2022年青海门源MS6.9地震前地电场频谱特征研究

范莹莹,安张辉,侯泽宇,付阿龙

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引言

2022年1月8日1时45分,青海省海北州门源县发生MS6.9地震,震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。本次地震位于青藏高原东北缘的海原断裂带,震中周围平均海拔3 600多米。地震造成包括青海省省会西宁及甘肃省省会兰州在内的多个城市震感强烈,部分房屋受损,引发局部边坡崩塌、冻土开裂、冰面拱曲变形等多种次生灾害,地震还造成隧道、桥梁受损及铁路路基变形等。统计发现,在门源MS6.9地震发生后的6天内,即2022年1月8—13日,仅青海省门源县就发生MS5.0～5.9余震2次,MS4.0～4.9余震5次,MS3.0～3.9余震13次,对人民生命及财产安全构成了极大的威胁。

20世纪80年代数字化地电观测技术在国际上发展,希腊、法国、日本等国将定点地电观测应用于地震、火山等灾害事件的电磁方法监测预报实验和科学研究,同时在地电场前兆现象的生成机制、传播机理方面做了大量的加载实验和理论研究工作[1-12]。近年来,青藏高原及周边地区中、强地震频发,研究者们利用固定台站地电场观测数据对地震地电场的变化特征进行了大量的科学研究[13-22],研究发现地震地电场异常通常在震前(20±5)天开始出现,地震一般发生在地震地电场异常恢复至正常的时段。

为进一步研究、总结地震地电场的变化特征,本文利用最大熵谱法研究门源MS6.9地震周围部分台站的地电场观测资料,结果显示这些台站在发震前后均观测到了比较有意义的地电场变化,研究这些变化的时空分布图像和原因,有助于探索、认识地震地电场现象的复杂性。

1 观测资料选取与研究方法

1.1 观测数据

地电场观测的对象为地电场地表分量及其随时间的变化,即两电极之间的电位差与两电极间距离的比值。电极一般采用固体不极化电极,埋深超过2 m(冻土层之下),布极方式采用“L”型或“十”字型,即南北、东西和斜测向长、短极距共6测道,长极距一般为300 m左右,短极距一般为200 m左右。数据采样周期为1 min,仪器分辨率为10 μV。

针对青海门源MS6.9地震,选取震中周围300 km范围内数据观测质量高、连续性好的松山、山丹、高台三个台站的地电场分钟值采样数据。考虑到瓜州地电场台站的数据观测质量较高、观测环境优越,虽然其震中距超过了300 km(震中距560 km),但还是将其纳入本文的研究范围。数据选取时段为2021年7月—2022年1月,即门源MS6.9地震前6个多月到震后近20天。震中及台站具体位置分布如图1所示。

图1 震中和台站分布图Fig.1 Distribution of epicenter and stations

1.2 数据处理方法

应用最大熵谱法(maximum entropy method,MEM)对观测数据进行处理。最大熵谱法的基本思想是:不进行任何假设,根据已知数据信息预测未知延迟离散时间上的相关函数,外推相关函数时每一步都保持事件的不确定性或熵最大。对于平稳随机序列{Xn},计算最大熵谱的问题是寻找满足约束条件的自相关函数与功率谱密度的关系,由给定数据求得有限个自相关函数R(n)(n≥1),由变分原理求得最大熵谱功率谱密度:

式中:f为频率;am为预测误差系数;M为滤波器阶数;PM为预测误差功率。

该方法曾多次应用于汶川MS8.0、于田MS7.3、玉树MS7.1、芦山MS7.0等大震前后电磁场变化特征分析及地电场日变化研究中[19-24]。

2 磁情指数

研究地电场变化需特别关注磁情影响。Dst指数系统监控全球环电流感应场的强度,普遍认为当Dst指数<-50 nT并持续2 h以上时,表示磁暴可能发生[22,25]。图2为2021年7月—2022年1月青海门源MS6.9地震前后的Dst指数。从图中可以看出,2021年8月27、28日,9月17日,10月12、17、18日,11月4日,以及2022年1月14、15、16日Dst指数低于-50 nT并持续2 h以上,所以认为上述10天地磁活动强烈。

