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(guān)中地區(qū)構(gòu)造斷裂發(fā)育,歷史上發(fā)生過(guò)華縣8級(jí)地震。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定,2018年9月12日在陜西省漢中市寧強(qiáng)縣(105.69°E、32.75°N)發(fā)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(jīng)青川至勉縣,終止于漢中盆地,主體呈NE向展布,全長(zhǎng)約265 km[1-2]。此次地震發(fā)生在2008年汶川MS8.0地震余震區(qū)北段,屬于余震區(qū)北段的一次較強(qiáng)的起伏活動(dòng)。

加卸載響應(yīng)比(Load Unload Response Ratio,LURR)計(jì)算方法是在20世紀(jì)80年代基于巖石應(yīng)力與應(yīng)變的非線性響應(yīng)提出的地震預(yù)測(cè)方法[3-5],用來(lái)度量地殼介質(zhì)的損傷程度。理論上任何能夠反映孕震區(qū)介質(zhì)損傷、失穩(wěn)過(guò)程的地球物理量均可以作為響應(yīng)量。Yu等[6-10]嘗試將庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)模型與加卸載響應(yīng)比進(jìn)行結(jié)合,提高了加卸載響應(yīng)比方法中對(duì)有效剪切應(yīng)力判斷的準(zhǔn)確性,同時(shí)也拓展了加卸載響應(yīng)比方法在其他觀測(cè)數(shù)據(jù)中的應(yīng)用。孕震過(guò)程中,劇烈的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)常導(dǎo)致場(chǎng)地應(yīng)力應(yīng)變、地下流體的運(yùn)移狀態(tài)等發(fā)生變化,形變、流體、電磁等觀測(cè)與巖體形變、流體滲流的過(guò)程密切關(guān)聯(lián),因此這種變化通常在其觀測(cè)數(shù)據(jù)中得以體現(xiàn)[11-17]。以往加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法主要應(yīng)用于測(cè)震資料[3-5],而相對(duì)較少應(yīng)用于地球物理資料[14-17],由此,基于多種地球物理觀測(cè)資料計(jì)算加卸載響應(yīng)比,綜合分析探討孕震過(guò)程中巖體的應(yīng)力狀態(tài)變化具有理論基礎(chǔ)和發(fā)展必要。

寧強(qiáng)MS5.3地震在構(gòu)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(gòu)造帶的交界部位,也屬于我國(guó)著名的南北地震帶中北段,其復(fù)雜多樣的構(gòu)造變形模式和構(gòu)造活動(dòng)特征是該地區(qū)中強(qiáng)地震孕育和發(fā)生的重要原因[18]。本文擬基于寧強(qiáng)MS5.3地震震中周圍陜西區(qū)域地球物理觀測(cè)資料,采用庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)模型的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法,計(jì)算地下水位、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變和地電場(chǎng)的LURR值,總結(jié)此次地震前的異常特征,探索加卸載響應(yīng)比在多重物理參數(shù)中的應(yīng)用,旨在進(jìn)一步認(rèn)知地震孕育的物理過(guò)程。

1 資料與方法

1.1 觀測(cè)資料

基于陜西區(qū)域地球物理觀測(cè)資料,選取震中距在500 km內(nèi),且在2014年1月1日—2018年12月31日連續(xù)觀測(cè)的臺(tái)站。經(jīng)篩選后確定5個(gè)地下水位、7個(gè)洞體應(yīng)變、4個(gè)體應(yīng)變及4個(gè)地電場(chǎng)站點(diǎn)用于本研究,各異常站點(diǎn)分布、震中距、儀器型號(hào)、運(yùn)行情況等見(jiàn)圖1和表1(統(tǒng)計(jì)時(shí)間截止2018年年底)。其中乾陵有洞體應(yīng)變、體應(yīng)變、地電場(chǎng)三種觀測(cè)手段,西安有洞體應(yīng)變和體應(yīng)變兩種觀測(cè)手段。

表1 異常觀測(cè)站點(diǎn)基本信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of basic information of abnormal observation stations

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

對(duì)各站點(diǎn)的觀測(cè)儀器、觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境等進(jìn)行分析,其中寧強(qiáng)洞體應(yīng)變儀數(shù)采故障導(dǎo)致EW分量產(chǎn)生毛刺較多,其他儀器運(yùn)行基本正常,數(shù)據(jù)基本可用。

