2013年岷县—漳县MS6.6地震前天水地区地震台地球物理场异常分析

姚赛赛, 刘兴旺, 苏小芸, 陈丽君, 安振宁, 孙常青

姚赛赛,刘兴旺,苏小芸,陈丽君,安振宁,孙常青. 2025. 2013年岷县—漳县MS6.6地震前天水地区地震台地球物理场异常分析. 地震学报,47(0):1−17. DOI: 10.11939/jass.20240032
引用本文: 姚赛赛,刘兴旺,苏小芸,陈丽君,安振宁,孙常青. 2025. 2013年岷县—漳县MS6.6地震前天水地区地震台地球物理场异常分析. 地震学报,47(0):1−17. DOI: 10.11939/jass.20240032
Yao S S,Liu X W,Su X Y,Chen L J,An Z N,Sun C Q. 2025. Analysis of Geophysical field anomalies in Tianshui Station before the Minxian-zhangxian MS6.6 Earthquake,2013. Acta Seismologica Sinica47(0):1−17. DOI: 10.11939/jass.20240032
Citation: Yao S S,Liu X W,Su X Y,Chen L J,An Z N,Sun C Q. 2025. Analysis of Geophysical field anomalies in Tianshui Station before the Minxian-zhangxian MS6.6 Earthquake,2013. Acta Seismologica Sinica47(0):1−17. DOI: 10.11939/jass.20240032

2013年岷县—漳县MS6.6地震前天水地区地震台地球物理场异常分析

基金项目: 甘肃省地震局地震科技发展基金(2022Y-03),中国地震局监测、预报、科研三结合课题(3JH-202301005)
详细信息
    作者简介:

    姚赛赛,本科,工程师,主要从事地电阻率监测及资料应用工作,e-mail:995377254@qq.com

  • 中图分类号: P315.72

Analysis of Geophysical field anomalies in Tianshui Station before the Minxian-zhangxian MS6.6 Earthquake,2013

  • 摘要:

    基于2013年天水地区内地震台的地球物理场资料异常变化情况,对地球物理定点观测资料进行分析,2个台站(天水地电台、武山台)、4个测项(天水地电阻率、武山1号泉水氡、武山22号井水氡和武山竖直摆钻孔倾斜)在岷县—漳县MS6.6地震前出现异常变化。在分析原始数据变化基础上,利用归一化速率方法、从属函数方法和潮汐因子方法,分别提取地电阻率、模拟水氡、钻孔倾斜在岷县—漳县地震前后的异常变化,利用断层虚位错模型总结地球物理场异常与岷县—漳县地震的对应关系。结果显示:岷县—漳县地震前天水台4项资料异常为地震前兆异常,具有清晰的时空演化特征,可能与区域构造应力场在孕震阶段的加卸载作用密切相关,能够真实反映区域地下介质的变化,总结震前地球物理场异常变化对建立天水地区地震预测指标体系具有重要意义。

    Abstract:

    On June 17, 2013, the Tianshui Central Seismological Station submitted an earthquake prediction based on the anomalies of our downhole ground resistivity, Wushan No. 22 well radon, Wushan No. 1 spring radon, and the tilt observation of the Wushan vertical pendulum boreholes, and then an earthquake of MS6.6 occurred on July 22, 2013 in the Minxian-Zhangxian junction of Gansu Province. Therefore, it can be assumed that the above four geophysical field data from Tianshui Station truly reflect the changes of the underground medium in the region before the earthquake. Based on the anomaly analysis of the raw data of the above four data, this paper extracts the anomalies with normalized variation rate, subordinate function, and tidal factor, respectively, and summarizes the relationship between the anomalous characteristics of each measured item and the Minxian-Zhangxian earthquake. Finally, the geophysical field anomalous changes in spatial and temporal characteristics are explored by using the fault virtual dislocation model in combination with the seismic source mechanism solution.

