芦山MS7.0地震余震期间大地电磁视电阻率变

王立凤, 赵国泽, 陈小斌, 汤吉, 蔡军涛, 詹艳, 韩冰, 程远志, 赵凌强, 肖骑彬

王立凤, 赵国泽, 陈小斌, 汤吉, 蔡军涛, 詹艳, 韩冰, 程远志, 赵凌强, 肖骑彬. 2017: 芦山MS7.0地震余震期间大地电磁视电阻率变. 地震学报, 39(1): 64-77. DOI: 10.11939/jass.2017.01.006
引用本文: 王立凤, 赵国泽, 陈小斌, 汤吉, 蔡军涛, 詹艳, 韩冰, 程远志, 赵凌强, 肖骑彬. 2017: 芦山MS7.0地震余震期间大地电磁视电阻率变. 地震学报, 39(1): 64-77. DOI: 10.11939/jass.2017.01.006
Wang Lifeng, Zhao Guoze, Chen Xiaobin, Tang Ji, Cai Juntao, Zhan Yan, Han Bing, Cheng Yuanzhi, Zhao Lingqiang, Xiao Qibin. 2017: Variation of magnetotelluric apparent resistivity during the major aftershock period of Lushan earthquake in epicentral area. Acta Seismologica Sinica, 39(1): 64-77. DOI: 10.11939/jass.2017.01.006
Citation: Wang Lifeng, Zhao Guoze, Chen Xiaobin, Tang Ji, Cai Juntao, Zhan Yan, Han Bing, Cheng Yuanzhi, Zhao Lingqiang, Xiao Qibin. 2017: Variation of magnetotelluric apparent resistivity during the major aftershock period of Lushan earthquake in epicentral area. Acta Seismologica Sinica, 39(1): 64-77. DOI: 10.11939/jass.2017.01.006

芦山MS7.0地震余震期间大地电磁视电阻率变

基金项目: 

中国地震局地质研究所基本科研业务“芦山科考”专项(IGCEA1305)和国家自然科学基金(41204056, 41374077, 41074047)共同资助.

中国地震局地质研究所基本科研业务“芦山科考”专项 IGCEA1305

和国家自然科学基金 41204056, 41374077, 41074047

详细信息
    通讯作者:

    赵国泽: e-mail: zhaogz@ies.ac.cn

  • 中图分类号: P315.63

Variation of magnetotelluric apparent resistivity during the major aftershock period of Lushan earthquake in epicentral area

  • 摘要: 以2013年4月20日芦山MS7.0地震震后5月3—24日距主震震中约7 km处所观测到的大地电磁数据为基础, 分析地下电阻率变化与较大余震(MS>3.0)活动的关系. 为确保用于地震异常分析的观测数据的可靠性, 基于大地电磁方法的特点, 使用稳定估算(robust)技术和相干度因子约束等方法得到各频点一定数量的自功率谱和互功率谱, 再根据视电阻率和相位曲线的分布形态, 剔除引起视电阻率和相位曲线突变的谱值之后得到高质量的视电阻率和相位曲线. 此外, 根据曲线形态和误差分布来判断数据质量, 剔除可能受到干扰影响的数据, 以获得能够真实地反映地下电阻率变化的视电阻率分析结果. 结果显示: 观测期内的yx极化模式的视电阻率值总体呈非单调的增大趋势, 最大增幅达27%; yx极化模式的视电阻率值几乎在每个相对集中的较大余震丛集后均会出现高值, 而较大余震丛集期间对应的则是视电阻率低值. 从物理机制上分析地震的电阻率效应源于微裂隙内孔隙流体的变化, 故推测芦山地震余震期间电阻率的增加趋势是由于震后应变释放区应力恢复和孔隙度恢复所致.
    Abstract: The present paper analyzes the relationship between the apparent resistivity change and major aftershock activities based on magnetotelluric measurements data from May 3 to 24, 2013. A group of self-power and cross-power spectra are obtained with the robust method and coherence limit based on characteristics of magnetotelluric method. Then the spectra causing apparent resistivity and phase curve unsmooth are removed according to their shape, and the high-quality data are obtained after removing disturbed data. The results show that the apparent resistivity tended to increase gradually with maximum change by 27% during the measurement period but not in a monotonous manner. The yx polarized apparent resistivity ρayx reached its maximum after nearly every main aftershock cluster, but among each clusters the minimum resistivity appeared. Finally the analyses on earthquake generating mechanisms indicate that the earthquake resistivity effect is due to the change in pore fluid in micro fractures, therefore it is speculated that the increase trend of the resistivity during the period of Lushan aftershocks is caused by stress recovery and porosity recovery after the Lushan earthquake.
  • 地球内部物质的物理变化过程可以引起电磁场和电阻率的变化,其中与地震相关的应力-应变效应是主要原因之一. 应力-应变效应指的是地震活动或其它构造活动中的挤压、 摩擦作用等引起的电磁场变化,地壳岩石孔隙或裂隙中的流体变化或动电效应等引起的电阻率变化等(Beamish,1982). 研究人员在实验中观察到很多由应力应变所引起的电磁场和电阻率变化现象(Stacey,1963; 郝锦绮等,1993郭自强,1994黄清华,2005),在地面也观测到不少电磁场和电阻率异常变化现象(Mizutani et al,1976Fitterman,1979张云琳等,1994汤吉等,1998钱复业等,2009钱家栋等,2013); 此外,卫星观测也揭示了大量与地震有关的电磁场异常现象(张学民等,2007赵国泽等,20072015Píša et al,2013).

