王亞麗 于晨 岳沖 胡源 姚麗

1)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

2)甘肅省地震局張掖地震監(jiān)測(cè)中心站，甘肅高臺(tái) 734300

0 引言

電磁場(chǎng)是宇宙中最重要、最普遍的物理場(chǎng)，是地球基本物理場(chǎng)之一，也是聯(lián)系空間、地表、地下各圈層信息的基本場(chǎng)量(范瑩瑩等，2014)。國(guó)內(nèi)外地震電磁波的觀測(cè)實(shí)踐表明，地震電磁異?，F(xiàn)象是客觀事實(shí)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界有很多關(guān)于地震相關(guān)電磁異?，F(xiàn)象的報(bào)道(Varotsos et al，1991、2013；Michel et al，1998； 趙和云等，2002； 李寧，2007；Wang et al，2019)，不同學(xué)者在地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)前兆現(xiàn)象的生成機(jī)制、傳播機(jī)理方面做了大量加載實(shí)驗(yàn)以及理論研究工作(郭自強(qiáng)等，1988；Yamada et al，1989； 錢書清等，2003)，證明了地震電磁場(chǎng)前兆現(xiàn)象的可觀測(cè)性(趙國(guó)澤等，2003、2015)。

2019年9月16日甘肅張掖5.0地震發(fā)生在祁連山北緣斷裂，震源深度11km。由于5.0～5.9級(jí)地震的前兆異常優(yōu)勢(shì)展布范圍為0～150km(趙和云等，1997)，故本文將對(duì)震中附近150km范圍內(nèi)的電磁觀測(cè)資料進(jìn)行重點(diǎn)分析。

張掖5.0級(jí)地震震中附近150km范圍內(nèi)共有山丹臺(tái)和高臺(tái)大莊2個(gè)電磁定點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)站，其中山丹臺(tái)采用視電阻率、地電場(chǎng)和地磁3種觀測(cè)手段，高臺(tái)大莊采用地電場(chǎng)和低頻電磁擾動(dòng)2種觀測(cè)手段。另外，震中150km范圍內(nèi)還有鶯樂峽、石灰窯口、扁都口、紅寺湖、童子壩等5個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)站，以及肅南臺(tái)水管儀觀測(cè)和高臺(tái)4分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)。震前該區(qū)域內(nèi)視電阻率、地磁場(chǎng)和電磁擾動(dòng)觀測(cè)資料存在不同時(shí)間尺度和空間尺度的異常變化，同時(shí)高臺(tái)鉆孔應(yīng)變NE和NW兩個(gè)分量也存在顯著的年變形態(tài)畸變異常(圖1)。

圖1 震中距150km范圍內(nèi)的電磁和形變觀測(cè)臺(tái)站分布

1 震前異常特征

1.1 山丹臺(tái)視電阻率異常

山丹地電臺(tái)為國(guó)家基本臺(tái)，位于祁連山北緣斷裂與龍首山斷裂帶之間，距離2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震震中約63km。該臺(tái)采用對(duì)稱四極裝置方式，布設(shè)EW向、NS向和N45°W共3條測(cè)線(圖2(a))，各供電極極距均為1000m，測(cè)量極距為200m，接地電阻小于10Ω，觀測(cè)儀器為ZD-8數(shù)字地電儀。由于儀器故障和外線路漏電，山丹臺(tái)視電阻率NS測(cè)道在2014—2015年發(fā)生不規(guī)則變化，于2016年10月進(jìn)行外線路改造。但NW和EW測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量比較可靠。圖2(d)為山丹臺(tái)電阻率EW測(cè)道2014—2018年觀測(cè)日均值曲線，可以發(fā)現(xiàn)年變幅度在2017—2018年出現(xiàn)明顯減小。圖2(e)中的實(shí)線為利用觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合的EW測(cè)道年變趨勢(shì)線，2017年7月底至2018年8月初，變化形態(tài)打破之前的變化趨勢(shì)，出現(xiàn)變化形態(tài)畸變異常(其中虛線為該時(shí)間年變趨勢(shì)的估計(jì)值)。2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震前，EW測(cè)道2017年以來的年變化形態(tài)的畸變一直作為異常跟蹤，張掖5.0級(jí)地震發(fā)生時(shí)，該異常已經(jīng)處于轉(zhuǎn)折回升階段。

