樊文杰,馮麗麗,李 霞,何 暢,廖曉峰,姚休義

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.青海省地震局,青海 西寧 810001;3.四川省地震局,四川 成都 610041;4.云南財(cái)經(jīng)大學(xué)巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理研究中心,云南 昆明 650221)

0 引言

大量的巖石破裂實(shí)驗(yàn)和天然地震前的觀測研究均表明,地震孕育和發(fā)生過程中伴隨有一定程度的電磁波輻射異常[1-4]。通常認(rèn)為地震產(chǎn)生的電磁信號主要來源于震源區(qū)及其附近區(qū)域[5],與地震有關(guān)的周期小于幾百秒的電磁場信號一般稱為地震電磁波或者地震電磁擾動[6]。提取和分辨震前地磁異常信號,對于剖析震磁關(guān)系和地震預(yù)測都具有重要意義。但是由地震引起的地磁異常信號十分微弱,而且容易被外部空間電流體系變化和環(huán)境噪聲所湮沒。因此,如何更加有效地提取地磁異常信號和抑制外部干擾源,是許多學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。

為了突出源于震源區(qū)的地磁異常信號同時(shí)抑制外源場的影響,通常選取超低頻(ULF)波段進(jìn)行觀測和分析研究。對于頻段0.01～100 Hz的地磁信號,Molchanov等[7]通過數(shù)值模擬研究后發(fā)現(xiàn),在地表觀測到的一次源來自地殼內(nèi)部的地磁信號,其垂直分量幅度大于或接近于水平分量幅度,即來源于地殼內(nèi)部的磁場垂直分量幅度與水平分量幅度的比值大于或接近于1。而電磁感應(yīng)理論研究表明來自電離層外空磁信號的垂直分量幅度小于水平分量幅度。根據(jù)源于地殼處磁場信號和電離層外空磁場信號的不同特征,Hayakawa等[8]提出了地磁垂直強(qiáng)度極化法(簡稱極化法),利用地磁垂直分量和水平分量幅度的比值來提取和地震有關(guān)的地磁異常信號,并在1993年關(guān)島8.0級地震前發(fā)現(xiàn)了地磁極化值有逐漸增大的現(xiàn)象。隨著地磁極化方法的提出,國內(nèi)外學(xué)者在不同地區(qū)的震例應(yīng)用研究中都發(fā)現(xiàn)了震前幾天到幾個(gè)月內(nèi),震中周邊單個(gè)臺站或多個(gè)臺站的地磁極化值存在高值異?，F(xiàn)象[9-14]。在極化方法的推廣應(yīng)用過程中也得到了改進(jìn)和發(fā)展,馮志生等[15]的研究表明,地磁極化值具有顯著的年變特征,在提取極化異常時(shí)應(yīng)予以剔除。目前,地磁極化法日漸成熟并得到廣泛使用,在地震磁異常信號提取和識別中發(fā)揮著其優(yōu)勢作用。

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定,2022年1月8日1時(shí)45分在青海海北州門源縣發(fā)生MS6.9地震,震中位置為101.26°E,37.77°N,震源深度10 km。此次地震震中距離門源回族自治縣54 km,距西寧市136 km。通過對甘青川地區(qū)地磁資料進(jìn)行日常跟蹤,發(fā)現(xiàn)在青海門源MS6.9地震前數(shù)月已出現(xiàn)地磁垂直強(qiáng)度極化異常,異常滿足判定指標(biāo)并作為正式異常提出。因此,系統(tǒng)科學(xué)地開展強(qiáng)震前地磁觀測數(shù)據(jù)異常的回溯性研究,了解震前異常的時(shí)空演化特征,總結(jié)異常變化規(guī)律,對于今后判別地震前兆異常信號和改進(jìn)異常判定預(yù)測指標(biāo)都具有重大意義。鑒于此,本研究基于此次青海門源地震周邊的地磁臺站秒鐘值數(shù)據(jù),采用地磁垂直強(qiáng)度極化法提取震前地磁異常信號,進(jìn)行異?；厮菪苑治?研究探討地磁異常時(shí)空變化與地震的關(guān)系,以期為實(shí)際地震預(yù)測工作提供一定參考依據(jù)。

