甘東南地球物理場異常與夏河MS5.7地震關(guān)系分析

蘇鶴軍,曹玲玲,范 兵,李晨樺,周慧玲,馬東正

(1.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州730000；2.中國地震局蘭州巖土地震研究所,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省地震局,甘肅蘭州730000)

0 引言

對震后地球物理場異常特征的研究已有幾十年,不論是流體、形變還是地電,都總結(jié)出了一系列的異常指標(biāo),如流體異常在中短期階段具有階段性、加速性及空間分布上的群體性和配套性特征[1],且在異常發(fā)展的不同階段,遠(yuǎn)源區(qū)與近源區(qū)異常的演化存在差異[2-3]。近震中區(qū)地電阻率異常以負(fù)向變化為主,異常出現(xiàn)時間具有時空轉(zhuǎn)移特征[4-5],走滑型地震震中區(qū)異常形態(tài)成四象限分布[6];牛安福等[7]認(rèn)為震前形變異常的空區(qū)是一種重要的前兆分布現(xiàn)象等。在異常信度的研究上,解滔等[8]和晏銳等[9]對汶川MS8.0地震的地電和流體異常再次進(jìn)行分析和認(rèn)定,認(rèn)為異常信度的分析對認(rèn)識地震孕育機理具有重要意義。但此項研究在正式出版的刊物上并不多見,這也可能是確定的前兆異常特征重復(fù)性差,建立的指標(biāo)體系預(yù)測地震準(zhǔn)確率不高的因素之一。

2019年10月28日,甘肅甘南州夏河縣發(fā)生了MS5.7地震,震源深度10 km,發(fā)震斷層為臨潭—宕昌斷裂,該斷裂向南逆沖為主,具左旋走滑分量[10]。地震最高烈度為VII度,面積為196 km2,VI度面積為1 395 km2,震害沿臨潭—宕昌斷裂分布[11]。這是繼2013年岷縣—漳縣MS6.6地震后發(fā)生在此斷裂的又一次中強地震,且位于2019年度全國地震重點危險區(qū)內(nèi)。目前地震的預(yù)測水平還很低,地震發(fā)生后對異常的回溯性研究對提高地震預(yù)測水平顯得尤為必要。

夏河MS5.7地震發(fā)生在地球物理定點觀測臺站分布密集、學(xué)科齊全的地區(qū),且2013年岷縣—漳縣MS6.6地震發(fā)生后,對該區(qū)域的構(gòu)造活動和地震孕育機制已有深入的研究[10,12]。本文擬從異常重現(xiàn)性、多學(xué)科前兆協(xié)調(diào)性、異常的時空演化特征及震后異常變化4個方面對夏河地震前出現(xiàn)的異常進(jìn)行信度分析,并綜合計算出各個異常作為夏河地震異常的信度。該研究對有效跟蹤地震,提高地震預(yù)測水平具有重要的意義。

1 研究區(qū)域的選擇及異常提取

1.1 研究區(qū)域及資料的選擇

夏河MS5.7地震發(fā)生在臨潭—宕昌斷裂上,東昆侖斷裂向北擴展過程中發(fā)育了NW向的迭部—白龍江斷裂、光蓋山—迭山斷裂和臨潭—宕昌斷裂,逐步過渡到西秦嶺北緣斷裂,迭部—白龍江斷裂和光蓋山—迭山斷裂構(gòu)造變形的動力源來自東昆侖斷裂的推擠,而臨潭—宕昌斷裂不僅受到西秦嶺北緣斷裂的推擠,也受到東昆侖斷裂向北推擠的影響[13-14](圖1)。基于此構(gòu)造背景,本文選取甘東南地區(qū)西秦嶺北緣大斷裂(包括北側(cè)附近)和東昆侖大斷裂的圍限區(qū)為研究區(qū)域,研究該區(qū)域內(nèi)地球物理定點觀測資料在夏河地震前的變化。該區(qū)域共有地球物理場定點觀測臺站16個,臺項63個,它們都在距離震中300 km范圍之內(nèi)。選取2017年已經(jīng)觀測、觀測環(huán)境良好并儀器運行穩(wěn)定的14個臺站47個臺項,對觀測以來的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,需要說明的是,這些臺站出現(xiàn)的異常變化都進(jìn)行了現(xiàn)場核實,特別是水位的變化。

