В.С.Исмагилов　Ю.А.Копытенко　Г.М.Попов

日本2011年3月11日災(zāi)難性地震前地磁場長期變化的異常擾動

В.С.ИсмагиловЮ.А.КопытенкоГ.М.Попов

摘要2011年3月11日，在日本東北以東的近海發(fā)生了M9地震，這是日本地震監(jiān)測史上最大的一次，其震中位于海底下約24km處，距離海岸約130km。根據(jù)位于日本領(lǐng)土上距離此次震中約180～200km的兩個地磁監(jiān)測站——江差町和水澤的數(shù)據(jù)研究了地球主磁場的長期變化。地球主磁場的分量在過去的上百年間變化都非常平穩(wěn)，然而在2000～2011年期間，在日本領(lǐng)土發(fā)生大地震的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測到了4次主磁場長期變化的異常情況，其持續(xù)時間從半年到3年不等。這些異常出現(xiàn)的同時，在地磁臺站周邊100km的區(qū)域內(nèi)有地震活躍帶發(fā)展，且之后發(fā)生了6級強震。從兩個地磁臺站監(jiān)測的相關(guān)磁場分量差可發(fā)現(xiàn)一些最顯著的異常。最近的一次異常情況最為強烈，其出現(xiàn)在大地震發(fā)生的約3年前。地震前地球磁場異常的原因可能是由構(gòu)造運動過程引起的地殼局部區(qū)域的導(dǎo)電性變動造成。在初始階段，這個過程會導(dǎo)致未來震源區(qū)域溫度和導(dǎo)電性的升高，從而導(dǎo)致地表地電流的重新分配以及磁場的改變。之后，構(gòu)造運動過程的發(fā)展導(dǎo)致未來震源區(qū)域裂縫的加劇，并降低了地震來臨前的電導(dǎo)率。

0引言

現(xiàn)今普遍認為，在地震的孕育階段在地表可以監(jiān)測到異常的巖石層超低頻(F<10Hz)雜音狀的電磁輻射信號[1-6]，這種超低頻擾動的強度通常非常小(<0.1нТл)，但是在強烈地震(M>6)之前，觀測到其值的震中距可達100km甚至更深[3，5]?，F(xiàn)代高靈敏度磁力儀能夠監(jiān)測到這樣微弱的信號，但是，在日本領(lǐng)土的傳感器，通常記錄到巖石層與電離層發(fā)生的磁場擾動疊加信號，同時工業(yè)噪聲“干擾”也疊加在自然磁場信號上。

自然的超低頻地磁變化源頭在電離層。在地表的地磁擾動記錄點通常離這些電離層源頭很遠(幾百千米)。因此沿著地表監(jiān)測到的電離層所產(chǎn)生的超低頻自然地磁擾動的梯度很小，并且取決于擾動的大小和距擾動源頭的遠近[7，8]。

超低頻巖石層磁力擾動的記錄點位于地震活躍區(qū)域，通常記錄點離局部源頭地比離電離層擾動發(fā)源地要近得多。因此沿地表監(jiān)測到的巖石層超低頻磁擾動的梯度大于電離層超低頻擾動的梯度。在一些著作[7-10]中推薦使用梯度法，用于區(qū)分巖石層生成的超低頻輻射，該方法是微分法的衍生之一。該方法能夠在強烈地震還在孕育的期間確定超低頻地磁擾動的梯度和相位速度的異常狀況，以及根據(jù)沿地表梯度和相位速度的矢量方向確定未來震中的方向。

圖1　地磁臺站的位置(三角形)和從2000年1月1日到2011年1月31日期間強震活動的地區(qū)位置(黃色星號)。每顆星號里都標(biāo)有強烈主震的震級(原圖為彩色圖——譯注)

2011年3月11日在日本東北以東不遠的近海處，發(fā)生了災(zāi)難性的M9(根據(jù)日本氣象部門標(biāo)度)強烈地震。強震還伴有高達20m的海嘯，摧毀了福島核電站。本文研究的是在這次地震之前出現(xiàn)的地球磁場長期變化的異常磁力擾動。