1 計(jì)算方法和資料

1.1 方法原理及計(jì)算過程

通常我們將地磁垂直強(qiáng)度極化值Yzh定義為地磁垂直分量Z和水平分量全矢量H的譜幅值的比值。

(1)

(2)

式中:Z(ω)為地磁垂直分量的譜幅度值;H(ω)為地磁水平分量全矢量的譜幅度值;Hx(ω)為地磁水平分量南北向譜值;Hy(ω)為地磁水平分量東西向譜值,ω為圓頻率。

具體計(jì)算過程如下:①首先按照15分鐘一段,將每天的地磁秒鐘值預(yù)處理數(shù)據(jù)分為96段,分段計(jì)算5～100 s周期的譜幅值和極化日均值;②對極化日均值進(jìn)行半年以上周期的傅式擬合計(jì)算,以傅氏擬合曲線加二倍殘差均方差線作為閾值線,剔除每天各段頻點(diǎn)極化值低于閾值的值,重新計(jì)算極化日均值;③對剔除低值的極化日均值再次進(jìn)行半年以上周期的傅式擬合并計(jì)算其殘差,以消除極化值的季節(jié)變化特征;④為了排除短期影響,對極化值殘差進(jìn)行5日滑動平均,將各臺站前一年極化值殘差的2倍方差上限作為異常閾值線,高于閾值線則視為異常。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究選取甘青川地區(qū)的地磁秒采樣觀測數(shù)據(jù),共計(jì)14個(gè)地磁臺站,其中青海省8個(gè)臺站,甘肅省3個(gè)臺站,四川省2個(gè)臺站,寧夏回族自治區(qū)1個(gè)臺站,臺站儀器均為GM4型磁通門磁力儀及其改進(jìn)機(jī)型。距離此次門源地震震中最近的臺站為青海省的金銀灘臺,約92 km。圖1給出了參與計(jì)算臺站的空間分布情況。數(shù)據(jù)計(jì)算選取時(shí)段為2021年1月1日至2022年1月31日。

圖1 計(jì)算地磁臺站空間分布(底圖來源于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)Fig.1 The spatial distribution of geomagnetic stations (The map comes from a standard map service http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)

為了確保數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的可靠性,首先對選取的秒采樣觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,刪除一些明顯由外界人為活動引起的干擾變化,如尖峰和臺階等;其次對于同臺存在多套儀器的臺站,對臺站的每套儀器的數(shù)據(jù)均進(jìn)行計(jì)算,篩選出數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和結(jié)果更好的儀器作為該臺站的最終計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2 計(jì)算結(jié)果及異常特征分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

在極化異常日常跟蹤過程中發(fā)現(xiàn),2021年10月底甘青川地區(qū)出現(xiàn)滿足異常判據(jù)的地磁極化超閾值高值異常,在參與計(jì)算的14個(gè)臺站中,青海金銀灘等5個(gè)臺站出現(xiàn)同步高值異常變化,異常臺站占總計(jì)算臺站的36%。圖2給出了異常臺站地磁極化值擬合殘差經(jīng)過5日滑動平均后隨時(shí)間變化情況,以2倍方差上限作為閾值線,在圖中用紅色虛線表示,紅色方框圈注的為此次極化高值異常。此外,圖2下方還給出了和數(shù)據(jù)相同時(shí)段內(nèi)的磁暴環(huán)電流指數(shù)(Dst指數(shù))變化情況。同時(shí),為了詳細(xì)了解此次極化異?？臻g分布動態(tài)演化過程,我們將異常持續(xù)時(shí)間期間內(nèi)每日的異?？臻g分布形態(tài)繪制于圖3。由于不同臺站場地和儀器產(chǎn)生的噪聲會對解析異常空間分布造成影響,我們用極化值殘差除以2倍均方差將其歸一化,再減去1得到歸一置零極化值,處理后以極化值“0”值作為異常閾值線(圖3中紅色實(shí)線),超過異常閾值“0”的區(qū)域即為極化高值異常區(qū)(圖3中紅色區(qū)域)。圖4給出了各異常臺站歸一置零極化值、異常持續(xù)時(shí)間和震中距的關(guān)系曲線。各地磁異常臺站的異常信息統(tǒng)計(jì)情況見表1。

