青島地震前的地電阻率變化分析

青島地震前的地電阻率變化分析

0性能異常的強度異常地球巖石的電性特征與組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，并能準確反映溫度、間隙流和熔融狀態(tài)（shanklandetal.，1977；droid，1989）。1966年河北邢臺MS7.2地震后開始利用地電阻率方法進行地震監(jiān)測,1978年7月唐山MS7.8地震前河北昌黎臺觀測的地電阻率出現(xiàn)大幅度下降性異常變化,同年8月四川松潘MS7.2地震前甘肅武都臺觀測的地電阻率也出現(xiàn)了下降性異常變化,地震發(fā)生時異常幅度達到最大,地震后逐漸恢復。兩個臺站的震中距均在100km范圍內(nèi),屬于震源性異常變化(錢家棟,1993)。此后,中國擴大了地電阻率的觀測范圍,逐漸建成全國性地電阻率觀測臺網(wǎng),并且在一些可能對地震活動反映敏感的構(gòu)造部位增加了觀測臺站,捕捉到一些中強地震和大地震前的地電阻率異常信息。杜學彬等(1999,2000)對中國100多個地電臺站資料統(tǒng)計顯示:MS7.0～7.8地震附近約150km范圍內(nèi)出現(xiàn)異常的臺站全部為下降性異常;MS6.0～6.9地震約50km范圍內(nèi)出現(xiàn)異常的臺站也全部為下降性異常;隨著震中距增加,下降性異常占異?？倲?shù)目的比例減小,但MS5.0～5.9地震出現(xiàn)的下降性異常仍為多數(shù)。這種現(xiàn)象與D-D模式(Dilatancy-DiffusionModel)(Nur,1972;Scholzetal.,1973)比較吻合,當應力達到一定程度時,非彈性體積擴容占優(yōu)勢,巖石體積膨脹,原來流體飽和的巖石變?yōu)椴伙柡?導致外圍液體(水)流入孕震區(qū),空隙壓力增大,誘發(fā)地震,同時由于低阻液體的流入,使地電阻率出現(xiàn)下降現(xiàn)象。2008年5月12日汶川發(fā)生MS8.0地震,主斷裂破裂長度達240km(徐錫偉等,2008),若以破裂長度2倍確定近場影響范圍,則在距震中500km范圍內(nèi)有9個地電阻率臺站。其中,震前出現(xiàn)明顯的電阻率下降性異常的臺站有四川的郫縣(震中距,36km)、冕寧(震中距,310km)和甘孜(震中距,330km)。出現(xiàn)明顯上升性異常的臺站有甘肅的武都(震中距,290km)、天水(震中距,450km)。此外,在距汶川地震震中500～1?000km范圍內(nèi)還有2個臺站的地電阻率也出現(xiàn)了異常變化。其中,云南滕沖地震臺(震中距,820km)表現(xiàn)為下降性異常,寧夏固原地震臺(震中距,620km)表現(xiàn)為上升性異常(張學民等,2009)。若以震中距小于破裂長度(地震造成斷裂的破裂長度)的區(qū)域為震源區(qū),則位于震源區(qū)的臺站只有郫縣地電阻率臺,其下降性異常反映了震源區(qū)地電阻率異常變化的特點。其他臺站的地電阻率的變化則可能反映的是區(qū)域應力場作用的結(jié)果,以汶川地震區(qū)為界(不包括震源區(qū)),西側(cè)地電阻率呈下降性異常,東側(cè)呈上升性異常,說明東、西兩側(cè)應力場效應不同。大地震前的應力場變化和出現(xiàn)異常的范圍及成因都很復雜。一般認為,產(chǎn)生地震的應力變化和地震所帶來的影響都不局限于震源區(qū)的局部范圍,震級越大,影響的范圍越大。地下水、水化學觀測與遠程強震效應的研究表明,地震的遠程和超遠程激發(fā)現(xiàn)象是存在的(車用太等,1997;魚金子等,1998)。