2022年青海門源MS6.9地震前地電場(chǎng)頻譜特征研究

范瑩瑩,安張輝,侯澤宇,付阿龍

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

2022年1月8日1時(shí)45分,青海省海北州門源縣發(fā)生MS6.9地震,震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。本次地震位于青藏高原東北緣的海原斷裂帶,震中周圍平均海拔3 600多米。地震造成包括青海省省會(huì)西寧及甘肅省省會(huì)蘭州在內(nèi)的多個(gè)城市震感強(qiáng)烈,部分房屋受損,引發(fā)局部邊坡崩塌、凍土開裂、冰面拱曲變形等多種次生災(zāi)害,地震還造成隧道、橋梁受損及鐵路路基變形等。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在門源MS6.9地震發(fā)生后的6天內(nèi),即2022年1月8—13日,僅青海省門源縣就發(fā)生MS5.0～5.9余震2次,MS4.0～4.9余震5次,MS3.0～3.9余震13次,對(duì)人民生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅。

20世紀(jì)80年代數(shù)字化地電觀測(cè)技術(shù)在國(guó)際上發(fā)展,希臘、法國(guó)、日本等國(guó)將定點(diǎn)地電觀測(cè)應(yīng)用于地震、火山等災(zāi)害事件的電磁方法監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究,同時(shí)在地電場(chǎng)前兆現(xiàn)象的生成機(jī)制、傳播機(jī)理方面做了大量的加載實(shí)驗(yàn)和理論研究工作[1-12]。近年來,青藏高原及周邊地區(qū)中、強(qiáng)地震頻發(fā),研究者們利用固定臺(tái)站地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地震地電場(chǎng)的變化特征進(jìn)行了大量的科學(xué)研究[13-22],研究發(fā)現(xiàn)地震地電場(chǎng)異常通常在震前(20±5)天開始出現(xiàn),地震一般發(fā)生在地震地電場(chǎng)異?；謴?fù)至正常的時(shí)段。

為進(jìn)一步研究、總結(jié)地震地電場(chǎng)的變化特征,本文利用最大熵譜法研究門源MS6.9地震周圍部分臺(tái)站的地電場(chǎng)觀測(cè)資料,結(jié)果顯示這些臺(tái)站在發(fā)震前后均觀測(cè)到了比較有意義的地電場(chǎng)變化,研究這些變化的時(shí)空分布圖像和原因,有助于探索、認(rèn)識(shí)地震地電場(chǎng)現(xiàn)象的復(fù)雜性。

1 觀測(cè)資料選取與研究方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

地電場(chǎng)觀測(cè)的對(duì)象為地電場(chǎng)地表分量及其隨時(shí)間的變化,即兩電極之間的電位差與兩電極間距離的比值。電極一般采用固體不極化電極,埋深超過2 m(凍土層之下),布極方式采用“L”型或“十”字型,即南北、東西和斜測(cè)向長(zhǎng)、短極距共6測(cè)道,長(zhǎng)極距一般為300 m左右,短極距一般為200 m左右。數(shù)據(jù)采樣周期為1 min,儀器分辨率為10 μV。

針對(duì)青海門源MS6.9地震,選取震中周圍300 km范圍內(nèi)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量高、連續(xù)性好的松山、山丹、高臺(tái)三個(gè)臺(tái)站的地電場(chǎng)分鐘值采樣數(shù)據(jù)?？紤]到瓜州地電場(chǎng)臺(tái)站的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量較高、觀測(cè)環(huán)境優(yōu)越,雖然其震中距超過了300 km(震中距560 km),但還是將其納入本文的研究范圍。數(shù)據(jù)選取時(shí)段為2021年7月—2022年1月,即門源MS6.9地震前6個(gè)多月到震后近20天。震中及臺(tái)站具體位置分布如圖1所示。

圖1 震中和臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of epicenter and stations