    在2013年4月20日芦山MS7.0,2008年5月12日汶川MS8.0和2013年7月22日岷县MS6.6等地震发生后,我国研究人员就关于电测深法观测的视电阻率变化与地震发生的关系提出了一些认识. 这些认识包括: ① 汶川地震前,在震中距最小的成都台的NE向测道,出现了一年尺度的视电阻率值下降现象,在震前约5个月时视电阻率值折返上升,但个别台站显示汶川地震发生在视电阻率值极小点附近(肖武军,关华平,2009张学民等,2009杜学彬,2010; Huang,2011; 刘君等,2013杜学彬等,2015; 柏江玲等,2016); ② 芦山、 岷县地震前,一些台站的视电阻率值呈下降变化,与汶川地震前视电阻率的变化趋势相似(刘君等,2013; 柏江玲等,2016陈彦平等,2016),但也有些台站的视电阻率值在芦山地震前反而增大(解滔等,2013); ③ 一些距震中较远的台站,例如天水台,在汶川地震前40—50天,出现了视电阻率值增大的短期异常,但这是否可作为地震短临前兆尚需深入研究(肖武军,关华平,2009张学民等,2009); ④ 距汶川地震震中上千千米的台站在震前5个月内出现了视电阻率异常范围逐步缩小,并向震中区收缩的现象(朱涛,2013).

    由电测深法测量的视电阻率变化与地下水位变化有密切的关系. 钱家栋等(2013)以成都地震台观测数据为例,详细分析了视电阻率变化与地下水位变化的关系,并确认在汶川地震前两年左右,视电阻率值开始出现快速下降. 张继红等(2010)的研究表明,距离汶川地震震中千余千米的青岛地震台,自地震前的4月30日开始同步出现了视电阻率值增大、 水位下降的现象. 此外,马钦忠等(2013)对芦山地震前后多个台站的地电场和电磁扰动观测资料的研究结果表明,部分台站在震前20天左右出现了异常扰动信号,不同台站出现异常的时间并不同步. Jiang等(2016)在岷县地震前20天左右观测到超低频频段出现了电磁场谱异常,而且该异常似乎在时间上更接近地震的发震时刻,可能具有短临地震现象的特点. 总之,尽管上述不同研究结果之间存在某些差异,但是具有倾向性的认识是: 在强地震前确有电阻率或电磁场异常出现,且在几百千米范围内的台站会出现视电阻率值减小现象. 在地震电磁异常研究中,多注重观测数据的可靠性,并对排除观测数据可能受到的来自其它干扰的影响提出了不同的排除或抑制方法. 例如,为了克服近地面干扰,陈雪梅等(2013)在天水地电台将电极埋至100 m深的井下进行电测深观测试验,并在芦山地震前11天观测到三测道同步出现了视电阻率的波动现象. 毋庸讳言,这些研究结果,多是基于距离震中较远的台站的观测数据,例如对于芦山地震,最近的台站距主震震中也近百千米,无法对地震主震和余震密集分布区进行针对性的深入研究. 此外,观测所用的电测深法所反映的地下深度较小,难以达到地壳中部的震源附近深度,并且电测深法观测到的视电阻率变化往往受到地下水等因素的影响,因此异常识别更加困难.