1地球磁場長期變化異常

圖1中用白色的三角形標(biāo)出了地磁臺站。使用的數(shù)據(jù)來自江差町(ESA)臺、水澤(MIZ)臺和柿岡(KAK)臺。ESA臺和MIZ臺位于2011年3月11日發(fā)生的災(zāi)難性大地震震中以北約170km到200km。ESA和MIZ臺之間的距離約為19km，而ESA和KAK臺之間的距離約為332km。圖1中最大的黃星表示地震震中。11年的時間中(2000年1月1日到2011年1月31日)地球恒定磁場的H，D和Z分量變化示于圖2。圖中給出的比例顯示江差町臺和柿岡臺的數(shù)據(jù)非常相似。2006年后Z分量開始增大，D分量開始降低，而H分量在整個11年期間在緩慢地降低。圖中豎線標(biāo)出了大地震的發(fā)生時間。很明顯，地球主磁場的長期變化與磁力活性無關(guān)。分別組合成兩對地磁臺站(ESA-MIZ，ESA-KAK)的有關(guān)磁力分量之差值示于圖3。圖中下方的曲線表示江差町臺和水澤臺垂直分量的差異數(shù)：dZ(EM)=Zesa-Zmiz。下方第二條曲線表示的是江差町臺和柿岡臺的垂直分量差異dZ(EK)=Zesa-Zkak等。地震震級標(biāo)注在圖3右上方，使用的數(shù)據(jù)范圍為江差町臺地震強度M>4，震中距離江差町臺小于150km的記錄。在差異信息中(下6條曲線)明顯能看出長達1～3年，變化幅度為1～5нТл的異常變化。上數(shù)第二圖中能看到更明顯的異常。這里展示了江差町臺與水澤臺垂直分量差異與平行分量差異間的比值：dZ(EM)/dH(EM)=(Zesa-Zmiz)/(Hesa-Hmiz)。曲線下面的黑色箭頭標(biāo)出了異常的時間，而上方的紅色箭頭則標(biāo)出了震級M≥6地震的發(fā)生時間。很明顯，強震發(fā)生時刻相對于異常初始時間延遲1～3年時間。發(fā)生在災(zāi)難性大地震之前最明顯的異常持續(xù)的時間比之前的異常要久，并且更加強烈。

在11年內(nèi)發(fā)生的地震活躍區(qū)在圖1中用黃色星號標(biāo)出。最強烈地震的震級標(biāo)注在該星號內(nèi)。在2002年異常之后，震中位于仙臺市附近，在江差町臺以南大約100km處。在2005～2007年，震中位于海底之下，在江差町臺東南約150～200km處。2008年時，震中的位置距離江差町臺和水澤臺非常近(江差町臺西南約50km處)。2009年后，在海底出現(xiàn)了地震活動，也正是在這里發(fā)生了M=9的強震。

2結(jié)果討論

在文獻[11]中對主磁場源頭的動力學(xué)模型研究表明，最靠近日本的地磁極點位于東西伯利亞和太平洋中。這些極點的緩慢位移導(dǎo)致日本境內(nèi)長期磁場變化的大規(guī)模改變。比較圖2下方的6條曲線可以得出，這些變化的空間尺度應(yīng)當(dāng)非常大。因此，圖3中顯示的異常是局部性的，且距離江差町臺和水澤臺很近。圖3中上數(shù)第二條曲線(江差町臺和水澤臺dZ/dH的比值)下面的黑色箭頭標(biāo)出了4次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的異常。紅色箭頭則標(biāo)出了M≥6地震的發(fā)生時間。很明顯，相對于異常開始，強震發(fā)生時間有1～3年的延遲。此外，這些地震都位于不同的地震區(qū)域(圖1中黃星號標(biāo)出)。震級M=7.0的地震區(qū)域在2002年磁力異常發(fā)生后出現(xiàn)。震源平均深度約為37km(測算包含M≥4的地震)。2005年的磁力異常(M=6.9)出現(xiàn)在海底地震活動開始前。震源平均深度約為54km。2008年震中的位置離江差町臺和水澤臺很近，震源平均深度約為18km。2009年后，地震活動出現(xiàn)在2005～2007年地震活躍區(qū)域以東的海底，平均深度約為36km?？雌饋?，2005～2007年以及2009年的地震活動與太平洋構(gòu)造板塊運動有關(guān)[12]。幾乎在所有俯沖區(qū)域的地震活動都先出現(xiàn)在地殼深處，然后是在較淺處[13]。

