2018年松原M5.7地震前地電阻率變化特征研究

高 研，李 飛， 史紅軍

（1.綏化地震臺，黑龍江 綏化 152000；2.新沂地震臺，江蘇 新沂 221400；3.榆樹地震臺，吉林 榆樹 130400）

0 引言

作為地震監測的一種觀測手段，地電阻率由于其物理意義明確，觀測對象清楚，觀測中出現的干擾因素也能夠識別并加以排除；因此，我國自1967年就開展了地電阻率觀測。隨著高精度、高穩定性的地電儀投入使用，以及地震工作者的積極探索與研究，目前地電阻率觀測在映震異常上取得了一定的成果。但地震短臨或臨震預報仍然困難，還需對觀測資料進行不斷的總結與分析。

2018年5月28日在吉林省松原市寧江區發生了 M5.7 級地震 （124°43′E、45°16′N），此次地震的發震構造靠近扶余北斷裂，震源深度為13 km。這是 2013年 10—12月吉林前郭M5.8級震群之后本區一次震級接近的地震，也是2017年7月23日松原M4.9級地震之后的一次中強震。在震前，相關臺站未曾提出明確的預測意見。本文運用年變形態、速率法、各向異性度等方法對震中300 km范圍內的吉林省四平臺、榆樹臺、黑龍江省綏化臺地電阻率資料進行異常提取并進行對比分析，期望能夠得到明顯的映震異常，進而提高臺站對資料的認知與判斷水平。

1 臺站概況

四平臺位于吉林省中南部四平市，地處松遼平原西緣，測區附近有北東向四平—長春斷裂和北西向團子山—白山斷裂，測區內第四紀蓋層約20 m，下伏白堊系基巖，海拔約196 m。榆樹臺位于吉林省北部榆樹市，地處松遼平原東部隆起區，測區附近有北東向四平—長春、伊通—舒蘭兩個深大斷裂帶和北西向卡岔河斷裂，測區內第四紀蓋層約40 m，下伏白堊系基巖，海拔約182 m。綏化臺位于黑龍江省綏化市，地處松遼平原北緣，測區附近有呼蘭河斷裂帶、扶余—肇東—綏化—遜克斷裂帶，測區內第四紀蓋層約10m，下伏白堊系基巖，海拔約179m。三臺的地質構造、臺站、震中的具體位置與各臺震中距如圖1所示。三臺觀測系統的基本情況如表1所述，三臺測線的布設方位不同，符合DB/T18.1-2006關于臺站建設的技術要求[1]。

表1 臺站基本情況

圖1 臺站地質構造圖Fig.1 The geological structure of the seismic stations

2 資料分析

2.1 年變分析

在地電阻率時間序列上識別年變、形態、相位變化是探索地震前兆異常的一種常用的分析方法。年變畸變類型的歸類為一項三類：年變幅度增大型、年變幅度減小或消失型、年變畸變混合型[2]。從圖2可以看出三臺地電阻率的年變特征規律（為避免2013年10月吉林前郭震群影響，資料選取自2014年開始，下同）：從年變化趨勢上，各臺出現異常的時間不同（見圖中的輔助趨勢線），總體上呈現出1～2年左右時間的中期異常；同臺不同測向存在差異，不同臺之間也存在差異。從年變化幅度上，各臺之間差異也較為明顯，具體情況如表2所示。

總體上，三臺地電阻率年變幅度、形態、相位變化存在各向異性；年變曲線呈現出震中距越近發生轉折的時間越早，（近）平行震中方向的地電阻率年變轉折較早，（近）垂直與震中年變轉折較晚；只有綏化臺2個測向發生轉折的日期基本一致。四平臺與榆樹臺地電阻率的變化幅度、轉折變化速率都很小，基本不超過1%，維持在0.5%左右，但四平臺在轉折后年變幅度明顯大于正常年份（圖2與表1）、榆樹臺年變發生轉折的現象十分明顯（圖2）；綏化臺地電阻率在轉折后年變幅度大于轉折前。在本文分析時段，各臺觀測系統穩定、觀測場地未見干擾。查閱當地降雨資料（各臺無降雨量資料），各臺年降雨量略微呈現出逐年遞增的趨勢，各臺地電阻率在年變發生轉折前，地電阻率的年變趨勢是隨著年降雨量的增加而呈現出逐年略微下降的趨勢，說明各臺地電阻率存在降雨影響的現象。如果資料在地電阻率年變發生轉折后仍存在降雨影響，各臺地電阻率應延續2014—2015年的年變趨勢，而不會出現圖2所示的年變趨勢。

表2 各臺年變幅度與年變特征

圖2 地電阻率日均值曲線（2004.01-2018.06）Fig.2 Daily mean value curves of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

