李 霞, 馮麗麗, 趙玉紅, 劉 磊, 茍智棟

(1.青海省地震局, 青海 西寧 810001;2. 中國地震局青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測研究站 , 青海 格爾木 816001 )

0 引言

地震電磁擾動是指地震在形成、發(fā)展等過程中地殼電磁源激發(fā)出的一種強烈的電磁信號[1],其產(chǎn)生的原因可能由壓磁、壓電以及動電效應等引起[2-4],即巖石超過其荷載承載壓強時產(chǎn)生破裂、巖石的晶格會遭受破壞,從而產(chǎn)生電位跳躍而釋放出電磁波信號[5]。根據(jù)電磁感應的趨膚效應理論得知電磁波的趨膚深度一般小于100 km,而地震磁擾動信號是源于地震震源的信息,一般震源深度(尤其是內陸地震)在十公里量級。因此,地震前觀測到孕震區(qū)磁擾動信息的概率很大。

國外學者在對多個實際震例分析過程中采用了地磁垂直強度極化分析方法提取地磁擾動異常信息,達到了一定應用效果[6-11]。馮志生等[12]的研究表明,地磁垂直強度極化具有年變化特征,在提取極化高值異常前應予以消除,并發(fā)現(xiàn)消除年變化后的喀什臺極化值高值與其后2個月內臺站周邊地震有很好的對應關系,且大部分地震都發(fā)生在1個月內。Li等[13]利用天津靜海臺和新疆喀什臺的數(shù)據(jù)計算地震發(fā)生前后的極化值,在此基礎上提取了較為可靠的地震地磁異常信息;李琪等[14]利用極化方法對云南地磁臺陣資料的分析認為云南賓川MS5.0地震前也存在地磁異常。地磁垂直強度極化法實際應用效果好,符合電磁信號傳播理論,有深入的研究意義,用此方法提取地磁場信息受到廣泛關注,已成為研究熱點。

青海地區(qū)自電磁觀測以來,尤其是“十二五”背景場項目建設以后,基本形成了覆蓋全省的監(jiān)測臺網(wǎng),積累了較好的地磁觀測數(shù)據(jù)。本文針對青海地區(qū)地磁觀測資料質量佳、觀測點分布密度均勻的特點,利用垂直強度極化方法來提取震磁異常,結合中強地震背景,以期在實際地震預測工作中提供一定參考價值。

1 資料選取

青?，F(xiàn)有地磁觀測點9個,分別為格爾木、都蘭、德令哈、大武、玉樹巴塘、西寧、金銀灘、湟源和貴德,其中大部分測點有兩套地磁儀器同時觀測,儀器類型包括GM4、|XL型磁通門磁力儀、FHD-2型質子矢量磁力儀和GSM-90F1型Overhauser磁力儀、FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng)以及FGM觀測儀,大部分為2014年以后背景場項目中新架設儀器。青海省區(qū)域地磁臺網(wǎng)在青海境內東北部地區(qū)布網(wǎng)間距相對較小,在西南區(qū)域沒有觀測站,對該區(qū)域地磁場變化的監(jiān)控能力受到制約。

本文選用2015—2017年資料品質佳的格爾木(GM4B)、德令哈(GM4XL-b)、都蘭(GM4XL-6)、金銀灘(GM4XL-4)、大武(GM4XL-b)、貴德(GM4XL-2)、西寧(FGM01-4)和玉樹巴塘(FGM01-1)8個測點磁通門秒采樣觀測數(shù)據(jù)為研究對象(圖1);地震事件選取了研究區(qū)2015—2017年青海及其鄰區(qū)5級及以上、有地磁秒數(shù)據(jù)臺站記錄的地震(去除余震)共計10次(表1)。

圖1 青海地區(qū)磁通門觀測臺站與2015—2017年中強地震分布圖Fig.1 Distribution map of fluxgate observation stations in Qinghai area and mid-strong earthquakes from 2015 to 2017

表1 研究區(qū)2015—2017年中強地震情況匯總(去除余震)Table 1 Summary of mid-strong earthquakes in the study area from 2015 to 2017 (excluding aftershocks)

2 數(shù)據(jù)計算

地磁垂直強度極化值Yzh定義為某測點地磁垂直分量與總水平分量的譜值之比:

(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SN向譜值;Hy(ω)為地磁水平分量EW向譜值;ω為圓頻率。

大量觀測和分析表明,來自高空電離層和磁層的ULF磁場極化值Yzh一般都小于1,而來自震前震源區(qū)磁場的Yzh大于等于1。因此認為Yzh是區(qū)分磁場信息來自高空與震源區(qū)地下的關鍵,可能是提取與地震破裂有關的磁擾動信息的重要參數(shù)。

本文對青海地區(qū)8個測點磁通門觀測秒數(shù)據(jù)進行地磁垂直強度極化法計算,并將結果進行歸一化分析,以便更科學地分析極化異常空間展布特征。具體計算過程如下:①將磁通門三分量Z、Hx和Hy每天的秒資料分為96段,每段15分鐘;②去傾、加哈明窗、計算富氏譜;③計算垂直矢量和水平矢量譜幅度;④計算每天5～100 s內各頻點的極化值的均值,獲得5～100 s極化值的逐日變化序列;⑤對極化值逐日變化序列富氏擬合,獲得周期大于半年的富氏擬合變化曲線、殘差方差,該富氏擬合變化曲線為極化值的年變化;⑥剔除5～100 s頻段內各頻點極化值低于閾值的極化值,獲得高于閾值的極化值日均值。閾值為富氏擬合變化曲線加二倍殘差方差。⑦對高于閾值的極化值日均值逐日變化序列進行富氏擬合,獲得周期大于半年的富氏擬合變化曲線殘差以及殘差方差,該殘差為剔除年變化的極化值,二倍殘差方差為異常判據(jù);⑧用各臺站二倍殘差方差對各臺殘差曲線進行歸一化,再減1;⑨繪制異常期間所有臺站的歸一化后極化值空間等值線。

3 結果分析

通過分析地磁垂直強度極化時序曲線(圖2),選取異常期間異常臺站數(shù)量最多的時間并做歸一化處理后繪制極化異?？臻g等值線圖(圖3),得到以下認識:

(1) 2015年1月15日格爾木、金銀灘、貴德、大武和德令哈5個臺站出現(xiàn)極化值高出背景平均值,異常持續(xù)3～5天,90天后發(fā)生內蒙古阿拉善左旗5.8級地震,異常臺站距震中400～650 km。德令哈臺雖未出現(xiàn)異常,但同期出現(xiàn)了與其他臺變化形態(tài)相似的上升變化趨勢。高值異常區(qū)域覆蓋大部分青海地區(qū),震中位于異常區(qū)西北方向。

(2) 2015年11月21日格爾木、德令哈、都蘭、大武、金銀灘和貴德同步出現(xiàn)高值極化結果,異常持續(xù)4～7天,僅在2天后發(fā)生祁連5.2級地震;因為震后數(shù)天極化高值異常并未恢復,所以認為異常未結束,59天后又發(fā)生了門源6.4級地震,兩次地震距離150 km異常臺站距震中120～520 km。此組異常對應兩次地震,震中均位于極化高值區(qū)域。

(3) 2016年1月28日格爾木、大武、西寧、金銀灘臺出現(xiàn)極化結果超出閾值情況,但隨后三個月研究區(qū)內并未發(fā)生目標地震,所以考慮該組異常為虛報。

(4) 2016年9月10日格爾木、金銀灘、貴德、西寧、巴塘5個臺站極化結果同步高值,異常持續(xù)2～8天,異常出現(xiàn)37天后發(fā)生雜多6.2級地震,極化異常曲線形態(tài)非常顯著,異常臺站距震中200～740 km。震中位于極化低值區(qū)域。

(5) 2016年11月29日格爾木、金銀灘、貴德、大武、德令哈、都蘭和西寧臺極化結果同步高值,異常出現(xiàn)僅6天發(fā)生聶榮5.1級地震,異常臺站距震中510～980 km。震中位置位于研究區(qū)邊界,距離極化高值異常邊界500 km。

圖2 地磁垂直強度極化法計算結果時序曲線Fig.2 Time series curve of calculation results of geomagnetic vertical intensity polarization method

圖3 地磁垂直強度極化異?？臻g展布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of magnetic vertical intensity polarization anomalies

