甘東南地球物理場異常與夏河MS5.7地震關系分析

蘇鶴軍,曹玲玲,范 兵,李晨樺,周慧玲,馬東正

(1.甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州730000；2.中國地震局蘭州巖土地震研究所,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省地震局,甘肅蘭州730000)

0 引言

對震后地球物理場異常特征的研究已有幾十年,不論是流體、形變還是地電,都總結出了一系列的異常指標,如流體異常在中短期階段具有階段性、加速性及空間分布上的群體性和配套性特征[1],且在異常發展的不同階段,遠源區與近源區異常的演化存在差異[2-3]。近震中區地電阻率異常以負向變化為主,異常出現時間具有時空轉移特征[4-5],走滑型地震震中區異常形態成四象限分布[6];牛安福等[7]認為震前形變異常的空區是一種重要的前兆分布現象等。在異常信度的研究上,解滔等[8]和晏銳等[9]對汶川MS8.0地震的地電和流體異常再次進行分析和認定,認為異常信度的分析對認識地震孕育機理具有重要意義。但此項研究在正式出版的刊物上并不多見,這也可能是確定的前兆異常特征重復性差,建立的指標體系預測地震準確率不高的因素之一。

2019年10月28日,甘肅甘南州夏河縣發生了MS5.7地震,震源深度10 km,發震斷層為臨潭—宕昌斷裂,該斷裂向南逆沖為主,具左旋走滑分量[10]。地震最高烈度為VII度,面積為196 km2,VI度面積為1 395 km2,震害沿臨潭—宕昌斷裂分布[11]。這是繼2013年岷縣—漳縣MS6.6地震后發生在此斷裂的又一次中強地震,且位于2019年度全國地震重點危險區內。目前地震的預測水平還很低,地震發生后對異常的回溯性研究對提高地震預測水平顯得尤為必要。

夏河MS5.7地震發生在地球物理定點觀測臺站分布密集、學科齊全的地區,且2013年岷縣—漳縣MS6.6地震發生后,對該區域的構造活動和地震孕育機制已有深入的研究[10,12]。本文擬從異常重現性、多學科前兆協調性、異常的時空演化特征及震后異常變化4個方面對夏河地震前出現的異常進行信度分析,并綜合計算出各個異常作為夏河地震異常的信度。該研究對有效跟蹤地震,提高地震預測水平具有重要的意義。

1 研究區域的選擇及異常提取

1.1 研究區域及資料的選擇

夏河MS5.7地震發生在臨潭—宕昌斷裂上,東昆侖斷裂向北擴展過程中發育了NW向的迭部—白龍江斷裂、光蓋山—迭山斷裂和臨潭—宕昌斷裂,逐步過渡到西秦嶺北緣斷裂,迭部—白龍江斷裂和光蓋山—迭山斷裂構造變形的動力源來自東昆侖斷裂的推擠,而臨潭—宕昌斷裂不僅受到西秦嶺北緣斷裂的推擠,也受到東昆侖斷裂向北推擠的影響[13-14](圖1)。基于此構造背景,本文選取甘東南地區西秦嶺北緣大斷裂(包括北側附近)和東昆侖大斷裂的圍限區為研究區域,研究該區域內地球物理定點觀測資料在夏河地震前的變化。該區域共有地球物理場定點觀測臺站16個,臺項63個,它們都在距離震中300 km范圍之內。選取2017年已經觀測、觀測環境良好并儀器運行穩定的14個臺站47個臺項,對觀測以來的全部數據進行了分析,需要說明的是,這些臺站出現的異常變化都進行了現場核實,特別是水位的變化。

圖1 夏河MS5.7地震地質構造背景[15]Fig 1. The Geological structure background of Xiahe MS5.7 earthquake[15]

