2020年10月15日地磁垂直強(qiáng)度極化異常與瑪多M7.4地震

馮麗麗，管貽亮， 樊文杰，賀曼秋，李霞，何暢，廖曉峰，艾薩·伊斯馬伊力，袁文秀，劉素珍，馮志生

(1.青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動力學(xué)野外科學(xué)觀測研究站,青海 格爾木 810001；2.青海省地震局，青海 西寧 810001；3.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014；4.云南省地震局，云南 昆明 650224；5.重慶市地震局，重慶 401147；6.四川省地震局，四川 成都 610041；7.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830001；8.浙江省地震局，浙江 杭州 310013；9.山西省地震局，山西 太原 030021；10.江蘇省地震局，江蘇 南京 400071)

0 引 言

在地震預(yù)報研究中，地震地磁異常的觀測與提取一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。近年來，利用地磁觀測資料提取地震異常的方法得到了廣泛的應(yīng)用。在日常跟蹤分析中常用的方法主要有地磁諧波振幅比[1-4]、垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比[5-8]、垂直分量日變幅逐日比[9-11]、低點(diǎn)位移[4,12-15]、日變化空間相關(guān)[16-18]、垂直強(qiáng)度極化[19-24]等。

其中極化法(Polarization)由Hayakawa等[25]提出,因其能夠反映地震地磁擾動異常的產(chǎn)生、傳播和分布特征,在國內(nèi)外地震電磁擾動信息提取中得到了廣泛應(yīng)用[19-20,26-31]。但因臺站分布的限制，以往的研究主要以單臺為主，對震磁異常的空間特征研究十分有限。

我國地磁臺站連續(xù)觀測儀器主要有磁通門磁力儀、質(zhì)子矢量磁力儀以及OVERHAUSER磁力儀，其中磁通門磁力儀能夠產(chǎn)出的秒采樣觀測數(shù)據(jù)可供我們開展地磁垂直強(qiáng)度極化分析。2010年以前，磁通門磁力儀數(shù)量較少，僅有約110套，且在西北地區(qū)分布十分稀疏。隨著大規(guī)模的臺網(wǎng)建設(shè)，截止2021年，國家地震前兆臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫中磁通門磁力儀總數(shù)量為192套，地磁臺站的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到空前的規(guī)模。產(chǎn)出的數(shù)據(jù)可供我們開展地震地磁擾動空間特征研究工作。

基于上述臺站數(shù)據(jù)，地磁垂直強(qiáng)度極化法得到了大力發(fā)展。通過回溯整理2015～2018年期間中國大陸地磁垂直強(qiáng)度極化高值異常，并分析其與后續(xù)地震的時空關(guān)系，建立了完整的地震預(yù)報指標(biāo)體系[32]，并從2019年開始應(yīng)用于地震系統(tǒng)震情跟蹤工作中。本文將介紹2020年10月15日地磁垂直強(qiáng)度極化異常與瑪多7.4級地震的時空關(guān)系，以及該方法在此次地震前的應(yīng)用情況。

1 數(shù) 據(jù)

中國大陸110°E以西區(qū)域共有120套磁通門磁力儀，其空間分布見圖1，其中42個地震臺站擁有2套以上儀器。對于有2套以上儀器的地震臺站僅選擇其中1套儀器記錄數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性較高的進(jìn)行分析，則有49套儀器不參與后續(xù)計算分析。甘肅磁通門臺陣共有9個臺組成，由于總體斷記較多，數(shù)據(jù)連續(xù)性不高，我們僅從中選取了英鴿地震臺1套儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)。

本文最終選擇了2020年1月1日以來，中國大陸西部63套磁通門磁力儀產(chǎn)出的秒采樣觀測數(shù)據(jù)開展分析。在瑪多地震發(fā)生時，有14套儀器因觀測時間過短、觀測儀器故障或缺數(shù)等原因?qū)е聼o法得到分析結(jié)果，因此最終參與研究分析的儀器共49套。

圖1 中國大陸110°E以西地區(qū)磁通門臺站

中國大陸東部(110°E以東)地區(qū)也有數(shù)十臺磁通門觀測儀，但本文中未涉及這些儀器產(chǎn)出的資料的分析結(jié)果，主要原因有三：一是東西部在臺站密度和強(qiáng)震背景上均存在較顯著的區(qū)別，且根據(jù)以往震例總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)[32]，東部極化高值與地震的對應(yīng)關(guān)系較差；二是極化分析采用的是秒鐘值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量和計算量較大，暫時未得到明確的分析結(jié)果；三是對部分東部臺站資料的對比研究發(fā)現(xiàn)，與西部臺站極化分析結(jié)果相關(guān)系數(shù)較低[24]。因此目前跟蹤過程僅采用中國大陸西部資料。

