平武地電觀測實驗

劉學(xué)華

(四川省平武縣防震減災(zāi)局，四川平武 622550)

平武地處四川北部，縣境西北有1976年曾經(jīng)發(fā)生兩次松平7.2級地震的近南北向長約60 km的虎牙斷裂，北東向龍門山大斷裂斜貫平武縣境東南?！?·12”汶川特大地震時，平武地區(qū)因此斷裂的劇烈活動遭受了巨大破壞，造成數(shù)千人傷亡，地震烈度全境均為Ⅷ度，斷裂經(jīng)過處局部烈度達(dá)到Ⅺ度。平武自有史記載以來曾經(jīng)多次遭受強烈地震破壞，是一個存在較大地震危險性的潛在震源區(qū)。在這樣特殊的地震地質(zhì)背景條件下，進(jìn)行相關(guān)的地震前兆觀測和地震預(yù)測預(yù)報的探索研究是一件非常有意義的工作。觀測地電變化是一種很成熟且較早運用于地震預(yù)測預(yù)報的地震前兆方法之一，在國內(nèi)和國際上都有相應(yīng)的理論和實驗研究成果。地電觀測方法原理簡單，設(shè)備制作和安裝也較為簡便［1］。自20世紀(jì)70年代以來，有關(guān)單位在平武境內(nèi)曾經(jīng)開展了多種形式的地震前兆觀測工作，取得了大量的觀測數(shù)據(jù)。在場地地質(zhì)條件良好和觀測方法運用得當(dāng)?shù)那闆r下，地電觀測方法可獲得有成效的觀測結(jié)果，在1976年松平大地震的成功預(yù)報中發(fā)揮過重要作用。但是近年來，地電觀測手段在一些地方逐步被放棄被淘汰，到2008年汶川地震前，平武地震臺只有測震和地下水氡觀測兩種監(jiān)測手段。因儀器設(shè)備老化和“5·12”地震的破壞，水氡觀測不得不停止。僅剩下數(shù)字地震觀測，而無其他任何前兆觀測裝備，這種現(xiàn)狀對有著近40年地震監(jiān)測歷史的臺站來說無疑是相當(dāng)遺憾的。2009年7月上旬筆者接受甘肅隴南地震局趙衛(wèi)國的建議和指導(dǎo)，在平武縣城西制作安裝了一套地下水電流觀測設(shè)備，利用這里有利的自然條件開始地電流觀測實驗工作。截至2014年底已經(jīng)連續(xù)實驗觀測了5年多，其間于2011年5月對其進(jìn)行了半自動化觀測改造，共取得實驗觀測數(shù)據(jù)30 000多個。通過分析發(fā)現(xiàn)，這些觀測數(shù)據(jù)具有良好的地震前兆對應(yīng)，尤其是對較小范圍的有感地震對應(yīng)較為明顯，是一種值得進(jìn)一步繼續(xù)加強觀測和推廣運用的非常有利的前兆補充手段。

1 實驗觀測簡介

1.1 水點選取

在平武縣城涪江西岸馬園的一處被稱作龍洞的山石裂隙中，有一處常年徑流不息的泉水，其水文地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，環(huán)境干擾極小，加之筆者正居家在該泉眼近處，所以觀測和管理維護(hù)也極為方便，因此該泉點是進(jìn)行地電流觀測實驗的理想場所。該泉點在地質(zhì)構(gòu)造上位于龍門山后山斷裂帶北側(cè)與虎牙斷裂東側(cè)的交匯處。距離最近的龍門山后山斷裂之一的青溪斷裂約12 km，距南壩斷裂約40 km，距虎牙斷裂約25 km。這幾條主要斷裂帶上都曾經(jīng)有過強烈地震活動，尤其是1976年虎牙斷裂帶松平7.2級地震群，2008年龍門山斷裂帶汶川8級地震，均在此區(qū)域產(chǎn)生了巨大的破壞，這里是一個研究地震與地電變化對應(yīng)關(guān)系的好地方。區(qū)域地震地質(zhì)及震中分布圖參見圖1。泉點附近出露地層的地質(zhì)年代為志留系，泉點出水處巖性為志留系茂縣群灰色、灰綠色絹云英千枚巖夾變質(zhì)石英砂巖和透鏡狀砂質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r。泉水類型為基巖裂隙水，出水方式為裂隙自流，泉水清澈透明、白色、無臭、無味，流量大于1 000 ml/s，水溫變化在13.5～17.5℃之間。水質(zhì)類型:HCO3-，Mg++，Ca++。水點電場性質(zhì)應(yīng)屬于上升泉電場，泉水涌出處具有電位極大值［2］。

