Preliminary study on regional geo-resistivity anomaly before the Wenchuan MS8.0 earthquake
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摘要: 对汶川MS8.0地震震中周围17个台站的地电阻率观测资料进行了处理. 以2007年的地电阻率观测数据为背景值， 计算出每一个台站NS和EW 两个测向2008年的地电阻率月均值相对变化的绝对值， 然后选择较大的值作为当月的相对变化值. 最终获得了汶川地震前5个月的地电阻率异常变化图像. 结果表明， 随着发震时间的临近， 地电阻率异常分布的范围逐渐缩小， 并最终集中分布在汶川地震震中附近； 在临近发震时间(2008年3, 4月)， 地电阻率异常分布的长轴方向与汶川MS8.0地震的破裂方向、 龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直， 而与其震源机制解的主压应力轴方向基本一致.Abstract: Geo-resistivity data recorded at 17 stations around the epicenter of the Wenchuan MS8.0 earthquake were processed. Taken the geo-resistivity data in 2007 as background values, the absolute values of relative variations of monthly average value in NS and EW directions in 2008 were calculated, and then the larger one was chosen as the relative variation of each month. At last the variation images of geo-resistivity anomaly for the 5 months before the Wenchuan earthquake were obtaind. The results show that, as the occurrence time of the earthquake drew near, the spatial variation of geo-resistivity anomaly shrinked gradually and finally concentrated in the area near the epicenter. In the period just before the earthquake (March and April, 2008), the major axis of geo-resistivity anomaly was almost perpendicular to the rupture direction of the Wenchuan MS8.0 earthquake and the strike of Longmenshan fault or the major axis of the distribution of seismic intensity, but nearly parallel to the principal compressive stress axis from focal mechanism solution.
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Keywords:
- Wenchuan earthquake /
- geo-resistivity /
- Longmenshan fault /
- seismic intensity
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引言
汶川MS8.0地震发生后，许多研究者研究了可能与其孕育和发生有关的异常变化． 研究范围涉及地面、 空间与电离层，手段涉及电磁(张建国等，2009； 王武星等，2009； Huang，2011； 杜学彬，2010； 范莹莹等，2010； 高曙德等，2010； 张学民等， 2009a，b； 康春丽等，2009)、 地应力(张培耀等，2008)、 地应变(邱泽华等，2009)、 流体(刘冬英，2008； 范雪芳等，2009)、 热红外(魏乐军等，2008)、 地倾斜(柯昌安等，2008)及电离层观测等(林剑等，2009； 曾中超等，2009)． 对于电阻率方面，张学民等(2009a，b)认为，汶川MS8.0地震前在成都(郫县)台和甘孜台观测到了电阻率异常的长趋势变化，而在固原、 天水和腾冲台观测到了短期及短临电阻率异常． 杜学彬(2010)和Huang(2011)却认为，只在位于松潘—甘孜活动地块东南缘的成都(郫县)台、 江油台、 甘孜台和武都-汉王台记录到了中期电阻率异常，但短期电阻率前兆信息弱，无临震信息． 高曙德等(2010)认为观测到了地电阻率异常的长趋势变化和短期变化． 这些研究结果存在一定的矛盾. 鉴于这种情况，本文利用汶川MS8.0地震震中周围35.6—1085 km范围内所有的台站数据，获得了地电阻率异常变化图像，研究了汶川地震前地电阻率异常图像的演化特征，深化了认识． 期望能对今后地电阻率应用于地震监测预报提供帮助．
1. 数据资料