2004年12月26日印尼蘇門達臘M9.0地震前1.5h中國大陸科學鉆探工程(CCSD)記錄到氣體地球化學的異常變化,震中距約4?170km(曾令森等,2005)。河北昌黎地下水及地電阻率在印尼地震前一周同時出現(xiàn)異常變化,其震中距達4?670km(張學民等,2006;趙玉林等,2010)。多層次大區(qū)域應力場的作用促使了汶川MS8.0地震的發(fā)生,包括太平洋板塊向亞洲大陸的俯沖、印度板塊與青藏高原的碰撞和松潘甘孜地塊對四川盆地的推擠等(趙國澤等,2009)。目前,有關(guān)地電阻率遠程效應的報道還不多,本文主要介紹山東青島地震臺地電阻率在汶川地震前后的異常變化,并探討其產(chǎn)生的機理。1地電阻率觀測青島地震臺位于山東省青島市(36°03′58.8″N,120°22′17.8″E),與汶川地震震中相距1?630km。臺站基底為破碎花崗巖,覆蓋層厚3m。一條穿過青島市的斷裂帶(劈石口)也穿過觀測臺站,地電阻率觀測布極區(qū)位于劈石口斷裂帶的NNE向分支斷裂上。在地電阻率觀測點西側(cè)200m處有一地下水位觀測井,在井西側(cè)有一條NNW向的劈石口斷裂的分支斷裂(圖1)。地電阻率觀測采用電法勘探的四極法觀測,2個供電極(A,B)向地下供電,2個測量極(M,N)測量電信號;南北向(NS)和東西向(EW)供電極距為50m,測量極距37m,電極埋深距地表8m,東西方向的供電極在斷裂兩側(cè)(跨斷裂);垂直方向(UD)2個供電極(地面以下)距離地表高度分別為1m和8m,測量極距為4m。青島地震臺自1981年開始觀測地電阻率,期間由于周圍建筑和道路施工,觀測資料質(zhì)量受到影響,有過停測。2007年后環(huán)境穩(wěn)定,觀測資料正常。2格林威治的變化2.1地電阻率的基本情況青島地震臺地電阻率測量3個方向的分量:南北(NS)、東西(EW)及垂直(UD),每天觀測3次,其平均值作為該日的觀測值。除了垂直方向的觀測值在2007年2月局部受到干擾有異常變化外,2007—2008年臺站觀測環(huán)境穩(wěn)定,儀器工作正常,處在良好的觀測狀態(tài)。2008年4月30日3個方向的地電阻率同時出現(xiàn)上升,5月11—12日上升量達到最大,之后逐漸下降,5月22日后恢復到震前狀態(tài)(圖2)。地下水位2008年4月30日前變化平穩(wěn),4月30日開始下降,5月11—12日下降達最低點,之后是上升性恢復,它的結(jié)束時間在6月。2007年2月地電阻率垂直方向的觀測受到干擾,2007年3月后正常。3—12月地電阻率3個觀測方向的均方誤差分別為:SN方向2.27Ω·m,EW方向1.36Ω·m,垂直方向0.54Ω·m。SN方向的最高值出現(xiàn)在5月11日,相對于4月29日增大了6.25Ω·m;EW方向最高值出現(xiàn)在5月12日,相對于4月29日增大了16.05Ω·m;垂直方向的最高值在5月11日,相對于4月29日增大了3.91Ω·m。3個方向在異常時間段(4月30日至5月22日)的最大變化量分別是均方差的2.3倍、11.8倍和7.2倍,說明記錄到的電阻率異常變化是可靠的。EW方向(EW)的地電阻率異常變化最大(相對于背景值的正常波動),該方向的供電極在斷裂兩側(cè)(跨斷裂),位于較“敏感”的方位;而SN方向(NS)沿著斷裂,它的異常變化量最小。地電阻率的各向異性(QIANetal.,1996)在此異常中反映明顯。2.2城地震臺ew郯城地震臺位于郯廬斷裂帶中段,與汶川地震震中相距1?420km。1998年開始用數(shù)字化地電阻率儀(ZD8B)進行自動記錄。