甘肅張掖MS5.0地震前山丹地電異常探討

楊興悅, 王 燕, 張俏麗, 高振生, 李 亮

(蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定,2019年9月16日20時(shí)48分,在甘肅張掖市甘州區(qū)(38.60°N,100.35°E)發(fā)生了MS5.0地震,震源深度11 km[1]。地震震中位于甘州區(qū)花寨鄉(xiāng)附近,張掖市甘州區(qū)、臨澤縣有明顯震感;酒泉市肅州區(qū)、金昌市有震感,無(wú)人員傷亡。

祁連山中段被認(rèn)為是未來(lái)可能發(fā)生強(qiáng)震的重點(diǎn)區(qū)域(1)2019年度甘肅省震情趨勢(shì)會(huì)商報(bào)告.2018.,震情形勢(shì)較為嚴(yán)峻,受到相關(guān)人員的廣泛關(guān)注。張掖市甘州區(qū)MS5.0地震位于中國(guó)地震局和甘肅省地震局劃定的2019年度強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)域,該地震發(fā)生后,該區(qū)域未來(lái)的震情形勢(shì)依然不明朗,仍需要重點(diǎn)關(guān)注。

地電觀測(cè)是地球物理場(chǎng)觀測(cè)的重要組成部分[2],用于地震觀測(cè)的地電觀測(cè)主要進(jìn)行地電阻率和地電場(chǎng)觀測(cè)。地電阻觀測(cè)對(duì)介質(zhì)應(yīng)變狀態(tài)有靈敏響應(yīng),觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,通過(guò)直觀的形態(tài)變化就能發(fā)現(xiàn)異常[3]。地電場(chǎng)分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩部分,地電場(chǎng)主要是地球外部空間的各種電流在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng);自然電場(chǎng)主要是地殼中某些物理、化學(xué)作用引起的電場(chǎng)[4],國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的大量地電觀測(cè)用于地震預(yù)測(cè)研究,取得了良好的效果[2,5-10]。地電觀測(cè)是我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段之一,經(jīng)歷了近50余年的發(fā)展,積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和豐富的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn),為地震探索研究提供了基本保障[11]。但地震預(yù)測(cè)至今還是世界上未解決的難題,各級(jí)政府對(duì)地震預(yù)測(cè)研究高度重視,社會(huì)公眾對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的需求仍然很高[12]。因此在祁連山地區(qū)地震形勢(shì)依然嚴(yán)峻的情況下,有必要行分析總結(jié)張掖5.0地震前的地球物理觀測(cè)資料,排除觀測(cè)資料包含的各種干擾信息[13],提取異常信息,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),為后序地震預(yù)測(cè)研判提供參考。

1 山丹臺(tái)地電簡(jiǎn)介

山丹臺(tái)位于河西走廊中部,東鄰永昌,南接青海、北靠?jī)?nèi)蒙古阿拉善右旗。地電測(cè)區(qū)在距離山丹縣城8 km的清泉鎮(zhèn)南灣村,處于荒山丘陵,地表為曠野型戈壁沙土堆,覆蓋層較深,地形稍有起伏,地表幾乎沒(méi)有植被,地下潛水位埋深在50 m以下,觀測(cè)環(huán)境好。構(gòu)造上位于祁連山地震帶,所處的斷裂帶是河西走廊區(qū)域性主干大斷裂,切割地殼較深,呈NWW走向,測(cè)區(qū)地質(zhì)巖性為砂巖[14]。臺(tái)站主要進(jìn)行地電阻率、地電場(chǎng)、地磁和氣象三要素觀測(cè)。

2019年9月16日在甘肅張掖市甘州區(qū)發(fā)生的MS5.0地震,震中位于山丹臺(tái)西偏南15°方向63 km處。

1.1 地電阻率觀測(cè)

