甘肅臨夏臺地電阻率變化特征分析

甘肅臨夏臺地電阻率變化特征分析

0地震活動地區(qū)、震例研究及地震勘探方向作為一種主動源觀測方法，現(xiàn)場電壓法來自地球儀的電壓法，但與地球儀電壓法觀測中強調的電壓隨空間的變化而變化的情況不同。地下電壓站的地壓觀測表明，在同一地點的地下固定體積中，電壓隨時間的變化而變化，即“位置不變”的視電壓變化。我國自1966年邢臺7.2級大地震之后,開始了地電方法預測地震的試驗與研究,在40余年的地震監(jiān)測預測工作中,積累了豐富的觀測資料。大量實踐和研究表明,在我國大陸發(fā)生的多數(shù)中強地震前都監(jiān)測到了明顯的地電阻率前兆異常變化,特別是7級以上強震;震前地電阻率異常多以下降型的負異常為主,且90%的地震是發(fā)生在地電阻率出現(xiàn)異常性轉折和回升后的時段內(錢復業(yè)等,1982;錢家棟,1993;王志賢等,1996;汪志亮等,2002)。此外,大量的震例研究和巖石物理實驗結果也表明,巖石破裂過程中地電阻率經歷了“下降-轉平-震后恢復”的過程(陳大元等,1992;陸陽泉等,1990,1998;王志賢等,1994;張洪魁等,1996)。這些研究為利用地電觀測數(shù)據(jù)進行地震預測提供了可能,但也使我們清醒地認識到前兆異?！皶r-空-強”演化的復雜性和多樣性,即使同一地區(qū)發(fā)生的地震,地電阻率的前兆異常變化也會存在差異。目前的定點地電阻率觀測,探測深度較淺,觀測到的主要為地殼近地表淺層介質的電性結構變化,而這個層位易受降水、地下水位和溫度等季節(jié)性因素的影響(劉允秀等,1999;解用明等,2005;杜學彬等,2008)。因此,地電阻率觀測資料往往表現(xiàn)出規(guī)則完整的年變形態(tài)。目前只有少數(shù)臺站進行井下觀測,觀測數(shù)據(jù)未顯示規(guī)律性的年變形態(tài),地電阻率ρ甘東南地區(qū)(32.5°~36.5°N、102°~107°E)地處青藏高原東北緣,是地殼厚度的陡變帶和重力變化的梯度帶,地質構造復雜。區(qū)內多組活動斷裂發(fā)育,地震活動頻繁,歷史上曾發(fā)生過多次中強地震。汶川8.0級地震的發(fā)生,使得本區(qū)可能已處于構造活化的時段,其未來的地震危險性備受關注。臨夏臺作為甘東南地區(qū)地電觀測網中監(jiān)測效能較好的地電阻率測點,其所處構造位置特殊、觀測時間長且測量極距大。因此,本文以甘肅省臨夏臺地電阻率多年資料為基礎,在分析臨夏臺地電阻率年周期變化的基礎上,研究了降水和地下水位對該臺地電阻率的影響,探討了甘肅省及鄰近地區(qū)幾次中強地震與該臺地電阻率變化的對應關系。1地質背景和地電阻率臨夏臺始建于1970年,為省級臺,是目前甘肅省內唯一使用DDC-2A電子自動補償儀進行觀測的臺站。觀測線路采用被覆線、裸線架空。2004年進行了臺站改造,目前仍有部分外線路為裸線。作為甘東南地區(qū)的重要臺站,該臺地處臨夏折橋鄉(xiāng),海拔1830m,位于鄂爾多斯、阿拉善和青藏塊體的交接部位,次級構造上位于祁連山和甘東南次級地塊的交接部位,構造位置特殊(圖1)。貫穿臨夏地區(qū)的大夏河,是黃河上游重要的一級支流,降水和雪山融水是主要補給源(李小榮,2010;王漢卿,2011)。臺站距大夏河約2km,測區(qū)地處大夏河的漫灘階地,多為第四系所掩蓋,下伏粘土巖和花崗巖。