    The pre-earthquake anomalies of Tianshui apparent resistivity are located in Yawan Village, Ma paoquan Town, Maiji District, and the current downhole observation system was officially put into operation as a post-disaster reconstruction project in January 2012, with the electrode buried at a depth of 100 m. The hourly values of the NS, EW, and N45W orientations of Tianshui Station have shown synchronized high-frequency disturbance anomalies since April 9, 2013 to May 9, 2013, with the maximum magnitude of disturbance being 1.83%, 1.00%, and 4.28%, respectively. during which the April 20, 2013 Lushan, Sichuan MS7.0 earthquake occurred. Synchronized high-frequency disturbance anomalies occurred again from June 12, 2013 to August 8, 2013, with maximum disturbance amplitudes of 1.41%, 0.85%, and 0.94%, respectively, during which the July 22, 2013 Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake occurred. And the high-frequency disturbance amplitude of the Lushan earthquake is more obvious, which is related to the different deep structures and seismogenic environments of the two earthquakes. The change of the daily average value of Tianshui apparent resistivity is basically consistent with the resistivity change process in the seismic source area described by the DD model Pore fluid plays a central role in this model.

    Wushan Spring No. 1, Well No. 22, and vertical pendulum borehole tilt are all located in Wushan Seismic Station, Hot Spring Town, Wushan County, Tianshui City, China. The observation point of Wushan No.1 spring is a natural outcrop spring, and Wushan No.22 well belongs to a fully pressurized well, and the distance between them is about 100 m. The background radon value of Wushan No.22 well is 240 (Bq/L), and the background radon value of No.1 spring is 470 (Bq/L), and the radon value of the two measurement points basically changes in a synchronized manner, and it rises since April 2012, with the overall trend of “low value-high value-low value”, and the high value anomaly lasts for about 1 year. The seismic change started from June 25, 2012, and the whole process is “uplift-seismic-decline”. 22 wells and No.1 spring radon values before the quake had the maximum variation of 6.36% and 9.59%, respectively, and the radon values decreased after the quake but did not restore the original background values. The tilt of the Wushan vertical pendulum borehole shows a decreasing and increasing trend of NS and EW components, respectively, since the observation. The rate from July 2012 to February 2013 is 3.11×10−3/day, and the rate from February 2013 to June 2013 is 5.66×10−3/day, and the post-earthquake aberration is in the co-seismic strain order.

    Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake was preceded by a synchronous rising anomaly in three normalized rate curves, and the anomaly threshold was determined to be 0.8. Monthly mean values of Wushan well No. 22 increased from March 2012 to August 2012 with a maximum variation of 13.6%; 13-point sliding values increased from February 2012 to September 2012 with a maximum variation of 8.7%. μ values showed three anomalies larger than the threshold before the earthquake (14 months before the earthquake). The monthly mean value of Wushan Spring No. 1 increased since March 2012, with a maximum variation of 15.7%; the 13-point sliding value increased from February 2012 to November 2012; μ values showed three anomalies larger than the threshold value before the earthquake (14 months before the earthquake), and μ values recovered since August 2013 after earthquakes. The Minxian-Zhangxian MS 6.6 earthquake was preceded by a significant change in the tidal factor, i.e., the γ values of the north-south and east-west components showed a significant step-down from April 2012 to January 2013, which is a medium- to long-term trend change, and the earthquake occurred 6 months after the γ values rebounded.

    The following conclusions can be drawn from the above analysis: (1) All four measurements are located in the stress extrusion region. (2) The geophysical field anomalies of Tianshui station are mainly concentrated within 200 km from the epicenter, and the anomaly evolution and anomaly amplitude show the characteristic anomalous changes of “long-mid-short-proximity” with the change of distance from the epicenter, which is corresponding to the Minxian-Zhangxian earthquakes in time and space. (3) The breeding of earthquakes involves the long-trend background, medium-term anomalies and short-term changes of the geophysical field. After the occurrence of regional earthquakes, we should analyze and summarize the data anomalies and accurately identify the anomalies based on the spatial and temporal strength and morphological characteristics of the precursor anomalies, and set up a database of typical regional seismic examples.

  • 据中国地震台网正式测定,北京时间2013年7月22日7时45分55秒,在甘肃省定西市岷县与漳县交界位置发生MS6.6地震,震中位置(34.52°N,104.23°E)震源深度约为20 km,极震区烈度为Ⅷ度,等震线长轴呈北西走向分布(中国地震局, 2017)。历史上该区域内曾发生过1573 年岷县M6¾、1837年临潭—岷县M6、2003 年岷县MS5.2、2004 年岷县MS5.0等多次中强地震(郑文俊,2013)。

