云南漾濞縣6.4級地震前地電場異常回溯性分析

侯澤宇,安張輝,2,范瑩瑩,2,付阿龍,譚大誠,2,衛 雷

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 73000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 73000)

0 引言

電磁觀測實踐表明,地震孕育發生過程中伴隨著各種頻段的電磁異常現象[1-7],室內實驗與理論研究結果也為地震電磁現象給出了較為合理的解釋[8-9]。作為研究地震電磁異常現象重要手段之一的地電場觀測,從不缺乏研究人員的關注。

自前蘇聯科學家Sobolev[10]1975年在Kamchatka地區一次地震前測量到了地電流異常變化現象,到希臘科學家Varotsos等[11]于1981年提出VAN方法,研究人員利用地電場觀測資料對地震事件進行了大量的回溯性研究。起初主要利用波形畸變方法研究其與地震事件的關聯性(包括SES信號判定),發現了一些地震之前存在符合ΔV/L判定標準的高頻信號[12-14]。隨著地震事件的不斷積累,對于不易判定地震異常的情況,研究人員通過移植數字信號處理方法,如頻譜[15-17]、分形[18-19]、主成分分析[20-22]等開展地電場分析研究工作,并得到了與地震事件關聯性較強的頻譜增大或某些周期成分增強的結論。

近年來,譚大誠等基于大地電場的潮汐機理[23-24],以及巖體裂隙水滲流模型[25-26]等工作的開展,逐步提出并形成了地電場優勢方位角方法理論,為典型地震事件的回溯性分析及地震地電場預測分析提供方法支持。在統計分析方面,姜峰等[27]提出的滑動相關性方法能夠有效提取地電場地震異常出現時間的統計特征。對于云南漾濞MS6.4地震事件,本文擬利用改進后的滑動相關性方法[28],以及地電場優勢方位角方法,對震中周圍200 km范圍內的騰沖(150 km)、洱源(50 km)、彌渡(70 km)和祥云(80 km)地電場臺站開展統計分析和回溯性檢驗研究,得到了一些較有意義的研究結果。

1 觀測資料與研究方法

1.1 地電場觀測簡介

地電場臺站觀測方式采用希臘學者Varotsos等提出的“VAN”方法,通過測量一對固體不極化電極間的電勢差來進行地電場觀測,觀測布極方式為“L”型或“十”字型,極距為0.3 km,電極埋設在凍土層以下(通常為地下2 m以下),儀器產出為分鐘值,分辨率為10 μV。除設備檢查和故障外,臺站24小時運行[29-30]。本文所使用的地電場臺站位置如圖1所示,臺站情況介紹如下:

圖1 云南地電場臺站、漾濞地震及歷史地震震中分布Fig.1 Distribution of geoelectric field stations,Yangbi earth- quake,and historical earthquake epicenters

洱源地電場臺站,位于紅河斷裂、金沙江斷裂、喬維斷裂等多條斷裂交匯處,觀測場地開闊平坦,以“十”字交叉型布極開展觀測,分為南北(NS)、東西(EW)、和北西(NW)三個測向。洱源臺2017年前觀測資料質量較好,2017年因周圍建筑施工,觀測資料質量下降,且2020年儀器故障,資料連續性有所下降,但2020年2月25日更換儀器后,觀測資料質量大幅提高。

彌渡地電場臺站,地處彌渡沖擊傾斜盆地東南部邊沿近山地帶,位于紅河斷裂及楚雄斷裂的交匯點,地質構造復雜,巖體裂隙發育,以“L”型第一象限布極(NS、EW、NE測向)。建于2006年9月,地電場觀測資料精度較高,質量較好,具有很好的連續性。

祥云地電場臺站,位于程海斷裂,緊靠金沙江—紅河斷裂系,采用“L"型第二象限布極方式(包含NS、EW、NE測向)。2014年6月開始運行,觀測資料質量較好,除偶有農田灌溉影響外無明顯干擾。