此外，榆樹臺地電阻率在2017年7月23日松原M4.9級地震前（距榆樹臺150 km）表現出一定的中短期異常：N45°E測向和N45°W測向分別于2016年12月28日—2017年3月27日、2016年11月15日—2017年3月17日左右出現高值方波變化；N45°E測向的變化較N45°W測向明顯，但變化量都較小。

2.2 歸一化速率分析

歸一化速率法是提取地電阻率中短期至短臨異常的一種分析方法。其關鍵歸結為分析曲線變化速率的大小及其正（上升）、負（下降）變化的形態，并統一異常指標（閾值）；因此其單位是無量綱的。只要被分析的數據時段固定，就可避免人為研判正常與異常的不確定性，且實際應用證明該方法用于月均值數據分析1年尺度中短期異常的分辨力較高[3]。

圖3為三臺地電阻率月均值歸一化速率變化曲線，由圖可見各臺在震前都存在明顯的異常：對于四平臺N40°E向，2017年3—5月出現負異常后轉折上升，2017年8—10月出現正異常后轉折下降，于2018年4、5月間出現接近負的短臨異常，轉折上升后即發震。對于四平臺N50°W向，2017年9—11月出現負異常后轉折上升，于2018年4—5月出現接近正的短臨異常，轉折下降后即發震。對于榆樹臺N45°E向，2017年8月出現低值后轉折上升，于2018年2—3月出現負的短期異常，轉折下降后即發震。對于榆樹臺N45°W向，2016年1—5月出現負的中長期異常后轉折上升，于2018年2—6月出現正的短臨異常，在閾值線附近發震。對于綏化臺NS向，2017年3—5月出現正異常后轉折下降，2017年7—8月出現負異常后轉折上升走平，半年多后發震。對于綏化臺EW向，2017年2—5月出現正異常后轉折下降，于2017年10—11月出現接近負的短臨異常，之后緩慢上升，7個月后發震。

三臺不同測向的原始曲線（月均值類似與分鐘值，圖略）年變幅度較小，四平臺、榆樹臺基本為0.5%左右，綏化臺為2.0%左右；但歸一化速率法異常較為明顯。由于各臺都夾雜著2017年7月23日松原M4.9級地震的前兆異常信息，增加了對資料研判的難度。此外還可以看出地震基本發生在歸一化速率曲線出現正異常（或接近正異常）之后，當出現正異常時，一般震級偏小，不超過6級。同時通過對比，此次地震前后，榆樹臺、四平臺地電阻率速率法的異常形態與以往震例研究的異常形態略有不同，這與各自研究時段的年變規律存在差異有關[4]。

圖3 地電阻率歸一化變化速率曲線（2004.01-2018.06）Fig.3 Curves of normalized variation rates of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

2.3 各向異性度分析

為表征孕震過程中地電阻率各向異性變化特征，在通常情況下S為常數值，若兩個方向上觀測值相差增大，說明介質的各向異性增大；反之，說明各向異性減弱[5]。即S值的大小及變化表征了孕震巖石介質各向異性的強弱變化，或巖石破裂程度的變化；其實質還是反應了映震構造應力場的動態。本文的各向異性度S值采用各臺正交地電阻率月均值計算而來。圖4為各臺地電阻率各向異性度S值曲線，從圖可以看出各臺各向異性度特征：四平臺在2016年5—6月為最低值，之后呈現出“上升—下降—再上升—再下降”的變化形態，于2018年1月出現-77的極大值，之后下降，在下降的過程中發震。從出現最低值到發震，經歷了近2年的時間。榆樹臺在2015年6月為最低值，之后呈現出“上升—下降”的變化形態，于2018年1月出現-17的極大值，之后下降，在下降的過程中發震。從出現最低值到發震，經歷了近3年的時間。綏化臺在2017年7月為最低值，之后呈現出“上升—下降”的變化形態，于2018年2—3月出現-53的極大值，之后下降，在下降的過程中發地震。從出現最低值到發震，經歷了近11個月的時間。由此看出，三臺的地電阻率各向異性總體呈現出先上升后下降的正脈沖型異常形態；但三臺之間的變化形態存在差異性，其中四平臺和綏化臺較為相近，榆樹臺與其它兩臺之間的差異性較大。此外還可以看出發震時間距S值出現正脈沖型異常的時間不同。同歸一化速率曲線相似，三臺各向異性度曲線都夾雜著2017年7月23日松原M4.9級地震的前兆異常信息。通過對比，此次地震前，榆樹臺、四平臺地電阻率各向異性的異常形態與以往震例研究的異常形態存在一定差異，這亦與各自研究時段的年變規律存在差異有關。

