2022年3月17日皮山MS5.2地震區(qū)域電磁異常綜合分析①

張桉赫, 馮麗麗, 黃 頌, 宋春燕

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.青海省地震局,青海 西寧 810001;3.中國地震局地震研究所,湖北 武漢 430071; 4.湖北省地震局,湖北 武漢 430071)

近年來,新疆地球物理臺網(wǎng)通過儀器架設(shè)和升級改造的方式,有效提升新疆南部地區(qū)的監(jiān)測能力[1]。但是,新疆地區(qū)地球物理觀測臺站數(shù)量少、密度低的狀況依然存在,僅有天山中段地區(qū)臺站密度較高,南天山西段次之,阿勒泰地區(qū)和西昆侖—阿爾金地區(qū)觀測臺站極少。2022年3月17日皮山MS5.2地震震中200 km范圍內(nèi)僅有和田一個地球物理觀測臺站,且震前觀測資料未出現(xiàn)異常變化。因此,西昆侖—阿爾金地區(qū)僅靠定點(diǎn)地球物理觀測臺站分析研判短期地震形勢有較大困難。

地磁學(xué)是地震前兆觀測的重要手段,主要研究內(nèi)容是地球自身及周圍空間磁場的起源、變化、分布規(guī)律及相關(guān)現(xiàn)象[2]。依托于中國地磁觀測網(wǎng)絡(luò),研究人員開展了許多地震地磁前兆異常方面的研究,提出了日變幅逐日比[3]、日變幅加卸載響應(yīng)比[4]、低點(diǎn)位移[5]、地磁垂直強(qiáng)度極化[6]等方法,對多次中強(qiáng)地震做出了較為準(zhǔn)確的中短期預(yù)測。盡管新疆及周邊地區(qū)地磁觀測臺站數(shù)量少,但可以通過空間插值方法劃出中短期內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震可能的危險區(qū)域,彌補(bǔ)缺乏足夠數(shù)量定點(diǎn)觀測臺站的不足,沙木哈爾·葉爾肯等[7]分析了新疆地區(qū)地磁低點(diǎn)位移與后續(xù)中強(qiáng)地震的對應(yīng)情況,二者具有較好的對應(yīng)關(guān)系;艾薩·伊斯馬伊力等[8-9]分析了伽師MS6.4地震前和沙雅MS6.1地震前多項(xiàng)區(qū)域電磁異常特征。但是目前對于西昆侖—阿爾金地區(qū)區(qū)域電磁異常震例梳理仍然較少,并且作為觀測資料稀缺地區(qū),震前能夠獲取的異常信息有限,通過對該地區(qū)電磁異常的綜合分析,對該地區(qū)震情分析研判工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地震及地磁觀測臺站概況

據(jù)新疆地震臺網(wǎng)測定,2022年3月17日21時41分新疆維吾爾自治區(qū)皮山縣發(fā)生MS5.2地震,震源深度10 km。震中位于西昆侖山與塔里木盆地過渡區(qū)域,大地構(gòu)造上位于塔里木中央地塊西南緣[10],該地區(qū)屬于帕米爾—西昆侖強(qiáng)震構(gòu)造帶,西段圍繞帕米爾高原北緣展布,東段沿西昆侖山延伸與東昆侖—阿爾金地震構(gòu)造帶相連,南面是強(qiáng)烈隆起的青藏高原,北部是強(qiáng)烈活動的南天山地震構(gòu)造帶和強(qiáng)烈沉降的喀什—和田坳陷[11-12]。在印度板塊強(qiáng)烈向北推擠和塔里木剛性塊體強(qiáng)烈阻擋下,西昆侖地區(qū)發(fā)育了一系列NW向?yàn)橹鞯挠倚呋瑪嗔?距震中最近的斷層為天神達(dá)坂斷裂,該斷裂走向NW,傾向NE,斷層傾角60°～80°,性質(zhì)為右行走滑逆斷層。1900年以來,震中100 km范圍內(nèi)發(fā)生MS≥5.0地震10次(含余震)。其中,MS5.0～5.9地震9次,MS7.0～7.9地震1次,最大地震為1996年11月19日喀喇昆侖MS7.1地震。

目前,新疆共有6個地磁觀測臺站,8套觀測儀器,所有儀器均經(jīng)過數(shù)字化改造[13],前后資料銜接較好,資料積累時間較長,觀測數(shù)據(jù)可靠(表1)。由于新疆地磁觀測臺站密度低,采用甘肅肅北臺與西藏獅泉河臺進(jìn)行輔助分析。皮山MS5.2地震震中附近200 km范圍內(nèi)無地磁觀測臺站,距離最近的為喀什臺,約440 km。

