印尼海嘯地震引發(fā)的異常地磁擾動

Λ.Ε.Сοбисевич А.Λ.Сοбисевич K.Χ.Κанониди

圖1 北高加索地球物理1號觀測站位于安德爾奇市地下1.5km深處的儀器。圖中前部為波普洛夫系統(tǒng)磁變儀，后部為格力德涅夫系傾角儀

著名的科學家喬治·穆爾（Джордж Мур）發(fā)現(xiàn)，地磁擾動異?？梢灶A警強地震事件，他根據(jù)1964年3月27日阿拉斯加災難性海嘯地震發(fā)生前2小時記錄到的信號，首次成功地提取出了波形特征。這一發(fā)現(xiàn)成為地震電磁 “前兆”研究工作的開始。專家們從多個角度接受了所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。在美國著名科學家的文章中，詳細分析了該問題（Fraser－Smith，2008），其所揭示的強震與磁暴以及電離層、大氣層和巖石層其他變化過程之間的 “關系”提示地球物理學家們擴大了對地磁擾動異常進行研究的范圍。有關在出現(xiàn)伴生的強地磁暴背景的二分點處經(jīng)常發(fā)生大地震的資料在部分科研著作中得到引用 （Сытинский，1987；Барсуков，1991）。根據(jù)觀測到的自然數(shù)據(jù)繪制的特定區(qū)域的構造地震孕育現(xiàn)象模型提出，作為地震前兆的構造地磁效應，是地殼的某些內部源變化引起的（Седоваи?р，2001）。還有一些方法試圖將地球的地震活動性與太陽、電離層影響以及地球物理圈的其他現(xiàn)象進行聯(lián)系（ГогатишвиΛи，1984；Λиперовскийи?р，1991； Моргунов，1999； Седова и ?р，2001；ГуΛьеΛьми，2007；等）。圣 彼 得 堡

科學家的一些研究也值得關注，其研制出新一代磁場測變儀，并對潛在的震源定位技術進行了實際檢驗（Копытенкои?р，2000）。

圖3 2004年12月26日印度尼西亞海嘯地震區(qū)域

北高加索地球物理觀測站（位于埃爾布魯斯火山中心地區(qū)，圖1、2，觀測站坐標：43°16′N，42°41′E）觀測經(jīng)驗表明，強地震前被研究的某些電磁超低頻擾動信息量豐富，并適合被先進的地球物理裝置記錄下來（Собисевичи?р，2008，2009；Собисевич，2010）。

現(xiàn)舉例說明2004年12月26日發(fā)生在蘇門答臘北部地區(qū)的蘇門答臘—安達曼災難性地震（該地震引發(fā)的海嘯被認為是當今地震災害史中造成傷亡最大的一次自然災害）。根據(jù)各種評估，該次地震震級達9.1～9.3級，這一強度在整個有觀測記錄的地震史中排第二或第三位（圖3）。在歸納所觀測到類似震級地震的地球磁場異常擾動特征時，將會發(fā)現(xiàn)某些在分析北高加索地球物理觀測站磁場測變儀記錄數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的波形，我們認為這是最有意義的。對所記錄的準諧波磁擾動結構的解讀顯示，在海嘯地震形成和發(fā)展的所有階段，儀器設備可以分辨并記錄下地球磁場中典型的 “準諧波”波形，這樣的波形表明在巖石層—大氣層—電離層系統(tǒng)內進行著復雜的電動力發(fā)展過程。

俄羅斯科學院地球物理局信息處理中心緊急情報處（奧布寧斯克市）使用從俄羅斯、獨聯(lián)體國家以及國外遠程數(shù)字和模擬地震站獲取的數(shù)據(jù)確定了這些地震參數(shù)（表1）。

圖4 進行地震分析的地震波圖片段

表1 地震監(jiān)測中心記錄的災害事件主要參數(shù)

在圖4中顯示的地震記錄來自如下數(shù)字臺 站： 阿 拉 阿 查 （Δ43.5°）、 塔 拉 亞（Δ48.6°）、 博 羅 沃 耶 （Δ53.8°）、 埃 里 溫（Δ58.8°）、南薩哈林斯克 （Δ59.4°）、阿爾蒂（Δ60.7°）、基茲洛沃茨克（Δ61.8°）、馬加丹（Δ70°）、奧布寧斯克（Δ70°）、勘察加彼得巴普洛夫斯克（Δ71.2°）。

