甘肅臨夏臺(tái)地電阻率變化特征分析

甘肅臨夏臺(tái)地電阻率變化特征分析

0地震活動(dòng)地區(qū)、震例研究及地震勘探方向作為一種主動(dòng)源觀測(cè)方法，現(xiàn)場(chǎng)電壓法來(lái)自地球儀的電壓法，但與地球儀電壓法觀測(cè)中強(qiáng)調(diào)的電壓隨空間的變化而變化的情況不同。地下電壓站的地壓觀測(cè)表明，在同一地點(diǎn)的地下固定體積中，電壓隨時(shí)間的變化而變化，即“位置不變”的視電壓變化。我國(guó)自1966年邢臺(tái)7.2級(jí)大地震之后,開(kāi)始了地電方法預(yù)測(cè)地震的試驗(yàn)與研究,在40余年的地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工作中,積累了豐富的觀測(cè)資料。大量實(shí)踐和研究表明,在我國(guó)大陸發(fā)生的多數(shù)中強(qiáng)地震前都監(jiān)測(cè)到了明顯的地電阻率前兆異常變化,特別是7級(jí)以上強(qiáng)震;震前地電阻率異常多以下降型的負(fù)異常為主,且90%的地震是發(fā)生在地電阻率出現(xiàn)異常性轉(zhuǎn)折和回升后的時(shí)段內(nèi)(錢(qián)復(fù)業(yè)等,1982;錢(qián)家棟,1993;王志賢等,1996;汪志亮等,2002)。此外,大量的震例研究和巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,巖石破裂過(guò)程中地電阻率經(jīng)歷了“下降-轉(zhuǎn)平-震后恢復(fù)”的過(guò)程(陳大元等,1992;陸陽(yáng)泉等,1990,1998;王志賢等,1994;張洪魁等,1996)。這些研究為利用地電觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震預(yù)測(cè)提供了可能,但也使我們清醒地認(rèn)識(shí)到前兆異常“時(shí)-空-強(qiáng)”演化的復(fù)雜性和多樣性,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(huì)存在差異。目前的定點(diǎn)地電阻率觀測(cè),探測(cè)深度較淺,觀測(cè)到的主要為地殼近地表淺層介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)變化,而這個(gè)層位易受降水、地下水位和溫度等季節(jié)性因素的影響(劉允秀等,1999;解用明等,2005;杜學(xué)彬等,2008)。因此,地電阻率觀測(cè)資料往往表現(xiàn)出規(guī)則完整的年變形態(tài)。目前只有少數(shù)臺(tái)站進(jìn)行井下觀測(cè),觀測(cè)數(shù)據(jù)未顯示規(guī)律性的年變形態(tài),地電阻率ρ甘東南地區(qū)(32.5°~36.5°N、102°~107°E)地處青藏高原東北緣,是地殼厚度的陡變帶和重力變化的梯度帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。區(qū)內(nèi)多組活動(dòng)斷裂發(fā)育,地震活動(dòng)頻繁,歷史上曾發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震。汶川8.0級(jí)地震的發(fā)生,使得本區(qū)可能已處于構(gòu)造活化的時(shí)段,其未來(lái)的地震危險(xiǎn)性備受關(guān)注。臨夏臺(tái)作為甘東南地區(qū)地電觀測(cè)網(wǎng)中監(jiān)測(cè)效能較好的地電阻率測(cè)點(diǎn),其所處構(gòu)造位置特殊、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且測(cè)量極距大。因此,本文以甘肅省臨夏臺(tái)地電阻率多年資料為基礎(chǔ),在分析臨夏臺(tái)地電阻率年周期變化的基礎(chǔ)上,研究了降水和地下水位對(duì)該臺(tái)地電阻率的影響,探討了甘肅省及鄰近地區(qū)幾次中強(qiáng)地震與該臺(tái)地電阻率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1地質(zhì)背景和地電阻率臨夏臺(tái)始建于1970年,為省級(jí)臺(tái),是目前甘肅省內(nèi)唯一使用DDC-2A電子自動(dòng)補(bǔ)償儀進(jìn)行觀測(cè)的臺(tái)站。觀測(cè)線路采用被覆線、裸線架空。2004年進(jìn)行了臺(tái)站改造,目前仍有部分外線路為裸線。作為甘東南地區(qū)的重要臺(tái)站,該臺(tái)地處臨夏折橋鄉(xiāng),海拔1830m,位于鄂爾多斯、阿拉善和青藏塊體的交接部位,次級(jí)構(gòu)造上位于祁連山和甘東南次級(jí)地塊的交接部位,構(gòu)造位置特殊(圖1)。貫穿臨夏地區(qū)的大夏河,是黃河上游重要的一級(jí)支流,降水和雪山融水是主要補(bǔ)給源(李小榮,2010;王漢卿,2011)。