表1 新疆及周邊地區(qū)地磁觀測臺站信息

2 方法原理與數(shù)據(jù)處理

皮山MS5.2地震前,新疆南天山西段至西昆侖—阿爾金地區(qū)共存在3項(xiàng)區(qū)域電磁異常,分別為地磁低點(diǎn)位移、地磁逐日比以及地磁垂直強(qiáng)度極化。

2.1 地磁低點(diǎn)位移

中國位于中低緯度,在磁靜日地磁垂直分量日變化形態(tài)類似V字型,地磁垂直分量日變化極小時間不隨緯度變化,一般為地方時12 h左右,并依經(jīng)度由東向西每度延遲4 min(15°/h),因此整體上低點(diǎn)時間在空間上呈現(xiàn)為緩變過程。地磁垂直分量日變化信息常用日變化的極大值和極小值及其出現(xiàn)時間和幅度來表達(dá),即極大值和極大值時間、極小值和極小值時間,以及極大值與極小值的差日變化幅度,極小值時間簡稱低點(diǎn)時間[5]。

根據(jù)《地震電磁分析預(yù)測技術(shù)方法工作手冊》[14],形成明顯低點(diǎn)時間分界線的“臺站對”相關(guān)系數(shù)均值Ra<0.89,瞬時差值面積均值殘差C>-400,且瞬時差值面積均值Sx和殘差C分別不小于2 585和67,或相關(guān)系數(shù)均值R≤0.73則構(gòu)成低點(diǎn)位移異常。

新疆地區(qū)6個地磁臺站均可用于低點(diǎn)時間計算。計算各地磁臺站日變化極小時間(低點(diǎn)時間),在地圖對應(yīng)臺站上標(biāo)注時間,然后判定異常分界線。

2.2 地磁逐日比

地磁日變化主要取決于外空電流體系產(chǎn)生的變化磁場(外空變化磁場)和地下介質(zhì)電導(dǎo)率,其中地殼介質(zhì)電導(dǎo)率引起的磁場變化在地磁垂直分量中表現(xiàn)最為突出。因此,地磁垂直分量日變化幅度前后幾天的差異或者來自外空變化磁場的改變,或者來自地殼介質(zhì)電導(dǎo)率的改變,而后者則可能與地震活動有關(guān)[3]。

地磁逐日比的計算公式,

PZ=RZ(t1)/RZ(t2).

(1)

t2=t1+1.

(2)

式中:RZ為地磁垂直分量日變化幅度;t觀測日期。異常日期;以RZ(t2)日期為準(zhǔn),即分母日期為異常日期。具體分析時設(shè)定一個閾值P0,當(dāng)P>P0時異常成立。

新疆地區(qū)6個地磁臺站均可用于地磁逐日比計算,選取的閾值為2.6[15],2個或2個以上相鄰臺站出現(xiàn)超閾值且排除磁暴干擾可認(rèn)定為異常。

2.3 地磁垂直強(qiáng)度極化

基于地磁學(xué)研究結(jié)果[16],一次源來自電離層的磁場信號垂直分量幅度小于水平分量幅度,其比值小于1,且一般低于0.5;數(shù)值模擬結(jié)果表明[16],一次源來自地殼內(nèi)頻率1 Hz附近的磁信號垂直分量幅度大于水平分量幅度,其比值大于1。因此,地磁垂直強(qiáng)度極化法可以區(qū)分一次源來自電離層或地殼的磁場信號,由于其幅度比反應(yīng)了磁場強(qiáng)度或能量在垂直方向的分配比例,將其簡稱為地磁垂直強(qiáng)度極化法[6]。采用資料為磁通門磁力儀Z、H、D三分量每天秒采樣數(shù)據(jù)。新疆地區(qū)所用臺站為烏魯木齊臺、溫泉臺、喀什臺和且末臺。

3 地磁異常分析

3.1 地磁低點(diǎn)位移

2021年2月23日新疆及鄰區(qū)烏什臺與喀什臺、且末臺與獅泉河臺以及烏魯木齊臺與肅北臺構(gòu)成3組低點(diǎn)時間差大于2 h的臺站對,臺站對相關(guān)系數(shù)均值R=0.55,瞬時差值面積均值殘差C=-299.78,瞬時差值面積均值Sx=2 076.13,滿足地磁低點(diǎn)位移異常判定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)新疆地區(qū)地磁低點(diǎn)位移異常震例統(tǒng)計(表2),2015年以來新疆地區(qū)共出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常34組,其后2個月內(nèi)在預(yù)測線300 km范圍內(nèi)發(fā)生MS≥4.8地震18組,對應(yīng)率為53%,優(yōu)勢發(fā)震時間為異常日后27±4 d以及41±4 d。

