 100 km、200 km半徑為界進行形變、地下流體資料指標異常的歸類處理,以檢驗該地區 2009年度的地震趨勢預測意見。

表 2 蘇、魯、皖交界地區地震預測概率分析Tab.2 Probability analysis of the earthquake prediction in Jiansu,Shandong,Anhui bordering area

2009年至今,蘇、魯、皖交界地區尚未發生4.0級以上地震,但一些被認為是異常的現象依舊存在,顯然這些異常不是近場地震的短臨異常變化,當然在一定意義上可以說它們是中長期前兆異常,仍需長期密切關注。由此看來,將 2008年 1～12月蘇、魯、皖交界地區前兆資料存在的某些異常看作短臨異常顯然是不夠嚴謹的。

綜上所述,安徽臺網前兆觀測測項資料在汶川大地震前后均無明顯短臨異常;安徽臺網資料大都有良好的同震效應,郯廬斷裂南端或滁河斷裂附近五河井、廬江地震臺、泗縣地震臺、金寨 05井地下水觀測、地形變觀測有明顯同震效應,但研究人員無法根據這些異常給出較大地震的震級和發震區域的定量化判定意見。同理,僅僅使用蘇、魯、皖交界地區的前兆觀測資料對蘇、魯皖、交界近場地區作出短臨地震活動趨勢預測,這樣的結果是難以令人信服的。

4 區域地震預測研究設想與技術改進思路

一些地震預測研究成果(車用太,1989)表明,中強以上地震前,能夠觀測到異常的臺站數和測項比例數一般隨震級和震中距大小而變化。統計表明:我國川滇大部分地區的 6～6.9級地震前,地電磁、地形變、地下流體資料會出現中期異常,震中距為 100 km。

在震中距 100 km范圍內約有 15%的臺站和 9%的測項能夠記錄到異常,100～200 km范圍內有 8%的臺站和 6%的測項能夠記錄到異常;5～5.9級的地震,100 km內記錄到中期異常的臺站和測項分別為 3%與 1%,100～200 km范圍內記錄到并確定為異常的僅為 1%。通過表 2可以看出蘇、魯、皖交界地區被判定為短臨異常的測項占總異常測項的 50%,顯然它們并非真正意義的震前異常,有虛報的跡象。造成這一結果的原因可能是構造地震一般發生在地下 10～30 km深處,現有的地電磁、地形變、地下流體觀測傳感器僅觸及到地下幾百米深處,基本不能達到孕育中強震的區域或敏感區,此外隨著社會經濟的發展和觀測環境的惡化,觀測數據受到越來越多的外來干擾,而這些干擾有時被判定為短臨異常。

通過對安徽前兆臺網監測效能的綜合評估,我們認為應改變前兆觀測現狀,提高前兆數據使用效率,更新技術實現思路與方法。從一定意義上說,前兆綜合深井觀測是今后獲取大量有用前兆信息的必由之路,改進前兆傳感器是一項關鍵技術;保留和強化現有前兆觀測中物理化學特征比較明顯的測項,如地下水位、水溫、水化學組分、地熱、地深處低頻電磁擾動、大中尺度地表形變、斷層位移,以獲取有價值的前兆異常信息;創新井下高溫高壓傳感器研發新思路、新方法,結合深井探測技術,在構造特征明顯的斷層交叉敏感處新建臺點,研發一些具有深部特征的應變形傳感器(壓力傳感器、應變傳感器、高溫高壓傳感器);在重點監視區新建一些同型號、同測項、同觀測物理量前兆儀器系統小孔徑深部監測網,探索更多的前兆觀測新技術。

在中強地震的孕震期都會有一個異常顯現和逐步擴散過程,異常有多種表現形式(應變、蠕變、溫度、氣壓、水位等)并通過不同方式由介質內部(連續、散粒)傳遞出來。因此,應加強區域的井下形變觀測技術應用,如在大別山區構造斷裂以及郯廬斷裂中南段區域,新建一定數量定點長期 GPS觀測點和高密度流動 GPS觀測點;重點建設區域性井下應變觀測網,完善并優化已成規模的地下水位觀測網點,加強在郯廬斷裂敏感點位處的廬江水化綜合觀測臺的環境保護,增加高精度、高穩定性能儀器。當然,觀測人員與分析人員對觀測數據的分析能力、異常識別能力與異常指標歸類能力更需要提高。

車用太 .1989.中國地震地下水動態觀測網[J].中國地震,5(2):9-17.

蔣長勝 .2007.與地震預測有關的關鍵物理問題[J].國際地震動態,(9):2-10.

