断层虚位错模式揭示的2022年1月8日青海门源M_(S)6.9地震前的地电阻率变化

选取2022年1月8日青海门源M_(S)6.9地震震中400 km范围内四个地电阻率观测台站的观测精度高、具有稳态年变、震前无显著干扰的地电阻率ρ_(s)观测数据,结合ERA5同化数据集中的多层土壤温度和土壤水分含量,在利用多项式拟合获取各台站(或测道)地电阻率正常年动态的基础上,分析了门源地震前地电阻率的异常变化。结果显示:金银滩台EW测道、武威台NS测道和山丹台EW测道、N45°W测道震前存在超阈值的异常变化,并呈现各向异性特征。基于断层虚位错模式分析了地电阻率异常变化与孕震过程之间的联系,结果表明:金银滩台震前处于压缩区并受到NNE方向的挤压,与主压应变近似正交的EW测道于震前10个月出现负异常;同样位于压缩区的武威台,受到了ENE向的挤压,NS测道的地电阻率在孕震早期(震前13个月)以负异常为主,孕震中晚期(震前3个月)出现了正异常;山丹台,位于膨胀区,受到近似NS向的拉张,与主张应变平行的NS测道未发现异常,但EW测道震前一年地电阻率出现正异常,N45°W测道的地电阻率也在震前半年左右出现超阈值并呈正异常。此外,金银滩台、山丹台和武威台距离门源地震震中的距离分别为92 km,113 km和139 km,相应的地电阻率异常最大变化幅值分别为−3.0σ,2.2σ和−2.1σ。此外,门源地震前地电阻率异常变化的时空特征与岩石实验结果及理论模型一致,也符合震源区应力应变积累程度较高、向外围方向逐渐衰减的分布特征。由此推断,2022年门源M_(S)6.9地震前地电阻率的时空变化可能与区域介质变形及应力变化有关。

2022年四川泸定MS6.8地震前地下介质视电阻率变化特征及其机理分析

2022年9月5日四川泸定县M_(S)6.8地震前四川地区运行有5个直流视电阻率连续观测站,其中红格、冕宁、江油和甘孜4个观测站在地震前出现了不同类型的中短期异常变化.本文结合岩石物理实验结果、岩土介质电阻率模型和断层虚位错模式对这4个观测站的异常变化与此次地震晚期孕育过程之间的联系进行了初步的分析,结果显示冕宁、江油和甘孜3个台站的视电阻率异常变化形态与地震前观测站所在区域相对的变形特征吻合,其中甘孜站为下降异常,位于此次地震孕育过程产生的挤压增强区域;冕宁和江油站为上升异常,位于相对膨胀区域;红格站为下降异常,但却位于相对膨胀区域,其观测数据的异常变化可能不仅仅受此次地震孕育过程的影响.

地电阻率观测常见变化形态及其可能原因分析

地电阻率连续观测中常见的变化形态有长趋势变化、年变、日变化、阶跃、高频扰动、快速下降/上升、年尺度持续性下降/上升变化等形态,且多种形态通常相互叠加在一起,构成观测曲线复杂的变化形态.本文结合地电阻率观测基本原理、地电学科多年的研究成果和异常核实工作,尝试对地电阻率观测中常见变化形态可能的产生原因进行分析和总结,以期为异常分析和震情跟踪提供一定的参考.