圖1 區(qū)域地震地質(zhì)及主要地震震中分布

1.2 地電觀測

平武地震臺已多年不進(jìn)行地電等前兆觀測，所以沒有現(xiàn)成的儀器設(shè)備可供使用，選用部分部件只能自制加工。利用鉛塊和銅板制作兩個電極，微安表上加裝部分電阻元件、開關(guān)和電池構(gòu)成測量電路。初期實驗觀測采用無源加有源測量相結(jié)合電路，實驗裝置測量電路如圖2所示。測量電路由室外和室內(nèi)兩部分組成。室內(nèi)測量部分由微安表和限流電阻及調(diào)整電位器構(gòu)成無源電路，可以測量自然電場兩組數(shù)據(jù);外加一組電阻和直流電池構(gòu)成有源電路，測量自然和人工相結(jié)合電場兩項目。2011年5月上旬為了實現(xiàn)半自動化觀測，減輕人工負(fù)擔(dān)，將電路進(jìn)行了簡化，去除有源部件，安裝了由視頻攝像頭和一臺老舊筆記本電腦構(gòu)成的測量記錄系統(tǒng)，同時加大觀測密度，固定測量每小時實時記錄。安裝時，鉛電極(Pn)埋設(shè)在洞穴泉水出口深處，用以探測來自巖層深部由地下水?dāng)y帶的微電場信息，銅電極(Cu)安裝在距離洞口約10 m遠(yuǎn)處一棵生長良好的大樹的南面，距離地面約4 m高處，電極方位為N30°E。兩個電極通過電纜連接至室內(nèi)與測量電路相連接構(gòu)成回路。使用電信電話鋼絲自承重銅質(zhì)雙芯線電纜，線路電阻經(jīng)測試小于10 Ω，信號傳輸距離約200 m。現(xiàn)場安裝時直接測量兩電極間電流，一般約為120 μA，由電纜引入室內(nèi)后測量電流最大值為100 μA。

圖2 實驗原理圖

實驗觀測自2009年7月11日開始，采用每天人工多次讀取數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行。觀測初期數(shù)據(jù)變化平緩，原因是限流電阻取值不合理，經(jīng)過對電路進(jìn)行改進(jìn)，7月19日開始記錄數(shù)據(jù)。讀數(shù)時，轉(zhuǎn)換測量檔位開關(guān)，分別讀取1、2、3、4檔位數(shù)據(jù)，填寫原始數(shù)據(jù)。原始觀測數(shù)據(jù)及記錄格式如表1所示。1、2檔數(shù)據(jù)為不加電直接測量地下水中的電流值，加入測量電路后1檔測量值在80μA左右。3、4檔數(shù)據(jù)為加上人工電場的電流值，外加人工電場后在4擋測量值約為120μA。設(shè)置第3、4檔的目的是檢測測量電路工作狀態(tài)是否正常。每次測量完畢恢復(fù)檔位到第1檔，使測量電路保持為自然電場待測狀態(tài)。2011年5月12日對觀測系統(tǒng)進(jìn)行半自動化改造后，每小時自動通過攝像頭拍攝微安表頭盤面，然后及時由人工讀出每日24個整點數(shù)據(jù)。

