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觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

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

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

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行地電阻率和地電場觀測。地電阻觀測對介質應變狀態有靈敏響應,觀測數據無須進行復雜的數學處理,通過直觀的形態變化就能發現異常[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部所產生的感應電場;自然電場主要是地殼中某些物理、化學作用引起的電場[4],國內外已開展的大量地電觀測用于地震預測研究,取得了良好的效果[2,5-10]。地電觀測是我國地震監測預報的重要手段之一,經歷了近50余年的發展,積累了大量的觀測數據和豐富的觀測經驗,為地震探索研究提供了基本保障[11]。但地震預測至今還是世界上未解決的難題,各級政府對地震預測研究高度重視,社會公眾對地震預測預報的需求仍然很高[12]。因此在祁連山地區地震形勢依然嚴峻的情況下,有必要行分析總結張掖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,總結經驗,為后序地震預測研判提供參考。

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、北靠內蒙古阿拉善右旗。地電測區在距離山丹縣城8 km的清泉鎮南灣村,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,觀測環境好。構造上位于祁連山地震帶,所處的斷裂帶是河西走廊區域性主干大斷裂,切割地殼較深,呈NWW走向,測區地質巖性為砂巖[14]。臺站主要進行地電阻率、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發生的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型地電儀進行NS、EW、N45°W三測道觀測,觀測資料穩定可靠,NS、和N45°W測道時值觀測數據年動態清晰,2018年10月前EW測道時值數據年變形態不清晰,2018年10月更換配電箱后該道觀測資料出現了較為清晰的年變形態,EW和N45°W測道資料年變形態較為相似(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發生了MS5.0地震,震源深度11 km,地震發生在山丹臺西偏南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較為同步異常(圖3)。經調查,震前觀測場地和觀測環境無變化,觀測資料出現異常變化后觀測人員檢查觀測系統正常。

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日出現不同程度的趨勢性變化,綜上分析認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時開始測值轉折呈緩慢下降趨勢,16日發生地震,震后繼續呈緩慢下降趨勢。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“毛刺增多”現象(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地震前均出現了“毛刺增多”現象[12,15-16],因此山丹地電阻率在震前出現的毛刺增多現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較為清晰;N45°E道長、短極距時值觀測資料年動態不明顯,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故障導致的,排除故障后重啟數采,觀測資料恢復正常(圖5)。另一次是9月12日觀測資料開始出現快速上升或下降變化異常,經調查,觀測場地和觀測環境較平時無變化,異常出現后經觀測人員檢查觀測系統正常(圖5),經查數據異常期間北京時間9月9日17—19時發生急始磁暴,K指數為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日開始出現異常變化,綜合分析認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了準同步的快速上升或下降變化。震前NS道長極距12日02時左右出現轉折,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為平穩。EW道長極距12日00時左右出現轉折,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為平穩。N45°E道長極距11日23時左右出現轉折,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為平穩。NS道短極距12日14時左右出現轉折,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為平穩。EW道短極距12日00時左右出現轉折,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為平穩(圖6)。

譚大誠等[7]對青藏高原中強地震前的地電場潮汐波進行了研究,認為一些地電場資料在震前出現短臨波形畸變異常,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天開始的異常形態與山丹地電場在張掖地震前畸變異常形態非常相似。

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了與上述形態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,觀測數據呈現快速轉折上升趨勢,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,觀測數據呈現快速轉折下降趨勢,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,觀測數據呈現快速轉折上升趨勢,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,觀測數據呈現快速轉折下降趨勢,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日觀測資料出現臺階狀變化,隨后逐漸恢復正常,該異常變化是由于11月28日09:45—16:46改造觀測系統,更換測量電極所造成的數據干擾(圖7)。

3 認識與討論

(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地震前均出現了較為明顯的異常,排除場地周圍觀測環境,觀測系統,自然環境等因素外,認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了與張掖地震前形態相似的地震前兆短臨異常。譚大誠研究認為一些地電場資料在震前出現短臨波形畸變異常,山丹地電場在上述兩次地震前異常形態與列舉的畸變異常形態非常相似,進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,結束于震前2天,異常持續時間為6天,異常結束后發生地震。異常形態表現為NS測道轉折快速上升-緩慢下降,EW測道為轉折緩慢上升,N45°W測道為緩慢下降-轉折緩慢上升。山丹地電場觀測資料異常開始于震前4天,最晚結束于震后6天,異常持續時間最長為11天,異常持續過程中發生地震。地電場觀測資料異常形態長極距NS道、長極距N45°E道、短極距NS道表現為轉折同步緩慢上升,長極距EW道和短極距EW道轉折同步緩慢下降,短極距N45°E道異常不明顯。

(3) 山丹臺位于河西地區,當地年降雨量少,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級地震前恰逢當地降雨相對較多,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降雨4天結束后開始出現異常變化,另外2015年11月祁連5.2級地震前地電場出現的異常形態與此次異常形態非常相似,理論上2015年11月無大降雨,異?？尚哦雀?。綜合分析認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。