地電阻率觀測(cè)開(kāi)始于1972年,2006年9月起使用ZD8BI型地電儀,采用水平對(duì)稱四極法觀測(cè),分別進(jìn)行南北(NS)、東西(EW)、北N45°西(N45°W)三測(cè)道時(shí)值觀測(cè)。三個(gè)測(cè)道供電極極距均為1 000 m,NS和N45°W測(cè)道測(cè)量極極距為200 m,EW測(cè)道測(cè)量極極距為226 m,布極示意圖如圖1(a)。電極采用1 000 mm×800 mm×5 mm的鉛板,埋深1.8 m,外線路架設(shè)采用空架方式。

1.2 地電場(chǎng)觀測(cè)

地電場(chǎng)觀測(cè)開(kāi)始于2006年,使用儀器為ZD9A-Ⅱ型地電場(chǎng)儀,采用三角形布極,正交長(zhǎng)極距為300 m,短極距為200 m,斜長(zhǎng)極距為424 m,斜短極距為283 m,布極示意圖如圖1(b),分別進(jìn)行NS、EW和N45°E三個(gè)方向長(zhǎng)、短極距六測(cè)道分鐘值觀測(cè)。采用固體不極化電極,埋設(shè)在地表凍土層以下,埋深約4.2 m,各電極基本處于同一平面。外線路全部為鎧裝電纜,采用空架方式。

圖1 山丹地電阻率和地電場(chǎng)觀測(cè)布極示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrode arrangement of geoelectrical resistivity and geoelectric field at Shandan station

2 山丹臺(tái)地電異常分析

2.1 山丹地電阻率

2006年以來(lái)山丹地電阻率采用ZD8BI型地電儀進(jìn)行NS、EW、N45°W三測(cè)道觀測(cè),觀測(cè)資料穩(wěn)定可靠,NS、和N45°W測(cè)道時(shí)值觀測(cè)數(shù)據(jù)年動(dòng)態(tài)清晰,2018年10月前EW測(cè)道時(shí)值數(shù)據(jù)年變形態(tài)不清晰,2018年10月更換配電箱后該道觀測(cè)資料出現(xiàn)了較為清晰的年變形態(tài),EW和N45°W測(cè)道資料年變形態(tài)較為相似(圖2)。

圖2 2017—2019年山丹地電阻率時(shí)值曲線Fig.2 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from 2017 to 2019

2019年9月16日20時(shí)48分,在甘肅張掖市甘州區(qū)發(fā)生了MS5.0地震,震源深度11 km,地震發(fā)生在山丹臺(tái)西偏南15°方向63 km處。2019年9月9日(震前8天)山丹地電阻率資料開(kāi)始出現(xiàn)較為同步異常(圖3)。經(jīng)調(diào)查,震前觀測(cè)場(chǎng)地和觀測(cè)環(huán)境無(wú)變化,觀測(cè)資料出現(xiàn)異常變化后觀測(cè)人員檢查觀測(cè)系統(tǒng)正常。

圖3 2019年1—9月山丹地電阻率時(shí)值與降雨量日值曲線Fig.3 Hourly value curves of geoelectrical resistivity and daily rainfall curve at Shandan station from January to September 2019

山丹臺(tái)2018年12月17日安裝氣象三要素儀,從一年來(lái)記錄的降雨量資料來(lái)看,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后換算成降雨量為37.5 mm,對(duì)山丹地電阻率觀測(cè)資料影響不明顯(圖3)。2019年6—9月山丹降雨量相對(duì)集中,其中6月和7月降雨量比8月多且頻繁,地電阻率觀測(cè)資料6—7月變化不明顯(圖3)。由于之前沒(méi)有降雨量記錄,無(wú)法深度分析降雨對(duì)山丹地電阻率的影響,但是河西地區(qū)干旱少雨,每年降雨集中在夏季,從近幾年地電阻率觀測(cè)曲線來(lái)看,少量降雨對(duì)山丹地電阻率觀測(cè)資料影響不明顯(圖2)。而2019年9月8—12日降雨分別為24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,觀測(cè)資料從8—15日出現(xiàn)不同程度的趨勢(shì)性變化,綜上分析認(rèn)為降雨對(duì)山丹地電阻率影響不明顯,但是此次地震前恰逢降雨相對(duì)較多,認(rèn)為此次震前異常是較為可信的地震前兆異常,但可能夾雜一定程度的降雨影響。