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用最大熵譜法(maximum entropy method,MEM)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最大熵譜法的基本思想是:不進(jìn)行任何假設(shè),根據(jù)已知數(shù)據(jù)信息預(yù)測(cè)未知延遲離散時(shí)間上的相關(guān)函數(shù),外推相關(guān)函數(shù)時(shí)每一步都保持事件的不確定性或熵最大。對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)序列{Xn},計(jì)算最大熵譜的問題是尋找滿足約束條件的自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度的關(guān)系,由給定數(shù)據(jù)求得有限個(gè)自相關(guān)函數(shù)R(n)(n≥1),由變分原理求得最大熵譜功率譜密度:

式中:f為頻率;am為預(yù)測(cè)誤差系數(shù);M為濾波器階數(shù);PM為預(yù)測(cè)誤差功率。

該方法曾多次應(yīng)用于汶川MS8.0、于田MS7.3、玉樹MS7.1、蘆山MS7.0等大震前后電磁場(chǎng)變化特征分析及地電場(chǎng)日變化研究中[19-24]。

2 磁情指數(shù)

研究地電場(chǎng)變化需特別關(guān)注磁情影響。Dst指數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控全球環(huán)電流感應(yīng)場(chǎng)的強(qiáng)度,普遍認(rèn)為當(dāng)Dst指數(shù)<-50 nT并持續(xù)2 h以上時(shí),表示磁暴可能發(fā)生[22,25]。圖2為2021年7月—2022年1月青海門源MS6.9地震前后的Dst指數(shù)。從圖中可以看出,2021年8月27、28日,9月17日,10月12、17、18日,11月4日,以及2022年1月14、15、16日Dst指數(shù)低于-50 nT并持續(xù)2 h以上,所以認(rèn)為上述10天地磁活動(dòng)強(qiáng)烈。

圖2 2021年7月—2022年1月地磁Dst指數(shù)Fig.2 Dst index from July 2021 to January 2022

3 震前地電場(chǎng)變化

3.1 松山地電場(chǎng)臺(tái)站

松山臺(tái)(36.96°N,103.53°E)位于門源MS6.9地震以東約210 km,海拔2 620 m,布設(shè)NS、EW和NW3個(gè)觀測(cè)方向長(zhǎng)、短極距共6測(cè)道,采用固體不極化電極,電極埋深4 m,為甘肅臺(tái)陣臺(tái)站,有人看護(hù)無人值守。地質(zhì)構(gòu)造上,松山臺(tái)位于松山盆地,毛毛山與老虎山之間的山間斷陷,盆地內(nèi)沉積了厚達(dá)500余米的橘紅色泥質(zhì)巖層,第四紀(jì)以來處于微弱的上升過程。測(cè)區(qū)地貌平坦開闊,電磁觀測(cè)環(huán)境優(yōu)越,無明顯干擾源。

圖3為2021年7月—2022年1月松山臺(tái)NS、EW、NW測(cè)向長(zhǎng)、短極距6測(cè)道的最大熵譜功率譜密度圖,縱坐標(biāo)表示最大熵譜功率譜密度值。從圖中可以看出,NS測(cè)向長(zhǎng)、短極距功率譜密度低頻成分自2021年10月19日開始發(fā)生下降變化,10月29日恢復(fù)增大,11月8日再次發(fā)生低頻成分譜值降低的現(xiàn)象,12月18日開始譜值恢復(fù)增大[即門源地震前21天,見圖3(a)、(d)]。EW測(cè)向長(zhǎng)、短極距能譜值自2021年10月14日開始降低,10月19日恢復(fù)增大,11月8日再次發(fā)生下降,門源地震前21天左右功率譜密度值恢復(fù)增大[圖3(b)、(e)]。NW測(cè)向長(zhǎng)極距功率譜密度值從2021年10月24日開始下降,11月3日恢復(fù)增大,11月18日再次發(fā)生下降,12月18開始恢復(fù)增大[圖3(c)];而NW測(cè)向短極距功率譜密度值從2021年10月29日開始下降,至門源地震發(fā)生時(shí)也未出現(xiàn)較為明顯的譜值恢復(fù)增大的現(xiàn)象[圖3(f)]。