第一波沖擊破壞了蘇門答臘島北部，然后呈鏈狀繼續(xù)沿主斷層推進。直到尼科巴和安達曼群島都監(jiān)測到了地震。高達10m的巨大潮汐波摧毀了斯里蘭卡、印度、印度尼西亞、泰國和馬來西亞的海岸區(qū)。地震還伴隨有多次余震。

這些地震的震源位于巽他地震區(qū)側翼，環(huán)繞蘇門答臘島、尼科巴群島和安達曼群島西部。巽他地質構造弧的這段區(qū)域屬于斜俯沖帶。此處印度—澳大利亞板塊向北方運動，而緬甸沿安達曼—尼科巴和蘇門答臘中部右旋斷層向南－南－東運動。我們認為，所形成的結構，就是確定產生超低頻地磁擾動異常的因素。

根據(jù)哈佛大學地震中心數(shù)據(jù)，震源機制在該俯沖帶地區(qū)是非常典型的。由俄羅斯科學院地球物理學院科學家們完成的這次地震模擬，顯示出了地震破裂的節(jié)面為亞傾斜形態(tài)的平面。

地震發(fā)生在地震活躍地區(qū)，為此編制了該地區(qū)自1971年到2004年10月（含）所發(fā)生的震源深度小于150km的地震活動目錄。通過對該目錄的數(shù)據(jù)分析，Ю.Λ.Ребецкий和他的同事們完成了對兩個深度范圍的應力重建，一是，淺地表0～60km，包括220次地震，二是40～150km深部（80次地震）。計算主應力軸在水平面上的投影，并確定出從斷層 “初始破裂”開始向東南方向擴展表明，最大和最小應力在水平面上的投影低于正常值，而中間主應力則平行于槽軸線。最大偏量擠壓軸線緩傾向大洋巖層之下，而最大偏量拉張軸線則陡然俯沖到大陸板塊之下。這是典型的俯沖帶特征，呈現(xiàn)水平擠壓狀態(tài)，并近乎嚴格地保持垂直于槽軸線走向的拉張方向。應力矢量方向與大洋板塊之下對流運動的方向一致。此外，隨著沿巽他西側由南向北的俯沖推動，可以觀測到應力狀態(tài)從俯沖（水平擠壓）到水平拉伸的有序變化。

地震學家猜測，正是這個板塊的運動決定了安達曼—尼科巴和中央蘇門答臘斷層的右旋運動，以及該地區(qū)地殼大陸部分應力狀態(tài)的特征。此外，從斷層 “初始破裂”開始到圓弧盆地地震震中區(qū)域主要應力方向的變化表明，其很好與觀測到的地表破裂附近主應力軸方向相吻合。

強震發(fā)生在應力梯度變化強烈地區(qū)的事實，使得我們必須明確提出關于強烈海嘯地震的地質運動特點的一些新觀點。在這些觀點中，起主導作用的是未來地震發(fā)生地區(qū)應力強度增強到某一極限。

可以推測，正是強弱應力區(qū)域的出現(xiàn)，才導致了復雜的地質—地電過程。該過程能量劇烈變化，超出地殼地震活躍區(qū)域強震能量水平，引起該區(qū)域大洋底部流體飽和斷塊結構單元的大規(guī)模電化過程。就目前的認識來看，這些區(qū)域可以按照相應的膨脹模型進行模擬（ΑΛексееви?р，2008；Собисевич，2010；НикоΛаевский，2011）。在震中地區(qū)和緊靠震中的斷裂板塊結構（斷層群）帶電粒子的相互作用，我們認為是導致地電異常磁擾動現(xiàn)象的來源。這種異常磁擾動可在所研究的海嘯地震形成和釋放所有階段均觀測到。