臺(tái)站距大夏河約2km,測(cè)區(qū)地處大夏河的漫灘階地,多為第四系所掩蓋,下伏粘土巖和花崗巖。地電阻率觀測(cè)布設(shè)有EW和NS兩測(cè)向(圖1),電測(cè)深曲線表現(xiàn)為A型基礎(chǔ)上的KH型,表層為低阻覆蓋層,勘探深度內(nèi)地電阻率高達(dá)300Ω·m(甘肅省地震局,2003)。由于臨夏臺(tái)是大極距觀測(cè)(供電極距AB=1500m,測(cè)量極距MN=500m),所以布極區(qū)內(nèi)存在農(nóng)田、樹(shù)林、民居等潛在干擾源。但多年來(lái)測(cè)區(qū)環(huán)境無(wú)顯著變化,因而觀測(cè)資料受外界因素影響較小。2008年之后,測(cè)值在一定程度上受到測(cè)區(qū)環(huán)境變化的影響。主要干擾為測(cè)區(qū)內(nèi)農(nóng)民建房增多,南測(cè)與南供(A2數(shù)據(jù)的年周期特征地電阻率年周期變化作為預(yù)測(cè)無(wú)震活動(dòng)的重要指標(biāo)(金安忠,1981;錢(qián)復(fù)業(yè)等,1987),是指在地震監(jiān)測(cè)能力范圍內(nèi)無(wú)地震活動(dòng)期間測(cè)值的年變化形態(tài)(陳有發(fā)等,1998)。加強(qiáng)規(guī)則年變化形態(tài)特征的認(rèn)識(shí),能更好的識(shí)別異常變化。臨夏地電阻率臺(tái)自1981年以來(lái)近32年的資料中,日均值觀測(cè)數(shù)據(jù)僅存在14次缺數(shù),資料的連續(xù)性和完整性較好。EW和NS測(cè)向1981年以來(lái)各年度日均值數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上的占67%,最高可達(dá)0.98,相關(guān)性高(圖2)?？紤]到測(cè)區(qū)地處地質(zhì)構(gòu)造和地球物理特性復(fù)雜的青藏高原東北緣,這個(gè)結(jié)果在一定程度上也間接表明測(cè)區(qū)地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)較均勻。兩測(cè)向數(shù)據(jù)的年變化幅度較大,達(dá)3%(圖3)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)1981年以來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)極值分布月份的累計(jì)頻次可見(jiàn)(圖4(a)),EW和NS兩測(cè)向數(shù)據(jù)的年變周期性顯著,且具有相近的結(jié)果。為了更深入地分析該臺(tái)資料的年周期變化,本文采用滑動(dòng)傅里葉分析方法,利用年變形態(tài)完整的年份估算出年周期變化(圖4(a))。結(jié)果顯示:整體呈現(xiàn)冬高夏低的特征,幅度達(dá)3.7%;極大值多數(shù)出現(xiàn)在1~2月,極小值大多出現(xiàn)在8~10月,與附近大夏河的年流量變化(圖4(b))有一定的對(duì)應(yīng)性(李正南等,1997)。大夏河折橋鄉(xiāng)水文站資料顯示:12月、1~3月為枯水期;6~10月為豐水期,其流量占年流量的70%以上(張榮,2009)。由于利用地電阻率觀測(cè)的是一定體積內(nèi)巖層電性結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化,而區(qū)域內(nèi)表層電性可能受測(cè)區(qū)內(nèi)環(huán)境、氣象和水文條件變化的影響,因此本文分析了降水和地下水位對(duì)臨夏地電阻率的影響。臨夏臺(tái)2007年9月增設(shè)了降水和地下靜水位觀測(cè),2008年以來(lái)的資料完整連續(xù)。鉆探資料顯示:該臺(tái)靜水位觀測(cè)為承壓水觀測(cè)(儀器探頭下放深度約200m)。已有研究表明,承壓水埋藏較深,受外界氣候的直接影響較小,流量變化相對(duì)穩(wěn)定(金光炎,2009)。利用2008年以來(lái)的地電阻率、降水量和地下靜水位資料做相關(guān)性分析(表1),結(jié)果顯示,地電阻率與靜水位的相關(guān)系數(shù)要高于與降水的相關(guān)系數(shù),而2011年靜水位的影響明顯低于其他年份,這與當(dāng)年兩次DDC-2A儀器故障破壞了數(shù)據(jù)連續(xù)性有關(guān);靜水位和降水量之間的相關(guān)性較差,該結(jié)果表明,降水經(jīng)流域下墊面緩慢下滲到地下含水層,又流出補(bǔ)給河流,在這個(gè)循環(huán)補(bǔ)給系統(tǒng)中,降水相對(duì)靜水位是個(gè)獨(dú)立的因素,并且滯后效應(yīng)明顯。此外,2008年之后大夏河的流量逐年下降(王漢卿,2011),同期臨夏臺(tái)靜水位變化也逐年下降,臨夏臺(tái)地電阻率2008年之后在一定程度上受到測(cè)區(qū)環(huán)境變化的影響,但2009年底之后明顯呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)折上升的趨勢(shì)。