地電阻率觀測布設有EW和NS兩測向(圖1),電測深曲線表現(xiàn)為A型基礎上的KH型,表層為低阻覆蓋層,勘探深度內地電阻率高達300Ω·m(甘肅省地震局,2003)。由于臨夏臺是大極距觀測(供電極距AB=1500m,測量極距MN=500m),所以布極區(qū)內存在農田、樹林、民居等潛在干擾源。但多年來測區(qū)環(huán)境無顯著變化,因而觀測資料受外界因素影響較小。2008年之后,測值在一定程度上受到測區(qū)環(huán)境變化的影響。主要干擾為測區(qū)內農民建房增多,南測與南供(A2數(shù)據(jù)的年周期特征地電阻率年周期變化作為預測無震活動的重要指標(金安忠,1981;錢復業(yè)等,1987),是指在地震監(jiān)測能力范圍內無地震活動期間測值的年變化形態(tài)(陳有發(fā)等,1998)。加強規(guī)則年變化形態(tài)特征的認識,能更好的識別異常變化。臨夏地電阻率臺自1981年以來近32年的資料中,日均值觀測數(shù)據(jù)僅存在14次缺數(shù),資料的連續(xù)性和完整性較好。EW和NS測向1981年以來各年度日均值數(shù)據(jù)的相關性分析結果顯示,相關系數(shù)達到0.8以上的占67%,最高可達0.98,相關性高(圖2)?？紤]到測區(qū)地處地質構造和地球物理特性復雜的青藏高原東北緣,這個結果在一定程度上也間接表明測區(qū)地下介質電性結構較均勻。兩測向數(shù)據(jù)的年變化幅度較大,達3%(圖3)。通過統(tǒng)計1981年以來觀測數(shù)據(jù)極值分布月份的累計頻次可見(圖4(a)),EW和NS兩測向數(shù)據(jù)的年變周期性顯著,且具有相近的結果。為了更深入地分析該臺資料的年周期變化,本文采用滑動傅里葉分析方法,利用年變形態(tài)完整的年份估算出年周期變化(圖4(a))。結果顯示:整體呈現(xiàn)冬高夏低的特征,幅度達3.7%;極大值多數(shù)出現(xiàn)在1~2月,極小值大多出現(xiàn)在8~10月,與附近大夏河的年流量變化(圖4(b))有一定的對應性(李正南等,1997)。大夏河折橋鄉(xiāng)水文站資料顯示:12月、1~3月為枯水期;6~10月為豐水期,其流量占年流量的70%以上(張榮,2009)。由于利用地電阻率觀測的是一定體積內巖層電性結構隨時間的變化,而區(qū)域內表層電性可能受測區(qū)內環(huán)境、氣象和水文條件變化的影響,因此本文分析了降水和地下水位對臨夏地電阻率的影響。臨夏臺2007年9月增設了降水和地下靜水位觀測,2008年以來的資料完整連續(xù)。鉆探資料顯示:該臺靜水位觀測為承壓水觀測(儀器探頭下放深度約200m)。已有研究表明,承壓水埋藏較深,受外界氣候的直接影響較小,流量變化相對穩(wěn)定(金光炎,2009)。利用2008年以來的地電阻率、降水量和地下靜水位資料做相關性分析(表1),結果顯示,地電阻率與靜水位的相關系數(shù)要高于與降水的相關系數(shù),而2011年靜水位的影響明顯低于其他年份,這與當年兩次DDC-2A儀器故障破壞了數(shù)據(jù)連續(xù)性有關;靜水位和降水量之間的相關性較差,該結果表明,降水經流域下墊面緩慢下滲到地下含水層,又流出補給河流,在這個循環(huán)補給系統(tǒng)中,降水相對靜水位是個獨立的因素,并且滯后效應明顯。此外,2008年之后大夏河的流量逐年下降(王漢卿,2011),同期臨夏臺靜水位變化也逐年下降,臨夏臺地電阻率2008年之后在一定程度上受到測區(qū)環(huán)境變化的影響,但2009年底之后明顯呈現(xiàn)出轉折上升的趨勢。