2020年7月12日古冶MS 5.1地震前北京地電阻率異常分析

王麗紅 王同利 武敏捷 李菊珍 岳曉媛 李 紅

（中國北京 100080北京市地震局）

0 引言

地電阻率法是通過觀測地球淺部介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)隨時間變化來進行地震預(yù)報的方法（錢家棟等，1985）。中國自1966年邢臺MS7.2地震后開始將地電阻率法用于地震預(yù)測分析，地電阻率觀測經(jīng)過50多年的發(fā)展建設(shè)，目前已建成由90余個地電阻率臺站組成的現(xiàn)代化數(shù)字地電監(jiān)測臺網(wǎng)，積累了豐富的地電阻率觀測資料。在1976年唐山MS7.8地震（錢復(fù)業(yè)等，1982）、1976年松潘—平武MS7.2地震（桂燮泰等，1989）、1998年張北MS6.2地震（高立新等，1999）、2008年汶川MS8.0（張學(xué)民等，2009）、2013年蘆山MS7.0地震（解滔等，2013）、2015年內(nèi)蒙古阿拉善MS5.8地震（葉青等，2017）、2017年九寨溝MS7.0地震（高曙德等，2017）等中強地震前觀測到了顯著的地電阻率前兆異常變化，異常以下降型的負異常為主，且90%的地震發(fā)生在地電阻率異常性轉(zhuǎn)折和回升時段（杜學(xué)彬，2010）。巖石物理實驗結(jié)果表明巖石破裂過程中地電阻率經(jīng)歷了“下降—轉(zhuǎn)平—震后恢復(fù)”的過程（陸陽泉等，1990；陳大元等，1992）。解滔等通過對7級以上地震前地電阻率變化進行研究認為，震前地電阻率變化與地震晚期孕震可能存在介質(zhì)變形—電阻率變化的機制聯(lián)系（解滔等，2022）。這些研究表明，地電阻率方法是地震監(jiān)測預(yù)測的有效方法。

地電阻率觀測受降雨、觀測場地環(huán)境變化、觀測系統(tǒng)故障等干擾影響，有些干擾形態(tài)極易與震兆混淆（王麗紅等，2021）。此外，由于測區(qū)電性結(jié)構(gòu)不同，震源機制不同，以及地震前兆異常“時—空—強”演化的復(fù)雜性和多樣性（蜀水，1974），即使同一地區(qū)發(fā)生的地震，地電阻率的前兆異常變化也會存在差異（杜學(xué)彬等，2001）。相對于常規(guī)曲線形態(tài)法分析容易與干擾混淆，歸一化速率法識別異常標準統(tǒng)一，超閾值（±2.4）即為異常，常用于傳統(tǒng)方法不能識別的“弱”幅度異常，且在處理月均值數(shù)據(jù)識別中期、短期異常時更具優(yōu)勢（杜學(xué)彬等，2017）。研究人員使用歸一化速率法在2008年汶川MS8.0（王同利等，2022）、2017年九寨溝MS7.0（王同利等，2020）、2018年松原MS5.7（高研等，2019）、2022年蘆山MS6.1（王曉等，2022）地震前均提取到了中短期異常，此外，葉青等（2005）還使用該方法在2003年大姚MS6.2、民樂—山丹MS6.1地震前進行了1年尺度的時間預(yù)測。

2020年7月12日河北省唐山市古冶區(qū)發(fā)生MS5.1地震，震中位置為（118.44°E，39.78°N），震源深度10 km，震源機制解為走滑型，P軸最大主壓應(yīng)力方位為101°（解滔等，2020；徐志國等，2021）。該地震與北京地區(qū)的3個地電阻率臺站的震中距分別為通州臺133 km、平谷臺142 km、延慶臺225 km。唐山市震感強烈，北京地區(qū)普遍有感。本文采用3個臺站的月均值數(shù)據(jù)，使用曲線形態(tài)法和歸一化速率法，分析2020年7月12日古冶MS5.1地震前北京地區(qū)地電阻率異常變化特征，以期為北京及鄰區(qū)中強地震預(yù)測研究提供參考。