3.2 山丹地電場(chǎng)臺(tái)站

山丹臺(tái)(38.78°N,101.04°E)位于河西走廊主干大斷裂上,切割地殼較深,呈NWW走向,地質(zhì)巖性為砂巖。測(cè)區(qū)地表為曠野型戈壁沙土堆,覆蓋層較深,幾乎沒有植被,電磁環(huán)境優(yōu)越。該臺(tái)布設(shè)NS、EW、NW向長(zhǎng)、短極距共6測(cè)道,地形開闊平坦,采用固體不極化電極,電極埋深4.2 m,距離門源MS6.9地震震中約115 km。

圖4為山丹臺(tái)地電場(chǎng)NS、EW及NW測(cè)向長(zhǎng)、短極距6測(cè)道最大熵譜功率譜密度圖,計(jì)算方法及繪圖與圖3相同。由圖4可知,山丹臺(tái)地電場(chǎng)功率譜密度值低頻成分于10月19日發(fā)生下降,10月29日開始恢復(fù),11月8日再次發(fā)生下降,震前21天即12月18日開始增大?？傮w來說,山丹臺(tái)6測(cè)道地電場(chǎng)功率譜密度值在門源MS6.9地震前變化同步、明顯,且地震前恢復(fù)增大時(shí)段的低頻成分譜值擾動(dòng)較為劇烈。

圖3 門源地震前后松山臺(tái)地電場(chǎng)MEM時(shí)-頻圖(2021-07—2022-01)Fig.3 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Songshan station (2021-07—2022-01)

圖4 門源地震前后山丹臺(tái)地電場(chǎng)MEM時(shí)-頻圖(2021-07—2022-01)Fig.4 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Shandan station (2021-07—2022-01)

3.3 高臺(tái)地電場(chǎng)臺(tái)站

高臺(tái)臺(tái)站(39.38°N,99.81°E)位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分界處,地表為第四紀(jì)30 m覆蓋層。測(cè)區(qū)土壤鹽堿性較強(qiáng),地下水豐富,水位較淺,布設(shè)NS、EW及NE測(cè)向長(zhǎng)、短極距共6測(cè)道,采用固體不極化電極,電極埋深4.3 m,數(shù)據(jù)采樣周期為1 min。測(cè)區(qū)由紅柳及農(nóng)田覆蓋,無明顯干擾,距離門源MS6.9地震震中約220 km。

圖5為門源地震前后高臺(tái)地電場(chǎng)最大熵譜功率譜密度圖。由圖可見,2021年11月19日NS測(cè)向長(zhǎng)、短極距低頻成分譜值降低,11月14日EW、NE測(cè)向長(zhǎng)、短極距低頻成分譜值降低,11月28日6測(cè)道譜值同步恢復(fù)增大,11月8日開始6測(cè)道功率譜密度值再次同步降低,12月18日開始恢復(fù)增大。其總體變化特征與山丹臺(tái)相似。

圖5 門源地震前后高臺(tái)地電場(chǎng)MEM時(shí)-頻圖(2021-07—2022-01)Fig.5 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Gaotai station (2021-07—2022-01)

3.4 瓜州地電場(chǎng)臺(tái)站

瓜州臺(tái)(40.49°N,95.79°E)距離門源MS6.9地震震中560 km,海拔1 170 m,位于阿爾金斷裂北側(cè)100 km處,所處地質(zhì)構(gòu)造屬阿爾金斷裂北側(cè)的NWW向擠壓破碎帶。測(cè)區(qū)地形開闊、平坦,無大的干擾源,共布設(shè)NS、EW和NE測(cè)向長(zhǎng)、短極距共6測(cè)道,采用固體不極化電極,電極埋深4 m,數(shù)據(jù)采樣周期為1 min。