因此，導致出現(xiàn)分散膨脹型結構并具有共振特性的部分斷裂板塊地質介質區(qū)域電離過程的結果（Собисевич，2010），會促使發(fā)生異常地磁超低頻擾動，反映了震源區(qū)域共振斷裂板塊結構單元的運動軌跡。為證實這一點，我們研究了從北高加索地球物理觀測站獲取的自然條件下的試驗數(shù)據(jù)。

圖5 磁場坐標系：F—地球磁場矢量；H—水平面地球磁場矢量水平線，由南向北方向取值為正值；D—地球磁場水平線與地理子午線之間的夾角，由西向東方向取值為正值；Z—地球磁場矢量垂直線，由上至下取值為正值

在觀測站內我們采用圖5所示的坐標系，并且所有磁變測量站以磁極為基準。水平線磁變量取值標記為H和D。雖然現(xiàn)實中與采用的標記有區(qū)別，但運用數(shù)學轉換，總可以得到磁變量H和D的實際數(shù)值。將來在記錄中顯示：H分量—磁變測量站讀數(shù)，D分量—不是角，而是垂直于H分量的測量數(shù)據(jù)。在2004年12月26日蘇門答臘—安達曼地震過程中，北高加索地球物理觀測站記錄到的地磁圖和傾角儀數(shù)據(jù)如圖6所示。

可以歸類至異常超低頻地磁擾動的磁場信號典型結構，我們認為是由該次災難性地震形成區(qū)域內引發(fā)的流體系統(tǒng)確定的。在記錄中，這些結構從2004年12月24日14時40分就開始清晰地呈現(xiàn)出來。

對獲得的地磁記錄圖進行分析，可以劃分出幾個時間段，每個時間段內，其異常超低頻地磁擾動表現(xiàn)得異常明顯。我們將它們確定下來，從12月24日00∶00至25日00∶00（圖6）。該時間和下文中的時間均為世界時。在所提供的反映分析地震起始和發(fā)展各階段的地球磁場變化（H、D、Z）和地球表面傾斜（EW向）記錄中，可以（在給定的磁變測量儀敏感度條件下）研究從海嘯地震發(fā)展最初階段就出現(xiàn)的異常超低頻地磁擾動。在圖6中，用灰色標出兩個時間間隔，其更清晰地顯示出上述典型的準諧波磁擾動。需要指出，這些擾動在其他時間間隔也可以觀測到。它們在結構上基本沒有區(qū)別，只是其振幅要小得多。應用地震震中區(qū)域運動過程相關對比分析方法，下一步我們準備更詳細地研究這些擾動數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，我們研究發(fā)生在從2004年12月24日23時58分到12月25日00時23分期間的異常超低頻地磁脈動（圖6，插圖2、4）。震前直接與地震沖擊有關的異常超低頻地磁擾動波形顯示在圖6中（插圖3、5）。在兩種情況下，均延長了研究的時間范圍。為描述地球磁場變化的擾動產生和發(fā)展過程，需要說明的是 “準靜態(tài)”信號振幅在0.5～1.2нТΛ之間波動，而周期在1～2min范圍內變化。

對18～300s時間范圍內的擾動過濾后得到的波形（圖6，插圖2、3），能清晰地描繪出海嘯地震震前的異常超低頻地磁擾動的精細結構。

對所列出的準周期性信號與在全球其他地區(qū)海嘯前獲取的數(shù)據(jù)做比較顯示，所能監(jiān)測到的波形有明顯區(qū)別，且完全不同于每個從全 球 范 圍 單 獨 選 取 的 區(qū) 域 （Собисевич，2010）。因此，自然可推測，類似的異常超低頻地磁波動可能反映在地震孕育區(qū)發(fā)生的地質地球物理過程。

在分析這樣大規(guī)模自然現(xiàn)象的特點時，我們發(fā)現(xiàn)北高加索地球物理觀測站記錄到的超低頻地磁擾動的絕對量，實際上是大氣和大地兩類波的疊加（Копытенкои?р，2000）。但是由于缺少進行真實試驗的相應技術，還暫時不能試驗性地把它們區(qū)分開來。