圖1 夏河MS5.7地震地質(zhì)構(gòu)造背景[15]Fig 1. The Geological structure background of Xiahe MS5.7 earthquake[15]

1.2異常提取方法

定點異常的提取方法很多[16-19],但各種方法都有一定的使用條件,如采樣頻率、周期性等。本文選取的資料不僅采樣頻率不同,而且包含了流體、形變和電阻率3大測項,因此很難用一種數(shù)學(xué)處理方法進(jìn)行異常提取。而原始觀測資料具有明確的物理含義,不同測項都記錄觀測點周圍介質(zhì)的變化,相互間可以比較,均值計算只是對數(shù)據(jù)的簡單平滑,不改變其物理意義,因此本文采用五日均值法進(jìn)行異常提取。

1.3 異常提取結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析,共有9個臺站18個臺項在夏河地震前出現(xiàn)了異常變化,具體臺站及變化數(shù)據(jù)列于表1。其中8個臺項為震前跟蹤的年度異常(1)2019年度甘肅省地震趨勢研究報告[R].2019.,分別為武山22號井水氡、臨夏水位、兩水水位、武都傾斜、兩水應(yīng)變(NS向、EW向)和天水應(yīng)變(NS向、NW向)。空間上,異常臺站分布在西秦嶺北緣斷裂兩側(cè)和光蓋山—迭山斷裂東南端(圖2),位于西秦嶺北緣斷裂的異常臺項有臨夏水位、水溫、鉆孔應(yīng)變,劉家峽鉆孔應(yīng)變、天水北道鉆孔應(yīng)變和武山22號井水氡,占該區(qū)域總臺項數(shù)的27.5%。光蓋山—迭山斷裂東南端5個臺站都出現(xiàn)了異常。測項分布上,流體有5個,占流體總臺項數(shù)的35%;電阻率有2個臺站4個臺項,占電阻率總臺項數(shù)的80%;形變異常臺項雖然最多,為6個臺站9個臺項,但占形變總臺項數(shù)的比例并不高,為33%。異常形態(tài)以趨勢轉(zhuǎn)折和破年變?yōu)橹?異常開始時間為震前25個月到5個月。

圖2 地球物理定點異常臺站空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of geophysical fixed-point stations with anomalies

表1 地球物理定點觀測異常特征統(tǒng)計表Table 1 Anomaly characteristics of geophysical fixed-point observation data

2 異常與地震關(guān)系分析

2.1 異常的重現(xiàn)性

位于同一斷層且距離較近的地震,當(dāng)震級相差不大時,在孕育過程中應(yīng)力場的變化引起的異常應(yīng)具有相似性特征,因此異常的重現(xiàn)性是判斷異常與地震關(guān)系的重要指標(biāo)。2013年7月 22日,在夏河地震的發(fā)震斷層上發(fā)生了岷縣—漳縣MS6.6地震,兩次地震震中相距160 km,震級相差0.9。在岷縣—漳縣地震前已觀測且在夏河地震前出現(xiàn)異常的臺站有7個,除臨夏深層水溫之外,其他都在岷縣—漳縣地震前出現(xiàn)了異常(圖3)。

圖3 岷縣漳縣MS6.6和夏河MS5.7地震前異常曲線Fig.3 Anomalious curves before Minxian-Zhangxian MS6.6 and Xiahe MS5.7 earthquakes

