青海地區(qū)地震磁擾動(dòng)異常特征研究

李 霞, 馮麗麗, 趙玉紅, 劉 磊, 茍智棟

(1.青海省地震局, 青海 西寧 810001;2. 中國(guó)地震局青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站 , 青海 格爾木 816001 )

0 引言

地震電磁擾動(dòng)是指地震在形成、發(fā)展等過程中地殼電磁源激發(fā)出的一種強(qiáng)烈的電磁信號(hào)[1],其產(chǎn)生的原因可能由壓磁、壓電以及動(dòng)電效應(yīng)等引起[2-4],即巖石超過其荷載承載壓強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生破裂、巖石的晶格會(huì)遭受破壞,從而產(chǎn)生電位跳躍而釋放出電磁波信號(hào)[5]。根據(jù)電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)理論得知電磁波的趨膚深度一般小于100 km,而地震磁擾動(dòng)信號(hào)是源于地震震源的信息,一般震源深度(尤其是內(nèi)陸地震)在十公里量級(jí)。因此,地震前觀測(cè)到孕震區(qū)磁擾動(dòng)信息的概率很大。

國(guó)外學(xué)者在對(duì)多個(gè)實(shí)際震例分析過程中采用了地磁垂直強(qiáng)度極化分析方法提取地磁擾動(dòng)異常信息,達(dá)到了一定應(yīng)用效果[6-11]。馮志生等[12]的研究表明,地磁垂直強(qiáng)度極化具有年變化特征,在提取極化高值異常前應(yīng)予以消除,并發(fā)現(xiàn)消除年變化后的喀什臺(tái)極化值高值與其后2個(gè)月內(nèi)臺(tái)站周邊地震有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且大部分地震都發(fā)生在1個(gè)月內(nèi)。Li等[13]利用天津靜海臺(tái)和新疆喀什臺(tái)的數(shù)據(jù)計(jì)算地震發(fā)生前后的極化值,在此基礎(chǔ)上提取了較為可靠的地震地磁異常信息;李琪等[14]利用極化方法對(duì)云南地磁臺(tái)陣資料的分析認(rèn)為云南賓川MS5.0地震前也存在地磁異常。地磁垂直強(qiáng)度極化法實(shí)際應(yīng)用效果好,符合電磁信號(hào)傳播理論,有深入的研究意義,用此方法提取地磁場(chǎng)信息受到廣泛關(guān)注,已成為研究熱點(diǎn)。

青海地區(qū)自電磁觀測(cè)以來,尤其是“十二五”背景場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)以后,基本形成了覆蓋全省的監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),積累了較好的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文針對(duì)青海地區(qū)地磁觀測(cè)資料質(zhì)量佳、觀測(cè)點(diǎn)分布密度均勻的特點(diǎn),利用垂直強(qiáng)度極化方法來提取震磁異常,結(jié)合中強(qiáng)地震背景,以期在實(shí)際地震預(yù)測(cè)工作中提供一定參考價(jià)值。

1 資料選取

青?，F(xiàn)有地磁觀測(cè)點(diǎn)9個(gè),分別為格爾木、都蘭、德令哈、大武、玉樹巴塘、西寧、金銀灘、湟源和貴德,其中大部分測(cè)點(diǎn)有兩套地磁儀器同時(shí)觀測(cè),儀器類型包括GM4、|XL型磁通門磁力儀、FHD-2型質(zhì)子矢量磁力儀和GSM-90F1型Overhauser磁力儀、FHDZ-M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)以及FGM觀測(cè)儀,大部分為2014年以后背景場(chǎng)項(xiàng)目中新架設(shè)儀器。青海省區(qū)域地磁臺(tái)網(wǎng)在青海境內(nèi)東北部地區(qū)布網(wǎng)間距相對(duì)較小,在西南區(qū)域沒有觀測(cè)站,對(duì)該區(qū)域地磁場(chǎng)變化的監(jiān)控能力受到制約。