    利用大地电磁法探测针对地壳电阻率变化与地震事件关系的研究已有50年之久. 在1971年2月9日北美圣安德烈斯断裂带一次MS6.4地震前后,Reddy等(1976)运用大地电磁法观测的3个测点的结果显示,地震前高阻区测点周期为10 s的视电阻率值减小约60%,而低阻区测点电阻率值减小约20%. 20世纪七八十年代来,我国科研人员在我国西北和华北等地区运用大地电磁法开展地震监测试验,揭示了这些地区地震前视电阻率的异常变化. 例如,国家地震局地质研究所大地电磁测深组(1981)在北京凤河营的大地电磁观测结果显示,1976年唐山地震前视电阻率值下降了20%,下降幅值最大可达30%—40%; 1976年松潘—平武地震前,视电阻率值下降达50%—70%(国家地震局兰州地震研究所大地电磁测深组,1981张云琳等,1994); 1998年张北地震前后,汤吉等(1998)关于距震中约20 km的外围测点的大地电磁观测结果显示,视电阻率在震前呈下降趋势,震后恢复,而震中区测点在走向和倾向方向上的视电阻率震后均出现逐渐增大现象. 由于当时观测设备和技术的局限性,对这些异常现象主要进行了可能与地震有关的趋势性变化分析,而未就异常变化过程的细节及其与余震之间的关系予以关注. 陈军营等(2015)在距岷县地震震中200—300 km的兰州及其附近的5个测点运用大地电磁方法对2004—2013年期间每半年一次进行重复观测的结果显示,岷县地震前呈现中短期的大地电磁视电阻率异常; 然而由于台站距震中较远,且半年一次的复测时间间隔较大,不能对较大余震期间的视电阻率变化进行较深入的研究.

    芦山MS7.0地震造成了重大的人员和财产损失,但也提供了在震中区近距离开展与地震事件相关的电阻率变化的观测试验场所. 本文拟以芦山地震余震期间震中区的大地电磁观测为例,对视电阻率随时间的变化与较大余震丛集之间的关系及其可靠性进行探讨,为建立正确的数据分析方法提供思路,为反映震源附近电阻率及其变化的大地电磁视电阻率研究积累实例.

    2013年芦山MS7.0地震与2008年5月12日汶川MS8.0地震均发生在龙门山断裂带上,二者主震震中相距约85 km,其余震密集分布区相距约45 km(房立华等,2013),如图 1所示. 虽然两次地震的孕震环境可能与龙门山断裂带及其深部构造有关,但二者又具有相对独立性(Zhao et al,2012; 詹艳等,2013). 芦山地震发生在龙门山断裂带西南段的双石—大川断裂以南(陈立春等,2013徐锡伟等,2013),其余震分布区呈NNE向,长约为35 km,宽约为16 km(房立华等,2013).

    图  1  芦山地震区域构造图及余震分布图(主震和余震分布房立华等,2013)
    右下角附图为研究区的区域构造位置; 数字为较大余震的发生顺序. F1: 汶川—茂县断裂; F2: 北川 断裂; F3: 彭灌断裂; F4: 五龙断裂(北川断裂南段); F5: 双石—大川断裂(彭灌断裂南段)
    Figure  1.  Tectonic settings,location of mainshock and distribution of aftershocks of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake(after Fang et al,2013)
    The lower-right corner shows the position of the studied area in this paper; numbers represent the order of occurrence of large aftershocks; black triangle denotes magnetotelluric(MT)site; blue star represents Wenchuan main shock; green star represents Lushan main shock; red dots represent M≥5 aftershocks; purple dots represent M<5 aftershock; orange dots represent M≥3 aftershocks during MT measurement period. F1: Wenchuan-Maoxian fault; F2: Beichuan fault; F3: Pengguan fault; F4: Wulong fault(the south segment of Beichuan fault); F5: Shuangshi-Dachuan fault(the south segment of Pengguan fault)