中国中强地震前地电阻率中短期异常特征及其可能原因

地电阻率已经发展成为我国地震地球物理场观测的重要方法,通过标示一定区域范围内介质电阻率随时间的变化特征和空间分布,应用于探索地震孕育发生的过程.在50多年的观测过程中,记录到了近百次5~8级地震前的中短期异常和部分强震前的临震变化以及地震发生之后的恢复过程.电阻率是地下介质重要的物性参数,与岩土骨架和裂隙内流体电阻率、裂隙率、裂隙结构以及流体饱和度等因素有关.其中,应力作用导致的微裂隙结构变化是引起电阻率变化的重要因素.已有相关研究分别从岩石物理实验、介质电阻率模型、震例研究等方面讨论了地震前地电阻率变化的可能机理.本文对其中具有代表性的研究结果进行梳理,以"介质变形.电阻率变化"为纽带,将岩石物理实验和电阻率模型给出的细观尺度介质电阻率变化机制与震中周围地电阻率异常变化的宏观现象联系起来,介绍地震晚期孕育阶段地电阻率异常变化的可能原因.地震孕育引起发震断层周围介质变形,由发震断层向外围方向附加变形程度逐渐衰减;地表浅层介质处于低围压状态,新生微裂隙将大致沿最大主压应力方向扩展,进而引起介质电阻率发生变化;同一台站不同方向观测的地电阻率呈现出与P轴方位有关的各向异性异常变化,与P轴方向夹角越大的测道异常幅度越大,与P轴方向平行或近于平行的测道异常幅度最小或无异常变化;地震前挤压变形增强区域地电阻率异常呈现下降变化,相对膨胀区域呈现上升变化或变化不明显.

2021—2022年川滇地区4次M_(S)≥6.0地震前井下地电阻率观测的异常变化

2021—2022年川滇地区先后发生了云南漾濞M_(S)6.4、四川芦山M_(S)6.1、马尔康M_(S)6.0和泸定M_(S)6.84次M_(S)≥6.0地震。距这些地震震中400km的范围内布设有红格、冕宁、甘孜井下地电阻率观测站,其观测数据在这4次地震前出现了不同程度和形态的中短期异常变化。红格站EW和NS测道自2020年12月开始出现同步下降变化,2021年漾濞M_(S)6.4地震后NS测道的异常恢复,但EW测道仍然持续下降,截至2022年9月5日泸定M_(S)6.8地震发生,EW测道的异常持续时间约为21个月。甘孜站N10°E测道的下降异常变化始于2022年4月,6月底开始出现转折回升,10月异常恢复,其间先后发生芦山M_(S)6.1、马尔康M_(S)6.0、泸定M_(S)6.8地震。2022年9—11月,甘孜站N60°W测道出现年变畸变异常,2023年1月26日泸定再次发生M_(S)5.6地震。冕宁站EW、NS、N45°W测道自2022年6月下旬开始出现同步上升变化,于泸定M_(S)6.8地震后异常恢复。依据这些异常变化,在周、月会商中对2021年漾濞M_(S)6.4、2022年泸定M_(S)6.8、2023年泸定M_(S)5.6地震做出了短期预测。

2011年安庆M4.8地震前合肥台地电阻率异常变化分析

合肥台地电阻率在2011年安庆M4.8地震前出现明显异常变化。通过对气象因素的相关分析、降水量的定量校正和有限元模拟,排除了气象因素和施工干扰导致地电异常的可能,确认该异常是安庆M4.8地震的震兆异常。文中也结合合肥台的地电异常,探讨了地电阻率异常的产生机理,认为地电阻率异常的各向异性特征,可能与主震震源机制解、发震构造走向等有关。上述工作对未来确定地电阻率异常和预测主震发生地点提供了重要参考。

利用Virtual Quake地震模拟器研究鲜水河断裂带地震活动性与地震复发周期

2022年9月5日四川泸定6.8级地震发生在鲜水河断裂带磨西断裂上。本文依据鲜水河断裂带的断层几何形态、断层面物理力学参数、断层滑移速率等基础资料,构建断裂带三维模型,基于Virtual Quake地震模拟器开展鲜水河断裂带准静态数值模拟。对七条分支断裂独立模拟的结果显示模拟结果与历史地震的最大震级和复发周期具有较好的一致性。结果表明模型长度影响震级大小,滑移速率影响地震复发周期。断层面几何弯曲展布使得断层面应力分布不均匀,在弯曲处出现应力积累的现象,易触发地震,并出现了地震分段破裂现象,降低了几何弯曲断层的地震频次,为强震的孕育创造了条件。联合模拟的10000年时间内,鲜水河断裂带共发生了33次M≥7.0地震,最大震级为M7.6,地震活动性呈现一定的活跃期与平静期。断层系统地震间的相互应力作用和复杂的断层几何结构影响着地震迁移的复杂性。道孚断裂上相距40年发生两次M≥7.0地震,乾宁断裂北端相距5.8年发生M≥7.0双震,此类现象与历史地震有一定的相似性。