1.2異常提取方法

定點異常的提取方法很多[16-19],但各種方法都有一定的使用條件,如采樣頻率、周期性等。本文選取的資料不僅采樣頻率不同,而且包含了流體、形變和電阻率3大測項,因此很難用一種數學處理方法進行異常提取。而原始觀測資料具有明確的物理含義,不同測項都記錄觀測點周圍介質的變化,相互間可以比較,均值計算只是對數據的簡單平滑,不改變其物理意義,因此本文采用五日均值法進行異常提取。

1.3 異常提取結果

通過數據分析,共有9個臺站18個臺項在夏河地震前出現了異常變化,具體臺站及變化數據列于表1。其中8個臺項為震前跟蹤的年度異常(1)2019年度甘肅省地震趨勢研究報告[R].2019.,分別為武山22號井水氡、臨夏水位、兩水水位、武都傾斜、兩水應變(NS向、EW向)和天水應變(NS向、NW向)。空間上,異常臺站分布在西秦嶺北緣斷裂兩側和光蓋山—迭山斷裂東南端(圖2),位于西秦嶺北緣斷裂的異常臺項有臨夏水位、水溫、鉆孔應變,劉家峽鉆孔應變、天水北道鉆孔應變和武山22號井水氡,占該區域總臺項數的27.5%。光蓋山—迭山斷裂東南端5個臺站都出現了異常。測項分布上,流體有5個,占流體總臺項數的35%;電阻率有2個臺站4個臺項,占電阻率總臺項數的80%;形變異常臺項雖然最多,為6個臺站9個臺項,但占形變總臺項數的比例并不高,為33%。異常形態以趨勢轉折和破年變為主,異常開始時間為震前25個月到5個月。

圖2 地球物理定點異常臺站空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of geophysical fixed-point stations with anomalies

表1 地球物理定點觀測異常特征統計表Table 1 Anomaly characteristics of geophysical fixed-point observation data

2 異常與地震關系分析

2.1 異常的重現性

位于同一斷層且距離較近的地震,當震級相差不大時,在孕育過程中應力場的變化引起的異常應具有相似性特征,因此異常的重現性是判斷異常與地震關系的重要指標。2013年7月 22日,在夏河地震的發震斷層上發生了岷縣—漳縣MS6.6地震,兩次地震震中相距160 km,震級相差0.9。在岷縣—漳縣地震前已觀測且在夏河地震前出現異常的臺站有7個,除臨夏深層水溫之外,其他都在岷縣—漳縣地震前出現了異常(圖3)。

圖3 岷縣漳縣MS6.6和夏河MS5.7地震前異常曲線Fig.3 Anomalious curves before Minxian-Zhangxian MS6.6 and Xiahe MS5.7 earthquakes

兩次地震前,臨夏水位和兩水水位都呈現為上升→下降→發震→恢復變化;樊壩水位都呈現為上升→發震→恢復變化;臨夏應變NS向都為低值變化,異常期間發震;宕昌傾斜EW向異常開始都為加速東傾,轉折加速西傾后發生地震;武山22號井水氡2次地震前異常略有差別,岷縣—漳縣地震表現為下降→快速上升→轉平→地震;而夏河地震前表現為下降→轉平→地震,但都出現了下降→轉折變化。因此,根據異常重現性特征,臨夏水位、兩水水位、樊壩水位、臨夏應變NS分量和宕昌傾斜EW分量異常變化作為夏河地震的前兆異常信度最高,其次為武山22號井水氡,臨夏水溫最低。

2.2 多學科異常協調性特征

相同地質環境和構造背景下的地球物理場定點觀測,多學科異常演化上具有協調性特征[15]。本文提取出的異常臺站集中分布在兩個地區,一個為西秦嶺北緣斷裂帶兩側,一個為光蓋山—迭山斷裂帶東南端(圖2),且都包含流體、形變和地電阻率測項。