    大地电磁观测点距芦山主震震中约7 km,双石镇附近,紧靠双石—大川断裂(图 1). 野外观测使用加拿大MTU-5A型大地电磁观测仪器,磁感应传感器采用MTC-50型磁棒,观测电极为铅-氯化铅不极化电极. MTU-5A型大地电磁观测仪器灵敏度较高,性能稳定,抗干扰能力较强. 观测电磁场分量分别沿NS向(x表示正向,指向北)和EW向(y表示正向,指向东)布置,包括两个水平电场和两个水平磁场分量. 由于受施工条件限制,未进行垂直磁场分量观测,未设置远参考测点. 电极埋深为30 cm,浇灌盐水并用细土掩埋,以确保接地稳定,接地电阻均小于几百欧姆. 为减少风扰动引起的干扰,磁棒埋深为30 cm,电极线和磁棒线均用土掩埋压实. NS向电极距为43 m,EW向电极距为44 m. 观测期为2013年5月3—24日,其间2013年5月12日5时55分(UTC)起由于仪器故障停止记录,到5月14日8时57分(UTC)仪器恢复工作,故缺失了13—14日的数据,仅有19天记录. 观测分3个频段进行: 高频段采样率取2400 Hz,每5分钟记录1秒; 中频段采样率取150 Hz,每5分钟记录8秒; 低频段采样率取16 Hz,自始至终连续记录.

    处理观测的大地电磁数据时,以天为单位计算视电阻率、 阻抗、 相位等参数,将每天北京时间约16时(UTC时间为8时)至次日约16时作为一个记录段进行分析,标记为次日的结果. 通过对观测的原始时间序列进行傅里叶变换,得到各电磁场分量的频谱,然后使用稳定估算(robust)技术和相干度因子约束等方法得到各频点的自功率谱和互功率谱,再根据视电阻率和相位曲线的分布形态,利用MTeditor软件删除“飞点”,以确保观测资料的质量,最终获得320—0.0088 Hz范围内的平滑连续视电阻率相位曲线.

    大地电磁视电阻率曲线形态和误差分布,最能反映数据质量. 无论地下构造如何变化,异常是否出现,视电阻率曲线都应该是平滑渐变的. 因此,以视电阻率曲线为基础,即可识别出资料是否受到干扰,是否能真实地反映地下的电性结构及其可能变化.

    图 2给出了观测期长达19天的视电阻率和相位曲线,频率范围为320—0.0088 Hz. 可以看出,视电阻率和相位曲线总体上符合大地电磁规范(石油物探专业标准化委员会,2015)要求的优良标准,但考虑到要进行异常监测,则需要其满足更高的要求,因此将可能是由干扰引起的曲线突跳或非正常起伏波动的5月9—12日和15日这5天的资料(图 2的灰线)剔除,最终得到14天可用于异常分析的质量较好的有效曲线,如图 2的黑线所示,具体的观测记录时间列于表 1. 从图 2的黑线可以看出: NS向电场视电阻率ρaxy分布在一个较窄的带内,虽然每天均有变化,但曲线族在不同频段之间的差异宽度不大,我们暂认为这些差异与地震活动无关,故不进行分析; EW向电场视电阻率ρayx虽然也分布在一定宽度内,但曲线族在0.560—0.094 Hz(图 2a方框)内的宽度明显大于其它频段,故重点分析观测期14天内EW向电场视电阻率ρayx在0.560—0.094 Hz频率范围内的变化,讨论其与较大余震活动之间可能存在的关系.