2017—2019年松原地区4次中强地震前绥化台地电阻率异常分析

2017-2019年松原地区连续发生4次5级左右地震,在此期间距松原地区约220km的绥化地电阻率观测资料记录到了一定的异常变化。为分析震前异常与地震的关系,首先以三层水平层状模型计算了测区介质的影响系数分布,发现绥化地电阻率“夏高冬低”的反年变形态与测区的Q型电性结构有关;之后采用断层虚位错模式,以2018年松原MS5.7地震的震源机制为例,计算了松原地区介质的变形特征,发现绥化台位于震前挤压变形增强区域,绥化地电阻率2个测道出现的下降回返变化与应力累积释放的变化形式一致;最后根据GPS数据推测,绥化台以西的地电阻率数据无显著异常,可能与东北地区的主压应变率自东向西逐渐减小有关。

2008年汶川M_S8.0地震前定点观测电磁异常回溯性分析

对2008年汶川M_S8.0地震周围定点台站观测的电磁异常的相关研究进行了简要的回顾分析,以期加深对汶川地震孕震过程中电磁异常的解读.震中周围8个地电阻率台站震前出现不同形态的异常变化,结合震后地电阻率变化形态分析,仅近邻地震破裂带的成都和江油台异常变化符合已有的地电阻率孕震异常机理.在4月24日和5月9日大致沿南北地震带出现两条南北走向的低点位移线,成都台地磁转换函数、谐波振幅比、帕金森矢量和垂直极化强度等主要反映了地下介质电性在震前出现的异常变化;断裂带附近的地电场和电磁扰动在震前出现波形畸变和能量增强,距离较远的西昌台阵和天祝—松山台阵内地电场也出现功率谱能量增加和裂隙渗透方位角扰动等短期异常现象,甚至沿龙门山断裂带NE方向1300km外的河北电磁扰动台网震前数月也出现自观测以来最大幅度的异常变化.

井下地电阻率观测中地表电流干扰影响计算

本文把地电阻率台站地下介质简化为水平三层均匀介质模型,以点电流模拟地表干扰电流,针对对称四极观测装置,计算了在不同电性结构中的不同深度观测时,地表电流干扰源对对称四极装置地电阻率观测的影响,计算得到:地表干扰源对电阻率观测的影响取决于电性结构的类型和层参数、供电电极和测量电极的埋深以及避开干扰源的距离.本文研究结果对实施井下电阻率观测中台址电性结构的选择、电极埋深、干扰源避让距离等有参考意义.

地埋钢缆对宝昌台地电阻率干扰的定量分析

宝昌台EW、NS测道地电阻率在2009年11月出现了显著的短时间下降变化,随后迅速恢复,EW测道自2010年2月底开始大幅下降,经现场落实认为这些变化与2009年11月中国移动公司在测区埋设的钢缆有关,2011年7月26日和27日经台站和中国移动公司协商后移除了部分钢缆,两测道的地电阻率观测值得到恢复.建立三维有限元模型计算了表层土壤处于非稳定冻结、稳定冻结和完全融通三个阶段钢缆对地电阻率观测的影响,计算得到:在稳定冻结阶段钢缆对观测的影响非常小,完全融通阶段的影响最大,非稳定冻结阶段的影响介于二者之间,且三个阶段计算得到的地电阻率变化值与观测值相吻合,从数值分析的角度确定了钢缆对宝昌台地电阻率观测的干扰.