圖4 地電阻率各向異性度曲線（2004.01-2018.06）Fig.4 Curves of anisotropic degree of geoelectrical resistivity（2004.01-2018.06）

3 討論與結論

根據以往幾次松原周邊中強震的震源機制解：幾次中強地震均呈現逆斷層兼少量走滑性質，其中NW走向的節面Ⅰ為幾次中強地震序列的斷層面，發震斷層的優勢走向集中在320°左右[6]。根據中國大陸及周邊GPS的觀測數據顯示，東北塊體的主壓應力方位角是N73.9°～N75.9°E，為近EW方向；沿 45.0°N緯度線，從110°E到135°E的區域范圍中，隨著太平洋板塊向歐亞板塊俯沖邊界的靠近，主壓應變率自西向東逐漸增大[7]。此次M5.7級地震處于松原盆地老震區，其發震斷層的優勢走向與以往中強震未發生明顯變化、主壓應力仍以近EW向的擠壓為主。結合各臺與震中的空間相對位置的關系（圖1），三臺地電阻率的變化可能受控于以上因素，這是致使不同臺站的年變曲線、各向異性度曲線、歸一化速率曲線呈現出不同變化的主因。

同時通過前文可知：各臺的地質構造存在差異，各臺所處斷裂不同。榆樹臺存在NW向斷裂，四平臺存在NE向斷裂，兩斷裂都與此次地震的發震構造存在一定的關聯性；使與震中方向近平行測向的地電阻率發生了較明顯的變化，即存在“傳遞通道”的放大作用。此次地震的發震構造靠近扶余北斷裂，根據相關的地質調查：EW向扶余北斷裂與NE向的扶余—肇東斷裂關系密切，其深部存在相連的可能性[8]。而綏化臺就坐落在扶余-肇東斷裂附近，這是造成綏化臺即使震中距相對較遠（Δ=270 km），但異常也較為明顯的原因。由于各臺地質構造存在差異性、所處斷裂不同、所處斷裂與發震構造的關聯性不同，這是造成不同臺之間、不同測向之間、不同分析方法之間出現差異性的另一個原因。

產生差異性的另一個原因可能是受到2017年7月23日M4.9級地震的影響：由于兩次地震震中相距150 km左右，發震構造不同，各臺的震中距等諸多因素各不相同，對各臺地電阻率（包括不同測向）產生的影響量也各不相同。

分析表明，不同臺站之間、不同測向之間、不同分析方法的差異性符合與主壓應力方向正交（或近于正交）測向的地電阻率變化的速率大于平行（或近于平行）主應力方向的變化速率；也符合震源區周圍地電阻率中期、短臨異常空間不均勻分布的根本原因是斷層構造以及不同震源機制引起的地下介質變形的不均勻性[9]。通過三臺地電阻率各向異性度S值計算的結果表明，在震前ρNS（或ρNE）變化速率大于ρEW（或ρNW）的變化速率的現象與相關專家[10-14]的研究結果相符：各向異性度曲線在震前都出現正異常，地震發生時S值的變化基本都處于高值出現的附近或之后一段時間。從地電阻率各向異性度分析，本區的主壓應力方向為EW向或近于EW向。對于各臺速率曲線基本呈現出 “先期下降—轉折上升—出現正異常—轉折下降—發震”的現象。此外也可以看出本研究結果對本區以往震例研究結果有相似之處，但異常形態存在差異，這與不同研究時段的年變規律存在不同有關。

因此，通過以上研究，得出如下結論：

（1）三臺不同測向地電阻率的年變一般是在震前1～2年出現中期異常，歸一化速率、各向異性度在震前都存在較為明顯的中、短期異常，其中四平臺N50°E向、榆樹臺N45°W向歸一化速率出現了短臨異常，表明此分析方法捕捉異常靈敏度較高；但此次地震未見明顯的臨震異常。

（2）各臺之間、不同測向之間存在差異性，產生差異性的原因是各臺地下介質均勻度、地質構造差異性、主壓應力方向、發震構造與破裂方向、所處斷裂與發震構造的關聯性、臺站與震中的相對位置等不同因素的綜合效應。

（3）三臺的三種分析方法都呈現出異常變化，其中三臺歸一化速率的異常都較為明顯，四平臺、綏化臺各向異性度的異常較為明顯，榆樹臺略差；三臺年變化雖然都呈現出異常變化，但出現的早晚不盡相同，并且四平臺、綏化臺不同測向之間也存在差異；說明三種分析方法在不同臺站的異常顯示度存在差異，同時也說明了地電阻率異常的產生過程存在復雜性。因此，在分析過程中，一定要進行多臺、多種分析方法相結合，才可能有利于震兆異常的提取與判定；同時也要結合各臺的地質構造、區域應力場及發震前應力變化等情況。