寧強MS5.3地震前的LURR綜合分析

王秋寧

(陜西省地震局, 陜西 西安 710068)

0 引言

陜西地處南北地震帶北端,青藏高原塊體東北緣與鄂爾多斯地塊西南緣在這里碰撞,關中地區構造斷裂發育,歷史上發生過華縣8級地震。據中國地震臺網測定,2018年9月12日在陜西省漢中市寧強縣(105.69°E、32.75°N)發生MS5.3地震,震源深度11 km,震中位于青川斷裂附近。青川斷裂是龍門山斷裂帶的主要分支之一,西起平武,向東經青川至勉縣,終止于漢中盆地,主體呈NE向展布,全長約265 km[1-2]。此次地震發生在2008年汶川MS8.0地震余震區北段,屬于余震區北段的一次較強的起伏活動。

加卸載響應比(Load Unload Response Ratio,LURR)計算方法是在20世紀80年代基于巖石應力與應變的非線性響應提出的地震預測方法[3-5],用來度量地殼介質的損傷程度。理論上任何能夠反映孕震區介質損傷、失穩過程的地球物理量均可以作為響應量。Yu等[6-10]嘗試將庫侖應力觸發模型與加卸載響應比進行結合,提高了加卸載響應比方法中對有效剪切應力判斷的準確性,同時也拓展了加卸載響應比方法在其他觀測數據中的應用。孕震過程中,劇烈的區域構造活動常導致場地應力應變、地下流體的運移狀態等發生變化,形變、流體、電磁等觀測與巖體形變、流體滲流的過程密切關聯,因此這種變化通常在其觀測數據中得以體現[11-17]。以往加卸載響應比計算方法主要應用于測震資料[3-5],而相對較少應用于地球物理資料[14-17],由此,基于多種地球物理觀測資料計算加卸載響應比,綜合分析探討孕震過程中巖體的應力狀態變化具有理論基礎和發展必要。

寧強MS5.3地震在構造體系上屬于青藏塊體東北緣的巴顏喀拉地塊與秦嶺造山帶和大別山構造帶的交界部位,也屬于我國著名的南北地震帶中北段,其復雜多樣的構造變形模式和構造活動特征是該地區中強地震孕育和發生的重要原因[18]。本文擬基于寧強MS5.3地震震中周圍陜西區域地球物理觀測資料,采用庫侖應力觸發模型的加卸載響應比計算方法,計算地下水位、洞體應變、體應變和地電場的LURR值,總結此次地震前的異常特征,探索加卸載響應比在多重物理參數中的應用,旨在進一步認知地震孕育的物理過程。

1 資料與方法

1.1 觀測資料

基于陜西區域地球物理觀測資料,選取震中距在500 km內,且在2014年1月1日—2018年12月31日連續觀測的臺站。經篩選后確定5個地下水位、7個洞體應變、4個體應變及4個地電場站點用于本研究,各異常站點分布、震中距、儀器型號、運行情況等見圖1和表1(統計時間截止2018年年底)。其中乾陵有洞體應變、體應變、地電場三種觀測手段,西安有洞體應變和體應變兩種觀測手段。

表1 異常觀測站點基本信息統計Table 1 Statistics of basic information of abnormal observation stations

圖1 寧強MS5.3地震震中周圍陜西區域地球物理站點分布圖Fig.1 Distribution map of geophysical stations in Shaanxi region around the epicenter of Ningqiang MS5.3 earthquake

對各站點的觀測儀器、觀測系統、觀測環境等進行分析,其中寧強洞體應變儀數采故障導致EW分量產生毛刺較多,其他儀器運行基本正常,數據基本可用。

1.2 加卸載響應比方法

地震孕育的物理實質為震源區內介質的變形、損傷并導致最終失穩。加卸載響應比(LURR)是在斷裂力學、損傷力學、非線性科學等研究成果基礎上提出的地震預測新方法[12,15-16],用來度量地殼介質損傷程度。傳統的加卸載響應比計算方法主要通過小震釋放的Benioff應變進行計算。文中收集2018年寧強MS5.3地震距震中500 km內的陜西區域地下水位、洞體應變、體應變及地電場等觀測資料,數據起止時間為2014年1月1日—2018年12月31日。分別取水位、應變、地電場觀測資料一段時間內的平均值作為響應量(應變、地電場觀測資料為矢量觀測,取一段時間內的觀測資料絕對值的平均值作為響應量),定義加卸載響應比為[14-16]:

(1)