2013年4月20日芦山M_S7.0地震前热红外亮温异常分析

2013年4月20日在四川省雅安市芦山县发生了MS7.0地震,造成196人遇难、23人失踪和上万人受伤的重大灾难。为了分析芦山地震前可能与地震有关的热红外亮温异常,收集了以震中为中心98°-108°E、25°-35°N范围内,2011年4月20日至2013年4月19日为期2年,由静止气象卫星FY-2E观测的地表亮温资料。应用连续小波变换方法计算了每一个像元的小波相对能谱,得到了分析区域内相对能谱的时、空演化过程。结果显示,从1月中旬起,在龙门山断裂带中段开始出现异常,随后异常沿着龙门山断裂逐渐向SW扩展;从3月上旬起,鲜水河断裂带也开始出现异常,之后异常聚集在龙门山断裂和鲜水河断裂的交会区域,在3月下旬异常区域和异常幅度达到最大。随着地震的临近,异常幅度和空间区域逐渐减小,直至4月19日异常还在持续中,地震发生在异常区域的东南边缘。因此认为,热红外异常可能与芦山地震是有关联的。

新沂地震台地电阻率反向年变分析

结合新沂地震台电测深曲线、测区地质剖面资料,建立了三维非均匀层状介质有限元模型.以第一层介质电阻率变化模拟表层介质电阻率随季节性降雨的变化,在模型中计算了3个测道的地电阻率年变化形态.计算结果表明,EW和N45°E测道地电阻率随表层介质电阻率的增减同向增减,而NS测道地电阻率则与表层介质电阻率变化相反.该结果符合新沂台3个测道实际观测的年变形态.

水平两层均匀介质中井下电阻率观测信噪比的理论计算

在点电源水平两层均匀介质模型下计算了在不同地电断面中观测时地表干扰电流源对观测的影响。得到:地表干扰电流源对地电阻率观测电势差的影响取决于地电断面类型和参数、供电电极和测量电极的埋深以及避开干扰源的距离。本文研究结果对实施井下电阻率观测中台址电性结构选择、电极埋深、干扰源避让有参考意义。

地电阻率日变化成因分析

中国部分长期连续观测的地电阻率台站的观测数据呈现出清晰的日变化形态,依据单一测道的变化特征,日变化可分为2类相反的形态:一类观测数据白天下降夜间上升;另一类则白天上升夜间下降。文中结合含水岩土介质电阻率的影响因素、台站电性结构和地电阻率影响系数理论,分析认为固体潮引起的介质电阻率变化幅度太小,以目前地电阻率观测仪器的分辨率还不足以记录到固体潮的影响,地电阻率的日变化主要由昼夜温差所引起。昼夜温差将使浅层介质电阻率发生大幅度的昼降夜升变化,对于浅层介质影响系数为正的测道,其日变化呈现昼降夜升的形态,而浅层介质影响系数为负的测道,其日变化则呈现出昼升夜降的形态。

2014年2月12日新疆于田M_S7.3地震热红外亮温异常分析

为了分析2014年2月12日新疆于田MS7.3地震的热红外亮温异常,收集了以震中为中心30°~45°N、70°~95°E范围内由中国静止气象卫星FY-2E观测的亮温资料,资料时间段为2012年5月1日~2014年4月30日。应用连续小波变换方法计算了每一个像元的小波相对能谱,得到了分析区域内相对能谱的时空演化过程。分析结果显示,从2013年10月开始相对能谱在震中附近出现异常,随后异常逐渐扩大并向阿尔金断裂带和西昆仑断裂带东段区域扩展。从同年11月开始塔里木盆地西缘的中天山、南天山和西昆仑区域断裂带西段开始出现异常,之后异常区域进一步扩大并向断裂带迁移,最终形成沿塔里木盆地周围断裂带分布的带状异常区域,异常在2013年12月下旬和2014年1月上旬达到峰值。随着地震的临近,异常区域开始减小,异常幅度也开始减弱,至地震发生时震中区附近异常已经消失,但在阿尔金断裂和中天山区域异常仍存在。于田地震发生后异常迅速衰减,2014年2月下旬异常基本消失。

