青海地区地震磁扰动异常特征研究

李 霞, 冯丽丽, 赵玉红, 刘 磊, 苟智栋

(1.青海省地震局, 青海 西宁 810001;2. 中国地震局青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站 , 青海 格尔木 816001 )

0 引言

地震电磁扰动是指地震在形成、发展等过程中地壳电磁源激发出的一种强烈的电磁信号[1],其产生的原因可能由压磁、压电以及动电效应等引起[2-4],即岩石超过其荷载承载压强时产生破裂、岩石的晶格会遭受破坏,从而产生电位跳跃而释放出电磁波信号[5]。根据电磁感应的趋肤效应理论得知电磁波的趋肤深度一般小于100 km,而地震磁扰动信号是源于地震震源的信息,一般震源深度(尤其是内陆地震)在十公里量级。因此,地震前观测到孕震区磁扰动信息的概率很大。

国外学者在对多个实际震例分析过程中采用了地磁垂直强度极化分析方法提取地磁扰动异常信息,达到了一定应用效果[6-11]。冯志生等[12]的研究表明,地磁垂直强度极化具有年变化特征,在提取极化高值异常前应予以消除,并发现消除年变化后的喀什台极化值高值与其后2个月内台站周边地震有很好的对应关系,且大部分地震都发生在1个月内。Li等[13]利用天津静海台和新疆喀什台的数据计算地震发生前后的极化值,在此基础上提取了较为可靠的地震地磁异常信息;李琪等[14]利用极化方法对云南地磁台阵资料的分析认为云南宾川MS5.0地震前也存在地磁异常。地磁垂直强度极化法实际应用效果好,符合电磁信号传播理论,有深入的研究意义,用此方法提取地磁场信息受到广泛关注,已成为研究热点。

青海地区自电磁观测以来,尤其是“十二五”背景场项目建设以后,基本形成了覆盖全省的监测台网,积累了较好的地磁观测数据。本文针对青海地区地磁观测资料质量佳、观测点分布密度均匀的特点,利用垂直强度极化方法来提取震磁异常,结合中强地震背景,以期在实际地震预测工作中提供一定参考价值。

1 资料选取

青海现有地磁观测点9个,分别为格尔木、都兰、德令哈、大武、玉树巴塘、西宁、金银滩、湟源和贵德,其中大部分测点有两套地磁仪器同时观测,仪器类型包括GM4、|XL型磁通门磁力仪、FHD-2型质子矢量磁力仪和GSM-90F1型Overhauser磁力仪、FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统以及FGM观测仪,大部分为2014年以后背景场项目中新架设仪器。青海省区域地磁台网在青海境内东北部地区布网间距相对较小,在西南区域没有观测站,对该区域地磁场变化的监控能力受到制约。

本文选用2015—2017年资料品质佳的格尔木(GM4B)、德令哈(GM4XL-b)、都兰(GM4XL-6)、金银滩(GM4XL-4)、大武(GM4XL-b)、贵德(GM4XL-2)、西宁(FGM01-4)和玉树巴塘(FGM01-1)8个测点磁通门秒采样观测数据为研究对象(图1);地震事件选取了研究区2015—2017年青海及其邻区5级及以上、有地磁秒数据台站记录的地震(去除余震)共计10次(表1)。

图1 青海地区磁通门观测台站与2015—2017年中强地震分布图Fig.1 Distribution map of fluxgate observation stations in Qinghai area and mid-strong earthquakes from 2015 to 2017

表1 研究区2015—2017年中强地震情况汇总(去除余震)Table 1 Summary of mid-strong earthquakes in the study area from 2015 to 2017 (excluding aftershocks)

2 数据计算

地磁垂直强度极化值Yzh定义为某测点地磁垂直分量与总水平分量的谱值之比:

(1)

(2)

式中:Z(ω)为地磁垂直分量的谱幅度值;H(ω)为地磁水平分量全矢量的谱幅度值;Hx(ω)为地磁水平分量SN向谱值;Hy(ω)为地磁水平分量EW向谱值;ω为圆频率。

大量观测和分析表明,来自高空电离层和磁层的ULF磁场极化值Yzh一般都小于1,而来自震前震源区磁场的Yzh大于等于1。因此认为Yzh是区分磁场信息来自高空与震源区地下的关键,可能是提取与地震破裂有关的磁扰动信息的重要参数。

本文对青海地区8个测点磁通门观测秒数据进行地磁垂直强度极化法计算,并将结果进行归一化分析,以便更科学地分析极化异常空间展布特征。具体计算过程如下:①将磁通门三分量Z、Hx和Hy每天的秒资料分为96段,每段15分钟;②去倾、加哈明窗、计算富氏谱;③计算垂直矢量和水平矢量谱幅度;④计算每天5～100 s内各频点的极化值的均值,获得5～100 s极化值的逐日变化序列;⑤对极化值逐日变化序列富氏拟合,获得周期大于半年的富氏拟合变化曲线、残差方差,该富氏拟合变化曲线为极化值的年变化;⑥剔除5～100 s频段内各频点极化值低于阈值的极化值,获得高于阈值的极化值日均值。阈值为富氏拟合变化曲线加二倍残差方差。⑦对高于阈值的极化值日均值逐日变化序列进行富氏拟合,获得周期大于半年的富氏拟合变化曲线残差以及残差方差,该残差为剔除年变化的极化值,二倍残差方差为异常判据;⑧用各台站二倍残差方差对各台残差曲线进行归一化,再减1;⑨绘制异常期间所有台站的归一化后极化值空间等值线。