兩次地震前,臨夏水位和兩水水位都呈現(xiàn)為上升→下降→發(fā)震→恢復(fù)變化;樊壩水位都呈現(xiàn)為上升→發(fā)震→恢復(fù)變化;臨夏應(yīng)變NS向都為低值變化,異常期間發(fā)震;宕昌傾斜EW向異常開始都為加速東傾,轉(zhuǎn)折加速西傾后發(fā)生地震;武山22號井水氡2次地震前異常略有差別,岷縣—漳縣地震表現(xiàn)為下降→快速上升→轉(zhuǎn)平→地震;而夏河地震前表現(xiàn)為下降→轉(zhuǎn)平→地震,但都出現(xiàn)了下降→轉(zhuǎn)折變化。因此,根據(jù)異常重現(xiàn)性特征,臨夏水位、兩水水位、樊壩水位、臨夏應(yīng)變NS分量和宕昌傾斜EW分量異常變化作為夏河地震的前兆異常信度最高,其次為武山22號井水氡,臨夏水溫最低。

2.2 多學(xué)科異常協(xié)調(diào)性特征

相同地質(zhì)環(huán)境和構(gòu)造背景下的地球物理場定點觀測,多學(xué)科異常演化上具有協(xié)調(diào)性特征[15]。本文提取出的異常臺站集中分布在兩個地區(qū),一個為西秦嶺北緣斷裂帶兩側(cè),一個為光蓋山—迭山斷裂帶東南端(圖2),且都包含流體、形變和地電阻率測項。

2.2.1 西秦嶺北緣斷裂

位于西秦嶺北緣斷裂兩側(cè)的異常臺站有4個,分別為臨夏臺、劉家峽臺、武山臺和天水北道臺,其中臨夏臺為多學(xué)科綜合測點。除武山臺位于斷裂南側(cè)外,其他都位于斷裂北側(cè),臨夏臺和劉家峽臺相距12.8 km,另外2個臺相距較遠(yuǎn)且分散(圖2)。臨夏測點的5項異常,除電阻率為布極測量外,流體和形變測點相距僅幾米。

從表1可看出,異常時間協(xié)調(diào)性變化上,臨夏水位、水溫和鉆孔應(yīng)變NS向異常出現(xiàn)的時間完全同步,都為2017年10月,并且當(dāng)水位和應(yīng)變2018年10月同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時,電阻率兩個測向出現(xiàn)了異常。劉家峽鉆孔應(yīng)變異常的出現(xiàn)時間與距離最近的臨夏測點并不同步,但與武山水氡異常的轉(zhuǎn)折時間同步。天水鉆孔應(yīng)變異常出現(xiàn)在2019年5月,同期沒有異常出現(xiàn)或轉(zhuǎn)折。

異常變化形態(tài)上,最早出現(xiàn)異常的臨夏測點(由于武山22號井水氡異常開始時間存在環(huán)境的干擾,再此不做分析),鉆孔應(yīng)變NS向為低值變化,同期水位在平穩(wěn)變化的背景下快速上升,水溫上升速率變緩。即在臺站NS向受壓的狀態(tài)下,賦存流體的孔隙壓力增加,水位出現(xiàn)上升變化。由于該觀測井為正溫度梯度,水溫上升速度減緩,表明使水位上升的主要地下水來源于水溫觀測層之上。當(dāng)應(yīng)變NS向下降到最低至緩慢恢復(fù)時,受力狀態(tài)由受壓趨向拉張,水位雖然仍偏高,但出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折下降變化,同期電阻率在下降的背景上出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。即在臺站NS向拉張狀態(tài)下,孔隙壓力下降,水位下降,電阻率觀測層含水率降低,電阻率在下降的背景下轉(zhuǎn)平。劉家峽鉆孔應(yīng)變,雖然同期臨夏測點沒有異常出現(xiàn)或轉(zhuǎn)折,但NS和NE向出現(xiàn)了各向異性變化,且與臨夏鉆孔應(yīng)變NS向反映的應(yīng)力狀態(tài)一致。天水鉆孔應(yīng)變NS和NW向都為破年變高值異常,其中NS向與臨夏和劉家峽鉆孔應(yīng)變NS向反映的受力方向一致。