2 方 法

極化法即地磁垂直分量與水平分量幅度比值分析方法，由Hayakawa等[25]首次提出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中，Z(ω)為地磁垂直分量的譜幅度值;H(ω)為地磁水平分量的譜幅度值；Hx(ω)為地磁南北分量譜幅度值；HY(ω)為地磁東西分量譜幅度值。地磁分量單位為nT，ω為圓頻率。由于其反應(yīng)了磁場能量在垂直方向與水平方向的分配比例，為了與水平橢圓極化法進(jìn)行區(qū)分，我們將其稱為地磁垂直強(qiáng)度極化法。

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的主要步驟如下：第一步，將磁通門三分量Z、Hx和Hy每天的秒資料按15 min每段分為96段，計算各段垂直矢量和水平矢量的傅里葉譜幅度；第二步，將每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)內(nèi)各頻點(diǎn)的極化值的均值作為當(dāng)日極化值，以半年為周期對逐日極化值曲線進(jìn)行傅氏擬合(數(shù)據(jù)一般不短于半年)，獲得其年變化曲線，并計算兩者殘差的均方差；第三步，對每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)內(nèi)各頻點(diǎn)的極化值曲線中減去傅氏擬合得到的年變化曲線，消除其中的年變化成分；第四步，僅保留各頻點(diǎn)極化值曲線中高于二倍殘差均方差的部分，剔除低值部分；第五步，對篩選出高值后的每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)內(nèi)各頻點(diǎn)的極化值的均值作為當(dāng)日極化值再次進(jìn)行傅氏擬合后發(fā)現(xiàn)仍然存在年變化，因此再次對年變化進(jìn)行了扣除，最終處理得到了地磁垂直強(qiáng)度極化高值序列YZH。

以往震例表明，震前的極化異常在不同地震臺站出現(xiàn)時間可能略有差異，在研究異?？臻g特征時，可能因?yàn)榍昂蟪霈F(xiàn)時間的差異導(dǎo)致異常的空間范圍與實(shí)際不相符的情況，因此對逐日值進(jìn)行了5日滑動平均處理，得到Y(jié)ZH1。

2.2 歸一化

因觀測環(huán)境及儀器的差異，各地震臺YZH1波動范圍不盡相同。在提取YZH1高值進(jìn)行空間特征研究時，可能出現(xiàn)因臺站差異導(dǎo)致的失真現(xiàn)在。為了消除臺站影響，需要對各地震臺YZH1進(jìn)行歸一化。為了使結(jié)果更直觀，還對歸一化后的結(jié)果進(jìn)行了置零處理。具體算法為：

(2)

稱YZH2為歸一置零極化值，當(dāng)其高于0，等價于YZH1高于2倍方差。在空間上對現(xiàn)有臺站的歸一置零極化值進(jìn)行克里金法數(shù)學(xué)插值，即可得到大陸西部地區(qū)每日的地磁垂直強(qiáng)度極化空間分布。

3 異常時空特征

在地磁垂直強(qiáng)度極化異常跟蹤過程中，發(fā)現(xiàn)10月15日前后中國大陸西部共有21個臺站出現(xiàn)極化值高于2倍均方差的高值異常，占參與計算地震臺站的43%。

3.1 空間特征

圖2 2020年10月15日地磁垂直強(qiáng)度極化異常空間分布

青海中部至廣西北部異常區(qū)內(nèi)YZH2最大地震臺站為甘肅天水地震臺，達(dá)到1.37此外，青海地區(qū)大武、都蘭、貴德等地震臺均存在YZH2>0.2的高值異常且異常幅度較大。在四川、重慶及廣西部分地震臺站也出現(xiàn)了YZH2大于0的高值。新疆烏魯木齊、云南麗江、西藏察隅、內(nèi)蒙古烏加河等地震臺YZH2>0.2，但上述地震臺站均為單點(diǎn)異常。