騰沖地電場臺站,位于多條斷裂交匯點,周圍斷裂構造復雜,采用“十”字型布極方式(包含NS、EW,、NW測向)。2007年6月開始運行,觀測資料較為穩定,質量較好。

1.2 地電場序列處理

本文中洱源臺使用質量較好的2011年至2015年觀測資料、彌渡和祥云臺使用2015年1月至2021年6月的地電場觀測數據,騰沖臺采用2019年1月至2021年6月的地電場觀測數據,選取NS,EW和斜道(NE或NW)三個測向長極距作為研究對象,觀測資料見圖2,不同顏色曲線表示不同測向的觀測資料。考慮到震前地電場觀測的異常信息特征主要表現為功率譜、熵增大現象[31-32],反映出震前地電場變化頻率加快,并可能處于加速變化的混沌狀態[33]。地電場日均值序列的二階差分能充分展示日變化量的增量,更詳細描述震前地電場所處的混沌程度。因此,采取地電場的二階差分作為電場時間序列,計算過程如下:

圖2 洱源、彌渡、祥云及騰沖臺地電場觀測數據圖Fig.2 Geoelectric field observation data of Eryuan,Maidu,Xiangyun and Tengchong stations

(1)

ΔEj=Een,j+2-2Een,j+1+Een,j{j=1,2,3,…,3 650}

(2)

式中:Een為地電場日均值;Ei為地電場分鐘值,單位為mV/km;N為一天數據長度(1 440);Ej為第j天的二階差分序列;Een,j為第j天的地電場值;二階差分ΔE序列的長度為2 340。

1.3 地震序列處理

所使用地震目錄來源于中國地震臺網(https://data.earthquake.cn),時間范圍為2010年1月至2021年6月,震中分布如圖1所示。由于余震事件在主震發生后較短時間內發生,如果余震參與計算分析,則有可能出現主震的震后效應與余震的震前效應疊加現象,從而造成本文統計結果的不準確性。本文采用G-C方法對地震目錄中的余震進行剔除[34]。當一個自然天內有多個地震事件發生時,利用Hattori 等[35]和Han等[36]所提出的方法,依據式(3)計算出每個地震對應的能量,再利用式(4)進行求和,最后使用式(5)計算出相應的等效地震。

(3)

(4)

(5)

文中僅考慮震級大于3級的地震事件,如果某一天內沒有地震事件發生,等效地震震級為0。經上述處理后,洱源臺所采用地震事件22個,等效后16個,彌渡、騰沖臺使用了62個地震事件,等效后28個,騰沖臺使用了16個地震事件,等效后13個,等效地震序列M-T如圖3所示。

圖3 地震等效震級-時間分布圖Fig.3 Equivalent magnitude-time distribution of earthquakes

1.4 滑動相關性方法

文中使用的滑動相關性方法最早由Jiang等[28]提出。該統計方法的提出有兩個前提假設,即發生在同一區域的地震具有相似的地球動力學過程,以及所有或某一特定類型的地震事件,其地震電磁信號具有相似的時間分布特征。這些假設對于地電場觀測資料的分析仍然適用。

該方法主要基于pearson相關系數算法,計算兩個時間序列的異步相關性,通過地電場序列和地震序列相對滑動,模擬地震發生過程的三個階段(震前、同震和震后),從而獲得地震與地電場觀測之間的時間關聯特征。相關系數計算公式如下:

(6)

1.5 地電場優勢方位角方法[25-26]

地電場優勢方位角方法依據大地電場巖體裂隙模型,通過計算大地電場方位角,得到介質巖體裂隙結構隨時間的變化,從而判斷該地區是否處于臨震狀態。以地電場觀測中NS、NW測向為例,當兩者相關性較高時,大地電場優勢方位角α計算公式如下:

(7)

式中:ANW(i)、ANS(i)分別為NW、NS測向第i階潮汐諧波振幅。

諧波振幅Ai的計算過程如下:

對于一個數據序列yt(時間序列總數n),數學上可表示成:

(8)

其中:ai、bi及Ai計算公式為:

(9)

(10)

2 結果分析

文中利用滑動相關性方法和地電場優勢方位角方法,對漾濞MS6.4震中附近地電場臺站地震異常統計特征,以及優勢方位角的變化進行了回溯性分析研究,得到一些較有意義的現象。