因此,臨夏水位和鉆孔應(yīng)變NS向異常不僅在時間上具有很好的協(xié)調(diào)性,而且具有階段性配套性特征,都反映的是區(qū)域應(yīng)力的變化,異常信度最高。臨夏電阻率、臨夏水溫、劉家峽鉆孔應(yīng)變和武山22號井水氡異常雖然在時間演化上,都有與之對應(yīng)的異常測項,且可以用應(yīng)力變化解釋異常形態(tài)的變化,但異常演化上沒有階段性特征,異常信度較低。天水鉆孔應(yīng)變異常演化上與其他異常在時間上不具有協(xié)調(diào)性,也沒有配套性,信度最低。

2.2.2 光蓋山—迭山斷裂

光蓋山—迭山斷裂有5個臺站出現(xiàn)異常,其中位于斷裂東南端的4個臺站分布在方圓14 km范圍內(nèi),分別為武都(傾斜)、樊壩(水位)、兩水(水位和應(yīng)變)以及漢王(電阻率)臺,宕昌(傾斜)臺位于光蓋山—迭山斷裂北東側(cè)且更靠近臨潭—宕昌斷裂,與其他4個臺站集中區(qū)相距78 km(圖2)。

兩水為多測項測點,其水位和鉆孔應(yīng)變EW向在2017年9月同步出現(xiàn)異常,同期,樊壩水位和武都水管傾斜NS向也出現(xiàn)了異常變化,異常都表現(xiàn)為上升。2018年8—10月,當(dāng)兩水水位由上升轉(zhuǎn)為恢復(fù)性下降時,宕昌傾斜EW向出現(xiàn)了東傾異常,兩水鉆孔應(yīng)變NS向由上升轉(zhuǎn)平。2019年1—3月出現(xiàn)了成組轉(zhuǎn)折的協(xié)調(diào)性變化,包括漢王電阻率、兩水鉆孔應(yīng)變EW向和武都水管NS向都轉(zhuǎn)為恢復(fù)性的下降。漢王電阻異常的開始時間與其他測項不具有協(xié)調(diào)性,宕昌傾斜EW向異常轉(zhuǎn)折時間最晚,為震前5個月,同期也沒有其他異常開始或轉(zhuǎn)折(表1和圖5)。

因此,兩水水位、兩水鉆孔應(yīng)變EW向和武都水管傾斜NS向異常不僅在時間演化上具有協(xié)調(diào)性,并且具有配套性,因此它們的信度最高。樊壩水位,兩水鉆孔NS向異常雖然在時間上具有協(xié)調(diào)性特征,但并沒有配套性。漢王電阻率NS向和EW向以及宕昌傾斜EW向異常出現(xiàn)了配套性,但異常出現(xiàn)時間或轉(zhuǎn)折時間與其他測項不協(xié)調(diào),因此它們的信度較低。

2.3 地球物理場定點異常時空演化

異常集中區(qū)多學(xué)科異常的協(xié)調(diào)性變化特征是判斷異常信度的主要依據(jù)之一,但作為地震異常,整個孕震區(qū)域的異常在時空演化上也相互關(guān)聯(lián)且協(xié)調(diào)一致。

時間演化上(圖6),除漢王電阻率和天水應(yīng)變異常的開始時間以及宕昌傾斜異常的轉(zhuǎn)折時間比較離散之外,其他異常演化共經(jīng)歷了3個時段:第一時段為震前27～25個月(2017年7—9月),為異常開始的時間,這與《中國震例》(2011—2012)[20]記載的3次MS5.7～5.8地震異常的開始時間是一致的;第二時段為震前14～11個月(2018年8—11月),包括了異常的開始和轉(zhuǎn)折;第三階段為震前9—7個月(2019年1—3月),主要為異常的轉(zhuǎn)折。異常演化的3個階段正好對應(yīng)了地震孕育的3個階段。

