2021年5月22日青海瑪多7.4級地震前地磁日變化異常分析

李軍輝，姜楚峰，馮麗麗，何 康

（1.安徽省地震局，安徽 合肥230031；2.安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽 蒙城230031；3.湖北省地震局，湖北 武漢430071；4.青海省地震局，青海 西寧810001）

地震孕育發(fā)生過程會導致孕震區(qū)電導率發(fā)生改變，并導致感應電流及其感應磁場分布發(fā)生改變，由于這一變化過程主要發(fā)生在上地幔和地殼，感應電流埋深較淺，故其引起的感應磁場變化主要出現(xiàn)在垂直分量中。我國地震預報人員先后提出并改進了地磁低點位移法（丁鑒海等，2004；馮志生等，2009；黃頌等，2020）、地磁加卸載響應比法（曾小蘋等，1996；馮志生等，2000；倪曉寅等，2017）和地磁日變化空間相關法（林美等，1982；戴勇等，2017；戴勇等，2018），以提取地磁垂直分量中的震磁異常。

馮志生等（2020）采用相關分析方法和地磁垂直分量日變化分鐘采樣資料，研究了臺站之間地磁垂直分量日變化的相關性與我國南北帶地震活動之間的關系，并認為相關異常期間有地磁日變化感應電流集中分布在相關閾值線下方，視相關閾值線為感應電流集中線，研究發(fā)現(xiàn)我國每月平均出現(xiàn)2次地磁日變化感應電流線狀集中分布現(xiàn)象，線狀集中分布感應電流有原地重復出現(xiàn)現(xiàn)象—地磁日變化感應電流集中分布重疊異常，原地重現(xiàn)日期一般不連續(xù)，大部分在10天左右，原地重現(xiàn)次數(shù)一般僅有2次。在我國南北帶，2009～2018年共出現(xiàn)重疊異常23次，20次重疊異常出現(xiàn)后18個月內重疊段及附近有6級以上地震發(fā)生，對應率高達87%，地震基本發(fā)生在重疊段端部250 km以內，重疊段發(fā)生2次6級以上地震的比例約34%；重疊段二個端部發(fā)生6級以上地震的比例很小僅約9%；研究還發(fā)現(xiàn)部分重疊段走向與已經發(fā)現(xiàn)的上地幔和地殼高導帶埋深走向基本一致，推測重疊異常發(fā)生在上地幔和地殼高導帶附近，是來自上地幔和地殼內高導帶附近的地震異常信息。中國大陸強地震主要發(fā)生在上地幔高導層的隆起區(qū)一帶及其殼內高導層發(fā)育地區(qū)，且深部電性測深結果表明，大震易于發(fā)生在電導率急劇變化的梯度帶（徐常芳，1996；詹艷等，2008，2021）。通過回溯整理2008～2018年期間中國大陸地磁日變化空間相關異常，并分析異常與后續(xù)地震的時空關系，建立了較完備的短期重現(xiàn)性地磁日變化的地震預報指標體系（馮志生等，2020）。本研究通過分析2020年9月出現(xiàn)的多次地磁日變化重疊異常與2021年5月22日青?，敹?.4級地震的相關性和地磁日變化的異常特征，為震情跟蹤工作提供支撐。

1 計算方法及資料

1.1 觀測數(shù)據(jù)

本研究選取中國大陸地磁臺2019年1月至2021年6月年產出的地磁Z分量日變化數(shù)據(jù)，主要由通門磁力儀和FHD質子磁力儀等儀器產出數(shù)據(jù)；為方便延時處理，一般應采用轉換后的北京時分鐘值數(shù)據(jù)進行分析。為了確保計算結果的準確性和可靠性，對地磁數(shù)據(jù)進行了篩選，觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)和缺數(shù)較多的臺站不參與計算，最終選取數(shù)據(jù)連續(xù)較好的150個地磁臺站的Z分量數(shù)據(jù)資料進行日變化空間相關計算，參與計算臺站的空間分布如圖1所示。

圖1 地磁臺站分布及瑪多7.4級地震震中分布

1.2 相關系數(shù)計算過程

首先對北京時地磁垂直分量日變化分鐘采樣數(shù)據(jù)進行48階傅氏擬合濾波；然后計算其它臺站與參考臺的地磁垂直分量日變化空間相關系數(shù)（計算時采用“延時技術”消除臺站經度影響）；最后繪制異常日全國相關系數(shù)等值線圖。數(shù)據(jù)預處理過程：1）將各臺站相關系數(shù)除以前一年相關系數(shù)的“均值減2倍均方差”，以消除臺站距離不同對相關系數(shù)的影響，此時相關系數(shù)“1”為相關系數(shù)異常閾值；2）計算各臺站的2個參考臺相關系數(shù)均值；3）將各臺站相關系數(shù)減“1”，此時相關系數(shù)“0”為相關系數(shù)異常閾值；4）繪制地磁日變化相關系數(shù)歸一化后的空間分布圖，給出閾值線分布。

1.3 異常判定

相關系數(shù)異常：每年3月1日至10月31日期間，全國有多個臺站與2個參考臺之間同一天相關系數(shù)出現(xiàn)低于閾值變化，則該單日地磁日變化空間相關異常成立，其中，閾值為前1年3～10月相關系數(shù)均值減2倍方差（即低于2倍均方差異常成立）。重疊異常：若20天內多次單日相關異常閾值線（感應電流集中分布線）“完全重合”，且滿足110°E以東的區(qū)域重疊段超過300 km、110°E以西的區(qū)域重疊段超過500 km，則上述數(shù)次的單日異?？梢暈槌山M異常，閾值線重疊段為成組異常段（感應電流集中分布重疊段），“完全重合”的判據(jù)為二條閾值線走向一致且相距不超過50 km。