山丹地電阻率NS測(cè)道測(cè)值總體從6月中旬左右開(kāi)始趨勢(shì)性緩慢下降,9月8日轉(zhuǎn)折呈快速上升趨勢(shì),8日07時(shí)—12日14時(shí)累計(jì)上升幅度為0.38 Ω·m(相對(duì)變化1.12%),9月12日13時(shí)開(kāi)始測(cè)值轉(zhuǎn)折呈緩慢下降趨勢(shì),16日發(fā)生地震,震后繼續(xù)呈緩慢下降趨勢(shì)。EW測(cè)道測(cè)值從3月中旬左右開(kāi)始趨勢(shì)性緩慢下降,9月9日轉(zhuǎn)折緩慢上升,9日02時(shí)—13日17時(shí)累計(jì)上升幅度為0.19 Ω·m(相對(duì)變化0.73%)。N45°W測(cè)道測(cè)值從2月中旬左右開(kāi)始趨勢(shì)性緩慢下降,9月8日下降速率加快,8日20時(shí)—15日14時(shí)累計(jì)下降幅度為0.34 Ω·m(相對(duì)變化0.86%),2019年9月26日9—21時(shí)缺記的原因是儀器故障停測(cè)(圖4)。

圖4 2019年8—9月山丹地電阻率時(shí)值曲線Fig.4 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from August to September 2019

另外,2019年7月31日—8月26日山丹地電阻率三個(gè)測(cè)道測(cè)值出現(xiàn)“毛刺增多”現(xiàn)象(圖3)。天水井下地電阻率在蘆山MS7.0、岷縣漳縣MS6.6、天水MS3.8、臨洮MS4.5、阿拉善左旗MS5.8和九寨溝MS7.0地震前均出現(xiàn)了“毛刺增多”現(xiàn)象[12,15-16],因此山丹地電阻率在震前出現(xiàn)的毛刺增多現(xiàn)象也可能為地震前兆異常。

2.2 山丹地電場(chǎng)

山丹地電場(chǎng)NS、EW道長(zhǎng)、短極距時(shí)值觀測(cè)資料年動(dòng)態(tài)較為清晰;N45°E道長(zhǎng)、短極距時(shí)值觀測(cè)資料年動(dòng)態(tài)不明顯,正常情況下觀測(cè)資料變化幅度小(圖5)。張掖5.0級(jí)地震前山丹地電場(chǎng)出現(xiàn)了兩次較為明顯的異常變化,其中一次為2019年5月9日18時(shí)—12日18時(shí),是由于地電場(chǎng)儀器出現(xiàn)故障導(dǎo)致的,排除故障后重啟數(shù)采,觀測(cè)資料恢復(fù)正常(圖5)。另一次是9月12日觀測(cè)資料開(kāi)始出現(xiàn)快速上升或下降變化異常,經(jīng)調(diào)查,觀測(cè)場(chǎng)地和觀測(cè)環(huán)境較平時(shí)無(wú)變化,異常出現(xiàn)后經(jīng)觀測(cè)人員檢查觀測(cè)系統(tǒng)正常(圖5),經(jīng)查數(shù)據(jù)異常期間北京時(shí)間9月9日17—19時(shí)發(fā)生急始磁暴,K指數(shù)為5,從觀測(cè)曲線看磁暴對(duì)地電場(chǎng)影響不明顯(圖6)。