    我国地震预报实行“场的动态监视”与“源的过程追踪”相结合的地震预测思路。 “场的动态”指强震成组孕育及多种前兆场的整体性特征,“源的过程”指震源孕育、发展和破裂过程的个体特征(张国民等,1990),地震预测中检测地震前兆的主要方法为地球物理方法,此外还有大地形变测量和地球化学等方法(陈运泰,2009)。岷县—漳县MS6.6地震发生后,多位学者从不同学科对此次地震进行了跟踪研究,杜学彬等(2013)对甘东南地区地电阻率异常进行分析讨论,认为通渭地电阻率异常存在不确定性;刘君等(2013)分析震中400 km范围内9个地电阻率台站记录,认为通渭、兰州、天水、周至4个台站存在异常,其中兰州和周至两台站受环境干扰严重,通渭台虽受环境干扰但异常信号中包含地震前兆信息,解滔等(2022)从“应力—应变—地电阻率变化”角度进行对此次地震进行了分析,结果显示通渭视电阻率变化与地震孕育过程之间很可能存在力学机制上的联系;杨兴悦等(2013)结合甘东南地下流体中短临异常,得出武山水氡异常较为明显;姜振海等(2013)统计震中300 km范围内15项形变资料,包括武山竖直摆钻孔倾斜在内的4项与此次地震有关。综上,由于地震异常提取和认定的复杂性,前人对岷县—漳县地震的研究主要侧重单一学科或测项讨论。

    2013年天水地震台下辖地球物理测项共30项(电磁9项、流体15项、形变2项、辅助测项4项),分布在通渭县、清水县、武山县和麦积区。2013年天水台地球物理资料异常丛集出现后,天水台基于前期开展的异常核实工作,将天水台地电阻率、武山22号井水氡、1号泉水氡和武山竖直摆钻孔倾斜观测数据异常作为地震前兆异常,并于2013年6月17日向甘肃省地震局提交地震预测意见。

    本文基于以上4个测项的原始异常数据,利用归一化速率、从属函数、潮汐因子等方法提取数据异常,总结各测项异常特征与岷县—漳县地震的关系,并采用断层虚位错模式,从“应力—应变—地球物理场变化”角度,探讨地球物理场异常变化时空演化特征,以期为构建该区域中长期地震预测模型建立地球物理约束。

    岷县、漳县及天水台位于甘东南区域,地处青藏高原东北部、南北地震带中北段,其南北两侧被西秦岭北缘断裂和东昆仑断裂围限,可以看作是这两条大型左旋走滑断裂带之间的巨大左阶岩桥区(袁道阳,2004)。区内活动构造发育,迭部—白龙江断裂带、光盖山—迭山断裂带、临潭—宕昌断裂带、文县—康县—略阳断裂带、康县—略阳断裂带、两当—江洛断裂和礼县—罗家堡断裂等多条规模较大的断裂带共同组成了该地区复杂的“V”字型构造体系(郑文俊,2005)。这些断裂在继承原有挤压逆冲活动基础上,表现出左旋走滑的活动特征(甘卫军,2004)。受青藏高原向北东方向挤压,东昆仑断裂带表现出明显的向北扩展挤压和向东运动,这成为甘东南地区构造应力集中的主要动力,也是甘东南地区中强地震孕育和发生的重要原因(图1)。

    图  1  岷县—漳县MS6.6地震震中、台站位置及周边断裂分布
    本文省界数据引自全国地理信息资源目录服务系统(www.webmap.cn);断裂数据来自于邓起东(2007),由国家地震科学数据中心提供原始数据
    Figure  1.  Distribution of epicenters,station locations and fault zone (The provincial boundary data in this paper are from the National Catalogue Service for Geographic Information (www.webmap.cn);the fault data are from the Active Tectonic Map of China (1∶4 million) compiled by Deng Q D,2007,with original data provided by the National Earthquake Data Center.)

