甘肅張掖MS5.0地震前山丹地電異常探討

楊興悅, 王 燕, 張俏麗, 高振生, 李 亮

(蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定,2019年9月16日20時48分,在甘肅張掖市甘州區(qū)(38.60°N,100.35°E)發(fā)生了MS5.0地震,震源深度11 km[1]。地震震中位于甘州區(qū)花寨鄉(xiāng)附近,張掖市甘州區(qū)、臨澤縣有明顯震感;酒泉市肅州區(qū)、金昌市有震感,無人員傷亡。

祁連山中段被認(rèn)為是未來可能發(fā)生強(qiáng)震的重點區(qū)域(1)2019年度甘肅省震情趨勢會商報告.2018.,震情形勢較為嚴(yán)峻,受到相關(guān)人員的廣泛關(guān)注。張掖市甘州區(qū)MS5.0地震位于中國地震局和甘肅省地震局劃定的2019年度強(qiáng)震危險區(qū)域,該地震發(fā)生后,該區(qū)域未來的震情形勢依然不明朗,仍需要重點關(guān)注。

地電觀測是地球物理場觀測的重要組成部分[2],用于地震觀測的地電觀測主要進(jìn)行地電阻率和地電場觀測。地電阻觀測對介質(zhì)應(yīng)變狀態(tài)有靈敏響應(yīng),觀測數(shù)據(jù)無須進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,通過直觀的形態(tài)變化就能發(fā)現(xiàn)異常[3]。地電場分為大地電場和自然電場兩部分,地電場主要是地球外部空間的各種電流在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電場;自然電場主要是地殼中某些物理、化學(xué)作用引起的電場[4],國內(nèi)外已開展的大量地電觀測用于地震預(yù)測研究,取得了良好的效果[2,5-10]。地電觀測是我國地震監(jiān)測預(yù)報的重要手段之一,經(jīng)歷了近50余年的發(fā)展,積累了大量的觀測數(shù)據(jù)和豐富的觀測經(jīng)驗,為地震探索研究提供了基本保障[11]。但地震預(yù)測至今還是世界上未解決的難題,各級政府對地震預(yù)測研究高度重視,社會公眾對地震預(yù)測預(yù)報的需求仍然很高[12]。因此在祁連山地區(qū)地震形勢依然嚴(yán)峻的情況下,有必要行分析總結(jié)張掖5.0地震前的地球物理觀測資料,排除觀測資料包含的各種干擾信息[13],提取異常信息,總結(jié)經(jīng)驗,為后序地震預(yù)測研判提供參考。

1 山丹臺地電簡介

山丹臺位于河西走廊中部,東鄰永昌,南接青海、北靠內(nèi)蒙古阿拉善右旗。地電測區(qū)在距離山丹縣城8 km的清泉鎮(zhèn)南灣村,處于荒山丘陵,地表為曠野型戈壁沙土堆,覆蓋層較深,地形稍有起伏,地表幾乎沒有植被,地下潛水位埋深在50 m以下,觀測環(huán)境好。構(gòu)造上位于祁連山地震帶,所處的斷裂帶是河西走廊區(qū)域性主干大斷裂,切割地殼較深,呈NWW走向,測區(qū)地質(zhì)巖性為砂巖[14]。臺站主要進(jìn)行地電阻率、地電場、地磁和氣象三要素觀測。

2019年9月16日在甘肅張掖市甘州區(qū)發(fā)生的MS5.0地震,震中位于山丹臺西偏南15°方向63 km處。

1.1 地電阻率觀測

地電阻率觀測開始于1972年,2006年9月起使用ZD8BI型地電儀,采用水平對稱四極法觀測,分別進(jìn)行南北(NS)、東西(EW)、北N45°西(N45°W)三測道時值觀測。三個測道供電極極距均為1 000 m,NS和N45°W測道測量極極距為200 m,EW測道測量極極距為226 m,布極示意圖如圖1(a)。電極采用1 000 mm×800 mm×5 mm的鉛板,埋深1.8 m,外線路架設(shè)采用空架方式。