圖6 在2004年12月26日蘇門答臘島地區(qū)地震形成和發(fā)展各階段的磁場變量和地球表面傾斜的記錄。插圖2、4為地震前后觀測到的異常超低頻準諧波磁擾動的典型波形；插圖3、5為地震前1小時出現(xiàn)的異常超低頻磁擾動的典型波形；EW為東西向傾斜儀讀數(shù)；H、D、Z為地球磁場變化；Hf、Df、Zf為18～300s范圍內過濾出的地球磁場變化

有一種觀點認為，產生這種現(xiàn)象的原因，是在未來震源地區(qū)傳導性、以及超低頻地磁、次聲和電離輻射異常發(fā)展的結果。同時對電離層中產生的特殊超低頻地磁波動信號的研究（圖4類信號等）過程中，引起很多研 究 人 員 的 關 注 （Бахмутов，2001；Бахмутови?р，2003；ГуΛьеΛьми，2007；ГуΛьеΛьми、Зотов，2012；Собисевичи?р，2009；Собисевич，2010）。根據(jù)對比在海嘯前記錄的超低頻地磁擾動，在評價圖4類提取的波動時，需要注意的是目前暫時沒有人能準確地確定信號源所處的位置?？萍嘉墨I中還沒有確鑿可信的數(shù)據(jù)證明，在陸上和海上強震發(fā)生和傳播的所有階段均存在的（例如圖4類型的）電離層中磁擾動還是在巖層系中超低頻地磁擾動哪一個是原始資料。沒有這樣的資料，加大了大震預報的難度。

與此同時，根據(jù)近年來北高加索地球物理觀測站的儀器設備觀測得到的異常超低頻地磁信號試驗記錄的研究數(shù)據(jù)，確定擾動源很有可能處于巖層系中（見表1）。因此，在強震孕育地區(qū)產生的電離層磁擾動實際上就在一瞬間。所產生的典型波形總能被分布在遠離震中的觀測站記錄到并成功分離出來（Собисевич，2010）。

對比分析蘇門答臘—安達曼地震與全球其他地區(qū)發(fā)生的海嘯地震孕育和發(fā)生階段磁場測量數(shù)據(jù)，考慮地質運動環(huán)境（Собисевич и?р，2009；Собисевич，2010），可以確定災難性地震前一系列準周期性超低頻地磁擾動。真實監(jiān)測數(shù)據(jù)列在表2中。根據(jù)這些結果，其在位于地球物理信息測量系統(tǒng)區(qū)域（埃爾布魯斯火山中心、卡爾波戈里和其他觀測站點）的絕對值在0.8～4нТΛ之間波動的異常超低頻地磁擾動，首先會出現(xiàn)在未來震中區(qū)域內。

將上面所列的結果與5年后（2009年8月16日）發(fā)生在蘇門答臘—安達曼的M6.7海嘯地震（這次地震強度明顯小很對）進行了對比。此次地震磁波圖見圖7。

清晰的準諧波超低頻地磁擾動異常出現(xiàn)在地震波前一天（圖7，插圖2：18～300s范圍過濾的信號），而其振幅未超過1нТΛ。

對比兩次不同震級地震磁波圖可以得出結論，監(jiān)測到的準諧波信號是相同的。此外值得說明的是，隨著第一次地震沖擊的接近，擾動周期有變化的趨勢（圖7，插圖2、3）。所產生的磁擾動其固有的、與異常超低頻波形頻率變化有關的特性，反映出震中區(qū)的膨脹結構的共振效應。各種流體流動以不同的方式形成獨立的膨脹構造，并確定了在應力高梯度變化區(qū)域電離的結構和程度。但是，對結構中電荷釋放機制暫未進行研究。目前只能說在這個復雜的地球物理過程中，其最終作用不應該是導致在地震孕育區(qū)域構造環(huán)境變化時相互影響的局部共振單元的形成。

通過對其他海嘯地震記錄（圖8）的分析，可以評價共振效應的作用。這時在該次地震前1個小時內記錄的地磁擾動異常表現(xiàn)為清晰的準諧波信號。

上述引起地磁擾動的特征在2010年4月6日印度尼西亞北部蘇門答臘島地區(qū)發(fā)生的M7.8海嘯地震時也能清楚地看到（圖9）。超低頻地磁擾動異常出現(xiàn)在地震前22小時（見圖8，插圖2）。但是，所有超低頻擾動具有準諧波成分。監(jiān)測到的信號長度和隨后的連續(xù)擾動反映出帶電非穩(wěn)定膨脹單元振蕩自發(fā)產生電流，這些膨脹單元真實存在于大洋底部斷塊區(qū)域強震孕育和發(fā)展的所有階段。

