2022年1月8日青海門源6.9級(jí)地震短臨異常跟蹤分析

馮麗麗 李霞 趙玉紅 張朋濤

1)中國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，西寧 810001 2)青海省地震局，西寧 810001

0 引言

極化法(Polarization)由Hayakawa等(1996)提出，因其能夠反映地震地磁擾動(dòng)異常的產(chǎn)生、傳播和分布特征，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外地震電磁擾動(dòng)異常提取(Hayakawa et al，2000；Molchanov et al，2003；Prattes et al，2008； 馮志生等，2010； 李琪等，2015； 廖曉峰等，2019； 艾薩·伊斯馬伊力等，2020； 樊文杰等，2021)。但以往研究主要以單臺(tái)資料分析為主，對(duì)震前電磁輻射異常的空間特征研究較少。2019年，基于2015—2018年中國地磁臺(tái)網(wǎng)磁通門磁力儀產(chǎn)出的秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，在對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚砗?，總結(jié)了地磁垂直強(qiáng)度極化高值異常與后續(xù)地震的時(shí)空關(guān)系，建立了完整的地震預(yù)報(bào)指標(biāo)體系(中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020)，使得該方法得到了較大發(fā)展。賀曼秋等(2019)在2017年九寨溝7.0級(jí)和精河6.6級(jí)地震前，在2個(gè)震中附近同時(shí)提取到了地磁垂直強(qiáng)度極化異常； 李霞等(2021)在2017年西藏米林6.9級(jí)地震前10天提取到了青藏高原出現(xiàn)的大范圍地磁垂直強(qiáng)度極化高值異常； 管貽亮等(2021)對(duì)2015年尼泊爾地震前的地磁垂直強(qiáng)度極化異常進(jìn)行了分析并從構(gòu)造動(dòng)力演化角度對(duì)地磁極化異常的孕育和發(fā)展進(jìn)行了解釋； 馮麗麗等(2021)總結(jié)了2015—2020年中國大陸西部地磁垂直強(qiáng)度極化異常和地震的關(guān)系，認(rèn)為地磁垂直強(qiáng)度極化異常出現(xiàn)后半年內(nèi)，空間分布圖中0.2閾值線附近發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震的可能性較大，且高值異常區(qū)面積與震級(jí)存在正相關(guān)關(guān)系。

地震前也常觀測(cè)到地下流體的異常變化。在2021年青?，敹?.4級(jí)(鐘駿等，2021)、2017年新疆精河6.6級(jí)(鐘駿等，2018)、2010年青海玉樹7.1級(jí)地震(李滔等，2012)等中國大陸西部強(qiáng)震前，均在震中周邊多個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到了地下流體化學(xué)組分的濃度變化、溫度變化或水位變化等。

1 地磁垂直強(qiáng)度極化法

Hayakawa等(1996)提出的地磁垂直強(qiáng)度極化法能夠突出源于震源區(qū)的異常信號(hào)，抑制來源于外源場(chǎng)的信號(hào)。具體數(shù)學(xué)表述如下

(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。

1.1 數(shù)據(jù)處理

以往震例表明，震前的極化異常在不同臺(tái)站出現(xiàn)時(shí)間可能略有差異，在研究異?？臻g特征時(shí)，可能因?yàn)榍昂蟪霈F(xiàn)時(shí)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(duì)逐日值進(jìn)行了5日滑動(dòng)平均處理，得到Y(jié)ZH1。

1.2 歸一化

因觀測(cè)環(huán)境及儀器的差異，各臺(tái)YZH1波動(dòng)范圍不盡相同。在提取YZH1高值進(jìn)行空間特征研究時(shí)，可能出現(xiàn)因臺(tái)站差異導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。為了消除臺(tái)站影響，需要對(duì)各臺(tái)YZH1進(jìn)行歸一化。為了使結(jié)果更直觀，對(duì)歸一化后的結(jié)果進(jìn)行了置零處理。具體算法為

(2)

我們稱YZH2為歸一置零極化值，當(dāng)其高于0時(shí)，等同于YZH1高于2倍方差。在空間上對(duì)現(xiàn)有臺(tái)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。

2 異常分析

2.1 地磁垂直強(qiáng)度極化異常

2021年10月27日前后，全國范圍內(nèi)77個(gè)參與計(jì)算臺(tái)站中共有17個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)高值異常。從青海地區(qū)的YZH1時(shí)序曲線來看(圖1)，從2021年10月20日起青海地區(qū)多個(gè)臺(tái)站的YZH1出現(xiàn)持續(xù)升高，至10月27日前后達(dá)到極大值，后持續(xù)回落。這是2021年6月(瑪多7.4級(jí)地震)以來青海地區(qū)最顯著、幅度最大的一次地磁垂直強(qiáng)度極化高值異常。