一般情况下，所研究的地震震中周围台站数量越多，台站分布越均匀，范围越广，对研究和分析就更为有利． 但目前我国数字化地电阻率台站约为70个，2006—2009年产出完整数据的台站只有54个据从国家地震前兆台网中心(http://qzweb.seis.ac.cn/twzx/index.jsp)下载的观测数据分析.(图 1a)． 从图 1a可以看出，在汶川MS8.0地震震中周围有17个地电阻率台站(虚线框内的台站，即图 1b中所示的台站)，它们分布在97°—110°E，25°—40°N范围内，几乎围着震中形成了一个较为封闭的区域，这有利于用来获得电阻率变化的区域图像． 因此，本文的研究范围选择97°—110°E，25°—40°N，使用的数据为图 1b中所示的17个台站记录到的2006，2007和2008年1—5月的地电阻率日均值．
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图 1 全国现有的(a) 和用于本文研究的(b) 数字化地电阻率台站分布图三角形表示台站位置， 虚线框内的台站为包围着汶川地震震中的台站Figure 1. Current digital geo-resistivity stations in China (a) and the geo-resistivity stations used in this study (b)Triangles represent positions of stations, the stations enclosed in the dashed-line rectangle are around the epicenter of Wenchuan earthquake2. 数据处理
2.1 消除年变化
对所获得的地电阻率日均值数据，需剔除突发性干扰(如意外断电、 人类活动等)导致的异常数据并消除年变化，然后才用于后续的研究工作． 对于前者，可用拉依达法(俞钟行，1989; 王雪泉，李罡风，2002)和肖维纳法(王雪泉，李罡风，2002)； 而对于后者，一般情况下，对地电阻率观测中年变周期比较强，年变形态比较连续、 稳定的资料，采用滑动傅氏方法(赵跃辰，刘小伟，1984). 对于规律性较强但地电阻率年变形态并不接近正弦的变化形式，则采用矩平(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982)或动态矩平方法(郝臻等，2000)．
2.2 区域地电阻率异常分布
对于某个地电阻率台站而言，其台址的地质条件和地质环境可认为是不变的，因此在无震年时间内，地电阻率的基本变化形态与趋势应该是一致的． 也就是说，在研究中，可把无震和观测台站正常运行时间段内的地电阻率值作为背景值，通过计算可获得其它年度内对应时段的地电阻率相对于背景值的变化． 在此，大多数台站均采用了2007年的地电阻率观测值作为背景值，这是因为2007年1—5月期间研究区域内几乎没有发生强震． 据中国地震台网报道，其间仅有一次强震记录： 中国西藏自治区，2007-05-07，M5.6(97.7°E，31.39°N)中国地震台网. 2007. 中国西藏自治区5.6级地震. http://www.ceic.ac.cn/eq.jsp?id=102632.． 同时，考虑到自2006年，在年变高值没有恢复的情况下，成都(郫县)台和甘孜台地电阻率值持续下降，并于2008年初达到最小值(张学民等， 2009a，b)，因此，对于这两个台的背景值，采用了2005年的地电阻率观测数据．
为了获得区域地电阻率异常分布，采用了以下的方法和步骤： 首先，利用去除了年变化的日均值数据计算出月均值； 其次，以2007年的地电阻率观测数据为背景值，计算出每一台站NS和EW两个测向2006和2008年的地电阻率月均值相对变化的绝对值，并在它们中逐月选择出较大的值作为当月的相对变化值； 最后，将所有台站的相对变化值利用Surfer软件形成区域地电阻率异常分布图．
3. 结果及分析
图 2分别示出2008年1—5月相对于2007年1—5月的地电阻率月均值变化． 可以看出，在2008年5月12日汶川地震发生前约4个月内，明显的地电阻率异常主要分布在由成都(郫县)台、 江油台、 天水台、 通渭台、 兰州台、 山丹台、 嘉峪关台、 甘孜台、 冕宁台围成的区域． 在1月份，地电阻率异常变化的分布范围最广，大部分区域的幅度异常超过了2.7%(图 2a)． 随着时间的推移，地电阻率异常变化的分布范围逐渐缩小，到了3，4月份，幅度异常超过了2.7%的区域主要集中在成都(郫县)台附近(图 2c，d)； 到了5月份，地电阻率异常变化幅度突然减小，基本小于1.2%，且主要集中在成都(郫县)台和甘孜台之间的区域(图 2e)． 这种现象与唐山7.8级地震前地电阻率异常范围扩张、 异常幅度增强正好相反(张洪魁等，1996)． 这种差异的出现可能与地震断层错动方式和地震区岩性差异有关． 唐山地震发生在近直立的右旋走滑断层上(张之立等，1980)，且地震区主要分布灰岩和煤系地层(杨理华，1985)； 而汶川地震是以逆冲为主，兼少量右旋走滑的地震(陈运泰等，2008)，地震区主要分布花岗岩(王振荣，兰江华，2008)． 一些研究人员对室内花岗岩样品受压情况下的电阻率变化进行了研究(安金珍等，1996； 陆阳泉等，1990； 张天中等，1985)，获得了一些重要结果，但尚难以解释汶川MS8.0地震前地电阻率异常的区域性变化特征．