1.2 地電場觀測

地電場觀測開始于2006年,使用儀器為ZD9A-Ⅱ型地電場儀,采用三角形布極,正交長極距為300 m,短極距為200 m,斜長極距為424 m,斜短極距為283 m,布極示意圖如圖1(b),分別進(jìn)行NS、EW和N45°E三個方向長、短極距六測道分鐘值觀測。采用固體不極化電極,埋設(shè)在地表凍土層以下,埋深約4.2 m,各電極基本處于同一平面。外線路全部為鎧裝電纜,采用空架方式。

圖1 山丹地電阻率和地電場觀測布極示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrode arrangement of geoelectrical resistivity and geoelectric field at Shandan station

2 山丹臺地電異常分析

2.1 山丹地電阻率

2006年以來山丹地電阻率采用ZD8BI型地電儀進(jìn)行NS、EW、N45°W三測道觀測,觀測資料穩(wěn)定可靠,NS、和N45°W測道時值觀測數(shù)據(jù)年動態(tài)清晰,2018年10月前EW測道時值數(shù)據(jù)年變形態(tài)不清晰,2018年10月更換配電箱后該道觀測資料出現(xiàn)了較為清晰的年變形態(tài),EW和N45°W測道資料年變形態(tài)較為相似(圖2)。

圖2 2017—2019年山丹地電阻率時值曲線Fig.2 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from 2017 to 2019

2019年9月16日20時48分,在甘肅張掖市甘州區(qū)發(fā)生了MS5.0地震,震源深度11 km,地震發(fā)生在山丹臺西偏南15°方向63 km處。2019年9月9日(震前8天)山丹地電阻率資料開始出現(xiàn)較為同步異常(圖3)。經(jīng)調(diào)查,震前觀測場地和觀測環(huán)境無變化,觀測資料出現(xiàn)異常變化后觀測人員檢查觀測系統(tǒng)正常。

圖3 2019年1—9月山丹地電阻率時值與降雨量日值曲線Fig.3 Hourly value curves of geoelectrical resistivity and daily rainfall curve at Shandan station from January to September 2019

山丹臺2018年12月17日安裝氣象三要素儀,從一年來記錄的降雨量資料來看,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后換算成降雨量為37.5 mm,對山丹地電阻率觀測資料影響不明顯(圖3)。2019年6—9月山丹降雨量相對集中,其中6月和7月降雨量比8月多且頻繁,地電阻率觀測資料6—7月變化不明顯(圖3)。由于之前沒有降雨量記錄,無法深度分析降雨對山丹地電阻率的影響,但是河西地區(qū)干旱少雨,每年降雨集中在夏季,從近幾年地電阻率觀測曲線來看,少量降雨對山丹地電阻率觀測資料影響不明顯(圖2)。而2019年9月8—12日降雨分別為24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,觀測資料從8—15日出現(xiàn)不同程度的趨勢性變化,綜上分析認(rèn)為降雨對山丹地電阻率影響不明顯,但是此次地震前恰逢降雨相對較多,認(rèn)為此次震前異常是較為可信的地震前兆異常,但可能夾雜一定程度的降雨影響。

山丹地電阻率NS測道測值總體從6月中旬左右開始趨勢性緩慢下降,9月8日轉(zhuǎn)折呈快速上升趨勢,8日07時—12日14時累計上升幅度為0.38 Ω·m(相對變化1.12%),9月12日13時開始測值轉(zhuǎn)折呈緩慢下降趨勢,16日發(fā)生地震,震后繼續(xù)呈緩慢下降趨勢。EW測道測值從3月中旬左右開始趨勢性緩慢下降,9月9日轉(zhuǎn)折緩慢上升,9日02時—13日17時累計上升幅度為0.19 Ω·m(相對變化0.73%)。N45°W測道測值從2月中旬左右開始趨勢性緩慢下降,9月8日下降速率加快,8日20時—15日14時累計下降幅度為0.34 Ω·m(相對變化0.86%),2019年9月26日9—21時缺記的原因是儀器故障停測(圖4)。

圖4 2019年8—9月山丹地電阻率時值曲線Fig.4 Hourly value curves of geoelectrical resistivity at Shandan station from August to September 2019