    图  2  观测点19天的视电阻率ρa(a)和相位Φ(b)曲线
    左、 右图分别为xy极化(NS向电场)和yx极化(EW向电场)模式. 灰线为被剔除的5天数据; 黑线为用于异常分析的数据; 方框为f=0.560—0.094 Hz所对应的数据
    Figure  2.  The stacked curves of apparent resistivity ρa(a)and phase Φ(b)at the MT site for 19 days
    The left and right panels show xy polarization(electric field in NS direction)and yx polarization(electric field in EW direction)mode,respectively. The grey curves represent the discarded data for five days,black curves represent the data used for anomaly analyses,the frame represents the data in the frequency range of 0.560—0.094 Hz
    表  1  有效的观测时间记录
    Table  1.  Observation time records of the data used
    标记日期起始时间(UTC)结束时间(UTC)时长/d
    年-月-日时:分:秒年-月-日时:分:秒
    2013-05-042013-05-0309:29:492013-05-0409:07:590.98
    2013-05-052013-05-0409:22:492013-05-0508:00:000.94
    2013-05-062013-05-0508:00:002013-05-0608:47:321.03
    2013-05-072013-05-0609:02:492013-05-0708:00:000.96
    2013-05-082013-05-0708:00:002013-05-0801:09:240.71
    2013-05-162013-05-1507:14:492013-05-1608:00:001.03
    2013-05-172013-05-1608:00:002013-05-1708:00:001.00
    2013-05-182013-05-1708:00:002013-05-1808:00:001.00
    2013-05-192013-05-1808:00:002013-05-1908:00:001.00
    2013-05-202013-05-1908:00:002013-05-2008:00:001.00
    2013-05-212013-05-2008:00:002013-05-2108:00:001.00
    2013-05-222013-05-2108:00:002013-05-2208:00:001.00
    2013-05-232013-05-2208:00:002013-05-2308:00:001.00
    2013-05-242013-05-2308:00:002013-05-2404:07:310.84
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    为了定量地分析视电阻率的变化,对其进行误差估算. 在整个频段范围内448个频点(14天×32/天=448)的数据中,ρaxy观测数据误差δρaxy<5%的频点有354个,占全部频点个数的78.8%,δρaxy<10%的有417个,占全部频点个数的92.8%以上; ρayx观测数据误差δρayx<5%的频点有362个,占全部频点个数的80.6%,δρayx<10%的有429个,占全部频点个数的95.5%. 按照大地电磁测量规范和客观需求,这些观测数据均达优良水平,对其进行电阻率异常变化等的分析具有较高的可信度. 0.560—0.094 Hz间6个频点的yx极化视电阻率ρayx的平均相对差为52.2%,明显大于整个频带的平均相对差24.16%和该频带范围外的平均相对差17.68%. 因此,选择0.560—0.094 Hz范围内的数据进行分析,既能满足数据误差小的要求,又是平均相对差最大的部分,从而确保了分析结果的可靠性和合理性.

    考虑到视电阻率值随频率平稳连续变化的特点,选取yx极化模式的视电阻率ρayx在0.560—0.094 Hz范围内的6个频点中靠近中心、 视电阻率变化较大的4个频点,即0.141,0.187,0.281和0.370 Hz的数据进行分析. 图 3a-d给出了这4个频点的视电阻率ρayx在5月4—24日随时间的变化曲线,其中9—15日由于上述原因不参于分析. 可以看出: 4个频点的视电阻率在观测期内均呈现总体逐步增大的趋势,但有高、 低起伏变化,同时每个频点的视电阻率数值又各自有一定的变化,最大的变化差为10—12 Ω·m; 利用线性回归法计算得到4个频点的视电阻率变化趋势线如图 3e所示,均呈上升趋势,斜率稍有差别.

    图  3  0.141(a),0.187(b),0.281(c)和0.370 Hz(d)等4个频点的yx极化视电阻率ρayx及其趋势线(e)
    Figure  3.  yx polarization apparent resistivities ρayx at the four frequencies of 0.141(a),0.187(b),0.281(c)and 0.370 Hz(d)and their trend lines(e)

    为了更清楚地表现视电阻率的数值变化和可信度,将4个频点的视电阻率变化趋势线两端数值差所占比例,即增大的相对百分比列于表 2. 可以看出,4个频点的相对增大百分比为21.03%—27.03%,视电阻率观测误差的平均值为2.57%—4.93%,这表明视电阻率变化远大于观测数据误差,即视电阻率增大变化反映了真实的电阻率变化.