圖2 山丹臺(tái)視電阻率觀測(cè)布極圖及各測(cè)道觀測(cè)值變化曲線

1.2 高臺(tái)大莊低頻電磁擾動(dòng)異常

高臺(tái)大莊地電觀測(cè)站距離張掖5.0級(jí)地震震中約94km，該臺(tái)采用地殼應(yīng)力研究所研制的DCRD-1電磁擾觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)電磁擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，儀器觀測(cè)頻率范圍0.1～10Hz，產(chǎn)出NS、EW向電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由于儀器記錄為分鐘值，即1次/min，故電磁擾動(dòng)觀測(cè)實(shí)際上是記錄了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的脈沖變化。

電場(chǎng)EW向和NS向觀測(cè)在震前未發(fā)現(xiàn)明顯的異常信號(hào)，而磁場(chǎng)NS向分量自2019年9月7日起開始出現(xiàn)大幅度脈沖信號(hào)，2019年9月16日地震發(fā)生后脈沖信號(hào)消失； 由于同期測(cè)區(qū)有宜宣高壓直流輸電干擾，因此不作為地震異?？紤]。而磁場(chǎng)EW向分量自2019年7月24日開始同時(shí)出現(xiàn)大幅度上升以及高頻信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象，震后異常開始緩慢恢復(fù)。截至2019年12月31日，磁場(chǎng)EW向的變化幅度仍未恢復(fù)到震前水平(圖3)。

圖3 高臺(tái)大莊低頻電磁擾動(dòng)異常

1.3 高臺(tái)鉆孔應(yīng)變異常變化

高臺(tái)地震臺(tái)布設(shè)的4分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)與高臺(tái)大莊低頻電磁擾動(dòng)觀測(cè)站相距僅15km，其NS和EW分量年變趨勢(shì)與往年一致，而NE和NW分量自2019年6月20日開始明顯低于往年變化值，出現(xiàn)破年變異常，并在張掖5.0級(jí)地震發(fā)生后逐步轉(zhuǎn)折上升。截至2019年年底，NE和NW分量的幅值仍未達(dá)到往年的變化水平，但年變趨勢(shì)基本恢復(fù)(圖4)。

圖4 高臺(tái)鉆孔應(yīng)變年變曲線

1.4 變化磁場(chǎng)區(qū)域性異常

變化磁場(chǎng)的強(qiáng)弱既與外場(chǎng)有關(guān)，又與地下介質(zhì)導(dǎo)電率的大小有關(guān)。單臺(tái)地磁日變幅逐日變化復(fù)雜，即使變化較大也不能算作地震前兆異常(王武星等，2009)。地震孕育過程中，在構(gòu)造應(yīng)力作用下斷層區(qū)域巖石磁化率和剩余磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，引起孕震區(qū)局部巖石圈磁場(chǎng)發(fā)生變化(顧春雷等，2010)，因此震前可能觀測(cè)到與地震有關(guān)的局部性或區(qū)域性磁異常。

1.4.1 地磁低點(diǎn)位移異常

震前地磁Z分量日變化異常主要表現(xiàn)在幅度和相位上的變化偏離正常背景場(chǎng)。地磁低點(diǎn)位移方法即利用地磁日變幅極小值出現(xiàn)時(shí)間(低點(diǎn)時(shí)間)在空間上的區(qū)域性異常特征進(jìn)行地震預(yù)測(cè)的方法(王武星等，2009)。由大量震例統(tǒng)計(jì)得出，發(fā)震日期大多數(shù)為異常日后第(27±4)天或(41±4)天，發(fā)震地區(qū)在低點(diǎn)位移突變分界線附近(丁鑒海等，2009)。