2 相關系數(shù)異常分析

在分析相關系數(shù)異常時，為避免因單個參考臺數(shù)據(jù)變化引起的虛假異常，本研究選取江蘇的新沂和河北的紅山兩個臺作為參考臺，時段背景值選取2019年3月1日至2019年10月31日相關系數(shù)的均值減2倍方差，主要計算結果如表1所示。

表1 震中附近日變化相關系數(shù)異常參數(shù)

圖2 為2020年3月1日至10月31日青藏高原東北緣附近蘭州、山丹、天水、西寧、德令哈、都蘭、湟源、金銀灘、大武等與新沂、紅山日變化空間相關系數(shù)曲線，結果顯示：9月26日有6個臺、9月27日有8個臺和9月28日有12個臺的相關系數(shù)出現(xiàn)同步的下降且低于閾值的異常變化（見表1、圖2），該異常出現(xiàn)8個月后，發(fā)生了2021年5月22的青?，敹?.4級地震，其它時段未出現(xiàn)多臺同步的異常變化。

圖2 瑪多7.4級地震前（2020年3月～10月）地磁日變化空間相關系數(shù)曲線

3 重疊異常分析

在2021年5月7日全國地磁學科組提交的地磁日變化相關方法的跟蹤報告里，提出地磁日變化空間相關方法存在多次單日異常，其中2020年9月26日、27日和28日出現(xiàn)的3次日變化空間相關異常的重疊區(qū)域與2021年瑪多7.4級在空間上接近（見圖3a），其中9月26日與9月28日的0值線重疊的區(qū)域較多，滿足異常的判定標準，重疊位置自青海海南州至四川中部、并向東至川渝交界地區(qū)，并提出了明確的預測意見，即在異常出現(xiàn)18個月后，在重疊區(qū)域的端部250 km范圍有發(fā)生6.0級以上地震的可能。結果表明該異常出現(xiàn)8個月后，在青海海南州端部附近發(fā)生了2021年5月22日的青海果洛州瑪多7.4級地震（98.34°E，34.59°N），震中位于重疊區(qū)域端部的200 km范圍，圖3a給出了9月26、27、28日3個相關系數(shù)0值線的分布與地震空間分布，不同顏色表示不同的異常時段，圖3b采用粗實線給出了重疊段與地震的空間分布，重疊部分為反S狀的西北-東南走向（圖3b藍色線條）。

圖3 線狀集中分布感應電流

為進一步分析地磁在地震前的變化特征，選取正常時段與異常時段的地磁場日變化進行對比分析，研究不同時段地磁日變化的差異性，本研究采用銀川、天水、大武和西寧4個臺站2020年9月24日（正常時段），9月26日和9月28日（異常時段）地磁場Z、H、D分量日變化資料進行對比分析（見圖4），結果顯示：在正常的變化時段，4個臺站的地磁Z分量日變化較為一致，同步性和一致性較好（見圖4a）；在異常時段的9月26日，4個臺地磁Z分量日變化差異較大，銀川臺日變幅減小，大武、天水和西寧3個臺的日變幅增大，在相位上明顯的出現(xiàn)反向的變化（見圖4b）；9月28日大武和西寧臺的日變化較為一致，日變幅度變大，天水、銀川的日變化幅度減小，也出現(xiàn)反相位變化（見圖4c）；H、D分量的日變化對比結果顯示三個時段的日變化同步性和一致性均較好，未發(fā)現(xiàn)明顯的日變幅和相位異常（見圖4d、e、f、h、i、j）。

圖4 不同時段4個臺站地磁Z、H、D三分量日變化量歸一化對比

4 結論

本研究利用地磁日變化空間相關方法計算了中國大陸2019～2021年150個地磁臺地磁Z分量日變化的相關系數(shù)，分析相關系數(shù)在2021年5月22日青?，敹?.4級地震前后的變化，主要結論有：1）2020年9月26日和9月28日分別出現(xiàn)了6個和12個臺站的地磁日變化相關系數(shù)低于閾值的異常，正常區(qū)域與異常區(qū)域具有明顯的空間分界線。選取分界線兩側典型的銀川和大武地磁Z分量日變化進行對比，發(fā)現(xiàn)2次異常時段，分界線兩側的Z分量日變化具有明顯反相位變化。2）2020年9月26日與2020年9月28日的相關系數(shù)0值線出現(xiàn)重疊異常，該異常自青海至四川中部呈現(xiàn)反S的形態(tài)，按照地磁日變化空間相關的震例總結和指標體系建設的成果給出了關注的區(qū)域，在重疊異常出現(xiàn)8個月后，重疊異常的青海段端部200 km范圍內發(fā)生了瑪多7.4級地震，為地磁日變化空間相關方法進一步積累了震例。3）根據(jù)以上的現(xiàn)象和認識，可以初步給出感應電流線狀集中分布重疊異常端部的地震發(fā)生機理過程：某種原因導致上地幔和地殼內高導帶出現(xiàn)“裂紋”，深部流體進入“裂紋”形成“短時間高導通道”，地磁日變化感應電流集中分布于“短時間高導通道”，出現(xiàn)線狀集中分布感應電流，當“短時間高導通道”持續(xù)多日，或原地不同日期出現(xiàn)“短時間高導通道”后，線狀集中分布感應電流原地重現(xiàn)，線狀集中分布感應電流在重疊段端部高阻區(qū)產生熱量，高阻區(qū)即上地幔和地殼內重疊段端部因高溫高壓出現(xiàn)膨脹，上地幔和地殼內重疊段端部的熱膨脹導致其上方地面發(fā)生隆起，地面隆起導致地殼水平擠壓高應力處斷層間摩擦阻力變小，地震發(fā)生。