本文選用2015—2017年資料品質(zhì)佳的格爾木(GM4B)、德令哈(GM4XL-b)、都蘭(GM4XL-6)、金銀灘(GM4XL-4)、大武(GM4XL-b)、貴德(GM4XL-2)、西寧(FGM01-4)和玉樹巴塘(FGM01-1)8個(gè)測(cè)點(diǎn)磁通門秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象(圖1);地震事件選取了研究區(qū)2015—2017年青海及其鄰區(qū)5級(jí)及以上、有地磁秒數(shù)據(jù)臺(tái)站記錄的地震(去除余震)共計(jì)10次(表1)。

圖1 青海地區(qū)磁通門觀測(cè)臺(tái)站與2015—2017年中強(qiáng)地震分布圖Fig.1 Distribution map of fluxgate observation stations in Qinghai area and mid-strong earthquakes from 2015 to 2017

表1 研究區(qū)2015—2017年中強(qiáng)地震情況匯總(去除余震)Table 1 Summary of mid-strong earthquakes in the study area from 2015 to 2017 (excluding aftershocks)

2 數(shù)據(jù)計(jì)算

地磁垂直強(qiáng)度極化值Yzh定義為某測(cè)點(diǎn)地磁垂直分量與總水平分量的譜值之比:

(1)

(2)

式中:Z(ω)為地磁垂直分量的譜幅度值;H(ω)為地磁水平分量全矢量的譜幅度值;Hx(ω)為地磁水平分量SN向譜值;Hy(ω)為地磁水平分量EW向譜值;ω為圓頻率。

大量觀測(cè)和分析表明,來自高空電離層和磁層的ULF磁場(chǎng)極化值Yzh一般都小于1,而來自震前震源區(qū)磁場(chǎng)的Yzh大于等于1。因此認(rèn)為Yzh是區(qū)分磁場(chǎng)信息來自高空與震源區(qū)地下的關(guān)鍵,可能是提取與地震破裂有關(guān)的磁擾動(dòng)信息的重要參數(shù)。

本文對(duì)青海地區(qū)8個(gè)測(cè)點(diǎn)磁通門觀測(cè)秒數(shù)據(jù)進(jìn)行地磁垂直強(qiáng)度極化法計(jì)算,并將結(jié)果進(jìn)行歸一化分析,以便更科學(xué)地分析極化異?？臻g展布特征。具體計(jì)算過程如下:①將磁通門三分量Z、Hx和Hy每天的秒資料分為96段,每段15分鐘;②去傾、加哈明窗、計(jì)算富氏譜;③計(jì)算垂直矢量和水平矢量譜幅度;④計(jì)算每天5～100 s內(nèi)各頻點(diǎn)的極化值的均值,獲得5～100 s極化值的逐日變化序列;⑤對(duì)極化值逐日變化序列富氏擬合,獲得周期大于半年的富氏擬合變化曲線、殘差方差,該富氏擬合變化曲線為極化值的年變化;⑥剔除5～100 s頻段內(nèi)各頻點(diǎn)極化值低于閾值的極化值,獲得高于閾值的極化值日均值。閾值為富氏擬合變化曲線加二倍殘差方差。⑦對(duì)高于閾值的極化值日均值逐日變化序列進(jìn)行富氏擬合,獲得周期大于半年的富氏擬合變化曲線殘差以及殘差方差,該殘差為剔除年變化的極化值,二倍殘差方差為異常判據(jù);⑧用各臺(tái)站二倍殘差方差對(duì)各臺(tái)殘差曲線進(jìn)行歸一化,再減1;⑨繪制異常期間所有臺(tái)站的歸一化后極化值空間等值線。

3 結(jié)果分析

通過分析地磁垂直強(qiáng)度極化時(shí)序曲線(圖2),選取異常期間異常臺(tái)站數(shù)量最多的時(shí)間并做歸一化處理后繪制極化異常空間等值線圖(圖3),得到以下認(rèn)識(shí):