圖1 2021年1月以來青海地區(qū)各臺(tái)地磁垂直強(qiáng)度極化時(shí)序曲線

圖2 2021年10月27日地磁垂直強(qiáng)度極化YZH2異?？臻g分布

經(jīng)過后續(xù)處理和分析，發(fā)現(xiàn)在異常幅度最大、異常臺(tái)站最多的時(shí)間，即2021年10月27日，在青海西北部形成1個(gè)面積大于6×104km2的高值異常區(qū)(圖2)，異常面積為6.6×104km2。大于閾值0.2的范圍內(nèi)有3個(gè)異常臺(tái)站，分別為德令哈臺(tái)、貴德臺(tái)和金銀灘臺(tái)，詳細(xì)信息見表1。其中歸一置零極化值最高的為金銀灘臺(tái)，達(dá)到0.9。

表1 2021年10月27日青海地區(qū)垂直強(qiáng)度極化信息

2.2 地下流體準(zhǔn)同步短期異常

2021年7月至11月，青海地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)多項(xiàng)流體短臨異常。其中佐署臺(tái)動(dòng)水位的下降異常及淺層水溫的上升異常出現(xiàn)時(shí)間最早，2個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)異常的時(shí)間一致，均為7月初。而平安靜水位破年變異常隨后在7月底至8月初出現(xiàn)。門源靜水位突降異常、樂都逸出氣氡突升異常以及西寧逸出氣氡濃度突降異常均出現(xiàn)在2021年9月。上述異常大多僅持續(xù)較短的時(shí)間，而西寧逸出氣氡濃度突降異常一直持續(xù)到11月初，幾乎與此同時(shí)，共和的2套中層水溫也同時(shí)出現(xiàn)了突降異常，并于12月初再次出現(xiàn)同步變化。德令哈水溫在12月上、中旬出現(xiàn)突升—轉(zhuǎn)平—突降的“倒U”形變化，整個(gè)變化過程持續(xù)約半個(gè)月。至此，青海地區(qū)地下流體異常數(shù)量達(dá)到8項(xiàng)(共和2套水溫觀測(cè)儀器相同且裝置于同一井孔中，因此計(jì)為1項(xiàng))，空間分布見圖3，時(shí)序曲線見圖4。

圖3 門源地震前青海地區(qū)地下流體異常臺(tái)站分布

圖4 2021年6月以來青海多個(gè)臺(tái)站地下流體準(zhǔn)同步異常

從震中距及異常出現(xiàn)時(shí)間來看，最遠(yuǎn)的德令哈臺(tái)和相對(duì)稍遠(yuǎn)的共和臺(tái)出現(xiàn)異常的時(shí)間最晚。而最近的門源臺(tái)于震前4個(gè)月出現(xiàn)異常，在此次準(zhǔn)同步變化過程中處于中段。西寧臺(tái)、佐署臺(tái)、平安臺(tái)、樂都臺(tái)及共和臺(tái)震中距相差不大，但異常出現(xiàn)的時(shí)間最大相差了5個(gè)月，無明顯的時(shí)空演化特征。

從異常類別來看，共3個(gè)臺(tái)出現(xiàn)水位變化，3個(gè)臺(tái)的4套儀器觀測(cè)顯示水溫變化，2個(gè)臺(tái)出現(xiàn)逸出氣氡濃度變化。其中平安臺(tái)、佐署臺(tái)和門源臺(tái)出現(xiàn)了水位變化，平安臺(tái)打破了原本的年變化上升趨勢(shì)，水位轉(zhuǎn)平下降； 門源臺(tái)出現(xiàn)了水位上升變化(平安臺(tái)與門源臺(tái)為靜水位觀測(cè)，數(shù)值下降表明水位上升)； 而佐署臺(tái)則呈現(xiàn)了持續(xù)性的下降變化。水溫變化在德令哈臺(tái)和佐署臺(tái)主要表現(xiàn)為升高變化，而共和臺(tái)2套儀器的觀測(cè)結(jié)果均顯示階降變化。而從逸出氣氡濃度來看，樂都臺(tái)出現(xiàn)稍早，主要為上升變化，在樂都臺(tái)開始下降階段西寧臺(tái)出現(xiàn)了上升變化。

青海地區(qū)地下流體測(cè)項(xiàng)在2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震前1～3個(gè)月，曾提出多項(xiàng)準(zhǔn)同步異常變化，包括玉樹水溫(蘇維剛等，2021)、佐署動(dòng)水位、共和逸出氣氡及共和中層水溫等(劉磊等，2021)。2016年門源6.4級(jí)地震前1～3個(gè)月，也曾出現(xiàn)過3項(xiàng)準(zhǔn)同步變化，包括玉樹水溫“V”型變化、樂都?xì)怆笨焖偕弋惓?劉磊等，2020)、平安靜水位破年變變化等(楊曉霞等，2016)，部分異常臺(tái)站和測(cè)項(xiàng)與此次異常特征相似。且對(duì)應(yīng)地震的時(shí)間均在3個(gè)月內(nèi)。