圖6為門源地震前后瓜州臺(tái)地電場(chǎng)最大熵譜功率譜密度圖。由圖可見,瓜州臺(tái)地電場(chǎng)低頻成分譜值自2021年10月19日起發(fā)生同步降低現(xiàn)象,10月29日恢復(fù)增大,11月8日再次降低,持續(xù)時(shí)間約40天,12月18日開始恢復(fù)增大。門源MS6.9地震發(fā)生后,其低頻成分功率譜密度仍處于較大值。

比較圖3～圖6,發(fā)現(xiàn)上述4個(gè)臺(tái)站在門源MS6.9地震發(fā)生前地電場(chǎng)變化特征較為相似,譜值增大、減少時(shí)間點(diǎn)較為對(duì)應(yīng),特別是山丹、高臺(tái)和瓜州臺(tái)。

圖6 門源地震前后瓜州地電場(chǎng)MEM時(shí)-頻圖(2021-07—2022-01)Fig.6 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Guazhou station (2021-07—2022-01)

4 季節(jié)性變化影響

地電場(chǎng)由大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)組成,大地電場(chǎng)是固體地球外的各種電流體系在地球介質(zhì)內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的,自然電場(chǎng)是地殼中的物理、化學(xué)過程引起的局部穩(wěn)定的電場(chǎng)。地電場(chǎng)因受到地球公轉(zhuǎn)、太陽活動(dòng)等的影響,最大熵譜功率譜密度值存在季節(jié)性增大、減少的現(xiàn)象。因此研究地震發(fā)生前后地電場(chǎng)的變化,需考慮其與季節(jié)性變化的相關(guān)性。

本文以瓜州臺(tái)為例,選取與地震研究時(shí)段鄰近年份、同時(shí)段的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)(即2020年7月—2021年1月,圖7)。由圖7可見,瓜州臺(tái)地電場(chǎng)最大熵譜功率譜密度值低頻成分自2020年7月1日—11月8日左右譜值較大,而11月8日—2021年1月譜值較低。上述高譜值、低譜值時(shí)段分界較為明顯,且高譜值/低譜值時(shí)段內(nèi)譜值無明顯的突降/突增現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)比分析圖3～圖7,認(rèn)為松山、山丹、高臺(tái)及瓜州臺(tái)地電場(chǎng)功率譜密度值在11月8日之前的譜值變化及11月8日—12月18日的譜值降低主要是受到了地電場(chǎng)季節(jié)性變化的影響,而12月18日至門源MS6.9地震發(fā)生后地電場(chǎng)能譜值的階段性增大現(xiàn)象可能是由于地震的孕育和發(fā)生引起的。

5 討論

巖石破裂激發(fā)低頻電磁輻射,電磁輻射從物理起因上歸結(jié)為壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)、感應(yīng)電磁效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)和熱磁效應(yīng)等。在孕震晚期階段,震源區(qū)及附近的介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生微裂隙非線性發(fā)展、定向排列或優(yōu)勢(shì)取向的介質(zhì)過程,溝通了水的運(yùn)移,引起了電子導(dǎo)電、離子導(dǎo)電機(jī)制的自然電場(chǎng)變化。在這個(gè)介質(zhì)過程中,同步發(fā)生的“機(jī)-電轉(zhuǎn)換”作用、水運(yùn)移等伴隨的多種因素激發(fā)了低頻的強(qiáng)電磁輻射現(xiàn)象。這種低頻強(qiáng)輻射干擾了地電場(chǎng)日變化波形,反映在最大熵譜功率譜密度圖上即為低頻成分譜值增大的強(qiáng)電磁輻射現(xiàn)象。參考“多點(diǎn)場(chǎng)”觀點(diǎn)[26],震源區(qū)以外的地殼特殊部位(如活動(dòng)斷層及附近)也會(huì)發(fā)生類似震源區(qū)的介質(zhì)過程,從而激發(fā)宏觀電磁現(xiàn)象。