2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震前，中國(guó)大陸出現(xiàn)2次地磁低點(diǎn)位移異常(圖5)，一條(圖5 中虛線表示)為8月3日地磁低點(diǎn)位移異常，突變分界線位于85°～110°E、30°～43°N之間，大致呈NE-SW向穿過內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海西藏等地，異常后44天在低點(diǎn)位移分界線附近發(fā)生張掖5.0級(jí)地震； 另一條(圖5 中實(shí)線表示)為2019年8月18日地磁低點(diǎn)位移異常，突變分界線位于100°～120°E、35°～43°N之間，大致呈NE-SW向穿過內(nèi)蒙古、甘肅、青海、陜西、山西、河北和山東等地，張掖5.0級(jí)地震發(fā)生在該異常后第29天。2條低點(diǎn)位移分界線在甘肅、青海交界地區(qū)交匯，張掖地震發(fā)生在2條低點(diǎn)位移分界線的交匯地區(qū)附近。

圖5 地磁低點(diǎn)位移分界線

1.4.2 地磁Z分量日變化形態(tài)區(qū)域性異常

地磁Z分量日變化形態(tài)呈現(xiàn)近似余弦曲線形態(tài)，即2個(gè)極大值點(diǎn)和1個(gè)極小值點(diǎn)。盡管日變波形的幅度、極值時(shí)間與地理經(jīng)度、緯度有關(guān)，但同一天在不同臺(tái)站觀測(cè)到的日變波形具有廣域相似性(李寧，2007)。

2019年8月3日中國(guó)大陸范圍內(nèi)觀測(cè)到的地磁Z分量日變化形態(tài)非常規(guī)則，符合正常的近余弦曲線形態(tài)(圖6(b))。而2019年8月18日在地磁低點(diǎn)位移曲線的兩側(cè)出現(xiàn)日變化形態(tài)不一致的現(xiàn)象，其中在分界線的東北側(cè)，臺(tái)站觀測(cè)到的Z分量日變化出現(xiàn)多次低值點(diǎn)，分界線另一側(cè)觀測(cè)到的則是基本正常的日變化形態(tài)(圖6(d))。由于多次低值點(diǎn)的Z分量變化幅度相差較小，因此地磁低點(diǎn)位移分界線的位置存在一定的不確定性，8月18日的地磁低點(diǎn)位移異常實(shí)際上就是由當(dāng)天Z分量日變形態(tài)區(qū)域性異常引起的。2次低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)當(dāng)天，空間天氣均處于比較平靜的狀態(tài)，無明顯磁暴現(xiàn)象，Z分量的形態(tài)畸變可能與地下介質(zhì)的電性變化有關(guān)。

圖6 地磁低點(diǎn)位移分界線和Z分量日變曲線

2 討論

2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震前，電磁場(chǎng)出現(xiàn)不同時(shí)間和空間尺度的異常變化。

2.1 異常的空間尺度

2019年8月3日和2019年8月18日2次地磁低點(diǎn)位移異常涉及的空間范圍較廣，包括西藏、西北和華北等地區(qū)。丁鑒海等(2009)提出2條以上地磁低點(diǎn)位移突變分界線交匯地點(diǎn)可能是未來發(fā)生地震的高概率地區(qū)，例如2005年2月15日新疆烏什6.2級(jí)地震就發(fā)生在2條地磁低點(diǎn)位移線交匯區(qū)附近。此次張掖5.0級(jí)地震之前出現(xiàn)的2條低點(diǎn)位移線在甘肅、青海交界地區(qū)交匯，地震發(fā)生在交匯地區(qū)附近。此次震例成為“地磁低點(diǎn)位移突變分界線交匯法”(丁鑒海等，2009)縮小預(yù)報(bào)范圍方法的例證之一。8月3日當(dāng)天地磁Z分量日變化形態(tài)非常規(guī)則，而8月18日在分界線兩側(cè)呈現(xiàn)出完全不同的日變形態(tài)，產(chǎn)生這種日變化形態(tài)畸變的原因可能非常復(fù)雜。由于空間天氣的擾動(dòng)極易引起地磁日變化形態(tài)的畸變，導(dǎo)致多個(gè)低值點(diǎn)的產(chǎn)生，從而引起低點(diǎn)位移分界線位置的不確定性，通常認(rèn)為這種由于地磁日變形態(tài)畸變引起的低點(diǎn)位移異常作為地震前兆異常的信度不高。從本次震例來看，僅僅利用當(dāng)天是否出現(xiàn)日變化形態(tài)畸變判定異常信度是不可靠的。