圖5 2018年1月—2019年9月山丹地電場(chǎng)時(shí)值曲線Fig.5 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station from January 2018 to September 2019

山丹臺(tái)2018年12月17日安裝氣象三要素儀,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后換算成降雨量為37.5 mm,對(duì)山丹地電場(chǎng)觀測(cè)資料影響不明顯,2019年6—8月山丹降雨量相對(duì)較多,從地電場(chǎng)觀測(cè)曲線上看少量降雨對(duì)山丹地電場(chǎng)影響不明顯(圖5)。而2019年9月8—12日降雨分別為24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,觀測(cè)資料從12日開(kāi)始出現(xiàn)異常變化,綜合分析認(rèn)為少量降雨對(duì)山丹地電場(chǎng)影響不明顯,此次觀測(cè)資料變化異常認(rèn)為是地震前兆異常(圖6)。

圖6 2019年山丹地電場(chǎng)時(shí)值與降雨量日值曲線Fig.6 Hourly value curves of geoelectric field and daily rainfall curve at Shandan station in 2019

2019年9月12日山丹地電場(chǎng)除N45°E測(cè)道短極距觀測(cè)資料無(wú)明顯異常外,其余5個(gè)測(cè)道觀測(cè)資料均出現(xiàn)了準(zhǔn)同步的快速上升或下降變化。震前NS道長(zhǎng)極距12日02時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計(jì)上升幅度約21.12 mV/km,9月16日11時(shí)左右觀測(cè)資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。EW道長(zhǎng)極距12日00時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,下降速率明顯變大,累計(jì)下降幅度約12.64 mV/km,9月22日17時(shí)左右觀測(cè)資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。N45°E道長(zhǎng)極距11日23時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計(jì)上升幅度約12.74 mV/km,9月16日11時(shí)左右觀測(cè)資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。NS道短極距12日14時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計(jì)上升幅度約18.24 mV/km,9月21日9時(shí)左右觀測(cè)資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。EW道短極距12日00時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,下降速率明顯變大,累計(jì)下降幅度約17.95 mV/km,9月22日14時(shí)左右觀測(cè)資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)(圖6)。

譚大誠(chéng)等[7]對(duì)青藏高原中強(qiáng)地震前的地電場(chǎng)潮汐波進(jìn)行了研究,認(rèn)為一些地電場(chǎng)資料在震前出現(xiàn)短臨波形畸變異常,其中新疆和田地電場(chǎng)NS道觀測(cè)資料在汶川8.0級(jí)地震前20天開(kāi)始的異常形態(tài)與山丹地電場(chǎng)在張掖地震前畸變異常形態(tài)非常相似。

另外,2015年11月23日祁連MS5.2地震前,山丹地電場(chǎng)長(zhǎng)極距NS測(cè)道、長(zhǎng)極距EW測(cè)道、短極距NS測(cè)道、短極距EW測(cè)道觀測(cè)資料也出現(xiàn)了與上述形態(tài)一致的地震前兆異常,長(zhǎng)、短極距N45°E測(cè)道異常不明顯。該地震與山丹地電場(chǎng)震中距為102 km。山丹地電場(chǎng)NS道長(zhǎng)極距2015年10月31日06時(shí)左右至11月2日23時(shí)左右,觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折上升趨勢(shì),累計(jì)上升幅度為14.31 mV/km。EW道長(zhǎng)極距10月30日22時(shí)左右至11月3日08時(shí)左右,觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折下降趨勢(shì),累計(jì)下降幅度為35.79 mV/km。NS道短極距10月26日17時(shí)左右至11月3日11時(shí)左右,觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折上升趨勢(shì),累計(jì)上升幅度為16.78 mV/km。EW道短極距10月26日17時(shí)左右至11月2日09時(shí)左右,觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折下降趨勢(shì),累計(jì)下降幅度為13.17 mV/km(圖7)。

圖7 2015年山丹地電場(chǎng)時(shí)值曲線Fig.7 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station in 2015