圖中紅色虛線為2倍均方差線,紅色陰影框圈注的為此次門源地震前地磁極化高值異常(異常時(shí)間為2021年10月24—30 日)圖2 異常臺站的極化值擬合殘差和Dst指數(shù)時(shí)間序列Fig.2 Fitting residuals time series of polarization values of abnormal stations and Dst index

圖3 地磁極化異常歸一置零極化值空間等值線Fig.3 The spatial contour map of normalized zero polarization value of geomagnetic polarization anomalies

2.2 異常時(shí)間變化特征

從圖2和表1可見,在2021年10月24—30日期間,門源地震震中周邊的多個(gè)臺站的地磁極化值擬合殘差超出閾值線,呈現(xiàn)出時(shí)間同步的極化高值異常。同時(shí),這些臺站的極化值擬合殘差時(shí)間序列具有較好的相似性,變化形態(tài)大致相同。雖然2021年期間個(gè)別臺站的極化值擬合殘差也曾出現(xiàn)過高值變化,但是由于異常變化時(shí)間同步性較差,且異常臺站占比較低,因此本研究重點(diǎn)討論2021年10月24—30日期間出現(xiàn)的地磁極化同步高值異常。本文將同一天超閾值異常臺站數(shù)最多的日期定義為異常日期,此次極化高值異常日期為10月27日,與青海門源MS6.9地震的發(fā)震時(shí)間相隔73天。對各臺站異常信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后顯示,此次地磁極化異常臺站共有5個(gè),分別為青海金銀灘臺、貴德臺、德令哈臺,甘肅天水臺,四川松潘臺。其中異常幅度最大的臺站為青海德令哈臺,為0.124,異常幅度次大臺站為青海金銀灘臺。各臺站的異常持續(xù)時(shí)間不等,在2天至7天之間,異常持續(xù)時(shí)間與震中距存在一定相關(guān)性,距離震中位置越近,異常持續(xù)時(shí)間越長(圖4)。

表1 各地磁異常臺站異常統(tǒng)計(jì)情況Table 1 The abnormal statistics of geomagnetic stations

圖4 極化異常臺站歸一置零極化值(10月27日)、異常持續(xù)時(shí)間和震中距關(guān)系曲線(藍(lán)色和紅色線分別代表異常歸一置零極化值和異常持續(xù)時(shí)間)Fig.4 The relationship among normalized zero polarization value of anomalous stations (October 27),the abnormal duration,and the epicentral distance

Dst指數(shù)通常用來表征中低緯度磁暴活動強(qiáng)度,當(dāng)Dst指數(shù)高于-30 nT時(shí),說明地磁場較為平靜,沒有強(qiáng)磁暴活動。根據(jù)極化異常同時(shí)段內(nèi)的Dst指數(shù)變化情況可以看出(圖2),異常出現(xiàn)期間Dst指數(shù)的變化區(qū)間為-2～9 nT,均高于-30 nT(圖2中藍(lán)色虛線),表明此次地磁極化高值異常與空間電流體系變化并無關(guān)聯(lián)。

2.3 異?？臻g演化特征

此次地磁極化異常空間分布隨時(shí)間演化過程顯示[圖3(a)～(f)],高值異常區(qū)呈現(xiàn)出沿震中附近出現(xiàn)后逐漸擴(kuò)展最終再向震中收縮的特征。異常剛開始時(shí),位于門源地震震中南側(cè)、距離最近的青海金銀灘臺首先出現(xiàn)高值異常;之后異常臺站逐漸增多,異常區(qū)域隨之?dāng)U大,從青海不斷拓展到周邊的甘肅和四川境內(nèi),至10月27日異?？臻g范圍達(dá)到最大;10月28日起,異常臺站開始減少,極化高值異常區(qū)也跟著縮小,到10月30日僅剩距離震中最近的金銀灘臺一個(gè)異常臺站。