    天水地电阻率台位于麦积区马跑泉镇崖湾村(105°54′ E, 34°29′ N),海拔1153 m。测区地处崖湾村与白石村之间的永川河I、Ⅱ级河谷阶地上,第四系覆盖层厚度20—30 m,其下是第三系粘土层,厚约450—500 m,基底为古生界变质岩(图2)。观测方式为井下观测,电极埋深100 m,布设NS,EW和N45°W 等3个测道(图3),电测深曲线是QH型(图4),地下介质电阻率呈现高—低—次高型。

    图  2  天水地电台岩性柱状图(改自甘肃省地震局,2005
    Figure  2.  Petrographic histogram of Tianshui geo- resistivity station (Adapted from Gansu Earthquake Monitoring Annals (Gansu Earthquake Agency,2005))
    图  3  天水地电台布极示意图
    Figure  3.  Electrode Configuration Schematic of Tianshui geo-resistivity station
    图  4  天水地电台电测深曲线图
    Figure  4.  Electrical sounding curve of Tianshui geo- resistivity station

    武山1号泉、22号井、竖直摆钻孔倾斜均位于天水市武山县温泉镇武山地震台。武山温泉出露于台站南侧聂河东岸的大汤沟、小汤沟之中,武山1号泉观测点为天然出露泉,泉水产于断裂带的深层裂隙脉状水;武山22号井属于完全承压井,各个含水层分布深度、厚度及岩性等见图5,1号泉、22号井相距约100 m;1982年钻成CK821井进行地应力观测,井深55 m,2011年对CK821井进行清洗施工后架设竖直摆钻孔倾斜仪进行观测。

    图  5  武山22号井钻孔柱状图(改自甘肃省地震局《武山台建台报告》,2017
    Figure  5.  Petrographic histogram of borehole No. 22( Adapted from Wushan Station Construction Report (Gansu Earthquake Agency,2017

    表1为台站详细运行情况、观测环境及数据质量情况。前期异常核实工作显示,天水地电台、武山台观测环境正常、观测系统稳定,产出资料可靠性较高。

    表  1  4个测项的基础信息
    Table  1.  Basic information of the four measurement items
    序号 名称 观测起始年 仪器型号 东经/° 北纬/° 测点类型 震中距/km 观测环境
    1 天水地电阻率 2 011 ZD8BI 105.90 34.48 井下观测 153 正常
    2 武山1号泉水氡 1 990 FD-125 105.03 34.39 上升泉 75 正常
    3 武山22号井水氡 1 982 FD-125 105.05 34.64 热水井 75 正常
    4 武山竖直摆钻孔倾斜 2 012 CZB-2A 105.05 34.65 井下探头 76 正常
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    根据以往地表地电阻率震例总结,MS≥7.0地震前异常空间分布范围上限为400 km (杜学彬等,2000)。天水台NS,EW和 N45°W3个测道的小时值数据自2013年4月9日至2013年5月9日出现同步高频扰动异常,最大扰动幅度分别为1.83%,1.00%,4.28%,异常期间发生了2013年4月20日四川芦山MS7.0地震(震中距540 km)。2013年6月12日至2013年8月8日再次同步出现高频扰动异常,最大扰动幅度分别为1.41%,0.85%和0.94%,异常期间发生了2013年7月22日岷县—漳县MS6.6地震(图6)。芦山地震高频扰动幅度更为明显,与两次地震的深部结构和孕震环境不同有关,主要是芦山地震发生在巴颜喀拉块体与华南块体碰撞边界断裂带即龙门山推覆构造南段,属盲逆断层型地震,符合断展背斜模型(徐锡伟等,2013),而岷县—漳县地震发震断裂为临潭—宕昌断裂,震源区处于倒梯形高阻体西秦岭造山带核部(赵凌强等,2015)。

    图  6  天水台地电阻率小时值曲线(2012—2014)
    Figure  6.  Hourly values of geo- resistivity at Tianshui station (2012−2014)

    图7为2012至2013年地电阻率日均值数据曲线。NW、EW测道地电阻率自2013年6月10日至2013年11月5日下降,最大变幅分别为0.41%和0.46%;N45°W自2013日5月20日至2013年9月16日下降,最大变幅为0.28%。N45°W的异常起始时间早于前两道,异常结束时间迟于前两道。

    图  7  天水地电阻率日均值曲线(2012—2013)
    Figure  7.  Daily mean value of geo- resistivity at Tianshui station (2012−2013)

    岷县—漳县MS6.6地震前后,天水地电阻率日均值变化基本符合DD模式(Dilatancy-Diffusion model)描述的震源区电阻率变化过程(图8),即地震可能是由预先存在断层的运动引起的,它不需要大规模的断裂,孔隙流体在此模型中起核心作用(Mjachkin et al,1975)。

    图  8  电阻率中的膨胀-扩散模型(据Mjachkin,V.I.1975,修改)
    Figure  8.  Dilatancy-Diffusion model in Electrical Resistivity (Modified from Mjachkin Ⅵ,1975)