1 北京市地電阻率臺站概況

北京市地電阻率臺站共3個，分別是延慶臺、通州臺和平谷臺（圖1），地電阻率觀測均開始于20世紀七八十年代。2020年3個臺站均建成井下小極距地電阻率觀測系統(tǒng)，但是截至2020年7月古冶MS5.1地震發(fā)生，井下小極距地電阻率觀測時間短，不適用歸一化速率法分析。因此，僅對3個臺站的地表地電阻率進行分析。

圖1 臺站及古冶MS 5.1地震震中分布Fig.1 Distribution of stations and epicenter of the Guye MS 5.1 earthquake

通州臺始建于1968年，2014年12月因城鎮(zhèn)建設(shè)造成的干擾嚴重而停測。目前在運行的地電阻率子臺，位于通州區(qū)西集鎮(zhèn)黃東儀村北，2014年建成，2015年1月1日開始觀測。臺站位于夏墊新斷裂東約4 km。測區(qū)覆蓋層為細砂巖和砂粘土互層，基巖為第三系雜色礫巖層，埋深377 m，臺站西北0.3 km有潮白河通過。布極采用四極對稱方式，EW、NS兩測道正交，供電極距長1800 m，測量極距長400 m，外線路使用絕緣鎧裝電纜，采用地埋方式，供電電極為1 m（長）×1 m（寬）×0.005 m（厚）鉛板，埋深2 m，測量極為1 m（長）×1 m（寬）×0.005 m（厚）鉛板卷成的直徑為0.15 m圓柱形鉛筒，埋深20 m。

平谷臺于1969年開始觀測，由于當?shù)伛R坊鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)建設(shè)造成干擾嚴重，于2013年12月停測。目前在運行的平谷子臺，位于平谷區(qū)馬坊鎮(zhèn)東店村南，2013年建成，2014年1月開始觀測。臺站地處夏墊斷裂和二十里長山斷裂交匯部位，第四系沉積物埋深204.8 m，下伏震旦紀石灰?guī)r地層。觀測區(qū)為農(nóng)田，地勢平坦。布極采用四極對稱方式，EW、NS兩測道正交，供電極距長600 m，測量極距長150 m，外線路使用絕緣鎧裝電纜，采用地埋方式，供電電極和測量電極均為1 m（長）×1 m（寬）×0.005 m（厚）鉛板，埋深2 m。

延慶臺從1988年12月1日開始觀測至今，位于延慶區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)張莊村。臺站地處延礬盆地北緣斷裂東南約5 km，該區(qū)第四系厚度329 m，下伏朱羅系砂巖，為電性低阻層，電性穩(wěn)定，厚度為175 m。供電極距為1500 m，測量極距為500 m，EW、NS兩測道正交。2013年底為避開養(yǎng)雞場干擾，布極方式由四極對稱布極改造為四極不對稱布極。外線路使用絕緣鎧裝電纜，采用水泥桿架空方式，桿距50 m。供電電極和測量電極均為1 m（長）×1 m（寬）×0.005 m（厚）鉛板，埋深2 m。

2 研究方法

歸一化速率變化方法（Normalized Variation Rate Method，NVRM），是以一定的步長計算觀測數(shù)據(jù)曲線對時間軸的斜率，并進行歸一化處理。使用NVRM要先對觀測數(shù)據(jù)做預(yù)處理，刪除個別突跳數(shù)據(jù)、去年變化或非年變周期、去傾，并按不同的變化趨勢對觀測數(shù)據(jù)做分段處理。

（1）計算觀測數(shù)據(jù)曲線對時間軸的斜率Ki，公式如下

（2）計算自相關(guān)系數(shù)，公式如下

（3）計算得出歸一化速率法序列，公式如下

式中，n為滑動步長，N為資料長度，σn-1為(N-n)個Ri×Ki的均方差，｛y｝是等間隔前兆數(shù)據(jù)時間序列，｛T｝是相應(yīng)的等間隔時間序列。利用月均值曲線滑動，Si即為月速率，無量綱。

杜學(xué)彬等（2000）使用NVRM計算了196次MS3.2—7.9地震（94%以上為MS≥4.0地震），得出滑動步長n=8為最優(yōu)，Si前兆異常閾值為±2.4。認為歸一化速率法識別異常標準統(tǒng)一，超閾值（±2.4）即為異常，并可保留觀測數(shù)據(jù)下降、上升等異常變化形態(tài)。其中歸一化月速率法提取中短期異常效果好（杜學(xué)彬等，2000）。本研究即采用上述歸一化速率法。