2.1 滑動相關結果

圖4中是4個臺站滑動相關性結果,圖中橫坐標表示相對滑動天數,負值表示震前,“0”表示地震發生當天,正值表示震后;縱坐標代表地震序列和地電場序列的滑動相關情況。為便于異常識別,對相關系數變化值ΔR做歸一化處理。可以看出對于漾濞MS6.4震中周圍的一些歷史地震事件,彌渡、洱源和祥云臺都不同程度地顯示出了與地震事件的相關性,洱源臺在EW和NW測向在震前約20天出現集中異常;彌渡臺和祥云臺的觀測異常都在震前10～20天集中出現,且異常幾乎都出現在NS和NE測向;但騰沖臺比較例外,該臺站與所研究的地震事件在震前沒有表現出顯著的相關性。

圖4 滑動相關系數結果Fig.4 The shifting correlation coefficients

2.2 地電場日均值及優勢方位角變化

地電場日均值回溯性分析,主要以相對于正常背景的偏離為異常判定標準。圖5是4個臺站2021年3—5月地電場日均值波形及優勢方位角結果,不同顏色曲線表示不同測向結果。圖5(a)中洱源臺日均值曲線在5月4日左右發生了趨勢性變化,NS和NE測向電場值大幅下降,下降幅度超過600 mV/km,EW測向則小幅上升;圖5(c)中祥云臺在5月14日左右出現異常,NS和NE測向電場值同樣大幅下降,EW測向無異常現象;圖5(b)、(d)中彌渡臺和騰沖臺地電場日均值波形未發現明顯異常現象。

大地電場優勢方位角與地電場日均值相對應。通常認為,一個斷裂帶附近多個臺站計算出的優勢方位角發生準同步顯著變化,變化值約45°或90°,且持續一周以上即可判定方位角變化異常。從圖5中可以看出,洱源臺自5月7日起,方位角中間值從100°左右突跳至150°,持續8天后恢復,在臨震時又有突跳的趨勢;盡管彌渡臺原始波形無太大變化,但方位角在4月28日下降了40°,至地震發生仍處于波動狀態;祥云臺方位角波動較大,但通常情況下相對比較規律,4月18日前幾天呈現出非常穩定的情況,隨后出現了大范圍的波動,5月14日方位角值整體上升100°左右并趨于穩定,該異常變化時間與原始波形接近;騰沖臺在5月13日雖有短暫性變化出現,但僅持續2天便恢復到了穩定狀態。

圖5 地電場波形及大地電場優勢方位角變化Fig.5 Geoelectric field waveform and α change

3 結果討論

從圖5可以看出,洱源和祥云地電場臺站在漾濞MS6.4地震前,其日均值曲線在不同日期出現了比較相似的趨勢下降現象,鑒于觀測資料的可靠性必定會影響研究結果的準確性,所以對文中觀測資料的科學性分析是非常必要的。對于洱源臺5月4日左右出現變化,臺站工作日志記載原因為污水處理廠運行干擾,發現有兩個疑點無法解釋:(1)污水處理廠運行時間比較規律,其對觀測資料的影響應該是周期性的,與資料表現出的趨勢性下降異常不符;(2)臺站所有測向出現趨勢性變化的時間不同步,與污水處理廠的規律性干擾不符。且由于整個分析計算過程以野外觀測資料為基礎展開,震中周圍地電場臺站的滑動相關性結果、日均值曲線以及優勢方位角之間有較好的一致性,因此洱源臺出現的變化與污水處理廠關聯不大。同理,對祥云臺出現的變化,工作日志雖記載為農田灌溉影響,但其不同測道觀測資料不具備同步性和相似性,也說明灌溉影響因素不準確。此外,這兩個臺站異常現象所表現出的相似性,增強了該現象與此次地震的關聯性。

同時,在滑動相關性系數計算過程中,地震事件的數量對結果有一定的影響。為驗證文中計算結果的可靠性,采用在真實地震序列中添加隨機地震事件的方法來進行檢驗,如果計算出的震前相關性異常幅度隨著隨機地震數量的增加而逐漸減少,則能夠證明原來真實地震序列計算結果的可靠性(或唯一性)。基于上述思路,以彌渡地電場臺站為例進行驗證。圖6是真實地震事件、隨機增加15個地震事件以及增加28個地震事件的計算結果。可以發現,隨著地震事件增加,原來比較顯著的震前相關性異常逐漸減小,直到沒有相關性異常出現(達到其他時期的隨機狀態)。這個結果從側面證明,真實地震事件與地電場觀測之間確實存在一定的相關性。