    表  2  变化趋势线两端相对差以及视电阻率观测误差均值
    Table  2.  Relative differences of apparent resistivity between two ends of trend line as well as the average errors of apparent resistivity observations
    f/Hz两端相对差误差均值
    0.14121.54%4.79%
    0.18724.52%4.93%
    0.28127.03%3.66%
    0.37021.03%2.57%
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    由于只有一个测点不能进行二维、 三维反演,而且地下电阻率随深度的变化还与另一条视电阻率曲线(xy极化曲线)有关. 考虑到本文的异常分析主要是基于yx极化的视电阻率曲线,故只给出由该曲线一维反演得到的电阻率随深度的变化曲线,可以大体反映测点下方电阻率随深度的变化趋势. 图 4给出了通过大地电磁自适应正则化一维反演(陈小斌,2003陈小斌等,2005)得到的14天yx极化视电阻率随深度的变化曲线. 可以看出,较大余震期间视电阻率发生变化的频率范围大体对应10 km以上深度范围的相对高值电阻率区,其下方为低阻层,芦山地震的主震震源深度约为10 km,这一结果与通常认为的地震发生在上地壳相对高阻层的认识一致.

    图  4  对大地电磁测点yx极化的视电阻率ρayx曲线一维反演得到的电阻率随深度h变化的曲线虚线框表示4个频点的大体对应深度
    Figure  4.  The curve of apparent resisti-vity ρayx variation with depth h by 1D inversion
    The depth range in the dashed frame corresponds to the four frequencies used in data analyses

    地震等过程引起电阻率随时间的变化称为电阻率效应,主要是由于地震时应变的积累和释放,导致岩石中微裂隙(或微裂纹)的体积含量和几何形状产生变化所致(Beamish,1982). 在断裂区,由于裂隙内存在流体,故而微裂隙的变化可引起电阻率的变化. 由于孔隙流体的存在,岩石电阻率还与孔隙、 裂隙的体积含量和几何形状有关(Brace et al,1965). 在普遍发育窄裂纹的岩浆岩和变质岩中,中等压力即可使电导率产生很大变化. Brace和Orange(1968)的室内实验结果表明: 饱和岩石在静水压条件下,裂隙闭合引起的电阻率变化不大; 当应力增大至破裂应力的1/3—2/3时,由于裂隙闭合,电阻率明显减小. 另外,岩石的膨胀作用与岩石孔隙压力和电阻率的减小密切相关,即膨胀作用产生了新的裂隙或增大了裂隙空间,并引起了流体的扩散,一般称为膨胀-扩散现象或者扩容现象,其发生过程可使电阻率减小. Scholz等(1973)对与地震前兆现象有关的膨胀-扩散过程的研究发现,这一过程也可引起地震波速度、 流体运动和地形变等的变化. 该过程可分为3个阶段: 第一阶段为应力增加,但尚未达到可产生膨胀的水平,电阻率无明显变化; 第二阶段形成膨胀裂纹(或裂隙),但尚未饱和,流体进入膨胀区,电阻率逐渐减小; 第三阶段为继续膨胀,由于孔隙压力减小,使电阻率处于逐步恢复的过程中,起到了延缓地震发生的作用; 第三阶段末,电阻率恢复至原始的高电阻率值或出现快速恢复的现象,孔隙压力也恢复至正常,并发生地震.

    芦山主震后,大地电磁观测期间的电阻率总体呈逐步增大趋势,推测是由于主震前,地壳受到应力应变作用,裂隙或裂缝的几何形状和体积含量发生变化所导致的孔隙流体增加,因而使电阻率出现了明显的减小. 主震后,较高水平应力得到释放,裂隙或裂缝逐步恢复,使电阻率值逐步恢复并增大. 这一结果与其它地震前后大地电磁观测视电阻率变化现象一致(国家地震局兰州地震研究所大地电磁测深组,1981张云琳等,1994; 汤吉等,1998),也可以与电测深法观测到的发生在多个台站的地震前视电阻率下降变化现象(肖武军,关华平,2009张学民等,2009杜学彬,2010; Huang,2011; 刘君等,2013钱家栋等,2013杜学彬等,2015柏江玲等,2016陈彦平等,2016)进行对比性分析. 但是,由于电测深台站距离地震震中较远,地震前后视电阻率的变化主要反映了区域应力-应变作用导致的地层电阻率变化,而本文大地电磁测点观测震后的视电阻率总体呈增大趋势,可能与地壳应力-应变作用有关,直接反映了由于震源附近岩层的变形或破坏而导致的岩石孔隙度和流体含量变化,进而导致视电阻率的变化.