從發(fā)震地點(diǎn)和地磁極化高值異常區(qū)分布情況來看[圖3(a)～(f)],門源地震震中主要位于異常高值區(qū)邊緣(紅色閾值線附近)。極化異常從出現(xiàn)到趨于結(jié)束,地震震中均在異常閾值線兩側(cè)。在極化異常區(qū)域較大時(shí),震中位于高值異常區(qū)內(nèi)側(cè);極化異常區(qū)域較小時(shí),震中位于高值異常區(qū)外側(cè)邊緣。

由于各臺站背景值存在差異使得異常幅值有所不同,我們統(tǒng)計(jì)了超閾值異常臺站數(shù)最多日期(10月27日)的各臺站歸一置零極化值,具體信息見表1和圖4。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,異常臺站的歸一置零極化值和震中距存在反比例關(guān)系,異常臺站距離門源MS6.9地震震中越近,其異常歸一置零極化值越高。

3 結(jié)論與討論

本文基于甘青川地區(qū)的14個(gè)地磁臺站秒采樣資料,分析研究2022年1月8日青海門源MS6.9地震前地磁垂直強(qiáng)度極化異常的時(shí)空變化特征。結(jié)果顯示,震中附近的多個(gè)地磁臺站在2021年10月底同步出現(xiàn)地磁極化超閾值高值異常變化,與門源地震發(fā)震時(shí)間相隔73天,異常臺站主要分布于地震震中所在的青海省及臨近的甘肅和四川地區(qū)。根據(jù)極化異常和地震的時(shí)空關(guān)系分析認(rèn)為,本次地磁極化高值異常對應(yīng)了之后在異常高值區(qū)邊緣發(fā)生的門源MS6.9地震。

研究發(fā)現(xiàn),此次地磁極化異常具有一定的時(shí)空變化特征。時(shí)間上,各異常臺站極化結(jié)果曲線形態(tài)一致性較好,異常出現(xiàn)時(shí)間具有較好的同步性,地磁極化值可能會在地震前2～3個(gè)月出現(xiàn)幅度增強(qiáng)現(xiàn)象,與前人研究成果一致[11,14]?？臻g上,地磁極化異常高值區(qū)呈現(xiàn)出沿震中周邊出現(xiàn)后不斷擴(kuò)展最終再向震中收縮的特點(diǎn),可能反映了區(qū)域應(yīng)力的增強(qiáng)過程,地震發(fā)生在極化高值異常零值閾值線附近,這對于以后出現(xiàn)地磁極化異常后的發(fā)震地點(diǎn)預(yù)測有一定的參考意義。發(fā)震地點(diǎn)所在的高值異常區(qū)邊界區(qū)域可能對應(yīng)了地下介質(zhì)電導(dǎo)率變化的過渡帶,即高、低阻(速)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換帶。高、低阻(速)過渡帶由于兩側(cè)物質(zhì)的剛性程度和變形能力不同,易于造成應(yīng)力集中,加之中下地殼低阻、低速介質(zhì)對地震有觸發(fā)作用[16-17],使得過渡帶及邊界地區(qū)是中強(qiáng)地震的易發(fā)生地點(diǎn)[18]。而震源區(qū)的地殼P波速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果表明,門源地震震源位于P波低速層上方,處在高、低速過渡帶內(nèi)(https://www.cea-igp.ac.cn/kydt/278809.html)。這可能是地震主要發(fā)生在異常高值區(qū)邊緣的一種解釋。

此外,各地磁極化異常臺站的歸一置零極化值、異常持續(xù)時(shí)間與震中距呈現(xiàn)出較好的負(fù)相關(guān)性,異常臺站距離地震震中越近,其歸一置零極化值越高,異常持續(xù)時(shí)間也越長。Huang等[19]通過模擬實(shí)驗(yàn)研究表明,地震電磁擾動信號具有隨震中距增加而逐步衰減的特征,這恰好詮釋了異常臺站歸一置零極化值和異常持續(xù)時(shí)間隨震中距的增加而逐漸減少的現(xiàn)象。

盡管本文及其他學(xué)者的研究都表明在地震前可以提取到不同程度的地磁極化異常,但是關(guān)于地震與異常高值區(qū)空間分布的關(guān)系,尤其是其機(jī)理仍需要做進(jìn)一步研究工作。

致謝:本文所使用的數(shù)據(jù)來源于國家地磁臺網(wǎng)中心,在此表示感謝！