3 地電阻率異常變化分析

3.1 通州臺

通州臺觀測數(shù)據(jù)在2018年5—6月受測區(qū)大七環(huán)高速路建設(shè)干擾而大幅階降，從2019年開始出現(xiàn)明顯的年變形態(tài)，且EW測道年變幅大于NS測道。選用2019年1月—2022年10月的觀測數(shù)據(jù)開展分析，該時段觀測系統(tǒng)正常，觀測環(huán)境無顯著干擾。NS和EW測道月均值和歸一化速率曲線見圖2。

圖2 通州地震臺地電阻率月均值和歸一化月速率曲線Fig.2 Monthly average and NVRM curve of the apparent resistivity recorded by Tongzhou Seismic Station

NS和EW測道原始數(shù)據(jù)月均值自2019年3月呈趨勢上升變化，NS測道上升幅度為2.8%，EW測道上升幅度為6.0%，異常持續(xù)17個月發(fā)震。NS和EW測道歸一化速率均自2020年2月開始出現(xiàn)速率上升超閾值（+2.4）異常，其中NS測道2020年2—5月出現(xiàn)速率上升超閾值異常，異常持續(xù)4個月，最大異常為4月的5.5；EW測道2020年2—6月出現(xiàn)速率上升超閾值異常，異常持續(xù)時間5個月，最大異常也出現(xiàn)在4月，為6.6。NS和EW測道月速率異常出現(xiàn)后6個月發(fā)震。由于EW測道年變幅大于NS測道，EW測道歸一化速率異常幅度大于NS測道（表1）。

表1 北京地區(qū)地電臺站地電阻率異常Table 1 Apparent resistivity anomalies of seismic stations in Beijing

3.2 延慶臺

延慶臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)2018年受測區(qū)公路建設(shè)干擾變化較大，選用2019年1月—2022年8月觀測數(shù)據(jù)開展分析，該時段觀測系統(tǒng)正常，觀測環(huán)境無顯著干擾。NS和EW測道月均值和歸一化速率曲線見圖3。NS測道原始數(shù)據(jù)月均值在2019年9月—2020年8月呈下降轉(zhuǎn)折回升的典型異常變化，異常持續(xù)12個月，2020年7月下降變化最低點發(fā)震，下降幅度0.4%，異常開始至發(fā)震間隔11個月；EW測道原始數(shù)據(jù)月均值在2019年1月—2021年1月呈趨勢下降變化，異常持續(xù)時間25個月，2020年7月趨勢下降至最低值發(fā)震，下降幅度1.1%，異常開始至發(fā)震間隔19個月。NS測道歸一化速率曲線2020年5—6月出現(xiàn)速率下降超閾值（-2.4）異常，異常持續(xù)2個月，最大異常為5月的-2.54，異常出現(xiàn)后3個月發(fā)震；EW測道2020年2—6月出現(xiàn)速率上升超閾值異常，異常持續(xù)5個月，最大異常出現(xiàn)在4月，為6.65，異常出現(xiàn)至發(fā)震間隔6個月（表1）。

圖3 延慶地震臺地電阻率月均值和歸一化月速率曲線Fig.3 Monthly average and NVRM curve of the apparent resistivity recorded by Yanqing Seismic Station

3.3 平谷臺

平谷臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)2018年7月受強降雨影響出現(xiàn)大幅下降變化，8月恢復(fù)上升趨勢。本文選用2018年9月—2020年12月的觀測數(shù)據(jù)，因為該時段觀測系統(tǒng)正常，觀測環(huán)境無顯著干擾。NS和EW測道月均值和歸一化速率曲線見圖4。NS測道原始數(shù)據(jù)月均值2018年9月—2020年7月沒有出現(xiàn)明顯的異常變化。歸一化速率曲線NS測道2020年4—5月出現(xiàn)速率超閾值下降異常，異常持續(xù)2個月，最大異常為5月的-3.41，異常出現(xiàn)至發(fā)震間隔4個月。EW向2019年10月出現(xiàn)速率超閾值上升異常，異常持續(xù)1個月，異常值為2.59。異常出現(xiàn)至發(fā)震間隔10個月（表1）。

圖4 平谷地震臺地電阻率月均值和歸一化月速率曲線Fig.4 Monthly average and NVRM curve of the apparent resistivity recorded by Pinggu Seismic Station