    在地震孕育和发生的过程中,地下水中溶解氡的含量将发生显著的异常变化,在孕震过程中以趋势性升高为主(张慧等,2005车用太等,1997)。武山22号井背景氡值为240 Bq/L,1号泉背景氡值为470 Bq/L,两个测点的氡值变化基本同步,自2012年4月上升,整体趋势呈“低值—高值—低值”,高值异常持续约1年。临震变化从2012年6月25日开始,整个过程表现为“抬升—发震—下降”。22号井和1号泉氡值震前最大变幅分别为6.36%、9.59%,震后氡值下降但未恢复原有背景值(图9)。

    图  9  武山22号井、1号泉和降雨量日值曲线(2012—2014)
    Figure  9.  Diurnal Variation Curve of NO.22 well,NO.1 spring and rainfall at Wushan station (2012−2014)

    定点形变以原始曲线异常的形态分类可分为速率型、破年变型、趋势转折型异常,最突出的异常通常为变化速率的改变(中国地震局监测预报司,2020)。武山竖直摆钻孔倾斜自观测以来NS、EW分量分别呈下降和上升趋势。2023年6月27日进行年中标定造成缺数,NS分量在标定前未见明显异常,EW分量在标定前的上升(6月15日开始)显示出异常变化,2012年7月至2013年2月速率为3.11×10−3/日,2013年2月至2013年6月速率为5.66×10−3/日,震后畸变为同震应变阶(图10)。

    图  10  武山钻孔倾斜北南、东西曲线
    (a/c) 趋势曲线;(b/d) 短临曲线
    Figure  10.  North-south and east-west curves of borehole tilt at Wushan station
    (a/c) Trend curve;(b/d) Short period curve

    归一化速率法是以一定的步长对月均值曲线做时间轴的斜率,异常阈值统一为±2.4,变化速率<2.4是地电阻率下降异常,变化速率≥2.4 是地电阻率上升异常,控制异常与正常的标准是根据该台和测道以往对应地震情况确定(杜学彬等,2013)。

    岷县—漳县MS6.6地震前3道归一化速率曲线出现同步上升异常,异常阈值确定为0.8,和已有地电阻率阈值±2.4有所区别。是因为目前阈值是根据地表地电阻率统计,而井下电阻率数据变化幅度小,因此阈值更小(图11)。

    图  11  天水电阻率归一化速率曲线
    Figure  11.  NVRM curve of apparent resistivity in Tianshui station

    本质是观测曲线上异常关于时间轴的斜率变化。μ值序列上μ≥0.5的异常反映了地震信息量随时间的变化过程,通过比较认为甘肃地区使用13点滑动平均值作为数据序列计算结果较好(杨兴悦等,2006)。

    武山22号井月均值自2012年3月至2012年8月上升,最大变幅13.6%,9月氡值下降;13点滑动值自2012年2月至2012年9月上升,最大变幅8.7%,10月氡值下降。μ值在震前出现3次大于阈值的异常(震前14个月),自2013年3月下降,之后发生岷县—漳县MS6.6地震(图12)。

    图  12  武山22号井月均值、13点滑动值、从属函数值曲线(2012—2014)
    Figure  12.  Monthly mean value,13-point sliding value,and subordinate function curves of NO.22 well at Wushan station (2012−2014)

    武山1号泉月均值自2012年3月上升,最大变幅15.7%,9月氡值下降;13点滑动值自2012年2月至11月上升,之后缓慢下降;μ值震前出现3次大于阈值的异常(震前14个月),2013年4月μ值下降,2013年4月20日发生芦山MS7.0地震,2013年7月22日发生岷县—漳县MS6.6地震,μ值自2013年8月开始回升(图13)。

    图  13  武山1号泉月均值、13点滑动值、从属函数值曲线(2012—2014)
    Figure  13.  Monthly mean value,13-point sliding value,and subordinate function curves of NO.1 spring at Wushan station (2012−2014)

    倾斜观测信息的优势是潮汐信息,包含地球介质力学性质变化信息。调和分析法能较为有效去除潮汐频段中的局部气象干扰,多表现为中短期异常(郗钦文等,1986张雁滨等,2001)。由于M2波的振幅最大,因此通常计算M2波段的潮汐因子和相位滞后提取异常。岷县—漳县MS6.6地震前潮汐因子出现显著变化,即北南、东西分量γ值在2012年4月至2013年1月出现显著台阶下降,属中长期趋势变化,γ值回升6个月后发生地震(图14)。