如圖2所示,本次低點(diǎn)位移預(yù)測線經(jīng)過南天山西段、西昆侖—阿爾金地區(qū)以及天山東段,根據(jù)預(yù)測規(guī)則,在異常日后2個月內(nèi)預(yù)測線周圍300 km范圍內(nèi)存在發(fā)生MS≥5.0地震的可能。皮山MS5.2地震震中位于預(yù)測線西南側(cè)約280 km,且與異常日后27±4 d的優(yōu)勢發(fā)震時間節(jié)點(diǎn)接近,低點(diǎn)位移異常對應(yīng)此次地震。但根據(jù)以往震例,18組對應(yīng)地震中有3組存在發(fā)生2次目標(biāo)地震的情況。

圖2 2022年2月23日地磁低點(diǎn)位移預(yù)測線Fig.2 Geomagnetic low point displacement on February 23, 2022

3.2 地磁逐日比

2021年12月10日新疆烏什和喀什地磁臺地磁垂直分量Z日變幅逐日比出現(xiàn)同步超閾值,新疆及鄰區(qū)其他地磁臺站均為正常(表3),且異常日與異常前一日地球空間磁場平靜,該異常為集中電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場導(dǎo)致空間磁場分布發(fā)生畸變所致。提取異常日各臺站的逐日比值,進(jìn)行克里金差值,得到異常閾值線(圖3)。本次異常區(qū)域位于南天山西段至西昆侖地區(qū),根據(jù)2015年以來南天山西段地磁逐日比異常統(tǒng)計(表4),13組異常后6個月內(nèi)發(fā)生目標(biāo)地震10組,對應(yīng)率77%,3個月內(nèi)發(fā)生目標(biāo)地震8組,對應(yīng)率61.5%,該異常出現(xiàn)后6個月內(nèi)異常區(qū)域,優(yōu)勢發(fā)震時間為3個月內(nèi)。

表3 2021年12月10日地磁垂直分量Z日變幅逐日比異常信息

表4 新疆南天山西段地磁逐日比對應(yīng)地震

圖3 2021年12月10日地磁逐日比閾值線Fig.3 Geomagnetic daily ratio threshold line on December 10, 2021

皮山MS5.2地震位于本次異常預(yù)測區(qū)內(nèi),但震中位于距離最近的異常臺站喀什臺約440 km,根據(jù)歷史震例,此異常對應(yīng)地震距離最近異常臺站均在300 km以內(nèi),且本次地磁逐日比異常范圍較大,約35×104km2,MS5.2地震震級偏小,該地震不對應(yīng)本次異常。

3.3 地磁垂直強(qiáng)度極化

2021年12月,全國多個地磁臺站地磁垂直強(qiáng)度極化值出現(xiàn)超過2倍均方差異常,在12月11日異常臺站數(shù)最多,79個有效臺站中共有23個出現(xiàn)高值,異常臺站占比為29%。其中新疆及周邊地區(qū)出現(xiàn)高值的為喀什臺和獅泉河臺。通過繪制等值線圖,得到垂直強(qiáng)度極化異常的閾值線(圖4)。

圖4 2021年12月11日地磁垂直強(qiáng)度極化異常閾值線Fig.4 Geomagnetic vertical intensity polarization threshold line on December 11, 2021

本次異常的閾值線主要位于南天山西段至西昆侖附近,新疆境內(nèi)的面積約為27×104km2。根據(jù)2015年以來全國地磁垂直強(qiáng)度極化震例以及異常面積與震級的擬合關(guān)系(圖5),震級與異常面積具有較好的正相關(guān)關(guān)系,異常面積越大,震級越高。皮山MS5.2地震發(fā)生在該異常的預(yù)測期內(nèi),距離閾值線約190 km,但此次地震震級偏小,該異常不對應(yīng)本次地震。

圖5 地磁垂直強(qiáng)度極化異常面積與對應(yīng)地震擬合關(guān)系Fig.5 Fitting relationship between geomagnetic vertical intensity polarization anomaly area and the corresponding earthquake magnitude

3.4 綜合指標(biāo)分析

皮山MS5.2地震前,震中區(qū)域共存在3項(xiàng)區(qū)域電磁異常。其中,地磁低點(diǎn)位移與地磁逐日比屬于短期異常,地磁垂直強(qiáng)度極化屬于中期異常。為提升區(qū)域電磁異常對地震短期預(yù)測的水平,將地磁低點(diǎn)位移和地磁逐日比進(jìn)行綜合分析。

地磁低點(diǎn)位移預(yù)測期為2022年2月23日—4月23日,地磁逐日比預(yù)測期為2021年12月10日—2022年6月10日,2項(xiàng)異常的預(yù)測重合時間為2022年2月23日—4月23日,且預(yù)測區(qū)均包括新疆南天山西段至西昆侖地區(qū)。表5統(tǒng)計了2015年以來這2項(xiàng)異常預(yù)測區(qū)涉及南天山西段至西昆侖地區(qū)以及預(yù)測時間有重合的情況,共16次,其后在2項(xiàng)異常預(yù)測期的重合時間內(nèi)發(fā)生地震10次(2015年12月7日塔吉克斯坦MS7.4和2017年5月11日塔什庫爾干MS5.5分別超過重合期2 d和5 d,視為對應(yīng)),對應(yīng)率62.5%,高于地磁低點(diǎn)位移(53%)和地磁逐日比(61.5%)單一指標(biāo)的對應(yīng)率,并且10次地震中有7次存在2項(xiàng)異常均發(fā)生目標(biāo)地震的情況。