    在余震密集区域内,较大余震呈现随时间以丛集形式出现的特点,如图 5所示. 可以看出,在余震期间既显示了视电阻率总体增大的趋势,也显示了视电阻率增大、 减小的变化与较大余震丛集之间有某种对应关系. 例如,5月5—7日,MS>3.0较大余震较频繁,其间所对应的视电阻率出现增大的现象,与上述的第三阶段相对应; 5月16—17日发生一次MS>4.0地震,也与电阻率开始增大的时间(5月17日)相对应; 5月20日和5月23—24日两个时间段,也发生了多次MS≥3.0地震,尽管5月21—22日无MS>3.0地震发生,但是有多次接近MS3.0地震发生,与5月21—23日的视电阻率增大相对应; 5月9—15日的资料不可用,未进行分析. 这些现象说明,在视电阻率出现高值或者向高值恢复的过程中发生了较大余震,这可以利用膨胀-扩散模型进行解释,即地震发生在第三阶段末,此时视电阻率恢复至高值或者向高值快速变化(Scholz et al,1973),这一现象也与Sadovsky等(1972)以及 Glover和Ádám(2008)提出的地震发生在视电阻率极小值之后的结果一致. 关于主震的发生时间,多数研究认为是在电阻率减小至几乎最低值的时刻,至于在该过程中是否也存在电阻率出现高、 低变化的现象,则需要依据更多的观测资料进行研究. 遗憾的是,本研究在芦山地震前并未开展观测,以前的观测也未对这方面进行更深入的分析(Reddy et al,1976; 国家地震局地质研究所大地电磁测深组,1981国家地震局兰州地震研究所大地电磁测深组,1981张云琳等,1994; 汤吉等,1998).

    图  5  芦山地震后视电阻率与地震余震的对应关系
    Figure  5.  The corresponding relationship between apparent resistivity ρa and aftershocks after Lushan earthquake

    对芦山地震后观测的大地电磁视电阻率与余震的关系研究,主要取得以下认识:

    1) 地震后,震区应力恢复,导致裂隙或者裂缝的几何形态和体积含量发生变化,孔隙流体减少,电阻率恢复并增大.

    2) 余震期间,电阻率曲线随时间呈高低起伏变化的特点,与较大余震丛集有对应关系,较大余震丛集对应视电阻率的高值,而在较大地震丛集后出现了视电阻率高值,该现象可用膨胀-扩容模型进行解释.

    3) 在研究电阻率变化特征时,数据的可靠性尤为重要,大地电磁资料可以通过视电阻率和相位曲线的分布形态来判断其可靠性.

    研究地震及其余震期间的地壳电阻率变化,不仅对地震预测研究具有重要意义,而且对研究地壳-岩石圈构造活动等引起的电阻率变化也具有重要的科学价值. 电阻率与地震的关系研究,仍需开展大量的观测试验研究. 可喜的是,目前已在四川、 云南地震活跃区和首都圈地区建设了由30个台站组成的人工源极低频电磁(control source extreme low frequency,简写为CSELF)观测台网,不仅可以观测地下电阻率的变化,也可以观测空间电磁场的变化,极大地提高了观测数据的质量. 预期这些研究将为实现地震的立体监测和真正的地震预警作出贡献(赵国泽等,2012).