3 “時(shí)、空、強(qiáng)”綜合分析

3.1 時(shí)間判定

表2 列出了青海地區(qū)地磁垂直強(qiáng)度極化異常信息。自2015年以來，青海地區(qū)共出現(xiàn)8次地磁垂直強(qiáng)度極化異常，其中6次在異常出現(xiàn)后8個(gè)月內(nèi)異常區(qū)內(nèi)及附近發(fā)生了5.6級(jí)以上地震，對(duì)應(yīng)率為75%，具有較高的信度。而其中4次地震發(fā)生在異常出現(xiàn)后的60天內(nèi)，表明該異常具有一定的短期指示意義。從異常出現(xiàn)時(shí)間推測(cè)優(yōu)勢(shì)發(fā)震時(shí)間在2021年12月27日前。但考慮到目前震例較少，且部分震例對(duì)應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此在發(fā)震時(shí)間判定中同時(shí)考慮了地下流體準(zhǔn)同步變化的時(shí)間。2021年7月以來，青海地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)多項(xiàng)流體異常。2021年11月再次出現(xiàn)多項(xiàng)準(zhǔn)同步變化，這種現(xiàn)象對(duì)于后續(xù)3個(gè)月內(nèi)青海地區(qū)的強(qiáng)震有較好的指示意義。綜合上述分析，判斷發(fā)震時(shí)間為2021年12月至2022年1月。

表2 青海及周邊地區(qū)極化異常信息

圖5 青海地區(qū)地磁垂直強(qiáng)度極化YZH2異常空間分布

3.2 地點(diǎn)判定

圖5給出了青海及周邊地區(qū)垂直強(qiáng)度極化異?？臻g分布與后續(xù)地震的震中位置，震中全部位于異常區(qū)內(nèi)或閾值線(歸一置零極化值為0.2的等值線)附近。因此，預(yù)測(cè)發(fā)震地點(diǎn)在異常區(qū)內(nèi)或閾值線附近。

3.3 震級(jí)判定

由表2 可知，青海地區(qū)震例震級(jí)在5.6～7.4級(jí)之間。根據(jù)以往對(duì)中國大陸西部的震例研究(馮麗麗等，2021)，后續(xù)地震震級(jí)與高值異常區(qū)面積有近似正相關(guān)關(guān)系，并存在擬合關(guān)系。此次異常區(qū)面積與夏河5.7級(jí)地震前異常區(qū)面積相當(dāng)。綜合分析認(rèn)為，目標(biāo)地震可能在6級(jí)左右，因此最終給出預(yù)測(cè)震級(jí)為5.6～6.4級(jí)。

3.4 綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

基于青海及周邊地區(qū)地磁垂直強(qiáng)度極化異常，并綜合2021年7—11月以來青海地區(qū)地下流體準(zhǔn)同步異常變化，基于以往震例分析認(rèn)為2021年11月23日至2022年1月23日，青海西北部地磁垂直強(qiáng)度極化高值區(qū)內(nèi)可能發(fā)生5.6～6.4級(jí)左右地震，并填報(bào)地震短臨預(yù)測(cè)卡片。此次門源6.9級(jí)地震發(fā)生于異常后的73天，震中位于預(yù)測(cè)區(qū)邊界，發(fā)震時(shí)間和震中位置均符合預(yù)期，但震級(jí)比預(yù)期高0.5級(jí)。

4 結(jié)論與討論

(1)此次門源6.9級(jí)地震前73天在青海西北部出現(xiàn)了地磁垂直強(qiáng)度極化異常，高值區(qū)面積為6.6×104km2，空間上位于此次地震震中西南。震前，通過對(duì)該異常在青海地區(qū)的預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)一步分析認(rèn)為異常出現(xiàn)后60天至稍長(zhǎng)時(shí)間，高值區(qū)附近可能發(fā)生6級(jí)左右地震。

(2)此次門源6.9級(jí)地震前1～6個(gè)月，青海地區(qū)出現(xiàn)了多項(xiàng)地下流體異常，在時(shí)間上表現(xiàn)為準(zhǔn)同步變化。根據(jù)異常指標(biāo)，認(rèn)為發(fā)震時(shí)間可能在2021年12月至2022年1月。

(3)此次門源6.9級(jí)地震的發(fā)生表明震前的分析和判斷基本正確。地磁垂直強(qiáng)度極化異?？臻g閾值線是地震地點(diǎn)預(yù)測(cè)的良好指標(biāo)。該異常在青海地區(qū)可作為短臨異常，指示未來2～3個(gè)月內(nèi)的中強(qiáng)以上地震，地下流體的準(zhǔn)同步異常具有較強(qiáng)的時(shí)間指示意義。

優(yōu)質(zhì)的時(shí)間、空間預(yù)測(cè)指標(biāo)是本次地震短臨跟蹤分析成功的關(guān)鍵。但同時(shí)應(yīng)指出，此次預(yù)測(cè)的震級(jí)仍存在0.5級(jí)的偏差，主要原因是目前在青海地區(qū)尚未梳理出高質(zhì)量的震級(jí)預(yù)測(cè)指標(biāo)，需要在下一步工作中繼續(xù)加強(qiáng)此方面工作。