表2 極化異常參數(shù)統(tǒng)計情況Table 2 Statistics of geomagnetic vertical intensity polarization parameters

(6) 2017年6月19日大武臺極化值顯著偏高,2017年8月8題九寨溝發(fā)生7.0級地震,距離大武臺350 km。本次強震發(fā)生前短時期內并未出現(xiàn)大范圍極化異常,由于單臺極化高值不作為異常提出,認為九寨溝地震屬于漏報情況。

(7) 2017年11月3日格爾木、金銀灘、貴德、大武、德令哈和巴塘臺極化結果出現(xiàn)超閾值情況,異常持續(xù)1～6天,45天后發(fā)生澤庫4.9級地震,異常臺站距震中105～650 km。震中位于極化高值異常區(qū)。

(8) 2015年10月12日青海瑪多5.2級地震、2016年5月11日西藏丁青5.5級地震和2017年9月30日四川青川5.4級地震前未出現(xiàn)顯著同步極化高值,所以認為屬于漏報情況。

眾所周知,磁暴是地磁場強烈擾動的重要地球物理現(xiàn)象,為了證明本次所研究的地磁垂直強度極化異常非磁暴所致,根據(jù)東京地磁國際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html)提供的Dst指數(shù)與Kp指數(shù)(圖4),2015～2017年青海地區(qū)出現(xiàn)的5組地磁極化異常日當天及前、后兩天均未出現(xiàn)大型磁暴,對此次異常的性質判定不產(chǎn)生影響。

圖4 異常時間段與Dst指數(shù)、KP指數(shù)情況Fig.4 Dst and KP index information during abnormal period

4 討論與結論

2015—2017年青海地區(qū)共發(fā)生10次5級左右及以上地震,其中6次存在極化異常現(xiàn)象,4次漏報(大部分位于觀測點稀疏區(qū)域),得到以下結論:

(1) 地磁垂直強度極化法在青海地區(qū)5級左右及以上地震確實有一定映震能力,且震前會出現(xiàn)多臺同步的大范圍異常區(qū),異常高值形態(tài)常呈現(xiàn)出單峰或雙峰形態(tài),且同步異常的臺站曲線具有相似的變化特征。震前孕震區(qū)附近會產(chǎn)生臨時感應電流,由于感應磁場的復雜性會導致異常的表現(xiàn)形式多樣化,這可以很好地解釋在異常提取過程中,閾值線附近會表現(xiàn)出不同相位、不同幅度的變化形態(tài),這種差異是由地下介質電導率的橫向非均質性決定的。

(2) 當2個或2個以上臺站極化值Yzh同時出現(xiàn)高值后1～2個月內,尤其是1 個月內,臺站周邊易發(fā)生5級以上地震,異常持續(xù)1～8天。

(3) 利用垂直強度極化異?？臻g分布特征判定震中位置時,對于臺站分布密集區(qū)域,地震震中位于異常高值區(qū),如祁連5.2級地震、門源6.4級地震和澤庫4.9級地震均位于極化高值區(qū)域;對于臺點分布稀疏區(qū)域,如雜多6.2級地震和聶榮5.1級地震都位于研究區(qū)西南部監(jiān)測能力較弱區(qū),故異?？臻g分布對震中位置指示意義不大。青海地區(qū)大部分地磁測點分布于東北部,該區(qū)域監(jiān)測能力強,故識別、判別異常能力高,對異常的信度也大于其他區(qū)域。

(4) 震中距與地磁垂直強度極化異常幅度并未出現(xiàn)明顯線性相關性,可能與臺站所處地質構造不同有關,因為介質磁性特征與地震波速和巖性特征是密切相關的,導致來自震源區(qū)的電磁異常信號在不同構造背景和沉積環(huán)境介質中的傳播方式不同。

(5) 分析未發(fā)現(xiàn)震級與異常持續(xù)時間、震中距以及異常幅度有顯著關系,可能與研究樣本偏少以及研究范圍局限有關。

因所使用的數(shù)據(jù)資料積累時間短,震例不多,目前該方法在青海地區(qū)地震預測還未成熟應用,對異常的認識仍然不足。隨著時間和資料的積累,判據(jù)指標及預測規(guī)則將得到進一步完善,期望未來能在實際地震預測工作中提供一定參考價值。