在地震前出現(xiàn)磁場異常先前也曾監(jiān)測到過[14]。這個現(xiàn)象可以用地殼的局部區(qū)域?qū)щ娦缘母淖儊斫忉?。事實上，?gòu)造運動會引起未來震源區(qū)域的溫度升高以及傳導(dǎo)性增強。大地電流在傳導(dǎo)異常區(qū)域附近被重新分配，并使得地表磁場發(fā)生異常。獲取這些異常信號取決于地磁臺站相對于該異常的位置。

在地震孕育階段，構(gòu)造過程能使地磁臺站所在的地表傾角發(fā)生改變。磁力傳感器方位變化可能成為磁力計讀數(shù)變化的另一原因。比如，在日本境內(nèi)的傳感器傾斜0.01°可以導(dǎo)致磁力儀水平分量讀數(shù)變化6.6нТл。從圖3可以看出，異常出現(xiàn)后，開始階段會變得劇烈，而之后會開始減弱，到強震發(fā)生之前基本消失。有可能的是，由于構(gòu)造過程引起地殼局部區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致該區(qū)域的傳導(dǎo)性增強而出現(xiàn)異常并發(fā)展，之后由于構(gòu)造過程進一步發(fā)展，導(dǎo)致破裂程度增強，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)性減弱，以致傳導(dǎo)性異常消失。

圖2　晝夜Kp指數(shù)總括圖(最上部圖)和2000年1月1日至2011年1月31日期間江差町臺和柿岡臺地球主磁場各分量長期變化圖。豎線標(biāo)出了大地震的發(fā)生時間

圖3　2000年1月1日至2011年1月31日期間地震震級記錄(M≥4)(最上方圖)。分別組合的ESA-MIZ(EM)和ESA-KAK(EK)地磁臺站相關(guān)磁力分量的差值(dH，dD，dZ)見下面的6條曲線。江差町臺與水澤臺dZ/dH的比值見上數(shù)第二條曲線。曲線下的黑色箭頭標(biāo)出了異常的時間，而紅色箭頭則標(biāo)出了M>6地震的發(fā)生時間(原圖為彩色圖——譯注)

這樣，在2000～2011年間日本發(fā)生大地震的區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測到4次地球主磁場長期變化的異常。所有磁力異常都發(fā)生在強震之前，在所選取的地磁臺站相應(yīng)磁場分量的差值曲線上出現(xiàn)了特別明顯的差異。最后一次異常最為劇烈，在大地震發(fā)生之前持續(xù)了3年時間。

3結(jié)論

所得結(jié)論如下：

2000～2011年期間，在日本大地震區(qū)域內(nèi)監(jiān)測到地球主磁場長期變化的4次異常變化。

所有磁力異常都發(fā)生在強震之前，在所選取的地磁臺站相應(yīng)分量的差值曲線上出現(xiàn)了特別明顯的變化。

最后一次異常最為劇烈，在M9大地震發(fā)生之前異常持續(xù)了約3年時間。

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譯自：“PhysicsofAuroralPhenomena”，Proc.XXXVI Annual Seminar，Apatity，2013.71-74

原題：АНОМАЛЫЕ ВОЗМУШЕНИЯ В ВЕКОВЫХ ВАРИАЦИЯХ МАГН- ИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПЕРЕД КАТАСТРОФИЧЕСКИМ ЗЕМЛЕТ- РЯСЕНИЕМ В ЯПОНИН 11.03.2011

(中國地震臺網(wǎng)中心王超譯；胡鴻翔校)

王超(1979年1月-)，男，北京外國語大學(xué)俄語學(xué)院學(xué)士，中國地震臺網(wǎng)中心項目管理部，高級工程師，Tel：13671107964，E-mail：chao@seis.ac.cn。

譯 者 簡 介

doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201504004