印度尼西亞地區(qū)和全球其他地區(qū)強烈海嘯地震震前的超低頻地磁擾動解析結果（見表2）使得有理由猜測，記錄到的超低頻磁擾動具有明顯的特征，是地震海嘯孕育過程中的獨有的圖像?？捎涗浀臄_動持續(xù)時間、地震波臨近之前波形變化以及擾動本身的細微結構，確定了震中區(qū)動力學性質和地震過程發(fā)展各階段可能發(fā)生的伴生流體系統(tǒng)典型特征。所獲取的超低頻地磁擾動代表性數(shù)據(jù)，可用于研究強烈海嘯地震孕育區(qū)的地質和地球物理特性。

結論 從1970年代開始，在專業(yè)的科學文獻中經(jīng)常出現(xiàn)關于監(jiān)測到大地震前在大氣和電離層中以及大地電流系統(tǒng)和超低頻電磁場變化異?，F(xiàn)象的科學報道。這方面首先需 要 指 出 的 研 究 有：O.M.Барсукова、Я.M.ГогатишвиΛи、 M.Б.Гохберга、 Ю.В.Копытенко、 A.В.Кустова、 В.Г.Кузнецова、

В.А.Моргунова、 В.А.Λиперовский、 В.А.ГΛадышева和俄羅斯科學院的其他科學家的研究成果；對解決上述問題做出顯著貢獻的烏克蘭國家科學院的科學家們有В.Г.Бахмутов、 В.Е.Максимчук、 T.A.Мозговая、Ф.И.Седова和Г.Е.Харечко，等。

表2 2007～2009年間海嘯地震

表2 （續(xù)）

圖7 在蘇門答臘島地區(qū)發(fā)生于2009年8月16日的海嘯地震磁波圖。在插圖2、3中示出了過濾后的超低頻地磁擾動細微結構，在插圖4、5中為地磁擾動預報器記錄波形的展開。其他圖例見圖6

圖8 2009年3月19日發(fā)生在湯加群島地區(qū)的海嘯地震。插圖1為磁變測量站記錄圖（H、D、Z）和西—東（EW）傾斜儀指數(shù)；插圖2、4為地震前一小時出現(xiàn)的異常超低頻磁擾動波形；插圖3、5為地震孕育和發(fā)展各階段監(jiān)測到的異常超低頻磁擾動典型波形；Hf、Df、Zf為10～500s區(qū)間過濾后的地球磁場磁變量。其他圖例見圖6

但是，與地震事件相關的電磁異?，F(xiàn)象至今未能得到全面的實驗證實。這里的主要原因是沒有使用各種類型專業(yè)地球物理儀器設備記錄到大于M＝6～7地震事件前的地磁擾動。同時，這不僅僅使獲取有代表性的地震和電磁擾動異常結構方面的資料變得困難，還無法對信號本身的細微結構進行及時的分析。此外，從目前看來，進一步研究在大地震（不管是陸地還是海上）的孕育和發(fā)生階段，巖石層、大氣層和電離層之間的聯(lián)系是地球科學領域的最新研究成果（Собисевич，2010）。

從1970年代開始的研究工作，在俄羅斯科學院大地物理研究院實驗室、俄羅斯科學院地磁、電離層與無線電波傳播研究院、烏克蘭國家科學院地球物理研究院等科研機構中仍在繼續(xù)。有關監(jiān)測地球物理異?，F(xiàn)象的最新數(shù)據(jù)，包括俄羅斯科學院大地物理研究院北高加索地球物理觀測站信息測量系統(tǒng)取得的實驗結果，近年來有很大增長（Собисевичи?р，2008；Собисевич，2010）。

地震電磁現(xiàn)象是地震和地球地殼中其他災難性事件發(fā)展過程較敏感的指標。這里應注意到，由于電磁擾動會從發(fā)生源開始傳播很長的距離，因此可很容易監(jiān)測到（Surkov，Pilipenko，1999）。在具有傳導性的地球地殼中不同頻率電磁擾動衰減，可以劃分3個監(jiān)測范圍：