1.2 加卸載響應(yīng)比方法

地震孕育的物理實(shí)質(zhì)為震源區(qū)內(nèi)介質(zhì)的變形、損傷并導(dǎo)致最終失穩(wěn)。加卸載響應(yīng)比(LURR)是在斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、非線性科學(xué)等研究成果基礎(chǔ)上提出的地震預(yù)測(cè)新方法[12,15-16],用來(lái)度量地殼介質(zhì)損傷程度。傳統(tǒng)的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法主要通過(guò)小震釋放的Benioff應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。文中收集2018年寧強(qiáng)MS5.3地震距震中500 km內(nèi)的陜西區(qū)域地下水位、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變及地電場(chǎng)等觀測(cè)資料,數(shù)據(jù)起止時(shí)間為2014年1月1日—2018年12月31日。分別取水位、應(yīng)變、地電場(chǎng)觀測(cè)資料一段時(shí)間內(nèi)的平均值作為響應(yīng)量(應(yīng)變、地電場(chǎng)觀測(cè)資料為矢量觀測(cè),取一段時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)資料絕對(duì)值的平均值作為響應(yīng)量),定義加卸載響應(yīng)比為[14-16]:

(1)

式中:N+、N-分別代表處于加載和卸載狀態(tài)的測(cè)值總數(shù);Mi為第i個(gè)觀測(cè)值;“+”、“-”分別表示加載和卸載。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要包括去突跳、插值,保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性、穩(wěn)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(guò)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)模型的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法,得到各觀測(cè)手段的加卸載響應(yīng)比值,其中計(jì)算時(shí)間窗長(zhǎng)為60天,滑動(dòng)步長(zhǎng)為30天[16],計(jì)算庫(kù)侖破裂應(yīng)力采用的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.4[6-7,14-16]。構(gòu)造參數(shù)采用USGS (https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的寧強(qiáng)MS5.3地震震源機(jī)制解結(jié)果,走向、傾角、滑動(dòng)角分別為86°、167°、6°。

2 加卸載響應(yīng)比分析

2.1 地下水位LURR

選取2014—2018年正常觀測(cè)的涇陽(yáng)、洛南、毛西、雙王及石泉等5口井(其位置分布如圖1所示),計(jì)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(wěn),保持在1.06附近波動(dòng);2017年10月開(kāi)始波動(dòng)幅度增大,同年12月達(dá)到極大值1.09,之后逐步下降;2018年8月達(dá)到極小值1.02;寧強(qiáng)MS5.3地震發(fā)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(tài),但對(duì)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(zhǔn)同步性,均在2017年12月達(dá)到極大值。

圖2 地下水位加卸載響應(yīng)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(yáng)、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(xiàn)了異常變化,且變化具有準(zhǔn)同步性。

2.2 地應(yīng)變LURR

選取的陜西區(qū)域7個(gè)洞體應(yīng)變觀測(cè)站中,華陰和西安兩個(gè)站點(diǎn)加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)了異常變化。圖3繪制了兩個(gè)異常站點(diǎn)的整點(diǎn)值波形以及LURR時(shí)序圖。圖3(b)中華陰NE向LURR值在2017年8月出現(xiàn)高值后數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn),2018年2月開(kāi)始波動(dòng),2018年5月再次出現(xiàn)高值。圖3(d)中西安NS向LURR值變化較為平穩(wěn),圍繞在1附近小幅波動(dòng),2018年5月開(kāi)始逐漸變大,到2018年7月達(dá)到極大值。

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

需說(shuō)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(gè)洞體應(yīng)變觀測(cè)站中,華陰和平利距離此次地震震中超過(guò)500 km,而其他5個(gè)站點(diǎn)均分布在震中500 km以內(nèi)。因此,在繪圖過(guò)程中對(duì)此次地震進(jìn)行了標(biāo)注。