表1 原始觀測數(shù)據(jù)及記錄格式

2 觀測數(shù)據(jù)及處理

根據(jù)實驗觀測方法，每天測定1至3個時點數(shù)據(jù)，截至2011年5月初，觀測到實驗電流值4組共計600多個數(shù)據(jù)。2011年5月12日后改為整點測量第1檔，數(shù)據(jù)量迅速增加，至2014年底，共取得觀測實驗數(shù)據(jù)32 000多個。觀測數(shù)據(jù)使用Excel電子表格錄入計算機進(jìn)行存儲和處理，也可方便地轉(zhuǎn)存儲為其它格式。在Excel中設(shè)置為動態(tài)曲線，以便隨時檢測和糾正數(shù)據(jù)錄入過程中的人為錯誤，并方便觀察原始數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。觀測實驗數(shù)據(jù)的原始曲線見圖3所示。由圖3可看出，觀測數(shù)據(jù)曲線可分為兩個階段。第一個階段自開始觀測到2010年底可看作是觀測系統(tǒng)與地質(zhì)體結(jié)合逐步趨于穩(wěn)定的時間段。第二階段是2011年初以后的時段是比較穩(wěn)定和正常的，數(shù)據(jù)曲線可以看出明顯的年變形態(tài)(2010年已能看出年變)，盡管觀測過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化與大氣溫度無直接的相關(guān)性，但總體趨勢仍然與年溫差正相關(guān)，只是數(shù)據(jù)變化與溫度上升并不同步。觀測數(shù)據(jù)反映出和降雨降水關(guān)系密切，非常容易識別。降雨時電流值增加迅速，降雨結(jié)束后數(shù)據(jù)迅速回落到正常水平，與前兆異常持續(xù)時間較長有很大區(qū)別。使用Matlab等相關(guān)數(shù)據(jù)處理程序，也很容易濾除降雨干擾［3］。

圖3 原始觀測曲線

為了分析該點觀測數(shù)據(jù)與地震的對應(yīng)關(guān)系，對觀測數(shù)據(jù)做了較為簡單的差分處理，如圖4所示。同時將觀測時段內(nèi)影響較大的四川及周邊地區(qū)尤其是汶川地震余震區(qū)內(nèi)ML≥4.5級地震與觀測數(shù)據(jù)曲線的變化情況進(jìn)行對比。對于ML4級以上的地震，在觀測的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)曲線上大多能在地震前較早時間找到前兆異常的正突變反應(yīng)，充分證明了該泉點的地電流觀測具有較好的映震效應(yīng)，且震前異常提前量從1天到幾十天，異常反映良好。2011年5月12日改進(jìn)為整點觀測后，觀測數(shù)據(jù)的異常變化對應(yīng)地震的效果更明顯，圖5所示為部分時間段數(shù)據(jù)變化情況。根據(jù)已經(jīng)取得的觀測數(shù)據(jù)，可以直觀地看出無論是無源的自然電場數(shù)據(jù)，還是有源觀測數(shù)據(jù)，全部4組數(shù)據(jù)完全存在線性相關(guān)的變化形態(tài)，與所使用的由線性電阻元件組成的線性電子測量電路系統(tǒng)的特性相吻合。

圖4 觀測數(shù)據(jù)差分曲線

3 觀測數(shù)據(jù)與地震對應(yīng)的討論

圖5 改進(jìn)觀測方法后的地震對應(yīng)效果

通過5年多時間的觀測和與地震的對比，可以看到該水點的電流測值有明顯的地震對應(yīng)效果，尤其是對ML≥4.5級以上的地震具有非常明顯震前對應(yīng)，震級越大越明顯。但對于ML＜4.5級的地震的對應(yīng)情況較差。異常形態(tài)均為正突跳。從2010年1月的最低值開始起伏上升，3月22日上升到最大值，至3月23日在1天之內(nèi)迅速下降到最低，相對變化幅度達(dá)到40%，在起伏變化23天后青海玉樹發(fā)生7.1級地震［4］。從開始觀測半年后的2010年1月起，將幾次地震前異常非常明顯的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可見，地電流異常相對變化幅度越大，持續(xù)時間越長，未來發(fā)生的地震震級越大，震中距離也越遠(yuǎn)，但單從此并不能得出距離的實際判斷結(jié)論。當(dāng)繼續(xù)觀測積累的震例樣本增加到一定數(shù)量后，應(yīng)可以進(jìn)行異常時間、幅度、震中距和震級等之間的量化關(guān)系擬合計算。