綜上所述,對于臨夏臺地電阻率年周期變化而言,地下靜水位的動態(tài)變化是其主要影響因素。3震影響現(xiàn)象的特征自1981年至今臨夏臺地電阻率已連續(xù)觀測了30余年。在此期間,距臺站550km范圍內發(fā)生M本文主要探討2000年興海M大陸地震往往具有成組活動的特征,即地震的發(fā)生在時間和空間上具有相對集中的特點(張國民等,1995)。大量觀測事實也指出,地電阻率的異常變化與成組地震的發(fā)生有一定的對應性,這種現(xiàn)象在地電阻率臺站密集的華北地區(qū)尤為顯著。在1976年唐山地震、1989年大同地震和1998年張北成組地震發(fā)生時就有多個臺站記錄到長時間的地電阻率異常,并且異常的時空變化對成組強震活動的遷移有一定的指示意義。這種異常多呈現(xiàn)出比單個地震更為復雜的形態(tài)特征,異常往往持續(xù)到成組地震中最后一個強震發(fā)生后才結束(王志賢等,1996;汪志亮等,2000,2002;張學民等,2003)?？傮w表現(xiàn)為趨勢變化背景下的反復升降,呈現(xiàn)出異常持續(xù)時間長、幅度大和恢復慢的特點(表3)。為了突出異常變化過程,對原始數(shù)據(jù)進行了去除單點大值突跳(相對變化≥2%的數(shù)據(jù))、插值補數(shù)和db4小波去噪的預處理,結果較好地保留了數(shù)據(jù)的有效信息。臨夏臺資料在1997~1999年間具有較規(guī)則的年周期變化,2000年6月之后EW和NS測向測值年變幅度不同程度地減小,持續(xù)近2年。該時段內NS測向的異常變化幅度和持續(xù)時間較EW測向更為顯著,其間除雨季(6~9月)造成的周期性影響外,無顯著的干擾記載(圖5(a))。2003年之后,測值恢復了較為正常的年周期變化。為更好地確定臨夏臺地電阻率震兆異常的信度,搜集了美國國家環(huán)境預報中心CMAP候降水量資料,提取了臺站附近2.5°×2.5°格點范圍內1997~2003年間的月平均降水數(shù)據(jù)(圖5(b))。結果顯示,2000~2002年間降水量較往年有減少的趨勢,且雨季降水量也較少。因此,可以排除該時間段內降水影響的可能性。初步認為臨夏臺地電阻率2000年后的異常變化與表3中其它臺站的變化存在一定的對應性,也呈現(xiàn)出異常持續(xù)時間長、幅度大和恢復慢的特點。因此,本文認為該時段測值長時間的異常變化與這組中強地震活動密切相關,對中強地震具有前兆意義。4地電阻率異常本文以臨夏臺1981年以來的地電阻率資料為基礎,在分析該臺地電阻率年變化特征和降水、地下水位對其影響的基礎上,探討了地電阻率在震前的異常變化與臺站周邊中強地震的對應關系。結果表明:(1)臨夏臺EW和NS兩測向多年觀測數(shù)據(jù)具有很高的相關性,間接表明測區(qū)地下介質電性結構較均勻。(2)該臺地電阻率的年周期變化主要來自于表層介質電性結構變化的影響,降水和地下靜水位變化是主要影響因素,其中靜水位的影響占主導作用。(3)由于該臺特殊的構造位置和大極距觀測的特點,測得的電阻率數(shù)據(jù)對甘東南及甘青交界區(qū)的多次中強地震反應敏感,地電阻率作為地震前兆,其異常以下降型破年變異常為主;并在2000年甘青地區(qū)成組中強地震前顯示出異常持續(xù)時間長、幅度大和恢復慢的特點。由于