3 结果分析

通过分析地磁垂直强度极化时序曲线(图2),选取异常期间异常台站数量最多的时间并做归一化处理后绘制极化异常空间等值线图(图3),得到以下认识:

(1) 2015年1月15日格尔木、金银滩、贵德、大武和德令哈5个台站出现极化值高出背景平均值,异常持续3～5天,90天后发生内蒙古阿拉善左旗5.8级地震,异常台站距震中400～650 km。德令哈台虽未出现异常,但同期出现了与其他台变化形态相似的上升变化趋势。高值异常区域覆盖大部分青海地区,震中位于异常区西北方向。

(2) 2015年11月21日格尔木、德令哈、都兰、大武、金银滩和贵德同步出现高值极化结果,异常持续4～7天,仅在2天后发生祁连5.2级地震;因为震后数天极化高值异常并未恢复,所以认为异常未结束,59天后又发生了门源6.4级地震,两次地震距离150 km异常台站距震中120～520 km。此组异常对应两次地震,震中均位于极化高值区域。

(3) 2016年1月28日格尔木、大武、西宁、金银滩台出现极化结果超出阈值情况,但随后三个月研究区内并未发生目标地震,所以考虑该组异常为虚报。

(4) 2016年9月10日格尔木、金银滩、贵德、西宁、巴塘5个台站极化结果同步高值,异常持续2～8天,异常出现37天后发生杂多6.2级地震,极化异常曲线形态非常显著,异常台站距震中200～740 km。震中位于极化低值区域。

(5) 2016年11月29日格尔木、金银滩、贵德、大武、德令哈、都兰和西宁台极化结果同步高值,异常出现仅6天发生聂荣5.1级地震,异常台站距震中510～980 km。震中位置位于研究区边界,距离极化高值异常边界500 km。

图2 地磁垂直强度极化法计算结果时序曲线Fig.2 Time series curve of calculation results of geomagnetic vertical intensity polarization method

图3 地磁垂直强度极化异常空间展布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of magnetic vertical intensity polarization anomalies

表2 极化异常参数统计情况Table 2 Statistics of geomagnetic vertical intensity polarization parameters

(6) 2017年6月19日大武台极化值显著偏高,2017年8月8题九寨沟发生7.0级地震,距离大武台350 km。本次强震发生前短时期内并未出现大范围极化异常,由于单台极化高值不作为异常提出,认为九寨沟地震属于漏报情况。

(7) 2017年11月3日格尔木、金银滩、贵德、大武、德令哈和巴塘台极化结果出现超阈值情况,异常持续1～6天,45天后发生泽库4.9级地震,异常台站距震中105～650 km。震中位于极化高值异常区。

(8) 2015年10月12日青海玛多5.2级地震、2016年5月11日西藏丁青5.5级地震和2017年9月30日四川青川5.4级地震前未出现显著同步极化高值,所以认为属于漏报情况。

众所周知,磁暴是地磁场强烈扰动的重要地球物理现象,为了证明本次所研究的地磁垂直强度极化异常非磁暴所致,根据东京地磁国际数据中心网站(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html)提供的Dst指数与Kp指数(图4),2015～2017年青海地区出现的5组地磁极化异常日当天及前、后两天均未出现大型磁暴,对此次异常的性质判定不产生影响。

图4 异常时间段与Dst指数、KP指数情况Fig.4 Dst and KP index information during abnormal period

4 讨论与结论

2015—2017年青海地区共发生10次5级左右及以上地震,其中6次存在极化异常现象,4次漏报(大部分位于观测点稀疏区域),得到以下结论:

(1) 地磁垂直强度极化法在青海地区5级左右及以上地震确实有一定映震能力,且震前会出现多台同步的大范围异常区,异常高值形态常呈现出单峰或双峰形态,且同步异常的台站曲线具有相似的变化特征。震前孕震区附近会产生临时感应电流,由于感应磁场的复杂性会导致异常的表现形式多样化,这可以很好地解释在异常提取过程中,阈值线附近会表现出不同相位、不同幅度的变化形态,这种差异是由地下介质电导率的横向非均质性决定的。

(2) 当2个或2个以上台站极化值Yzh同时出现高值后1～2个月内,尤其是1 个月内,台站周边易发生5级以上地震,异常持续1～8天。

(3) 利用垂直强度极化异常空间分布特征判定震中位置时,对于台站分布密集区域,地震震中位于异常高值区,如祁连5.2级地震、门源6.4级地震和泽库4.9级地震均位于极化高值区域;对于台点分布稀疏区域,如杂多6.2级地震和聂荣5.1级地震都位于研究区西南部监测能力较弱区,故异常空间分布对震中位置指示意义不大。青海地区大部分地磁测点分布于东北部,该区域监测能力强,故识别、判别异常能力高,对异常的信度也大于其他区域。

(4) 震中距与地磁垂直强度极化异常幅度并未出现明显线性相关性,可能与台站所处地质构造不同有关,因为介质磁性特征与地震波速和岩性特征是密切相关的,导致来自震源区的电磁异常信号在不同构造背景和沉积环境介质中的传播方式不同。

(5) 分析未发现震级与异常持续时间、震中距以及异常幅度有显著关系,可能与研究样本偏少以及研究范围局限有关。

因所使用的数据资料积累时间短,震例不多,目前该方法在青海地区地震预测还未成熟应用,对异常的认识仍然不足。随着时间和资料的积累,判据指标及预测规则将得到进一步完善,期望未来能在实际地震预测工作中提供一定参考价值。