另外,2019年7月31日—8月26日山丹地電阻率三個測道測值出現(xiàn)“毛刺增多”現(xiàn)象(圖3)。天水井下地電阻率在蘆山MS7.0、岷縣漳縣MS6.6、天水MS3.8、臨洮MS4.5、阿拉善左旗MS5.8和九寨溝MS7.0地震前均出現(xiàn)了“毛刺增多”現(xiàn)象[12,15-16],因此山丹地電阻率在震前出現(xiàn)的毛刺增多現(xiàn)象也可能為地震前兆異常。

2.2 山丹地電場

山丹地電場NS、EW道長、短極距時值觀測資料年動態(tài)較為清晰;N45°E道長、短極距時值觀測資料年動態(tài)不明顯,正常情況下觀測資料變化幅度小(圖5)。張掖5.0級地震前山丹地電場出現(xiàn)了兩次較為明顯的異常變化,其中一次為2019年5月9日18時—12日18時,是由于地電場儀器出現(xiàn)故障導(dǎo)致的,排除故障后重啟數(shù)采,觀測資料恢復(fù)正常(圖5)。另一次是9月12日觀測資料開始出現(xiàn)快速上升或下降變化異常,經(jīng)調(diào)查,觀測場地和觀測環(huán)境較平時無變化,異常出現(xiàn)后經(jīng)觀測人員檢查觀測系統(tǒng)正常(圖5),經(jīng)查數(shù)據(jù)異常期間北京時間9月9日17—19時發(fā)生急始磁暴,K指數(shù)為5,從觀測曲線看磁暴對地電場影響不明顯(圖6)。

圖5 2018年1月—2019年9月山丹地電場時值曲線Fig.5 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station from January 2018 to September 2019

山丹臺2018年12月17日安裝氣象三要素儀,2019年1月28日降大雪,冰雪融化后換算成降雨量為37.5 mm,對山丹地電場觀測資料影響不明顯,2019年6—8月山丹降雨量相對較多,從地電場觀測曲線上看少量降雨對山丹地電場影響不明顯(圖5)。而2019年9月8—12日降雨分別為24.8 mm、15.6 mm、0 mm、8.5 mm、20.8 mm,觀測資料從12日開始出現(xiàn)異常變化,綜合分析認(rèn)為少量降雨對山丹地電場影響不明顯,此次觀測資料變化異常認(rèn)為是地震前兆異常(圖6)。

圖6 2019年山丹地電場時值與降雨量日值曲線Fig.6 Hourly value curves of geoelectric field and daily rainfall curve at Shandan station in 2019

2019年9月12日山丹地電場除N45°E測道短極距觀測資料無明顯異常外,其余5個測道觀測資料均出現(xiàn)了準(zhǔn)同步的快速上升或下降變化。震前NS道長極距12日02時左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計上升幅度約21.12 mV/km,9月16日11時左右觀測資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。EW道長極距12日00時左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,下降速率明顯變大,累計下降幅度約12.64 mV/km,9月22日17時左右觀測資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。N45°E道長極距11日23時左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計上升幅度約12.74 mV/km,9月16日11時左右觀測資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。NS道短極距12日14時左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,上升速率明顯變大,累計上升幅度約18.24 mV/km,9月21日9時左右觀測資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)。EW道短極距12日00時左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,下降速率明顯變大,累計下降幅度約17.95 mV/km,9月22日14時左右觀測資料變化變?yōu)槠椒€(wěn)(圖6)。

譚大誠等[7]對青藏高原中強(qiáng)地震前的地電場潮汐波進(jìn)行了研究,認(rèn)為一些地電場資料在震前出現(xiàn)短臨波形畸變異常,其中新疆和田地電場NS道觀測資料在汶川8.0級地震前20天開始的異常形態(tài)與山丹地電場在張掖地震前畸變異常形態(tài)非常相似。