    图  14  潮汐因子(γ值)时序变化曲线(2012—2014)
    Figure  14.  Curve of temporal variation of tidal factor (γ-value)(2012−2014)

    以上方法从数据中提取到了异常,但缺少从“数据异常—介质变形—地球物理场变化”这一演化过程及其内在联系分析。为探究天水台地球物理场数据变化与岷县—漳县MS6.6地震关系,利用断层虚位错模式模拟该区域震前应变积累(Lin et al,2004Toda et al,2005)。虚位错模式即将将地震的同震位错按大小相等但方向相反的方式进行加载,获取地震前能够产生这部分同震滑动所需的应力—应变积累的空间分布特征(赵玉林等,1996解滔等,2022)。根据震源参数(表3),计算此次地震介质变形的空间分布特征(图15)。

    表  3  震前天水地电阻率数据变化情况
    Table  3.  Changes of apparent resistivity data at Tianshui station before the earthquake
    地震测项
    分量
    异常起
    止时间
    小时值
    形态
    小时值异
    常幅度(%)
    日均值
    形态
    日均值异
    常幅度(%)
    归一化速
    率异常
    2013-04-20
    四川芦山MS7.0
    (△=540 km)
    NS2013-04-06~2013-05-03高频扰动1.83趋势下降/破年变0.16上升异常
    阈值0.8
    EW2013-04-06~2013-05-03高频扰动1.00转平—下降/破年变0.26
    N45°W2013-04-09~2013-05-04高频扰动4.28转平—下降/破年变0.15
    2013-07-22
    甘肃岷县—漳县MS6.6
    (△=153 km)
    NS2013-06-10~2013-11-05高频扰动1.41趋势下降/破年变0.41
    EW2013-06-10~2017-11-05高频扰动0.85趋势下降/破年变0.46
    N45°W2013-05-20~2013-12-01高频扰动0.94趋势下降/破年变0.28
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    图  15  岷县—漳县地震断层虚位错模型体应变分布(扩张为正)
    Figure  15.  Volumetric strain distribution of Minxian-Zhangxian earthquake based on the virtual dislocation model (Expansion is positive)
    表  2  岷县—漳县MS6.6地震震源参数
    Table  2.  The source parameters of the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake
    断层中心位置长度/km宽度/km位错量/cm滑动机制
    经度/°纬度/°走向/°倾角/°滑动角/°
    104.2334.5214.428.750.263056146
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    天水地电台、武山台均位于应力挤压区域,岷县—漳县震源机制解表明主震震源性质为逆冲兼走滑型,余震震源机制表现出逆冲分量大的特性,与临潭—宕昌断裂的性质相符合(李晓峰等,2013郑文俊等,2013)。原地测量地电阻率变化实验显示:非饱和层、土层受压时,地电阻率一般下降,非饱和岩、土层伸长时地电阻率一般上升(赵玉林等,1983);实验室3类岩石样品受压破裂后氡值均出现不同程度增长(罗光伟等,1980张慧等,2005)。

    地电阻率年变化主要由浅层介质电阻率随季节性变化引起,因此井下地电阻率观测可以减小由于季节性变化引起的地电阻率年变化幅度。震前小时值出现的短临异常呈上下突跳形态,能够真实反应地震孕育过程中应力积累导致岩石破裂的过程(康云生等,2013曾文浩等,2017刘君等,2013叶青等,2022)。芦山、岷县—漳县地震前天水地电阻率小时值表现为高频扰动异常,属短临异常,日均值表现为趋势下降或转平后的趋势下降和破年变异常,属于中期异常。归一化速率异常为上升异常,异常阈值0.8,此阈值作为天水地电阻率归一化速率固定阈值,不能对不同地震使用不同阈值(表3)。其变化原因可能是在强震孕震晚期,地下深处的介质微裂隙发育,走向沿最大主压应力方位优势取向,低阻水进入微裂隙、导电通道连通导致介质电性发生改变(杜学彬,2010)。而3道异常起止时间不同,表现出地电阻率震兆的各向异性,可能是由于临震前主应力方向变化导致(赵玉林等,1995)。