地电阻率三维影响系数及其应用

采用有限元数值方法,计算了对称四极装置观测时测区介质对地电阻率观测的三维影响系数分布。计算结果表明,表层介质整体影响系数为正和为负时,表层介质各区域影响系数的分布形态相近,不同层状电性结构三维影响系数分布形态也相似。在地表二维平面,影响系数在供电电极和测量电极之间存在近似椭圆的负区域,其余区域影响系数为正。沿测线垂直剖面,影响系数在供电电极和测量电极之间存在近似半椭圆的负区域,其余区域影响系数为正。在三维空间上,观测系统布设于地表时影响系数为负的区域位于供电电极和测量电极间的近似半椭球区域,影响系数在靠近电极附近显著大于其余区域。在测区地表局部介质电阻率发生变化时,可依据影响系数分布定性地分析其对地电阻率观测的影响,为进一步实验和数值模型定量分析提供参考。

井下视电阻率观测影响系数分析

采用水平层状均匀介质中点电流源位于任意深度时电位解析表达式,分析了井下对称四极视电阻率观测时影响系数随深度和极距的变化。结果表明对于固定的观测极距,影响系数与电极埋深之间关系复杂;对于某些电性结构和在一定深度范围内,井下观测对表层干扰具有放大作用。对于固定的电极埋深,小极距观测主要体现观测装置所在处的介质层信息,深部介质的影响系数随着极距的加大而增加,浅层影响系数一般先上升后下降;观测极距足够大时,井下观测影响系数逐渐接近于地表观测的影响系数,井下观测的优势得不到体现。本文以天水台为例讨论了实施井下观测时影响系数在选择供电极距和电极埋深过程中的应用。分析结果对在不同电性结构中实施井下地电观测时具有一定的参考意义。

地表固定干扰源影响下地电阻率观测随时间变化特征分析

在水平层状介质模型下,采用有限元数值计算方法建立三维模型,分析了地电阻率测区中位于地表的金属导线和局部电性异常体对观测产生的干扰形态和幅度随时间的变化特征。分析结果显示:1)低阻干扰源位于影响系数为正的区域时,将引起地电阻率观测值的下降变化,位于影响系数为负的区域时,将引起观测值的上升变化,高阻干扰源对观测的影响与之相反;2)地表干扰源影响的动态特征表现为,在浅层介质电阻率较低时对观测的干扰幅度要大于浅层介质电阻率较高时;3)对于正常年变的测道,低阻干扰源位于影响系数为正的区域时引起年变幅度增大,位于影响系数为负的区域时引起年变幅度减小,高阻干扰源对年变形态的影响与之相反;对于反常年变的测道,干扰源对年变形态的影响则与对正常年变测道的影响相反;4)金属导线对观测的干扰幅度受自身电阻率和横截面积影响:电阻率越低干扰幅度越大;有效横截面积越大干扰幅度越大。

含裂隙介质中的视电阻率各向异性变化

我国50多年的视电阻率连续观测结果表明,大地震前近震中区域的视电阻率呈现出与主压应力方位有关的各向异性变化,即:垂直于主压应力方向观测的变化幅度最大,平行方向最小或不明显,斜交方向介于二者之间.目前我国定点台站视电阻率观测的探测范围主要在浅层沉积层以内,通常含有较多的含水裂隙.本文将地下岩土介质简化为由固体基质和含流体/气体裂隙组成的固液气三相介质,且基质、流体和气体具有标量形式的电阻率,推导出了包含基质和流体电阻率、裂隙率、饱和度和裂隙面积率因子的电阻率张量表达式.以裂隙的扩展/闭合表示应力作用下裂隙的变化,得到了电阻率随裂隙变化的微分形式,电阻率变化对裂隙体积变化放大系数的表达式和裂隙横向变化对纵向电阻率影响的横向权系数的表达式.在此基础上得到了介质电阻率和视电阻率的各向异性变化特征:对于含水裂隙介质,无论裂隙如何变化,均是最小主轴方向电阻率的变化幅度大于其他方向;对于含水孔隙介质,沿孔隙主要变化方向的主轴电阻率变化幅度大于其他方向.对于各向异性变化,视电阻率和介质电阻率存在π/2的方向差异.相较于含水岩石,无水岩石介质电阻率的各向异性变化不显著.本文提出的电阻率表达式可以对实验室和野外实际观测的许多结果做出合理的解释.