陸明勇,牛安福,白長清,等 .2006.地殼形變短臨異常與地下水位短臨異常關系及識別方法的初步研究[J].地震研究,27(1):13-20.

錢曉東,鄔成棟,秦嘉政 .2004.用環境應力參數對云南地區進行地震短臨跟蹤監視[J].地震研究,27(1):1-7.

張宇翔 陜西省地震局高級工程師。1986年畢業于陜西工學院電子系無線電專業,獲學士學位。陜西省地震學會學術委員會委員,陜西省地震學會地震監測技術委員會主任。主要從事地震監測技術、地震災害研究等工作。

方宏芳 福建省漳州市地震局工程師。1990年畢業于中國地質大學水文地質工程地質專業,獲工學學士學位;2009年 12月畢業于云南大學固體地球物理學專業,獲理學碩士學位。主要從事地下流體、體應變監測及地震預測研究工作。

李罡風 安徽省地震局工程師。1996年畢業于安徽大學數學系應用數學專業,獲理學學士學位。主要從事地震前兆觀測數據分析處理和地理信息系統開發等工作。

韓曉明 內蒙古自治區地震局工程師。2004年畢業于河南理工大學測繪與國土信息工程學院大地測量專業,獲工學學士學位;2007年畢業于中國地震局蘭州地震研究所固體地球物理學專業,獲理學碩士學位。主要從事地震活動性以及測震學方面的研究工作。

曹玲玲 甘肅省地震局副研究員。1996年畢業于南京大學地球科學系,獲學士學位;2001年畢業于中國地震局蘭州地震研究所,獲碩士學位。主要從事地下流體地震預報研究工作。

程建武 甘肅省地震局高級工程師。1996年畢業于西安地質學院礦產勘查專業,獲理學學士學位;2001年畢業于中國地震局蘭州地震研究所地球物理專業,獲理學碩士學位;2010年畢業于中國地震局地質研究所,獲博士學位。主要從事活動構造與地震危險性評價工作。

徐春迪 寶雞文理學院地理科學與環境工程系副教授。1997年畢業于西北大學城市與資源學系,獲理學學士學位;2007年畢業于華東師范大學資源與環境學院地理信息系統與地圖學專業,獲理學碩士學位。主要從事 3S技術應用及資源與災害方面的教學和研究工作。

史 杰 中國地震局蘭州地震研究所在讀碩士研究生。2003年畢業于新疆大學資源勘查系資源勘查工程專業,獲工學學士學位。主要從事活動構造研究工作。

Synthetic Study of the Observational Efficiency of Anhui Earthquake Precursory Network

LI Gang-feng,ZHAO Jian-he,ZHU Sheng-shui,ZHANG Xue-ying
(Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei230031,Anhui,China)

We analyze the current situation of the three main item s of Anhui Precursory Observational Network such as earth deformation,geomagnetism, and underground fluid, and study the coseismic effect and anomalous response of the data yielded by the Network in recent years.We find that it is difficult to obtain the true abnormal information of seismogenesis on the surface or in the shallow crust of the Earth.Therefore, It is urgent to enhance Anhui Precursory Observation Network by improving efficacy of the observational data,choosing effective precursory item s,and selecting sensitive points in the earthquake-pregnant body.

coseismic effect; anomalous characteristics; seismogenic body; sensitive point; earthquake prediction;Anhui

P315.72

A

1000-0666(2010)03-0280-07

2009-08-19.

安徽省科技攻關計劃(08010302204)資助 .

安徽省地震預報研究中心 .2008.安徽省地震局周月會商報告[R].

安徽省地震預報研究中心 .2009.安徽省地震局周月會商報告[R].

安徽省地震預報研究中心 .2008.安徽省地震趨勢會商研究報告[R].

安徽省地震預報研究中心 .2009.安徽省地震趨勢會商研究報告[R].

江蘇省地震預報研究中心 .2008.江蘇省地震局周月會商報告[R].

江蘇省地震預報研究中心 .2009.江蘇省地震局周月會商報告[R].

山東省地震預報研究中心 .2008.山東省地震局周月會商報告[R].

山東省地震預報研究中心 .2009.山東省地震局周月會商報告[R].

注:張昱、李永莉、莘海亮、曾憲偉、謝曉峰、劉麗芳、胡毅力、曹彥波、倪泰山的簡介已分別刊登在本刊:Vol.31,No.3;Vol.29,No.3;Vol.31,No.2;Vol.31,No.2;Vol.33,No.1;Vol.28,No.4;Vol.29,No.2;Vol.30,No.3;Vol.32,No.1。