    武山22号井和1号泉的氡值变化大致相同:在震前3个月出现了转折上升,且均出现了“临震快速上升—发震—到最大值—下降”变化,震后开始下降;13点滑动值两个测点变化形态相似,在震前14个月呈缓慢上升,震后开始下降;两个测点从属函数曲线均在震前14个月出现了3次超阈值现象,地震发生在从属函数曲线下降阶段,震后从属函数曲线开始呈上升趋势。武山22号井和1号泉水氡异常特征一致性较好,且符合水氡前兆特征及物理解释。

    武山竖直摆钻孔倾斜原始数据变化属于速率型异常。主要是EW分量震前上升速率加快,且在2023年6月15日出现大幅抬升,NS分量虽然下降速率有异常,但幅度较小。NS、EW分量震后畸变是地震发生时断层强烈破裂引起的同震应变阶(邱泽华等,2004)。震前潮汐因子出现中短期异常即潮汐因子偏离正常值。武山竖直摆钻孔倾斜异常变化符合孕震过程中定点形变呈阶段性的特征,即引起形变速率、形变方向和岩石弹性力学性质的变化(吕品姬等,2010)。

    本文以2013年岷县—漳县MS6.6地震前后天水地电阻率、武山1号泉水氡、武山22号井水氡和武山竖直摆钻孔倾斜观测资料为研究对象,通过原始数据分析和归一化速率、从属函数、潮汐因子异常提取方法,结合断层虚位错模式分析了地球物理场的异常特征及变化机理,得到以下结论:

    (1) 4个测项均位于应力挤压区域。从异常变化形态来看,地电阻率短临异常表现为小时值上下突跳,日均值趋势下降,归一化速率为上升异常且阈值为0.8;水氡原始数据长期异常呈高值变化,短临异常表现为“临震快速上升—发震—到最大值—下降”,从属函数表现为震前3次超过阈值;竖直摆钻孔倾斜东西分量长期异常呈速率异常,短临异常表现为“鼓包畸变”,潮汐因子震前出现明显下降台阶变化。从异常出现时间来看,武山水氡和竖直摆钻孔倾斜的长期异常起止时间基本一致(2012年5月至2013年7月)。武山水氡和竖直摆钻孔倾斜的短临异常出现在震前3个月,地电阻率短临异常出现在震前1个月,异常出现时间由震中向外围、异常变化幅度也逐渐衰减现象。

    (2) 天水台地球物理场异常主要集中在距震中200 km范围内,且异常演化和异常幅度随震中距变化呈现“长—中—短—临”特征,竖直摆钻孔倾斜在地震发生时还出现了同震应变阶现象,天水台4个测点的异常变化与岷县—漳县地震在时空上存在一定对应关系。

    (3) 地震的孕育发生是一个极其复杂的过程,涉及到地球物理场的长趋势背景、中期异常和短临变化等方面,因此地震异常的跟踪分析及预报需要多学科、多方法的综合研判。区域地震发生后,要对出现数据异常的测项进行分析总结,根据前兆异常的时空强及形态特征准确识别异常属性并建立区域典型震例库,对该区域预测指标的建立及地震预测具有重要意义。

  • 图  1   岷县—漳县MS6.6地震震中、台站位置及周边断裂分布

    本文省界数据引自全国地理信息资源目录服务系统(www.webmap.cn);断裂数据来自于邓起东(2007),由国家地震科学数据中心提供原始数据

    Figure  1.   Distribution of epicenters,station locations and fault zone (The provincial boundary data in this paper are from the National Catalogue Service for Geographic Information (www.webmap.cn);the fault data are from the Active Tectonic Map of China (1∶4 million) compiled by Deng Q D,2007,with original data provided by the National Earthquake Data Center.)