山丹地電場(chǎng)2015年11月28日觀測(cè)資料出現(xiàn)臺(tái)階狀變化,隨后逐漸恢復(fù)正常,該異常變化是由于11月28日09:45—16:46改造觀測(cè)系統(tǒng),更換測(cè)量電極所造成的數(shù)據(jù)干擾(圖7)。

3 認(rèn)識(shí)與討論

(1) 張掖MS5.0地震震中位于山丹臺(tái)西偏南15°方向,震中距63 km。山丹地電阻率與地電場(chǎng)觀測(cè)資料在張掖MS5.0地震前均出現(xiàn)了較為明顯的異常,排除場(chǎng)地周圍觀測(cè)環(huán)境,觀測(cè)系統(tǒng),自然環(huán)境等因素外,認(rèn)為該異常是較為可信的地震短臨前兆異常。另外2015年11月23日祁連發(fā)生了MS5.2地震,震中位于山丹臺(tái)西偏南55°方向,震中距102 km。震前山丹地電場(chǎng)觀測(cè)資料也出現(xiàn)了與張掖地震前形態(tài)相似的地震前兆短臨異常。譚大誠(chéng)研究認(rèn)為一些地電場(chǎng)資料在震前出現(xiàn)短臨波形畸變異常,山丹地電場(chǎng)在上述兩次地震前異常形態(tài)與列舉的畸變異常形態(tài)非常相似,進(jìn)一步增加了山丹地電異常的可信度。

(2) 山丹地電阻率觀測(cè)資料異常開(kāi)始于震前8天,結(jié)束于震前2天,異常持續(xù)時(shí)間為6天,異常結(jié)束后發(fā)生地震。異常形態(tài)表現(xiàn)為NS測(cè)道轉(zhuǎn)折快速上升-緩慢下降,EW測(cè)道為轉(zhuǎn)折緩慢上升,N45°W測(cè)道為緩慢下降-轉(zhuǎn)折緩慢上升。山丹地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常開(kāi)始于震前4天,最晚結(jié)束于震后6天,異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為11天,異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)生地震。地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常形態(tài)長(zhǎng)極距NS道、長(zhǎng)極距N45°E道、短極距NS道表現(xiàn)為轉(zhuǎn)折同步緩慢上升,長(zhǎng)極距EW道和短極距EW道轉(zhuǎn)折同步緩慢下降,短極距N45°E道異常不明顯。

(3) 山丹臺(tái)位于河西地區(qū),當(dāng)?shù)啬杲涤炅可?7—9月降雨相對(duì)較多,由于山丹臺(tái)2018年12月17日安裝氣象三要素儀,之前未記錄降雨資料,不能深入分析降雨對(duì)地電阻率與地電場(chǎng)觀測(cè)資料的影響程度,但是對(duì)比分析一年來(lái)有記錄的降雨資料與地電觀測(cè)資料,認(rèn)為少量降雨對(duì)山丹地電阻率和地電場(chǎng)觀測(cè)資料影響不明顯。但是2019年張掖5.0級(jí)地震前恰逢當(dāng)?shù)亟涤晗鄬?duì)較多,地電阻率觀測(cè)資料開(kāi)始變化時(shí)間基本與降雨量開(kāi)始變化時(shí)間同步變化,地電場(chǎng)觀測(cè)資料在持續(xù)降雨4天結(jié)束后開(kāi)始出現(xiàn)異常變化,另外2015年11月祁連5.2級(jí)地震前地電場(chǎng)出現(xiàn)的異常形態(tài)與此次異常形態(tài)非常相似,理論上2015年11月無(wú)大降雨,異常可信度高。綜合分析認(rèn)為此次地電阻率和地電場(chǎng)異常是較為可信的地震前兆異常,但地電阻率可能夾雜一定程度的降雨影響,而降雨對(duì)地電場(chǎng)較小。