表2 地震前異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計

該水點經(jīng)過近幾年的觀測證明，地電的數(shù)據(jù)變化非常穩(wěn)定，無工業(yè)或其它人為等不良環(huán)境干擾，依據(jù)取得的觀測數(shù)據(jù)可以較為直觀地對地震異常與否做出初步判定［5］。在觀測過程中，當(dāng)出現(xiàn)較為明顯的測值突跳，而且其變化幅度與背景觀測值相比至少達(dá)到40%的變幅時，可初步判定為地震前兆異常，但需要排除雷雨雷電降雨天氣或其他干擾因素(除降雨以外無其他干擾出現(xiàn)的記錄)，若需要可進(jìn)一步加密觀測，以確定異常變化趨勢。再觀察數(shù)據(jù)曲線形態(tài)形成突跳狀尖峰并回落到背景值附近，即可完全確定本次地震前兆異常確實存在，可預(yù)示將有地震在附近發(fā)生。如2010年5月24日1檔測值變化幅度達(dá)到54%，25日測值基本回落到背景值附近，即為一突跳，后于25日都江堰發(fā)生ML5.2級、29日玉樹發(fā)生Ms6.0級地震。在這種測值回落非常明顯的形態(tài)下，即使未來發(fā)生的地震震級沒有超過5級，但在周邊地區(qū)尤其是龍門山斷裂帶及其附近大都會有4級左右地震發(fā)生。若觀測數(shù)據(jù)在高值附近起伏變化，逐漸形成緩慢變化的凸峰并且持續(xù)時間明顯較長時，則為地電場大背景調(diào)整，異常為假，可撤銷預(yù)報警戒。如2010年4月27日數(shù)據(jù)變化幅度達(dá)到40%，測值一直在高值點附近起伏，到5月5日緩慢恢復(fù)到正常值附近，形成一個凸起的峰值，此即為一個正常調(diào)整狀態(tài)，而非地震前兆異常。

由于觀測采用人工讀數(shù)的方式，因此觀測的精度不高。同時由于制作的電極不夠標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如電極尺寸過小，可能造成不能完全拾取地電流信號，還有靈敏度太低等缺陷?？紤]到業(yè)余人工觀測作業(yè)工作量負(fù)擔(dān)，無法保證不間斷觀測。而非連續(xù)的觀測，數(shù)據(jù)離散性可能過大，每天觀測一個(或幾個)數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波(采樣率為1～1/24)以后會遺漏地震前兆信息。

已經(jīng)取得的觀測數(shù)據(jù)和震例對應(yīng)結(jié)果，還不能有效進(jìn)行數(shù)據(jù)與地震信息的相關(guān)性分析，有待繼續(xù)觀測并進(jìn)行優(yōu)化總結(jié)，以利應(yīng)用于實際的地震監(jiān)測預(yù)報工作。使用基于GIS的地震分析預(yù)報系統(tǒng)等專業(yè)軟件進(jìn)行研究和處理，可能會得到更準(zhǔn)確、更科學(xué)的結(jié)論。采用更先進(jìn)的電極和使用全自動采樣的方式提高數(shù)據(jù)觀測精度，例如采樣頻率提高，減少人為誤差以利于充分拾取地震前兆信息，觀察其演變過程。該泉點水量充沛，冬暖夏涼，水質(zhì)良好，還可輔助水流量、水溫、水離子組分等多種前兆觀測，以利于多方法、多途徑地充分獲取地震前兆信息。理想的途徑是在一定的項目支撐下采用國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行自動化數(shù)據(jù)采集［6］。

該試驗是筆者工作之余進(jìn)行的。該實驗?zāi)軌虻靡蚤_展和堅持，特別感謝甘肅隴南地震局趙衛(wèi)國副局長的鼓勵和大力支持，2011年5月1日在隴南交流學(xué)習(xí)時獲贈一臺SE-11型地電觀測儀，也安裝在本實驗點近處同步進(jìn)行觀測(有關(guān)觀測情況擬另文討論)。在本文寫作成稿過程中得到中國地震局地殼研究所楊選輝研究員的傾力指導(dǎo)，修改時還得到了《地震地磁觀測與研究》編輯部和《四川地震》編輯部的老師和專家的指導(dǎo)，在此一并致以誠摯的謝意。

［1］何世根，沈啟興，等.地電觀測技術(shù)［M］.北京:地震出版社，2000.50-67.

［2］國家地震局《地震觀測技術(shù)》編寫組.地震觀測技術(shù)［M］.北京:地震出版社，1994:217-222.

［3］馬君釗，等.大地電場觀測各類干擾源的調(diào)研與分析［J］.地震地磁觀測與研究，2010(5):65-72.

［4］張小濤，等.地電場方法在川滇地區(qū)地震觀測中的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測與研究，2010(6):93-98.

［5］萬迪堃，汪成民，等.地下水異常與地震短臨預(yù)報［M］.北京:地震出版社，1993:147-172.

［6］孔令昌，王志敏，王桂清，等.大地微電流檢測儀的研制和觀測［J］.地震地磁觀測與研究，2002(5):69-71.