式中:N+、N-分別代表處于加載和卸載狀態的測值總數;Mi為第i個觀測值;“+”、“-”分別表示加載和卸載。

在數據處理過程中,首先對原始數據進行預處理,主要包括去突跳、插值,保證數據的連續性、可靠性、穩定性等。之后利用Butterworth濾波器保留12～24 h的潮汐頻段信息,通過庫侖應力觸發模型的加卸載響應比計算方法,得到各觀測手段的加卸載響應比值,其中計算時間窗長為60天,滑動步長為30天[16],計算庫侖破裂應力采用的內摩擦系數為0.4[6-7,14-16]。構造參數采用USGS (https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的寧強MS5.3地震震源機制解結果,走向、傾角、滑動角分別為86°、167°、6°。

2 加卸載響應比分析

2.1 地下水位LURR

選取2014—2018年正常觀測的涇陽、洛南、毛西、雙王及石泉等5口井(其位置分布如圖1所示),計算其水位LURR值。石泉井深約400 m,屬于深部承壓井,距離此次地震震中234 km;從圖2(d)中可以看出,其LURR值變化較為平穩,保持在1.06附近波動;2017年10月開始波動幅度增大,同年12月達到極大值1.09,之后逐步下降;2018年8月達到極小值1.02;寧強MS5.3地震發生在下降之后的上升階段。洛南井深約200 m,其LURR存在明顯的年變形態,但對比歷年的變化幅度仍可看出異常信息,且其異常變化與石泉井具有準同步性,均在2017年12月達到極大值。

圖2 地下水位加卸載響應比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.2 LURR of groundwater level (2014-01-01—2018-12-31)

選取的5口井中,涇陽、毛西和雙王井水位LURR值看不出明顯的異常變化,石泉和洛南井水位LURR出現了異常變化,且變化具有準同步性。

2.2 地應變LURR

選取的陜西區域7個洞體應變觀測站中,華陰和西安兩個站點加卸載響應比出現了異常變化。圖3繪制了兩個異常站點的整點值波形以及LURR時序圖。圖3(b)中華陰NE向LURR值在2017年8月出現高值后數據變化較為平穩,2018年2月開始波動,2018年5月再次出現高值。圖3(d)中西安NS向LURR值變化較為平穩,圍繞在1附近小幅波動,2018年5月開始逐漸變大,到2018年7月達到極大值。

圖3 洞體應變加卸載響應比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.3 LURR of cave strain (2014-01-01—2018-12-31)

需說明,2017年8月8日四川九寨溝MS7.0地震震中距離陜西省界約154 km。文中所用到的7個洞體應變觀測站中,華陰和平利距離此次地震震中超過500 km,而其他5個站點均分布在震中500 km以內。因此,在繪圖過程中對此次地震進行了標注。

選取的乾陵、西安、安康及寧陜等4個體應變觀測站中,寧陜自2018年2月開始LURR值波動,3月達到極大值,之后變化逐步平穩[圖4(b)]。寧陜距離2017年8月8日九寨溝地震震中約419 km,可以看出LURR值在震前也有波動變化。需說明,圖4(a)中寧陜體應變整點值曲線中,2016年9月28日—10月12日由于供電線路漏電,導致數據出現階變甚至超限,儀器不斷開閥自動調零,線路維修后數據恢復正常。從圖4中可以看出,該故障對LURR計算影響較小。此外,圖4(b)中LURR曲線2015年底也表現出較為明顯的異常變化,查閱了臺站觀測日志,這期間沒有明顯的干擾源,2016年該觀測站點500 km范圍內發生4級以上地震6次,最大震級為MS4.8,異常變化是否與這些地震有關還需進一步研究。

圖4 寧陜體應變加卸載響應比(2014-01-01—2018-12-31)Fig.4 LURR of volumetric strain at Ningshan station (2014-01-01—2018-12-31)

乾陵、西安及安康等3個站體應變LURR值看不出明顯的異常變化,寧陜站LURR值在震前半年出現了高值。

2.3 地電場LURR

選取乾陵、周至、合陽和寶雞等4個地電場觀測站,通過庫侖應力觸發模型的加卸載響應比計算方法得到LURR值。圖5(a)周至地電場原始觀測數據看不出明顯異常,計算的LURR值2018年4月開始增大,6月出現極大值1.3[圖5(b)]。

根據大地電場的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型[11],計算周至地電場優勢方位角,可看出2018年4月開始方位角背景值發生偏轉[圖5(c)],這與LURR異常變化在時域上較為同步。乾陵、合陽和寶雞3個站LURR值看不出明顯的異常變化。

需說明,圖5(a)中LURR值在2014年初、2015年也表現出異常變化,通過查閱觀測日志確定這期間觀測環境沒有出現明顯的變化。2014—2016年距周至地電場觀測站500 km內發生的MS4.0及以上地震較多,最大震級為MS4.9,LURR異常變化是否與這些地震關聯,尚需進行更多的研究。