    致谢: 野外工作得到了四川省地震局、 雅安防震减灾局、 芦山县防震减灾局以及江汉石油管理局地球物理勘探公司的大力支持,作者在此一并表示衷心的感谢.
  • 图  1   芦山地震区域构造图及余震分布图(主震和余震分布房立华等,2013)

    右下角附图为研究区的区域构造位置; 数字为较大余震的发生顺序. F1: 汶川—茂县断裂; F2: 北川 断裂; F3: 彭灌断裂; F4: 五龙断裂(北川断裂南段); F5: 双石—大川断裂(彭灌断裂南段)

    Figure  1.   Tectonic settings,location of mainshock and distribution of aftershocks of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake(after Fang et al,2013)

    The lower-right corner shows the position of the studied area in this paper; numbers represent the order of occurrence of large aftershocks; black triangle denotes magnetotelluric(MT)site; blue star represents Wenchuan main shock; green star represents Lushan main shock; red dots represent M≥5 aftershocks; purple dots represent M<5 aftershock; orange dots represent M≥3 aftershocks during MT measurement period. F1: Wenchuan-Maoxian fault; F2: Beichuan fault; F3: Pengguan fault; F4: Wulong fault(the south segment of Beichuan fault); F5: Shuangshi-Dachuan fault(the south segment of Pengguan fault)

    图  2   观测点19天的视电阻率ρa(a)和相位Φ(b)曲线

    左、 右图分别为xy极化(NS向电场)和yx极化(EW向电场)模式. 灰线为被剔除的5天数据; 黑线为用于异常分析的数据; 方框为f=0.560—0.094 Hz所对应的数据

    Figure  2.   The stacked curves of apparent resistivity ρa(a)and phase Φ(b)at the MT site for 19 days

    The left and right panels show xy polarization(electric field in NS direction)and yx polarization(electric field in EW direction)mode,respectively. The grey curves represent the discarded data for five days,black curves represent the data used for anomaly analyses,the frame represents the data in the frequency range of 0.560—0.094 Hz

    图  3   0.141(a),0.187(b),0.281(c)和0.370 Hz(d)等4个频点的yx极化视电阻率ρayx及其趋势线(e)

    Figure  3.   yx polarization apparent resistivities ρayx at the four frequencies of 0.141(a),0.187(b),0.281(c)and 0.370 Hz(d)and their trend lines(e)

    图  4   对大地电磁测点yx极化的视电阻率ρayx曲线一维反演得到的电阻率随深度h变化的曲线虚线框表示4个频点的大体对应深度

    Figure  4.   The curve of apparent resisti-vity ρayx variation with depth h by 1D inversion

    The depth range in the dashed frame corresponds to the four frequencies used in data analyses

    图  5   芦山地震后视电阻率与地震余震的对应关系

    Figure  5.   The corresponding relationship between apparent resistivity ρa and aftershocks after Lushan earthquake

    表  1   有效的观测时间记录

    Table  1   Observation time records of the data used

    标记日期起始时间(UTC)结束时间(UTC)时长/d
    年-月-日时:分:秒年-月-日时:分:秒
    2013-05-042013-05-0309:29:492013-05-0409:07:590.98
    2013-05-052013-05-0409:22:492013-05-0508:00:000.94
    2013-05-062013-05-0508:00:002013-05-0608:47:321.03
    2013-05-072013-05-0609:02:492013-05-0708:00:000.96
    2013-05-082013-05-0708:00:002013-05-0801:09:240.71
    2013-05-162013-05-1507:14:492013-05-1608:00:001.03
    2013-05-172013-05-1608:00:002013-05-1708:00:001.00
    2013-05-182013-05-1708:00:002013-05-1808:00:001.00
    2013-05-192013-05-1808:00:002013-05-1908:00:001.00
    2013-05-202013-05-1908:00:002013-05-2008:00:001.00
    2013-05-212013-05-2008:00:002013-05-2108:00:001.00
    2013-05-222013-05-2108:00:002013-05-2208:00:001.00
    2013-05-232013-05-2208:00:002013-05-2308:00:001.00
    2013-05-242013-05-2308:00:002013-05-2404:07:310.84
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    表  2   变化趋势线两端相对差以及视电阻率观测误差均值

    Table  2   Relative differences of apparent resistivity between two ends of trend line as well as the average errors of apparent resistivity observations

    f/Hz两端相对差误差均值
    0.14121.54%4.79%
    0.18724.52%4.93%
    0.28127.03%3.66%
    0.37021.03%2.57%
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-23
  • 修回日期:  2016-10-23
  • 发布日期:  2016-12-31

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