4 結(jié)論與討論

通過2022年3月17日皮山MS5.2地震前地磁觀測資料綜合分析得出以下結(jié)論:(1) 地磁低點(diǎn)位移在新疆具有較好的短期預(yù)測效果,時間指示性較強(qiáng),雖然本次地震距離3月22日±4 d的時間節(jié)點(diǎn)相差一天,但也基本符合前期對該異常的認(rèn)識。(2) 本次地震發(fā)生在南天山西段地磁逐日比和西昆侖地磁垂直強(qiáng)度極化預(yù)測區(qū)內(nèi),但由于震級偏低且距離異常臺站較遠(yuǎn),異常不對應(yīng)皮山MS5.2地震。(3) 南天山西段地磁逐日比與低點(diǎn)位移預(yù)測時間有重合的情況下,地震對應(yīng)率為62.5%,高于其單一指標(biāo)的地震對應(yīng)率,將預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行綜合分析有助于提高區(qū)域電磁異常短期預(yù)測的準(zhǔn)確性。雖然西昆侖—阿爾金地區(qū)定點(diǎn)觀測能力有限,但通過區(qū)域電磁異常還是能夠在震前看到異常信息,特別是將多種方法進(jìn)行綜合分析相比于以往運(yùn)用單一預(yù)測指標(biāo)更加有效。

皮山MS5.2地震前存在的3項(xiàng)區(qū)域電磁異常中有2項(xiàng)都屬于日變化類異常,根據(jù)該類異常的基本原理,其閾值線的高曲率段很大程度上可反映上地幔和地殼中高導(dǎo)帶的穩(wěn)定狀態(tài)[17]。但是,新疆南疆地區(qū)面積約為85×104km2,僅有烏什、喀什和且末3個地磁臺站,由于臺站稀少,空間插值的結(jié)果往往是閾值線不存在高曲率段,僅靠單一指標(biāo)較難判定可能的發(fā)震區(qū)域。并且臺站稀少導(dǎo)致預(yù)測區(qū)面積較大,通過將各異常區(qū)域進(jìn)行簡單疊加,也不能聚焦到某一危險地區(qū)。地磁逐日比方法雖然在新疆南天山地區(qū)具有較高的地震對應(yīng)率,但錢才等[18]研究結(jié)果顯示,該方法在新疆南天山西段地區(qū)R值未通過顯著性檢驗(yàn),需要配合其他更多資料提高其預(yù)測效能。

馮志生等[19-20]指出,引起磁場畸變的電流仍是變化磁場在地球內(nèi)部的感應(yīng)電流。中國大陸地震多為淺源地震,而地震活動較強(qiáng)烈地區(qū)通常存在殼內(nèi)高導(dǎo)層[21]。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造塊體的發(fā)生某種短期微動態(tài)活動或整體運(yùn)動時,一些斷層及其交匯區(qū)的電導(dǎo)性質(zhì)將會發(fā)生變化,從而有可能形成短期高導(dǎo)(低阻)通道,造成感應(yīng)電流短期內(nèi)在高導(dǎo)(低阻)通道內(nèi)的集中[20]。皮山MS5.2地震前,地磁逐日比和低點(diǎn)位移出現(xiàn)的時間相差超過2個月,雖然這2項(xiàng)異常的形成機(jī)理類似,均是由于介質(zhì)電磁性質(zhì)改變從而引起地磁垂直分量日變化的畸變[22],但地磁逐日比計算時需考慮前一日垂直分量日變幅,而低點(diǎn)位移僅考慮當(dāng)天的低點(diǎn)時間,在異常出現(xiàn)的時間上二者沒有必然的聯(lián)系。根據(jù)楊文采等[23]的研究結(jié)果,南天山西段位于高大地?zé)崃鲄^(qū)和低熱流交替區(qū)域,地體邊緣堅硬的巖塊和斷裂發(fā)育使得地下電磁性質(zhì)易改變,從而觸發(fā)地震發(fā)育,這個特征跟現(xiàn)實(shí)地震活動性特征也基本吻合,也為該區(qū)域出現(xiàn)地磁日變化異常提供了物理解釋與科學(xué)依據(jù)。

致謝:文中使用的地磁數(shù)據(jù)來自于中國地震局地球物理研究所國家地磁臺網(wǎng)中心,在此表示感謝。