2.2.1 西秦嶺北緣斷裂

位于西秦嶺北緣斷裂兩側的異常臺站有4個,分別為臨夏臺、劉家峽臺、武山臺和天水北道臺,其中臨夏臺為多學科綜合測點。除武山臺位于斷裂南側外,其他都位于斷裂北側,臨夏臺和劉家峽臺相距12.8 km,另外2個臺相距較遠且分散(圖2)。臨夏測點的5項異常,除電阻率為布極測量外,流體和形變測點相距僅幾米。

從表1可看出,異常時間協調性變化上,臨夏水位、水溫和鉆孔應變NS向異常出現的時間完全同步,都為2017年10月,并且當水位和應變2018年10月同步出現轉折時,電阻率兩個測向出現了異常。劉家峽鉆孔應變異常的出現時間與距離最近的臨夏測點并不同步,但與武山水氡異常的轉折時間同步。天水鉆孔應變異常出現在2019年5月,同期沒有異常出現或轉折。

異常變化形態上,最早出現異常的臨夏測點(由于武山22號井水氡異常開始時間存在環境的干擾,再此不做分析),鉆孔應變NS向為低值變化,同期水位在平穩變化的背景下快速上升,水溫上升速率變緩。即在臺站NS向受壓的狀態下,賦存流體的孔隙壓力增加,水位出現上升變化。由于該觀測井為正溫度梯度,水溫上升速度減緩,表明使水位上升的主要地下水來源于水溫觀測層之上。當應變NS向下降到最低至緩慢恢復時,受力狀態由受壓趨向拉張,水位雖然仍偏高,但出現了轉折下降變化,同期電阻率在下降的背景上出現了轉折。即在臺站NS向拉張狀態下,孔隙壓力下降,水位下降,電阻率觀測層含水率降低,電阻率在下降的背景下轉平。劉家峽鉆孔應變,雖然同期臨夏測點沒有異常出現或轉折,但NS和NE向出現了各向異性變化,且與臨夏鉆孔應變NS向反映的應力狀態一致。天水鉆孔應變NS和NW向都為破年變高值異常,其中NS向與臨夏和劉家峽鉆孔應變NS向反映的受力方向一致。

因此,臨夏水位和鉆孔應變NS向異常不僅在時間上具有很好的協調性,而且具有階段性配套性特征,都反映的是區域應力的變化,異常信度最高。臨夏電阻率、臨夏水溫、劉家峽鉆孔應變和武山22號井水氡異常雖然在時間演化上,都有與之對應的異常測項,且可以用應力變化解釋異常形態的變化,但異常演化上沒有階段性特征,異常信度較低。天水鉆孔應變異常演化上與其他異常在時間上不具有協調性,也沒有配套性,信度最低。

2.2.2 光蓋山—迭山斷裂

光蓋山—迭山斷裂有5個臺站出現異常,其中位于斷裂東南端的4個臺站分布在方圓14 km范圍內,分別為武都(傾斜)、樊壩(水位)、兩水(水位和應變)以及漢王(電阻率)臺,宕昌(傾斜)臺位于光蓋山—迭山斷裂北東側且更靠近臨潭—宕昌斷裂,與其他4個臺站集中區相距78 km(圖2)。

兩水為多測項測點,其水位和鉆孔應變EW向在2017年9月同步出現異常,同期,樊壩水位和武都水管傾斜NS向也出現了異常變化,異常都表現為上升。2018年8—10月,當兩水水位由上升轉為恢復性下降時,宕昌傾斜EW向出現了東傾異常,兩水鉆孔應變NS向由上升轉平。2019年1—3月出現了成組轉折的協調性變化,包括漢王電阻率、兩水鉆孔應變EW向和武都水管NS向都轉為恢復性的下降。漢王電阻異常的開始時間與其他測項不具有協調性,宕昌傾斜EW向異常轉折時間最晚,為震前5個月,同期也沒有其他異常開始或轉折(表1和圖5)。