選取的乾陵、西安、安康及寧陜等4個(gè)體應(yīng)變觀測(cè)站中,寧陜自2018年2月開(kāi)始LURR值波動(dòng),3月達(dá)到極大值,之后變化逐步平穩(wěn)[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(dòng)變化。需說(shuō)明,圖4(a)中寧陜體應(yīng)變整點(diǎn)值曲線中,2016年9月28日—10月12日由于供電線路漏電,導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變甚至超限,儀器不斷開(kāi)閥自動(dòng)調(diào)零,線路維修后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。從圖4中可以看出,該故障對(duì)LURR計(jì)算影響較小。此外,圖4(b)中LURR曲線2015年底也表現(xiàn)出較為明顯的異常變化,查閱了臺(tái)站觀測(cè)日志,這期間沒(méi)有明顯的干擾源,2016年該觀測(cè)站點(diǎn)500 km范圍內(nèi)發(fā)生4級(jí)以上地震6次,最大震級(jí)為MS4.8,異常變化是否與這些地震有關(guān)還需進(jìn)一步研究。

圖4 寧陜體應(yīng)變加卸載響應(yīng)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(gè)站體應(yīng)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(xiàn)了高值。

2.3 地電場(chǎng)LURR

選取乾陵、周至、合陽(yáng)和寶雞等4個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)站,通過(guò)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)模型的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法得到LURR值。圖5(a)周至地電場(chǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)看不出明顯異常,計(jì)算的LURR值2018年4月開(kāi)始增大,6月出現(xiàn)極大值1.3[圖5(b)]。

根據(jù)大地電場(chǎng)的巖體裂隙水(電荷)滲流(移動(dòng))模型[11],計(jì)算周至地電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位角,可看出2018年4月開(kāi)始方位角背景值發(fā)生偏轉(zhuǎn)[圖5(c)],這與LURR異常變化在時(shí)域上較為同步。乾陵、合陽(yáng)和寶雞3個(gè)站LURR值看不出明顯的異常變化。

需說(shuō)明,圖5(a)中LURR值在2014年初、2015年也表現(xiàn)出異常變化,通過(guò)查閱觀測(cè)日志確定這期間觀測(cè)環(huán)境沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。2014—2016年距周至地電場(chǎng)觀測(cè)站500 km內(nèi)發(fā)生的MS4.0及以上地震較多,最大震級(jí)為MS4.9,LURR異常變化是否與這些地震關(guān)聯(lián),尚需進(jìn)行更多的研究。

3 討論

利用地球物理觀測(cè)資料進(jìn)行LURR計(jì)算具有連續(xù)性好、計(jì)算結(jié)果波動(dòng)范圍小等優(yōu)點(diǎn)。地應(yīng)變觀測(cè)的是由巖石應(yīng)力改變導(dǎo)致的巖石應(yīng)變變化,是體現(xiàn)巖石由彈性變形至損傷、再至失穩(wěn)破壞過(guò)程中最直接的物理量,在震前更易觀測(cè)到巖石的異常變化。在構(gòu)造應(yīng)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(guān),作為反映地震孕育發(fā)生過(guò)程的重要指標(biāo),其變化能夠靈敏反映地震孕育發(fā)生過(guò)程,因而受到廣泛的研究關(guān)注[19-20]。地電場(chǎng)波形的異常變化一方面與巖石所受應(yīng)力的突變有關(guān),另一方面可能反映巖石微破裂加劇導(dǎo)致地下水向破裂區(qū)滲流的現(xiàn)象[11,14,17]。

表2對(duì)2018年寧強(qiáng)MS5.3地震前陜西區(qū)域的地下水位、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變及地電場(chǎng)等4種資料的LURR異常信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？煽闯?地下水位LURR出現(xiàn)異常變化時(shí)間最早,出現(xiàn)極大值的時(shí)間也最早,洞體應(yīng)變、體應(yīng)變和地電場(chǎng)LURR異常開(kāi)始時(shí)間集中在2018年2—5月,極大值出現(xiàn)時(shí)間集中在2018年3—7月。從各觀測(cè)手段的異常變化幅度來(lái)看,地下水位的變化幅度最小,地應(yīng)變的變化幅度最大,如寧陜體應(yīng)變異常幅度達(dá)2倍以上,地電場(chǎng)的變化幅度居中。從空間分布看,不同測(cè)項(xiàng)的異常站點(diǎn)有分布較為集中的現(xiàn)象。