(1) 2015年1月15日格爾木、金銀灘、貴德、大武和德令哈5個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)極化值高出背景平均值,異常持續(xù)3～5天,90天后發(fā)生內(nèi)蒙古阿拉善左旗5.8級(jí)地震,異常臺(tái)站距震中400～650 km。德令哈臺(tái)雖未出現(xiàn)異常,但同期出現(xiàn)了與其他臺(tái)變化形態(tài)相似的上升變化趨勢(shì)。高值異常區(qū)域覆蓋大部分青海地區(qū),震中位于異常區(qū)西北方向。

(2) 2015年11月21日格爾木、德令哈、都蘭、大武、金銀灘和貴德同步出現(xiàn)高值極化結(jié)果,異常持續(xù)4～7天,僅在2天后發(fā)生祁連5.2級(jí)地震;因?yàn)檎鸷髷?shù)天極化高值異常并未恢復(fù),所以認(rèn)為異常未結(jié)束,59天后又發(fā)生了門源6.4級(jí)地震,兩次地震距離150 km異常臺(tái)站距震中120～520 km。此組異常對(duì)應(yīng)兩次地震,震中均位于極化高值區(qū)域。

(3) 2016年1月28日格爾木、大武、西寧、金銀灘臺(tái)出現(xiàn)極化結(jié)果超出閾值情況,但隨后三個(gè)月研究區(qū)內(nèi)并未發(fā)生目標(biāo)地震,所以考慮該組異常為虛報(bào)。

(4) 2016年9月10日格爾木、金銀灘、貴德、西寧、巴塘5個(gè)臺(tái)站極化結(jié)果同步高值,異常持續(xù)2～8天,異常出現(xiàn)37天后發(fā)生雜多6.2級(jí)地震,極化異常曲線形態(tài)非常顯著,異常臺(tái)站距震中200～740 km。震中位于極化低值區(qū)域。

(5) 2016年11月29日格爾木、金銀灘、貴德、大武、德令哈、都蘭和西寧臺(tái)極化結(jié)果同步高值,異常出現(xiàn)僅6天發(fā)生聶榮5.1級(jí)地震,異常臺(tái)站距震中510～980 km。震中位置位于研究區(qū)邊界,距離極化高值異常邊界500 km。

圖2 地磁垂直強(qiáng)度極化法計(jì)算結(jié)果時(shí)序曲線Fig.2 Time series curve of calculation results of geomagnetic vertical intensity polarization method

圖3 地磁垂直強(qiáng)度極化異?？臻g展布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of magnetic vertical intensity polarization anomalies

表2 極化異常參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況Table 2 Statistics of geomagnetic vertical intensity polarization parameters

(6) 2017年6月19日大武臺(tái)極化值顯著偏高,2017年8月8題九寨溝發(fā)生7.0級(jí)地震,距離大武臺(tái)350 km。本次強(qiáng)震發(fā)生前短時(shí)期內(nèi)并未出現(xiàn)大范圍極化異常,由于單臺(tái)極化高值不作為異常提出,認(rèn)為九寨溝地震屬于漏報(bào)情況。

(7) 2017年11月3日格爾木、金銀灘、貴德、大武、德令哈和巴塘臺(tái)極化結(jié)果出現(xiàn)超閾值情況,異常持續(xù)1～6天,45天后發(fā)生澤庫(kù)4.9級(jí)地震,異常臺(tái)站距震中105～650 km。震中位于極化高值異常區(qū)。

(8) 2015年10月12日青海瑪多5.2級(jí)地震、2016年5月11日西藏丁青5.5級(jí)地震和2017年9月30日四川青川5.4級(jí)地震前未出現(xiàn)顯著同步極化高值,所以認(rèn)為屬于漏報(bào)情況。