圖6 新增隨機地震事件滑動相關結果圖(彌渡臺)Fig.6 Shifting correlation results of the added random seismic events (Midu station)

由結果分析可知,洱源、彌渡、祥云和騰沖地電場臺站,雖然都在統計區域和漾濞MS6.4地震200 km范圍內,但其對地震事件的反映卻差異較大。各觀測臺站映震能力的差別除了距離震中的遠近不同以外,還與臺站所處的電性結構或地質構造活動有某種關聯。依據目標區域已有電性結構探測成果發現[37],映震效果較好的彌渡臺處于低阻區域,而祥云臺則處于低阻塊體邊緣地區,這一現象與已有研究結果一致[27]。

在地質構造活動方面,對地震事件比較敏感的洱源、彌渡和祥云地電場臺,與所研究地震事件處于同一斷裂帶,而騰沖臺卻處于另一斷裂系。當震中和臺站處于同一斷裂時,斷層活動導致的地球物理變化,如導電通道的建立,亦或者是巖體優勢方位趨于一致等,都可以被及時觀測到,而位于不同斷裂帶的地電場臺站,由于沒有有效的傳播路徑,從而可能使得地電場表現出選擇性現象[38]。對騰沖地電場臺站來講,很可能無法觀測到源于震中區域的異常現象。除位于不同斷裂上的臺站映震能力不同外,同一臺站不同測向的結果也表現出明顯的選擇性特征,彌渡和祥云臺NS、NE測向結果較為相似,該現象可能與研究區域斷裂走向有關,當地電場測向與發震斷裂(或斷層)走向一致或夾角相差不大時,或許更容易觀測到地震異常現象。

最后,統計結果中彌渡和祥云臺在震前約50天左右時存在一個比較清晰的異常現象,甚至比多個地震電磁前兆異常更為明顯,這個現象或許和地震事件與潮汐作用存在顯著統計相關性所致[39],更深層次的物理機理仍需要開展更深入研究工作。

4 結論

本文中首先利用滑動相關性方法得到云南漾濞MS6.4地震所處斷裂上地震事件與地電場異常出現時間的統計特征,再由地電場波形變化和大地電場優勢方位角方法得到此次地震可能出現的異常時間,用不同方法進行對比分析,大大提高了本文研究結果的可信度,所得結論如下:

(1)滑動相關性方法能夠對地電場資料和地震事件的相關性進行有效分析,其結果能反映某一區域(如同一構造活動帶)地電場地震異常的普遍特征,地電場優勢方位角方法能夠較準確判定地電場地震異常出現的時刻,相關工作將為地震預測研究提供技術支持。

(2)將統計結果與波形變化以及優勢方位角結果對比分析可知,研究區域地電場異常一般出現在震前約20(±5)天,處于地下電性結構快速變化區域(電性過渡帶)之上的地電場臺站(如祥云臺),對地震事件有更高的靈敏性。

(3)對比騰沖臺和其他三個臺站,以及同一臺站不同測向的異常結果發現,地電場臺站(如彌渡、祥云和洱源臺)對與其處于同一斷裂帶上的地震事件有較高的靈敏性,當同一臺站不同測向與發展斷裂(或斷層)走向一致或夾角相差不大時,或更能觀測到地震異常現象。

雖然通過不同方法的對比分析增強了本文結果的可靠性,但統計過程中地震事件震級偏小、等效地震數量較少,以及地電場資料受到一定程度的干擾,甚至地電場地震異常機理等方面仍有諸多未知,地震預測探索的未來之路還很漫長,仍需不斷努力探索。

致謝:感謝地電場觀測臺站一線觀測人員的辛勤付出,對應急管理部國家自然災害防治研究院陳小斌研究員和南方科技大學姜峰博士提供的原始方案表示衷心感謝。本文部分圖件由GMT軟件繪制。