圖6 異常時空演化圖Fig.6 Temporal and spatial evolution of anomalies

空間演化上,不論哪個階段出現(xiàn)或轉(zhuǎn)折的異常,都分布在整個研究區(qū)域(圖6),沒有明顯的時空轉(zhuǎn)移特征,這與《中國震例》中總結(jié)的相當(dāng)震級的震例是一致的。

異常形態(tài)上,除水位為高值異常外,位于臨夏地區(qū)的其他測點,主要表現(xiàn)為低值異常,而位于武都地區(qū)的測點,主要表現(xiàn)為高值異常,不同區(qū)域出現(xiàn)了各向異性變化。杜學(xué)彬等[21]研究發(fā)現(xiàn)電阻率異常呈現(xiàn)出與震源機制解最大應(yīng)力軸方位有關(guān)的各向異性變化。野外試驗證實壓應(yīng)力加載過程中壓應(yīng)力方向電阻率呈下降變化,剪應(yīng)力方向電阻率呈上升變化[4-5,22],并且電阻率的變化不僅與孔隙飽水量有關(guān),也與裂隙的擴展有關(guān)[23]。根據(jù)震源機制解,夏河地震的主壓應(yīng)力方向為N248°E,表明臨夏地區(qū)位于主壓應(yīng)力區(qū),武都地區(qū)位于剪切應(yīng)力區(qū)域(圖2)。異常方向性上,臨夏地區(qū)的大多為NS向異常,而武都地區(qū)大多為EW向異常,這與臺站相對于震中的方位是一致的。因此兩個區(qū)域異常形態(tài)的差異性變化正好反映了孕震過程中的異常變化的象限性分布特征。

因此,根據(jù)異常時空演化協(xié)調(diào)性特征,作為夏河地震的前兆異常,天水鉆孔應(yīng)變信度最低,其次為漢王電阻率和宕昌傾斜,其他異常信度都比較高。

2.4 震后異常變化分析

震后異常是否恢復(fù)是判斷異常與地震關(guān)系的重要依據(jù),從圖4和圖5可以看出,至2020年4月底,18項異常中,12項已經(jīng)恢復(fù)或在恢復(fù)中,6項異常持續(xù)震前的狀態(tài),持續(xù)異常為臨夏電阻率NS、EW向,臨夏水溫,武山水氡及劉家峽鉆孔應(yīng)變NS、NE向。空間上,異常持續(xù)的臺站全部位于西秦嶺北緣斷裂兩側(cè),并且距離震中最近的2個臺站的7項異常只有臨夏水位和臨夏鉆孔應(yīng)變NS向2項異常恢復(fù)。因此,除震后未出現(xiàn)恢復(fù)跡象的這6項異常信度比較低之外,其他的信度相當(dāng),都比較高。

圖4 西秦嶺北緣斷裂地球物理定點異常曲線Fig.4 Anomaly curves of geophysical fixed points along the northern margin fault of West Qinling

3 地球物理定點觀測異常信度合成及結(jié)果分析

首先將各種判斷方法劃分的異常信度從高到低依次記為1、2、3,再對各種異常信度劃分方法賦予一定的權(quán)重,由于重復(fù)性和震后變化作為判斷地震異常的依據(jù)可靠性更高,因此給它們都賦予0.3的權(quán)重,而其他2種方法賦予0.2的權(quán)重。同一方法下,1的信度為80%,2的信度為60%,3的信度為40%。由于大部分異常臺站2013年岷縣—漳縣地震前沒開始觀測,根據(jù)概率法,這些臺站異常重復(fù)性上信度都定為50%。根據(jù)賦值利用式(1)計算出各個異常的綜合信度值。

異常綜合信度=∑(信度×權(quán)重)

(1)