2.2 異常的時(shí)間尺度

2017年7月底至2018年8月初，山丹臺(tái)視電阻率EW向變化形態(tài)打破之前的變化趨勢(shì)，之后開始緩慢恢復(fù)，至2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震發(fā)生時(shí)已經(jīng)恢復(fù)到正常水平。震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，地震多發(fā)生在異常極值附近或恢復(fù)過程中，也有個(gè)別地震發(fā)生在異?；謴?fù)之后(王志賢等，1999)。

錢復(fù)業(yè)等(1982)用統(tǒng)一方法系統(tǒng)分析了自1967年開展觀測(cè)以來積累的全部震例(40余個(gè))，得到視電阻率異常持續(xù)時(shí)間T與震級(jí)M之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為：M=0.5+2.5lgT。山丹臺(tái)視電阻率異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年多，按照上述統(tǒng)計(jì)關(guān)系計(jì)算，預(yù)測(cè)震級(jí)可達(dá)6.9級(jí)，而2019年9月16日張掖地震為5.0級(jí)，遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的震級(jí)。

張掖5.0級(jí)地震前觀測(cè)到豐富的前兆異常，既有接近2年尺度的視電阻率年變趨勢(shì)異常，也存在3個(gè)月尺度的高臺(tái)大莊電磁擾動(dòng)和高臺(tái)鉆孔應(yīng)變異常，同時(shí)也有震前1個(gè)月尺度的地磁低點(diǎn)位移異常(圖7)。這表明該區(qū)域可能是電磁現(xiàn)象的敏感區(qū)域，或者預(yù)示著該區(qū)域具有較大的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改變。

圖7 震前異常進(jìn)程圖

2.3 不同異常的協(xié)同變化

高臺(tái)大莊低頻電磁擾動(dòng)磁EW分量自2019年7月24日開始出現(xiàn)大幅度上升以及高頻信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象，而高臺(tái)4分量鉆孔應(yīng)變的NE和NW分量自6月20日開始出現(xiàn)破年變異常。張掖5.0級(jí)地震發(fā)生后，鉆孔應(yīng)變和電磁擾動(dòng)異常并未立即消失，而是經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的過程，對(duì)于應(yīng)變和電磁場(chǎng)的異常變化，無論是異常出現(xiàn)的時(shí)間還是變化過程均高度一致，可以推斷二者均是由于局部應(yīng)力場(chǎng)的改變引起的。

2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震前，祁連山北緣斷裂帶上的山丹視電阻率和高臺(tái)應(yīng)變資料也曾出現(xiàn)同步的臨震異常變化(李興堅(jiān)等，2002)，表明處于同一應(yīng)力-應(yīng)變地震帶上的高臺(tái)應(yīng)變和山丹臺(tái)電磁場(chǎng)觀測(cè)對(duì)于祁連山北緣斷裂帶應(yīng)力-應(yīng)變的變化及青藏高原整體活動(dòng)均非常敏感，這與何康等(2016)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

地震孕育過程中可能會(huì)造成較大范圍的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，局部地區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變的積累造成該區(qū)域內(nèi)多種前兆在時(shí)間上存在內(nèi)在的協(xié)調(diào)一致性。高臺(tái)電磁擾動(dòng)和分量鉆孔應(yīng)變的同步變化是孕震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)改變?cè)诓煌锢砹可系谋憩F(xiàn)。

3 結(jié)論

2019年9月16日張掖5.0級(jí)地震雖然震級(jí)不高，但是觀測(cè)到不同時(shí)間尺度和不同空間尺度的電磁異?，F(xiàn)象，該區(qū)域可能處于地震電磁信號(hào)的“敏感區(qū)”，同時(shí)也表明電磁異常是對(duì)短臨地震反應(yīng)敏感的前兆現(xiàn)象。張掖5.0級(jí)地震發(fā)生在2條地磁低點(diǎn)位移異常交匯區(qū)域附近，成為地磁“突變分界線交匯法”縮小預(yù)報(bào)范圍的范例。

致謝：感謝審稿專家認(rèn)真細(xì)致的審讀，為本文質(zhì)量的提高提供了重要幫助。