眾所周知,磁暴是地磁場(chǎng)強(qiáng)烈擾動(dòng)的重要地球物理現(xiàn)象,為了證明本次所研究的地磁垂直強(qiáng)度極化異常非磁暴所致,根據(jù)東京地磁國(guó)際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html)提供的Dst指數(shù)與Kp指數(shù)(圖4),2015～2017年青海地區(qū)出現(xiàn)的5組地磁極化異常日當(dāng)天及前、后兩天均未出現(xiàn)大型磁暴,對(duì)此次異常的性質(zhì)判定不產(chǎn)生影響。

圖4 異常時(shí)間段與Dst指數(shù)、KP指數(shù)情況Fig.4 Dst and KP index information during abnormal period

4 討論與結(jié)論

2015—2017年青海地區(qū)共發(fā)生10次5級(jí)左右及以上地震,其中6次存在極化異常現(xiàn)象,4次漏報(bào)(大部分位于觀測(cè)點(diǎn)稀疏區(qū)域),得到以下結(jié)論:

(1) 地磁垂直強(qiáng)度極化法在青海地區(qū)5級(jí)左右及以上地震確實(shí)有一定映震能力,且震前會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)同步的大范圍異常區(qū),異常高值形態(tài)常呈現(xiàn)出單峰或雙峰形態(tài),且同步異常的臺(tái)站曲線具有相似的變化特征。震前孕震區(qū)附近會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)感應(yīng)電流,由于感應(yīng)磁場(chǎng)的復(fù)雜性會(huì)導(dǎo)致異常的表現(xiàn)形式多樣化,這可以很好地解釋在異常提取過程中,閾值線附近會(huì)表現(xiàn)出不同相位、不同幅度的變化形態(tài),這種差異是由地下介質(zhì)電導(dǎo)率的橫向非均質(zhì)性決定的。

(2) 當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上臺(tái)站極化值Yzh同時(shí)出現(xiàn)高值后1～2個(gè)月內(nèi),尤其是1 個(gè)月內(nèi),臺(tái)站周邊易發(fā)生5級(jí)以上地震,異常持續(xù)1～8天。

(3) 利用垂直強(qiáng)度極化異常空間分布特征判定震中位置時(shí),對(duì)于臺(tái)站分布密集區(qū)域,地震震中位于異常高值區(qū),如祁連5.2級(jí)地震、門源6.4級(jí)地震和澤庫(kù)4.9級(jí)地震均位于極化高值區(qū)域;對(duì)于臺(tái)點(diǎn)分布稀疏區(qū)域,如雜多6.2級(jí)地震和聶榮5.1級(jí)地震都位于研究區(qū)西南部監(jiān)測(cè)能力較弱區(qū),故異?？臻g分布對(duì)震中位置指示意義不大。青海地區(qū)大部分地磁測(cè)點(diǎn)分布于東北部,該區(qū)域監(jiān)測(cè)能力強(qiáng),故識(shí)別、判別異常能力高,對(duì)異常的信度也大于其他區(qū)域。

(4) 震中距與地磁垂直強(qiáng)度極化異常幅度并未出現(xiàn)明顯線性相關(guān)性,可能與臺(tái)站所處地質(zhì)構(gòu)造不同有關(guān),因?yàn)榻橘|(zhì)磁性特征與地震波速和巖性特征是密切相關(guān)的,導(dǎo)致來自震源區(qū)的電磁異常信號(hào)在不同構(gòu)造背景和沉積環(huán)境介質(zhì)中的傳播方式不同。

(5) 分析未發(fā)現(xiàn)震級(jí)與異常持續(xù)時(shí)間、震中距以及異常幅度有顯著關(guān)系,可能與研究樣本偏少以及研究范圍局限有關(guān)。

因所使用的數(shù)據(jù)資料積累時(shí)間短,震例不多,目前該方法在青海地區(qū)地震預(yù)測(cè)還未成熟應(yīng)用,對(duì)異常的認(rèn)識(shí)仍然不足。隨著時(shí)間和資料的積累,判據(jù)指標(biāo)及預(yù)測(cè)規(guī)則將得到進(jìn)一步完善,期望未來能在實(shí)際地震預(yù)測(cè)工作中提供一定參考價(jià)值。