因此,兩水水位、兩水鉆孔應變EW向和武都水管傾斜NS向異常不僅在時間演化上具有協調性,并且具有配套性,因此它們的信度最高。樊壩水位,兩水鉆孔NS向異常雖然在時間上具有協調性特征,但并沒有配套性。漢王電阻率NS向和EW向以及宕昌傾斜EW向異常出現了配套性,但異常出現時間或轉折時間與其他測項不協調,因此它們的信度較低。

2.3 地球物理場定點異常時空演化

異常集中區多學科異常的協調性變化特征是判斷異常信度的主要依據之一,但作為地震異常,整個孕震區域的異常在時空演化上也相互關聯且協調一致。

時間演化上(圖6),除漢王電阻率和天水應變異常的開始時間以及宕昌傾斜異常的轉折時間比較離散之外,其他異常演化共經歷了3個時段:第一時段為震前27～25個月(2017年7—9月),為異常開始的時間,這與《中國震例》(2011—2012)[20]記載的3次MS5.7～5.8地震異常的開始時間是一致的;第二時段為震前14～11個月(2018年8—11月),包括了異常的開始和轉折;第三階段為震前9—7個月(2019年1—3月),主要為異常的轉折。異常演化的3個階段正好對應了地震孕育的3個階段。

圖6 異常時空演化圖Fig.6 Temporal and spatial evolution of anomalies

空間演化上,不論哪個階段出現或轉折的異常,都分布在整個研究區域(圖6),沒有明顯的時空轉移特征,這與《中國震例》中總結的相當震級的震例是一致的。

異常形態上,除水位為高值異常外,位于臨夏地區的其他測點,主要表現為低值異常,而位于武都地區的測點,主要表現為高值異常,不同區域出現了各向異性變化。杜學彬等[21]研究發現電阻率異常呈現出與震源機制解最大應力軸方位有關的各向異性變化。野外試驗證實壓應力加載過程中壓應力方向電阻率呈下降變化,剪應力方向電阻率呈上升變化[4-5,22],并且電阻率的變化不僅與孔隙飽水量有關,也與裂隙的擴展有關[23]。根據震源機制解,夏河地震的主壓應力方向為N248°E,表明臨夏地區位于主壓應力區,武都地區位于剪切應力區域(圖2)。異常方向性上,臨夏地區的大多為NS向異常,而武都地區大多為EW向異常,這與臺站相對于震中的方位是一致的。因此兩個區域異常形態的差異性變化正好反映了孕震過程中的異常變化的象限性分布特征。

因此,根據異常時空演化協調性特征,作為夏河地震的前兆異常,天水鉆孔應變信度最低,其次為漢王電阻率和宕昌傾斜,其他異常信度都比較高。

2.4 震后異常變化分析

震后異常是否恢復是判斷異常與地震關系的重要依據,從圖4和圖5可以看出,至2020年4月底,18項異常中,12項已經恢復或在恢復中,6項異常持續震前的狀態,持續異常為臨夏電阻率NS、EW向,臨夏水溫,武山水氡及劉家峽鉆孔應變NS、NE向。空間上,異常持續的臺站全部位于西秦嶺北緣斷裂兩側,并且距離震中最近的2個臺站的7項異常只有臨夏水位和臨夏鉆孔應變NS向2項異常恢復。因此,除震后未出現恢復跡象的這6項異常信度比較低之外,其他的信度相當,都比較高。

圖4 西秦嶺北緣斷裂地球物理定點異常曲線Fig.4 Anomaly curves of geophysical fixed points along the northern margin fault of West Qinling

3 地球物理定點觀測異常信度合成及結果分析

首先將各種判斷方法劃分的異常信度從高到低依次記為1、2、3,再對各種異常信度劃分方法賦予一定的權重,由于重復性和震后變化作為判斷地震異常的依據可靠性更高,因此給它們都賦予0.3的權重,而其他2種方法賦予0.2的權重。同一方法下,1的信度為80%,2的信度為60%,3的信度為40%。由于大部分異常臺站2013年岷縣—漳縣地震前沒開始觀測,根據概率法,這些臺站異常重復性上信度都定為50%。根據賦值利用式(1)計算出各個異常的綜合信度值。