表2 寧強(qiáng)MS5.3地震前陜西區(qū)域地球物理觀測(cè)資料LURR異常信息統(tǒng)計(jì)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(guò)地球物理觀測(cè)資料計(jì)算加卸載響應(yīng)比,基本能反應(yīng)出孕震過(guò)程中地下巖體介質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。應(yīng)用以上4種觀測(cè)資料計(jì)算LURR,結(jié)果表明在大部分時(shí)間LURR值基本保持在1.0附近,在地震前2—9月出現(xiàn)了高值,這一現(xiàn)象與以往的研究結(jié)論一致[14-17]。地應(yīng)變、地下水位和地電場(chǎng)等地球物理觀測(cè)資料反映的LURR演化具有準(zhǔn)同步性,這為嘗試多種觀測(cè)資料計(jì)算LURR,進(jìn)行多重物理量相互驗(yàn)證,提高異常信息的可信度、提升數(shù)據(jù)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(diǎn)距離九寨溝MS7.0震中相對(duì)較遠(yuǎn),這可能是九寨溝地震前LURR沒(méi)有表現(xiàn)出異常的原因之一。另一方面根據(jù)USGS(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor)的震源機(jī)制解結(jié)果顯示,九寨溝MS7.0的走向、傾角、滑動(dòng)角分別為246°、57°、-173°;寧強(qiáng)MS5.3的走向、傾角、滑動(dòng)角分別為86°、167°、6°,兩次地震的主壓應(yīng)力P走向夾角為160°,應(yīng)力方向差異較大,因此這可能是九寨溝地震前沒(méi)有異常的另一原因。顯然,這還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

基于2018年寧強(qiáng)MS5.3地震震中500 km內(nèi)陜西區(qū)域地球物理資料,采用庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)模型的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法,計(jì)算了5個(gè)地下水位、7個(gè)洞體應(yīng)變、4個(gè)體應(yīng)變以及4個(gè)地電場(chǎng)觀測(cè)站點(diǎn)LURR,對(duì)此次地震前異常特征進(jìn)行了分析討論,初步有以下認(rèn)知:

(1) LURR異常出現(xiàn)時(shí)間集中在2017年年底到2018年5月,其中地下水位LURR出現(xiàn)異常變化時(shí)間最早,出現(xiàn)極大值的時(shí)間也最早,洞體應(yīng)變、體應(yīng)變、地電場(chǎng)LURR異常開(kāi)始時(shí)間較晚,集中在2018年2—5月,極大值出現(xiàn)時(shí)間集中在2018年3—7月。

(2) 地下水位、地應(yīng)變、地電場(chǎng)等觀測(cè)資料反映的LURR異常演化具有準(zhǔn)同步性,這為嘗試多種觀測(cè)資料計(jì)算LURR,進(jìn)行多重物理量相互驗(yàn)證,提高異常信息的可信度等提供了參考。

(3) 從各觀測(cè)手段的異常變化幅度來(lái)看,地下水位的變化幅度最小,地應(yīng)變的變化幅度最大,地電場(chǎng)的變化幅度居中。從空間分布看,不同測(cè)項(xiàng)的異常站點(diǎn)有分布較為集中的現(xiàn)象。

(4) 周至地電場(chǎng)LURR與優(yōu)勢(shì)方位角異常變化在時(shí)域上較為同步。這兩種方法在機(jī)理上具有關(guān)聯(lián)性,反映的都是應(yīng)力調(diào)整下的巖體變形、流體運(yùn)移等,綜合分析可能有助于提升認(rèn)識(shí)的可靠性。

從站點(diǎn)分布上看,文中所用的陜西區(qū)域數(shù)據(jù)主要分布在此次地震震中的東側(cè)和東北側(cè),因此得出的結(jié)論具有區(qū)域性,這對(duì)檢驗(yàn)陜西區(qū)域地球物理觀測(cè)資料、提升數(shù)據(jù)的應(yīng)用率等具有一定的意義。然而,全面分析寧強(qiáng)MS5.3地震的異常特征,還需開(kāi)展更多的研究。

致謝：文中使用的LURR計(jì)算程序來(lái)自余懷忠研究團(tuán)隊(duì),審稿專家提出了寶貴的修改意見(jiàn),作者在此一并表示感謝。