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图 2 2008年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率变化分布图三角形表示台站位置 (a) 1月份； (b) 2月份； (c) 3月份； (d) 4月份； (e) 5月份Figure 2. Variation images of geo-resistivity from January to May in 2008 relative to those in 2007. Triangles represent positions of stations(a) January; (b) February; (c) March; (d) April; (e) May为了更进一步认识和理解汶川MS8.0地震前地电阻率的区域性变化特征，文中还给出了2006年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率变化分布图(图 3)． 结果表明，由成都(郫县)台、 江油台、 天水台、 通渭台、 兰州台、 山丹台、 甘孜台和冕宁台所围成的区域内的地电阻率相对变化值基本保持在1.0%—2.1%，几乎没有超过2.7%，分布范围没有明显的增大或减小. 这与2008年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率变化特征(图 2)有显著差异. 可能佐证了图 2的地电阻率区域性变化与汶川地震的孕育和发生有关．
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图 3 2006年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率相对变化分布图三角形表示台站位置 (a) 1月份； (b) 2月份； (c) 3月份； (d) 4月份； (e) 5月份Figure 3. Variation images of geo-resistivity from January to May in 2006 relative to those in 2007. Triangles represent positions of stations(a) January; (b) February; (c) March; (d) April; (e) May4. 讨论与结论
利用汶川MS8.0地震震中周围17个地电阻率观测台站的数据，获得并研究了地震前5个月的地电阻率异常区域变化图像． 结果表明，在汶川地震前存在区域性地电阻率异常变化，随着发震时间的临近，地电阻率异常分布的范围逐渐缩小，并最终集中分布在汶川地震震中附近． 这与唐山地震震例研究(赵玉林，钱复业，1978)和实验结果(张同俊，1980； 赵玉林等，1983； 陆阳泉等，1990)得到的强震前存在地电阻率异常区域性变化的结论是一致的．
通过分析图 2，发现一个有意义的现象： 在临震阶段(图 2d，e)，地电阻率异常分布的长轴方向几乎与汶川MS8.0地震主破裂方向、 龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向垂直，而与震源机制解的P轴方位(118°)(胡幸平等，2008)比较接近，即沿汶川地震震源区最大主压应力加载方向，视电阻率异常变化更显著． 这表明，今后或许可以利用区域性地电阻率异常的临震分布特征，为判断类似汶川MS8.0地震的地震力源的主压应力方位提供帮助．
感谢甘肃省地震局杜学彬研究员、 中国地震台网中心叶青和中国地震局地球物理研究所马新欣为本研究提供数据； 感谢中国地震局地壳应力研究所胡哲为本研究所做的数据整理工作．
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图 1 全国现有的(a) 和用于本文研究的(b) 数字化地电阻率台站分布图
三角形表示台站位置， 虚线框内的台站为包围着汶川地震震中的台站
Figure 1. Current digital geo-resistivity stations in China (a) and the geo-resistivity stations used in this study (b)
Triangles represent positions of stations, the stations enclosed in the dashed-line rectangle are around the epicenter of Wenchuan earthquake
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图 2 2008年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率变化分布图
三角形表示台站位置 (a) 1月份； (b) 2月份； (c) 3月份； (d) 4月份； (e) 5月份
Figure 2. Variation images of geo-resistivity from January to May in 2008 relative to those in 2007. Triangles represent positions of stations
(a) January; (b) February; (c) March; (d) April; (e) May
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图 3 2006年1—5月份相对于2007年1—5月份的地电阻率相对变化分布图
三角形表示台站位置 (a) 1月份； (b) 2月份； (c) 3月份； (d) 4月份； (e) 5月份
Figure 3. Variation images of geo-resistivity from January to May in 2006 relative to those in 2007. Triangles represent positions of stations
(a) January; (b) February; (c) March; (d) April; (e) May
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