表2顯示,18項異常的信度都在50%以上,表明該批異常作為夏河地震的前兆異常基本可信。其中異常信度最高的是臨夏水位、臨夏鉆孔應(yīng)變NS向和兩水水位,信度達(dá)到了80%,其次為兩水鉆孔應(yīng)變EW向、宕昌鉆孔應(yīng)變EW、武都水管傾斜NS向和樊壩水位,異常信度都在70%以上,異常信度最低的為臨夏水溫和天水鉆孔應(yīng)變,信度在55%以下。2019年度跟蹤的8項異常中5項的信度在70%以上。

表2 異常信度合成結(jié)果Table 2 The reliability values of anomalies

從空間分布來看,位于西秦嶺北緣斷裂帶兩側(cè)的異常信度大多低于光蓋山—迭山斷裂附近的,特別是距離震中最近的臨夏和劉家峽臺站的7項異常中,5項異常的信度最高才61%,距離較遠(yuǎn)的武都地區(qū)的異常62.5%的異常信度在70%以上。從圖1可以看出,光蓋山—迭山斷裂和發(fā)震斷裂為東昆侖斷裂向北擴展過程形成的幾乎平行的兩條斷裂,東昆侖斷裂向北擠壓和向東的運動是該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中的主要原因,也是該區(qū)中強地震的主要孕震環(huán)境和機制[15],由此可見光蓋山—迭山斷裂與地震孕育的關(guān)系更為緊密。另外信度低的異常在西秦嶺北緣大斷裂北側(cè),而地震發(fā)生在斷裂南側(cè),是否存在大斷裂的阻隔作用還需另行分析。

4 結(jié)論

對位于甘東南地區(qū),且在西秦嶺北緣和東昆侖斷裂之間的地球物理定點測點16個臺站63個臺項進(jìn)行了全時空分析,震前9個臺站18個臺項出現(xiàn)異常變化,通過異常的重復(fù)性、多學(xué)科前兆協(xié)調(diào)性、異常時空演化及震后異常變化等4個方面進(jìn)行了分析,根據(jù)分析結(jié)果計算了各個異常的信度。

(1)異常重復(fù)性上,臨夏水位、兩水水位、樊壩水位、臨夏應(yīng)變NS分量,宕昌傾斜EW分量異常作為前兆異常信度最高,其次為武山22號井水氡,臨夏水溫最低。

(2)多學(xué)科前兆協(xié)調(diào)性上,臨夏水位、臨夏鉆孔應(yīng)變NS向、兩水水位、兩水鉆孔應(yīng)變EW向、武都水管傾斜NS向和作為前兆異常信度最高,臨夏電阻率、臨夏水溫、劉家峽鉆孔應(yīng)變和武山22號井水氡、樊壩水位,兩水鉆孔NS向、宕昌傾斜EW向及漢王電阻率NS向和EW向異常相對較低,天水鉆孔應(yīng)變信度最低。

(3)異常時空演化上,天水鉆孔應(yīng)變信度最低,其次為漢王電阻率和宕昌傾斜,其他異常信度都比較高。

(4)震后異常變化上,震后半年,與震中構(gòu)造更加密切的光蓋山—迭山斷裂東南端的異常完全恢復(fù),距離震中較近的臨夏和劉家峽異常大多未恢復(fù)。

(5)異常信度合成結(jié)果顯示,本文提取出的異常信度都在50%以上,表明這些異常作為夏河地震的異常基本可信,但信度上存在差別,天水鉆孔和臨夏水溫信度最低,低于55%,臨夏水位、兩水水位和臨夏鉆孔NS向信度最高,達(dá)到了80%。從學(xué)科來看,流體類異常信度較高,其次為形變類;從空間上來看,信度較低的異常臺站位于西秦嶺北緣斷裂北側(cè),特別是距離震中最近臨夏和劉家峽地區(qū),這與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的集中有關(guān),是否還存在深大斷裂的阻隔作用還需以后深入分析。該研究結(jié)果也證實離開構(gòu)造背景僅從幾何距離確定地震異常的范圍存在著不合理性。