    图  2   天水地电台岩性柱状图(改自甘肃省地震局,2005

    Figure  2.   Petrographic histogram of Tianshui geo- resistivity station (Adapted from Gansu Earthquake Monitoring Annals (Gansu Earthquake Agency,2005))

    图  3   天水地电台布极示意图

    Figure  3.   Electrode Configuration Schematic of Tianshui geo-resistivity station

    图  4   天水地电台电测深曲线图

    Figure  4.   Electrical sounding curve of Tianshui geo- resistivity station

    图  5   武山22号井钻孔柱状图(改自甘肃省地震局《武山台建台报告》,2017

    Figure  5.   Petrographic histogram of borehole No. 22( Adapted from Wushan Station Construction Report (Gansu Earthquake Agency,2017

    图  6   天水台地电阻率小时值曲线(2012—2014)

    Figure  6.   Hourly values of geo- resistivity at Tianshui station (2012−2014)

    图  7   天水地电阻率日均值曲线(2012—2013)

    Figure  7.   Daily mean value of geo- resistivity at Tianshui station (2012−2013)

    图  8   电阻率中的膨胀-扩散模型(据Mjachkin,V.I.1975,修改)

    Figure  8.   Dilatancy-Diffusion model in Electrical Resistivity (Modified from Mjachkin Ⅵ,1975)

    图  9   武山22号井、1号泉和降雨量日值曲线(2012—2014)

    Figure  9.   Diurnal Variation Curve of NO.22 well,NO.1 spring and rainfall at Wushan station (2012−2014)

    图  10   武山钻孔倾斜北南、东西曲线

    (a/c) 趋势曲线;(b/d) 短临曲线

    Figure  10.   North-south and east-west curves of borehole tilt at Wushan station

    (a/c) Trend curve;(b/d) Short period curve

    图  11   天水电阻率归一化速率曲线

    Figure  11.   NVRM curve of apparent resistivity in Tianshui station

    图  12   武山22号井月均值、13点滑动值、从属函数值曲线(2012—2014)

    Figure  12.   Monthly mean value,13-point sliding value,and subordinate function curves of NO.22 well at Wushan station (2012−2014)

    图  13   武山1号泉月均值、13点滑动值、从属函数值曲线(2012—2014)

    Figure  13.   Monthly mean value,13-point sliding value,and subordinate function curves of NO.1 spring at Wushan station (2012−2014)

    图  14   潮汐因子(γ值)时序变化曲线(2012—2014)

    Figure  14.   Curve of temporal variation of tidal factor (γ-value)(2012−2014)

    图  15   岷县—漳县地震断层虚位错模型体应变分布(扩张为正)

    Figure  15.   Volumetric strain distribution of Minxian-Zhangxian earthquake based on the virtual dislocation model (Expansion is positive)

    表  1   4个测项的基础信息

    Table  1   Basic information of the four measurement items

    序号 名称 观测起始年 仪器型号 东经/° 北纬/° 测点类型 震中距/km 观测环境
    1 天水地电阻率 2 011 ZD8BI 105.90 34.48 井下观测 153 正常
    2 武山1号泉水氡 1 990 FD-125 105.03 34.39 上升泉 75 正常
    3 武山22号井水氡 1 982 FD-125 105.05 34.64 热水井 75 正常
    4 武山竖直摆钻孔倾斜 2 012 CZB-2A 105.05 34.65 井下探头 76 正常
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    表  3   震前天水地电阻率数据变化情况

    Table  3   Changes of apparent resistivity data at Tianshui station before the earthquake

    地震测项
    分量
    异常起
    止时间
    小时值
    形态
    小时值异
    常幅度(%)
    日均值
    形态
    日均值异
    常幅度(%)
    归一化速
    率异常
    2013-04-20
    四川芦山MS7.0
    (△=540 km)
    NS2013-04-06~2013-05-03高频扰动1.83趋势下降/破年变0.16上升异常
    阈值0.8
    EW2013-04-06~2013-05-03高频扰动1.00转平—下降/破年变0.26
    N45°W2013-04-09~2013-05-04高频扰动4.28转平—下降/破年变0.15
    2013-07-22
    甘肃岷县—漳县MS6.6
    (△=153 km)
    NS2013-06-10~2013-11-05高频扰动1.41趋势下降/破年变0.41
    EW2013-06-10~2017-11-05高频扰动0.85趋势下降/破年变0.46
    N45°W2013-05-20~2013-12-01高频扰动0.94趋势下降/破年变0.28
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    表  2   岷县—漳县MS6.6地震震源参数

    Table  2   The source parameters of the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake

    断层中心位置长度/km宽度/km位错量/cm滑动机制
    经度/°纬度/°走向/°倾角/°滑动角/°
    104.2334.5214.428.750.263056146
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图(15)  /  表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-23
  • 修回日期:  2024-05-18
  • 录用日期:  2024-05-20
  • 网络出版日期:  2025-04-02

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