上文研究發(fā)現(xiàn),松山、山丹、高臺(tái)及瓜州臺(tái)地電場(chǎng)功率譜密度值在門源MS6.9地震前21天發(fā)生間斷性增大的現(xiàn)象。松山與瓜州臺(tái)相距最遠(yuǎn),距離超過650 km,功率譜密度增大的現(xiàn)象不應(yīng)是干擾造成;與圖2對(duì)比,發(fā)現(xiàn)功率譜密度的增大、減少與Dst指數(shù)不相關(guān);與圖7對(duì)比,認(rèn)為該現(xiàn)象也不應(yīng)是由地電場(chǎng)季節(jié)性變化引起的。對(duì)近年來青藏高原及周邊地區(qū)發(fā)生的汶川MS8.0等幾次大震、強(qiáng)震前后的地電場(chǎng)變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在上述地震發(fā)生前后部分臺(tái)站能譜值同樣發(fā)生增大/減少的現(xiàn)象[14-15],且地震地電場(chǎng)異常通常在震前(20±5)天開始出現(xiàn)(本文中能譜值增大開始于震前21天,時(shí)間吻合)。因此認(rèn)為上述電磁現(xiàn)象的發(fā)生可能是由于門源MS6.9地震的孕育及發(fā)生引起的。結(jié)合本節(jié)第一段敘述的地下電磁異常引起的可能原因及地震地電場(chǎng)異?，F(xiàn)象發(fā)生的同步性,認(rèn)為震前觀測(cè)到的地震地電場(chǎng)異?？赡苁怯捎谡鹪磪^(qū)激發(fā)的電磁輻射通過特定的導(dǎo)電通道傳播到臺(tái)站引起的,但是臺(tái)站所在地地下介質(zhì)局部激發(fā)的宏觀電磁輻射也不能忽略[27-28]。

圖7 2020年7月—2021年1月瓜州地電場(chǎng)MEM時(shí)-頻圖Fig.7 MEM time-frequency curves of Guazhou geoelectric field from June 2020 to January 2021

6 結(jié)論

本文研究了2022年青海門源MS6.9地震發(fā)生前后震中周圍松山、山丹、高臺(tái)及瓜州臺(tái)地電場(chǎng)能譜值變化,得到以下幾個(gè)方面的認(rèn)識(shí):

(1) 從門源MS6.9地震前21天開始,位于青藏高原東北緣的松山、山丹、高臺(tái)及瓜州臺(tái)地電場(chǎng)均觀測(cè)到不同程度的地電場(chǎng)低頻成分功率譜密度值增大的現(xiàn)象,且變化較為同步。

(2) 與近年來發(fā)生在青藏高原及周邊地區(qū)的幾次大震、強(qiáng)震前后地電場(chǎng)變化特征及地電場(chǎng)季節(jié)性變化、研究時(shí)段內(nèi)的磁情指數(shù)等對(duì)比分析,認(rèn)為松山等4個(gè)臺(tái)站在門源MS6.9地震發(fā)生前的地電場(chǎng)能譜值變化可能是地震地電場(chǎng)異常現(xiàn)象。

(3) 松山、山丹、高臺(tái)、瓜州地電場(chǎng)臺(tái)站功率譜密度值在門源MS6.9地震前發(fā)生同步增大現(xiàn)象,結(jié)合微裂隙機(jī)制及“多場(chǎng)點(diǎn)”觀點(diǎn),分析認(rèn)為其可能是由于震源區(qū)激發(fā)的電磁輻射通過特定的導(dǎo)電通道傳播到臺(tái)站引起的。

致謝:感謝地電場(chǎng)臺(tái)站一線觀測(cè)人員的辛勤付出！