異常綜合信度=∑(信度×權重)

(1)

表2顯示,18項異常的信度都在50%以上,表明該批異常作為夏河地震的前兆異常基本可信。其中異常信度最高的是臨夏水位、臨夏鉆孔應變NS向和兩水水位,信度達到了80%,其次為兩水鉆孔應變EW向、宕昌鉆孔應變EW、武都水管傾斜NS向和樊壩水位,異常信度都在70%以上,異常信度最低的為臨夏水溫和天水鉆孔應變,信度在55%以下。2019年度跟蹤的8項異常中5項的信度在70%以上。

表2 異常信度合成結果Table 2 The reliability values of anomalies

從空間分布來看,位于西秦嶺北緣斷裂帶兩側的異常信度大多低于光蓋山—迭山斷裂附近的,特別是距離震中最近的臨夏和劉家峽臺站的7項異常中,5項異常的信度最高才61%,距離較遠的武都地區的異常62.5%的異常信度在70%以上。從圖1可以看出,光蓋山—迭山斷裂和發震斷裂為東昆侖斷裂向北擴展過程形成的幾乎平行的兩條斷裂,東昆侖斷裂向北擠壓和向東的運動是該區域構造應力集中的主要原因,也是該區中強地震的主要孕震環境和機制[15],由此可見光蓋山—迭山斷裂與地震孕育的關系更為緊密。另外信度低的異常在西秦嶺北緣大斷裂北側,而地震發生在斷裂南側,是否存在大斷裂的阻隔作用還需另行分析。

4 結論

對位于甘東南地區,且在西秦嶺北緣和東昆侖斷裂之間的地球物理定點測點16個臺站63個臺項進行了全時空分析,震前9個臺站18個臺項出現異常變化,通過異常的重復性、多學科前兆協調性、異常時空演化及震后異常變化等4個方面進行了分析,根據分析結果計算了各個異常的信度。

(1)異常重復性上,臨夏水位、兩水水位、樊壩水位、臨夏應變NS分量,宕昌傾斜EW分量異常作為前兆異常信度最高,其次為武山22號井水氡,臨夏水溫最低。

(2)多學科前兆協調性上,臨夏水位、臨夏鉆孔應變NS向、兩水水位、兩水鉆孔應變EW向、武都水管傾斜NS向和作為前兆異常信度最高,臨夏電阻率、臨夏水溫、劉家峽鉆孔應變和武山22號井水氡、樊壩水位,兩水鉆孔NS向、宕昌傾斜EW向及漢王電阻率NS向和EW向異常相對較低,天水鉆孔應變信度最低。

(3)異常時空演化上,天水鉆孔應變信度最低,其次為漢王電阻率和宕昌傾斜,其他異常信度都比較高。

(4)震后異常變化上,震后半年,與震中構造更加密切的光蓋山—迭山斷裂東南端的異常完全恢復,距離震中較近的臨夏和劉家峽異常大多未恢復。

(5)異常信度合成結果顯示,本文提取出的異常信度都在50%以上,表明這些異常作為夏河地震的異常基本可信,但信度上存在差別,天水鉆孔和臨夏水溫信度最低,低于55%,臨夏水位、兩水水位和臨夏鉆孔NS向信度最高,達到了80%。從學科來看,流體類異常信度較高,其次為形變類;從空間上來看,信度較低的異常臺站位于西秦嶺北緣斷裂北側,特別是距離震中最近臨夏和劉家峽地區,這與區域構造應力的集中有關,是否還存在深大斷裂的阻隔作用還需以后深入分析。該研究結果也證實離開構造背景僅從幾何距離確定地震異常的范圍存在著不合理性。