另外,2015年11月23日祁連MS5.2地震前,山丹地電場長極距NS測道、長極距EW測道、短極距NS測道、短極距EW測道觀測資料也出現(xiàn)了與上述形態(tài)一致的地震前兆異常,長、短極距N45°E測道異常不明顯。該地震與山丹地電場震中距為102 km。山丹地電場NS道長極距2015年10月31日06時左右至11月2日23時左右,觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折上升趨勢,累計上升幅度為14.31 mV/km。EW道長極距10月30日22時左右至11月3日08時左右,觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折下降趨勢,累計下降幅度為35.79 mV/km。NS道短極距10月26日17時左右至11月3日11時左右,觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折上升趨勢,累計上升幅度為16.78 mV/km。EW道短極距10月26日17時左右至11月2日09時左右,觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折下降趨勢,累計下降幅度為13.17 mV/km(圖7)。

圖7 2015年山丹地電場時值曲線Fig.7 Hourly value curves of geoelectric field at Shandan station in 2015

山丹地電場2015年11月28日觀測資料出現(xiàn)臺階狀變化,隨后逐漸恢復(fù)正常,該異常變化是由于11月28日09:45—16:46改造觀測系統(tǒng),更換測量電極所造成的數(shù)據(jù)干擾(圖7)。

3 認(rèn)識與討論

(1) 張掖MS5.0地震震中位于山丹臺西偏南15°方向,震中距63 km。山丹地電阻率與地電場觀測資料在張掖MS5.0地震前均出現(xiàn)了較為明顯的異常,排除場地周圍觀測環(huán)境,觀測系統(tǒng),自然環(huán)境等因素外,認(rèn)為該異常是較為可信的地震短臨前兆異常。另外2015年11月23日祁連發(fā)生了MS5.2地震,震中位于山丹臺西偏南55°方向,震中距102 km。震前山丹地電場觀測資料也出現(xiàn)了與張掖地震前形態(tài)相似的地震前兆短臨異常。譚大誠研究認(rèn)為一些地電場資料在震前出現(xiàn)短臨波形畸變異常,山丹地電場在上述兩次地震前異常形態(tài)與列舉的畸變異常形態(tài)非常相似,進(jìn)一步增加了山丹地電異常的可信度。

(2) 山丹地電阻率觀測資料異常開始于震前8天,結(jié)束于震前2天,異常持續(xù)時間為6天,異常結(jié)束后發(fā)生地震。異常形態(tài)表現(xiàn)為NS測道轉(zhuǎn)折快速上升-緩慢下降,EW測道為轉(zhuǎn)折緩慢上升,N45°W測道為緩慢下降-轉(zhuǎn)折緩慢上升。山丹地電場觀測資料異常開始于震前4天,最晚結(jié)束于震后6天,異常持續(xù)時間最長為11天,異常持續(xù)過程中發(fā)生地震。地電場觀測資料異常形態(tài)長極距NS道、長極距N45°E道、短極距NS道表現(xiàn)為轉(zhuǎn)折同步緩慢上升,長極距EW道和短極距EW道轉(zhuǎn)折同步緩慢下降,短極距N45°E道異常不明顯。

(3) 山丹臺位于河西地區(qū),當(dāng)?shù)啬杲涤炅可?7—9月降雨相對較多,由于山丹臺2018年12月17日安裝氣象三要素儀,之前未記錄降雨資料,不能深入分析降雨對地電阻率與地電場觀測資料的影響程度,但是對比分析一年來有記錄的降雨資料與地電觀測資料,認(rèn)為少量降雨對山丹地電阻率和地電場觀測資料影響不明顯。但是2019年張掖5.0級地震前恰逢當(dāng)?shù)亟涤晗鄬^多,地電阻率觀測資料開始變化時間基本與降雨量開始變化時間同步變化,地電場觀測資料在持續(xù)降雨4天結(jié)束后開始出現(xiàn)異常變化,另外2015年11月祁連5.2級地震前地電場出現(xiàn)的異常形態(tài)與此次異常形態(tài)非常相似,理論上2015年11月無大降雨,異常可信度高。綜合分析認(rèn)為此次地電阻率和地電場異常是較為可信的地震前兆異常,但地電阻率可能夾雜一定程度的降雨影響,而降雨對地電場較小。