綜合分析3個臺站的震前異常變化，通州臺2測道月均值呈年變趨勢上升異常，EW測道年變幅大，其震前月均值上升異常幅度和歸一化速率異常幅度也相應(yīng)大于NS測道。延慶臺2測道月均值呈下降轉(zhuǎn)折回升的典型異常變化，震后異常結(jié)束，數(shù)據(jù)加速上升；但2測道震前短期出現(xiàn)的歸一化速率異常表現(xiàn)不同，NS為下降速率異常，幅度小（-2.54），EW測道為上升速率異常，幅度大（+6.7）。平谷臺月均值曲線形態(tài)無明顯異常，歸一化速率NS測道呈短期速率下降異常（-3.41），EW測道呈短期上升異常（+2.59），且NS測道異常幅度大于EW測道異常。地電阻率曲線形態(tài)異常通常表現(xiàn)為震前1—2年的下降轉(zhuǎn)折回升異常、趨勢性變化異常（上升或下降）、年變畸變等。歸一化速率異常表現(xiàn)為中短期的上升或下降超閾值異常。3個臺站除平谷臺月均值曲線形態(tài)無明顯異常外，無論是歸一化速率還是曲線形態(tài)，都出現(xiàn)了典型的異常變化。也表明盡管北京市地電阻率觀測受干擾嚴重，通過曲線形態(tài)法和歸一化速率法的結(jié)合運用，還是較好地提取到了震前異常，提高了臺站的映震效能。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

延慶和平谷臺震前地電阻率歸一化速率異常存在各向異性現(xiàn)象，結(jié)合古冶地震震源機制解分析，與地震P軸主壓應(yīng)力方向（101°E），近垂直（夾角101°）的NS測道出現(xiàn)速率下降異常，近平行（夾角11°）的EW測道出現(xiàn)速率上升異常，符合地電阻率受地震主壓應(yīng)力方向影響的各向異性特征（杜學(xué)彬等，2006，2007，2015；解滔等，2020；Xie et al，2020）。

由于臺站所處斷裂及地下塊體構(gòu)造不同、測區(qū)電性結(jié)構(gòu)不同以及布極方向的不同，臺站對地震孕育過程中不同區(qū)域的地下應(yīng)力、應(yīng)變變化及破裂的敏感度不同（鄭國磊等，2011）。平谷臺對唐山地區(qū)地震的映震能力較弱，通州、延慶臺的映震能力較強。

4.2 結(jié)論

通過運用月均值曲形態(tài)法和歸一化速率法，對古冶MS5.1地震前北京市地電阻率異常變化特征進行研究，結(jié)合布極方式、震源機制解等，對異常變化特征開展機理分析，得出地電阻率異常變化特征如下：

（1）3個臺站記錄到的地電阻率震前歸一化速率超閾值異常與本次地震均有較好地對應(yīng)關(guān)系。發(fā)震時間均為異常出現(xiàn)后半年左右。反映了盡管北京地區(qū)地電阻率臺站受干擾嚴重，但通過該方法提取異常后，其映震效能明顯提高。同時印證了該方法在識別和提取中短期異常上具有優(yōu)勢。

（2）通州和延慶臺震前1—2年尺度月均值曲線形態(tài)異常，半年尺度歸一化速率超閾值異常，符合2—3年或更長時間的中長期孕震和1年尺度或月尺度的中短期趨勢或形態(tài)改變、加速變化后發(fā)震的機理。

（3）通州和延慶臺月均值曲線形態(tài)異常，容易與干擾混淆，因此識別和確認異常存在人為因素；平谷臺月均值曲線形態(tài)無明顯異常。3個臺站記錄的歸一化速率異常與本次地震的對應(yīng)率為100%，表明使用該方法可較好識別和提取月均值曲線的弱異常信號。

（4）3個臺站震前地電阻率月均值曲線異常形態(tài)可分為下降—轉(zhuǎn)折—回升的典型異常以及趨勢性變化，這些異常反映了測區(qū)地下結(jié)構(gòu)的改變。

（5）延慶和平谷臺震前地電阻率歸一化速率異常存在各向異性現(xiàn)象，符合地電阻率受地震主壓應(yīng)力方向影響的特征。

（6）平谷臺對唐山地區(qū)地震的映震能力較弱，通州、延慶臺的映震能力較強。