綜上所述,對(duì)于臨夏臺(tái)地電阻率年周期變化而言,地下靜水位的動(dòng)態(tài)變化是其主要影響因素。3震影響現(xiàn)象的特征自1981年至今臨夏臺(tái)地電阻率已連續(xù)觀測(cè)了30余年。在此期間,距臺(tái)站550km范圍內(nèi)發(fā)生M本文主要探討2000年興海M大陸地震往往具有成組活動(dòng)的特征,即地震的發(fā)生在時(shí)間和空間上具有相對(duì)集中的特點(diǎn)(張國(guó)民等,1995)。大量觀測(cè)事實(shí)也指出,地電阻率的異常變化與成組地震的發(fā)生有一定的對(duì)應(yīng)性,這種現(xiàn)象在地電阻率臺(tái)站密集的華北地區(qū)尤為顯著。在1976年唐山地震、1989年大同地震和1998年張北成組地震發(fā)生時(shí)就有多個(gè)臺(tái)站記錄到長(zhǎng)時(shí)間的地電阻率異常,并且異常的時(shí)空變化對(duì)成組強(qiáng)震活動(dòng)的遷移有一定的指示意義。這種異常多呈現(xiàn)出比單個(gè)地震更為復(fù)雜的形態(tài)特征,異常往往持續(xù)到成組地震中最后一個(gè)強(qiáng)震發(fā)生后才結(jié)束(王志賢等,1996;汪志亮等,2000,2002;張學(xué)民等,2003)。總體表現(xiàn)為趨勢(shì)變化背景下的反復(fù)升降,呈現(xiàn)出異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)(表3)。為了突出異常變化過(guò)程,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了去除單點(diǎn)大值突跳(相對(duì)變化≥2%的數(shù)據(jù))、插值補(bǔ)數(shù)和db4小波去噪的預(yù)處理,結(jié)果較好地保留了數(shù)據(jù)的有效信息。臨夏臺(tái)資料在1997~1999年間具有較規(guī)則的年周期變化,2000年6月之后EW和NS測(cè)向測(cè)值年變幅度不同程度地減小,持續(xù)近2年。該時(shí)段內(nèi)NS測(cè)向的異常變化幅度和持續(xù)時(shí)間較EW測(cè)向更為顯著,其間除雨季(6~9月)造成的周期性影響外,無(wú)顯著的干擾記載(圖5(a))。2003年之后,測(cè)值恢復(fù)了較為正常的年周期變化。為更好地確定臨夏臺(tái)地電阻率震兆異常的信度,搜集了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心CMAP候降水量資料,提取了臺(tái)站附近2.5°×2.5°格點(diǎn)范圍內(nèi)1997~2003年間的月平均降水?dāng)?shù)據(jù)(圖5(b))。結(jié)果顯示,2000~2002年間降水量較往年有減少的趨勢(shì),且雨季降水量也較少。因此,可以排除該時(shí)間段內(nèi)降水影響的可能性。初步認(rèn)為臨夏臺(tái)地電阻率2000年后的異常變化與表3中其它臺(tái)站的變化存在一定的對(duì)應(yīng)性,也呈現(xiàn)出異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)。因此,本文認(rèn)為該時(shí)段測(cè)值長(zhǎng)時(shí)間的異常變化與這組中強(qiáng)地震活動(dòng)密切相關(guān),對(duì)中強(qiáng)地震具有前兆意義。4地電阻率異常本文以臨夏臺(tái)1981年以來(lái)的地電阻率資料為基礎(chǔ),在分析該臺(tái)地電阻率年變化特征和降水、地下水位對(duì)其影響的基礎(chǔ)上,探討了地電阻率在震前的異常變化與臺(tái)站周邊中強(qiáng)地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明:(1)臨夏臺(tái)EW和NS兩測(cè)向多年觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)性,間接表明測(cè)區(qū)地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)較均勻。(2)該臺(tái)地電阻率的年周期變化主要來(lái)自于表層介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)變化的影響,降水和地下靜水位變化是主要影響因素,其中靜水位的影響占主導(dǎo)作用。(3)由于該臺(tái)特殊的構(gòu)造位置和大極距觀測(cè)的特點(diǎn),測(cè)得的電阻率數(shù)據(jù)對(duì)甘東南及甘青交界區(qū)的多次中強(qiáng)地震反應(yīng)敏感,地電阻率作為地震前兆,其異常以下降型破年變異常為主;并在2000年甘青地區(qū)成組中強(qiáng)地震前顯示出異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)。由于