3 討論

利用地球物理觀測資料進行LURR計算具有連續性好、計算結果波動范圍小等優點。地應變觀測的是由巖石應力改變導致的巖石應變變化,是體現巖石由彈性變形至損傷、再至失穩破壞過程中最直接的物理量,在震前更易觀測到巖石的異常變化。在構造應力作用下,承壓含水層破壞、變形、滲透率改變等,地下水位與巖石圈含水體的變形破裂密切相關,作為反映地震孕育發生過程的重要指標,其變化能夠靈敏反映地震孕育發生過程,因而受到廣泛的研究關注[19-20]。地電場波形的異常變化一方面與巖石所受應力的突變有關,另一方面可能反映巖石微破裂加劇導致地下水向破裂區滲流的現象[11,14,17]。

表2對2018年寧強MS5.3地震前陜西區域的地下水位、洞體應變、體應變及地電場等4種資料的LURR異常信息進行了統計。可看出,地下水位LURR出現異常變化時間最早,出現極大值的時間也最早,洞體應變、體應變和地電場LURR異常開始時間集中在2018年2—5月,極大值出現時間集中在2018年3—7月。從各觀測手段的異常變化幅度來看,地下水位的變化幅度最小,地應變的變化幅度最大,如寧陜體應變異常幅度達2倍以上,地電場的變化幅度居中。從空間分布看,不同測項的異常站點有分布較為集中的現象。

表2 寧強MS5.3地震前陜西區域地球物理觀測資料LURR異常信息統計Table 2 LURR anomaly information statistics of regional geophysical observation data in Shaanxi Province before the Ningqiang MS5.3 earthquake

總體上,通過地球物理觀測資料計算加卸載響應比,基本能反應出孕震過程中地下巖體介質的動態變化。應用以上4種觀測資料計算LURR,結果表明在大部分時間LURR值基本保持在1.0附近,在地震前2—9月出現了高值,這一現象與以往的研究結論一致[14-17]。地應變、地下水位和地電場等地球物理觀測資料反映的LURR演化具有準同步性,這為嘗試多種觀測資料計算LURR,進行多重物理量相互驗證,提高異常信息的可信度、提升數據的利用率等提供了參考。

值得注意的是,從表2中可看出異常站點距離九寨溝MS7.0震中相對較遠,這可能是九寨溝地震前LURR沒有表現出異常的原因之一。另一方面根據USGS(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的震源機制解結果顯示,九寨溝MS7.0的走向、傾角、滑動角分別為246°、57°、-173°;寧強MS5.3的走向、傾角、滑動角分別為86°、167°、6°,兩次地震的主壓應力P走向夾角為160°,應力方向差異較大,因此這可能是九寨溝地震前沒有異常的另一原因。顯然,這還有待進一步深入研究。

4 結論

基于2018年寧強MS5.3地震震中500 km內陜西區域地球物理資料,采用庫侖應力觸發模型的加卸載響應比計算方法,計算了5個地下水位、7個洞體應變、4個體應變以及4個地電場觀測站點LURR,對此次地震前異常特征進行了分析討論,初步有以下認知:

(1) LURR異常出現時間集中在2017年年底到2018年5月,其中地下水位LURR出現異常變化時間最早,出現極大值的時間也最早,洞體應變、體應變、地電場LURR異常開始時間較晚,集中在2018年2—5月,極大值出現時間集中在2018年3—7月。

(2) 地下水位、地應變、地電場等觀測資料反映的LURR異常演化具有準同步性,這為嘗試多種觀測資料計算LURR,進行多重物理量相互驗證,提高異常信息的可信度等提供了參考。

(3) 從各觀測手段的異常變化幅度來看,地下水位的變化幅度最小,地應變的變化幅度最大,地電場的變化幅度居中。從空間分布看,不同測項的異常站點有分布較為集中的現象。

(4) 周至地電場LURR與優勢方位角異常變化在時域上較為同步。這兩種方法在機理上具有關聯性,反映的都是應力調整下的巖體變形、流體運移等,綜合分析可能有助于提升認識的可靠性。

從站點分布上看,文中所用的陜西區域數據主要分布在此次地震震中的東側和東北側,因此得出的結論具有區域性,這對檢驗陜西區域地球物理觀測資料、提升數據的應用率等具有一定的意義。然而,全面分析寧強MS5.3地震的異常特征,還需開展更多的研究。

致謝：文中使用的LURR計算程序來自余懷忠研究團隊,審稿專家提出了寶貴的修改意見,作者在此一并表示感謝。