有2個觀測方向:南北(NS)、東西(EW),供電極距為1?500m;臺站周圍是農(nóng)田,具有理想的觀測環(huán)境。郯城地震臺觀測的地電阻率與地下水位年變化具有同步性,每年3—4月水位最低,對應地電阻率的高值;7—9月水位的高值對應地電阻率的低值。這種對應關(guān)系可以解釋為,由于水位的升高,使介質(zhì)的含水量(或含水度)增加,導致電阻率降低,反之電阻率則升高。2008年5月12日汶川地震前,地電阻率沒有出現(xiàn)明顯的異常變化,地震當天及震后也未出現(xiàn)異常,即郯城地震臺地電阻率對汶川大地震沒有明顯反映。3應力場異常變化(1)青島地震臺觀測的地電阻率EW方向供電極跨越NNE向斷裂(圖1),供電極距50m,電極埋在地下8m的基巖中。根據(jù)電阻率測深的理論,在地下半空間均勻介質(zhì)中的探測深度大體與供電極(A,B)長度的1/2相對應,即測量的電阻率主要反映20～30m深度范圍的基巖表層附近的電阻率。測點附近有劈石口斷裂帶的2條分支斷裂穿過,在受到區(qū)域應力場變化影響時,易于變形,易于引起地下水位和巖石孔隙度的變化,進而導致地電阻率的變化。當水位下降時,反映地下水的“流失”和巖石含水度的降低,因而引起地電阻率的升高。至于有的時間段水位上升沒有對應地電阻率的下降(圖2)的原因,推測是由于季節(jié)性降雨引起的水位的上升(如2007年7—9月),而非應力場異常變化引起的,這時巖石結(jié)構(gòu)和孔隙度沒有發(fā)生異常變化,故地電阻率沒有發(fā)生明顯變化。另外,該觀測區(qū)水源相對富足,通常情況下巖石處于水飽和狀態(tài),如果巖石結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化,增加水含量時對巖石的電阻率的影響不大。(2)地震的孕育過程往往經(jīng)過應力積累—快速積累—突然釋放的過程,在汶川地震發(fā)生前12天地電阻率開始上升,水位開始下降,地震時地電阻率達到最大,水位最低,之后恢復,整個異常過程約22天。類似現(xiàn)象在2002年昆侖山口西MS8.1地震前也記錄到,在距震中幾百至幾千km范圍的多口井的水位震前出現(xiàn)異常變化,異常開始時間大多在震前幾天至幾十天(車用太等,2002)。盡管出現(xiàn)這些現(xiàn)象的規(guī)律性和機理需要進一步研究,但是可以推測,它們與地震前區(qū)域應力場的異常變化之間存在某種相關(guān)性。(3)山東郯城地震臺與青島地震臺相距僅240km,但前者對汶川地震反映卻不明顯,推測其可能有兩方面原因:一是由于青島地震臺與郯城地震臺所處的構(gòu)造部位有較大差異,前者的水位以及電阻率的變化對應力變化反映較敏感,甚至有所謂的“放大”作用,而后者不具備這類條件;二是郯城地震臺的地電阻率年變化幅度很大,可能“淹沒”了由于應力場變化引起的電阻率的變化,難以發(fā)現(xiàn)電阻率的異常。(4)本觀測實驗進一步表明,特大地震的孕育和發(fā)生不僅與某一活動斷裂帶或地震帶的局部區(qū)域有關(guān),而且與更大尺度或更大區(qū)域的構(gòu)造活動性有關(guān)。地震異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的選擇性(Huang,2008)也表明,在某些特殊的構(gòu)造部位和地殼電性環(huán)境(湯吉等,1998;趙國澤,2008;詹艷,2008;張繼紅,2010),地震之前往往易于出現(xiàn)地電阻率異常,而其他地區(qū)卻不易出現(xiàn)。另外,能否觀測到地電阻率的異常,可能與相應觀測區(qū)域的電