甚低頻（VLF）：研究從幾百赫茲到幾兆赫頻率，其振源可能位于地殼表層，并與破裂板塊結構和膨脹構造發(fā)展的部分巖石微細裂縫有關聯(lián)。

超低頻和特低頻（ULF）：典型頻率在幾毫赫到幾赫茲之間的擾動，其振源位于地震孕育的區(qū)域。擾動可能產生于在膨脹結構中帶氣泡液體的不穩(wěn)定起伏運動，以及隨之在地震孕育區(qū)從個別膨脹型破裂板塊構造之間積累的靜電的釋放（Fedorov et al，2001；АΛексеев и ?р， 2008； НикоΛаевский，2011）。

還有一些研究表明，在個別地震發(fā)生幾小時、幾十小時甚至幾天前，出現(xiàn)準諧波異常（Pilipenko et al，1999；Копытенкои?р，2000；Собисевичи?р，2009；Собисевич，2010）。

強震孕育區(qū)域大小可能為數(shù)百甚至數(shù)千千米。由地震孕育引起的地球自然磁場異常擾動具有很大的空間范圍，這使得可以通過地面上的地球物理儀器設備和對電離層狀態(tài)的遠程監(jiān)測來研究地球物理變化過程，從而發(fā)現(xiàn)異常的波形結構。

電離層，實質上可以想象成是距地球表面約100km的一層薄薄的、容易運動的等離子體，對近地表甚至是振幅不大的波擾動反應敏感。將擾動轉移到電離層高度的直接因素 可 以 是 準 穩(wěn) 態(tài) 電 場 （Гохберги?р，1985；Гошджанови?р，1991）和周期超過5min的聲重力大氣波（Pilipenko et al，2001）。聲重力波的典型特征是其振幅隨著向上傳播至密度指數(shù)下降的大氣層而增大。

電離層等離子體具有其自由的能量，因此，甚至是相對較弱的外界影響也可以刺激到等離子和電磁變化過程的梯級。

對北高加索地球物理觀測站信息測量系統(tǒng)所取得的實驗數(shù)據(jù)進行討論發(fā)現(xiàn)，強烈海嘯地震孕育過程中引起的異常地磁擾動的代表性結果還是領先的（見表2）。

為獲得對地震預報有重要意義的信息，對本文提出的基礎問題進行的科學研究，要求進一步完善位于極光地帶的觀測站和個別觀測點的硬件設施；需要組織包括信息測量系統(tǒng)在內的多參數(shù)監(jiān)控；對引發(fā)大洋底部強烈地震的超低頻地磁擾動細微結構的最新科研結果，加深了關于海嘯災害形成的認識。

圖9 2010年4月6日發(fā)生在蘇門答臘島北部地區(qū)的海嘯地震。插圖1為西東向放置的傾斜儀指數(shù)記錄圖和地球磁場磁變量，灰色表示典型的磁變圖區(qū)域，該區(qū)域可見異常超低頻地磁擾動；插圖2為地震前22小時地球磁場磁變量中超低頻地磁擾動波形；插圖3同上，為放大圖；插圖4為前7小時地球磁場磁變量中超低頻地磁擾動波形放大圖；插圖5為地球磁場磁變量中超低頻地磁擾動波形和緊臨地震前（1小時）傾斜儀指數(shù)。Hf、Df、Zf為10～500s區(qū)間過濾后的地球磁場磁變量。其他圖例見圖6

從北高加索地球物理觀測站和其他我們牽頭在極光地帶開展的專業(yè)實驗室獲取的關于該問題的地球物理信息，定期公開發(fā)表在網(wǎng)站資源上（http：／／f orecast.iz miran.r u／）。

本文在俄聯(lián)邦規(guī)劃大綱 《研究和編制2007－2012年俄羅斯科技優(yōu)先發(fā)展方向》（國家合同2011年5月12日第16.518.11.7057號）和 《俄羅斯科學院第4屆主席團》基礎研究大綱框架內完成。