表1 2020年10月15日中國大陸西部 各地震臺YZH2統(tǒng)計表

利用中國大陸西部49個地震臺站在2020年10月15日的YZH2值插值后獲得了異?？臻g分布圖(圖2)。按照以往慣例，認(rèn)為YZH2高于0.2的區(qū)域?yàn)楦咧诞惓^(qū)，則圖中存在4個高值異常區(qū)。其中有一個大范圍異常區(qū)，空間從青海中部一直延伸至廣西北部，異常面積58萬 km2。根據(jù)以往震例，推測其目標(biāo)震級約為M6.6[32]。新疆中部、西藏東部與內(nèi)蒙中部地區(qū)也存在3個小面積高值異常區(qū)，但因?qū)賳闻_異?；虍惓^(qū)面積太小，此處不再討論。

瑪多M7.4地震震中位于2020年10月15日大面積高值異常區(qū)西南邊界位置，震中處YZH2為0.06。

3.2 時間特征

對部分相對高值臺站繪制的2020年以來YZH1時序圖可以看出，2020年1～8月，各臺極化值較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)大幅同步波動。2020年9月中旬多臺同步出現(xiàn)小幅度高值，至10月出現(xiàn)更大面積的同步高值現(xiàn)象，且幅度較大。此后YZH1時序曲線較之前出現(xiàn)大量小幅波動，與之前的平穩(wěn)變化有明顯差別，直至2021年5月初再次出現(xiàn)小幅增高現(xiàn)象。2021年5月22日發(fā)生了瑪多M7.4地震。異常出現(xiàn)時間與發(fā)震時間差為219天。以往震例來看，異常出現(xiàn)時間與發(fā)震時間差一般為7～183天[32]。此次發(fā)震時間超出了以往最長發(fā)震時間36天。

圖3 2020年1月～2021年5月部分 臺站YZH1時序圖

圖4 2020年10月地磁Dst指數(shù)與Kp指數(shù)(3小時) 變化曲線

對異常出現(xiàn)時段的地磁指數(shù)調(diào)查結(jié)果表明(圖4)，高值異常期間的Dst指數(shù)在±15以內(nèi)，Kp指數(shù)小于2，表明該時段地磁場活動較弱。這與前人的研究結(jié)果[19]是一致的，即極化高值期間為外源場弱活動時段。

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，自2020年9月起，中國大陸西部地磁垂直強(qiáng)度極化出現(xiàn)多臺同步小幅升高，至2020年10月15日出現(xiàn)了顯著高值異常，甘肅、青海、四川、重慶、廣西等多個地震臺出現(xiàn)高值異常，插值高值區(qū)在空間上從青海中部一直延伸至廣西北部，面積約580 000 km2。結(jié)合以往震例展開分析，認(rèn)為在高值區(qū)邊緣7～183天可能發(fā)生M6.6左右地震。異常出現(xiàn)后219天，2021年5月22日發(fā)生了瑪多M7.4地震，震中位于該高值異常區(qū)的西南邊界，基本符合震前預(yù)判的結(jié)果，但時間超出36天，且震級高于預(yù)期。本次異常分析及跟蹤過程為我們進(jìn)一步利用該方法開展震情跟蹤工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

值得注意的是，從YZH1時序曲線來看，上述異常從2020年9月開始發(fā)展，直到2021年5月22日發(fā)震，似乎存在某種特征性過程，以往研究中沒有發(fā)現(xiàn)類似特征。如果能夠?qū)@種特征性過程開展分析，并對其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行討論，將對震前電磁場輻射特征研究及地震預(yù)報工作產(chǎn)生積極的推動作用。

根據(jù)本次異常和以往研究的結(jié)果來看，極化高值異常區(qū)面積有可能較大，很難根據(jù)該異常判斷具體的發(fā)震位置，給震情跟蹤應(yīng)用造成了一定的困難。要解決該問題需要嘗試多種途徑。此次瑪多地震震中位于異常區(qū)邊界線附近，事實(shí)上，以往研究結(jié)果也顯示有多個震例位于異常區(qū)邊緣[24]。但對這一現(xiàn)象尚未開展深入系統(tǒng)的研究。

本次瑪多地震前震中附近不僅出現(xiàn)了極化高值異常，在震前3年至數(shù)月時間尺度內(nèi)還出現(xiàn)了多項(xiàng)電磁異常，在電磁綜合分析中利用異常疊加的方法，對震中位置進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的預(yù)測。震中附近還伴隨有地震空區(qū)等具有明確地點(diǎn)指示意義的異常。結(jié)合上述多種方法可以開展震中預(yù)測研究工作。