图2 2021年7月—2022年1月地磁Dst指数Fig.2 Dst index from July 2021 to January 2022

3 震前地电场变化

3.1 松山地电场台站

松山台(36.96°N,103.53°E)位于门源MS6.9地震以东约210 km,海拔2 620 m,布设NS、EW和NW3个观测方向长、短极距共6测道,采用固体不极化电极,电极埋深4 m,为甘肃台阵台站,有人看护无人值守。地质构造上,松山台位于松山盆地,毛毛山与老虎山之间的山间断陷,盆地内沉积了厚达500余米的橘红色泥质岩层,第四纪以来处于微弱的上升过程。测区地貌平坦开阔,电磁观测环境优越,无明显干扰源。

图3为2021年7月—2022年1月松山台NS、EW、NW测向长、短极距6测道的最大熵谱功率谱密度图,纵坐标表示最大熵谱功率谱密度值。从图中可以看出,NS测向长、短极距功率谱密度低频成分自2021年10月19日开始发生下降变化,10月29日恢复增大,11月8日再次发生低频成分谱值降低的现象,12月18日开始谱值恢复增大[即门源地震前21天,见图3(a)、(d)]。EW测向长、短极距能谱值自2021年10月14日开始降低,10月19日恢复增大,11月8日再次发生下降,门源地震前21天左右功率谱密度值恢复增大[图3(b)、(e)]。NW测向长极距功率谱密度值从2021年10月24日开始下降,11月3日恢复增大,11月18日再次发生下降,12月18开始恢复增大[图3(c)];而NW测向短极距功率谱密度值从2021年10月29日开始下降,至门源地震发生时也未出现较为明显的谱值恢复增大的现象[图3(f)]。

3.2 山丹地电场台站

山丹台(38.78°N,101.04°E)位于河西走廊主干大断裂上,切割地壳较深,呈NWW走向,地质岩性为砂岩。测区地表为旷野型戈壁沙土堆,覆盖层较深,几乎没有植被,电磁环境优越。该台布设NS、EW、NW向长、短极距共6测道,地形开阔平坦,采用固体不极化电极,电极埋深4.2 m,距离门源MS6.9地震震中约115 km。

图4为山丹台地电场NS、EW及NW测向长、短极距6测道最大熵谱功率谱密度图,计算方法及绘图与图3相同。由图4可知,山丹台地电场功率谱密度值低频成分于10月19日发生下降,10月29日开始恢复,11月8日再次发生下降,震前21天即12月18日开始增大。总体来说,山丹台6测道地电场功率谱密度值在门源MS6.9地震前变化同步、明显,且地震前恢复增大时段的低频成分谱值扰动较为剧烈。

图3 门源地震前后松山台地电场MEM时-频图(2021-07—2022-01)Fig.3 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Songshan station (2021-07—2022-01)

图4 门源地震前后山丹台地电场MEM时-频图(2021-07—2022-01)Fig.4 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Shandan station (2021-07—2022-01)

3.3 高台地电场台站

高台台站(39.38°N,99.81°E)位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分界处,地表为第四纪30 m覆盖层。测区土壤盐碱性较强,地下水丰富,水位较浅,布设NS、EW及NE测向长、短极距共6测道,采用固体不极化电极,电极埋深4.3 m,数据采样周期为1 min。测区由红柳及农田覆盖,无明显干扰,距离门源MS6.9地震震中约220 km。

图5为门源地震前后高台地电场最大熵谱功率谱密度图。由图可见,2021年11月19日NS测向长、短极距低频成分谱值降低,11月14日EW、NE测向长、短极距低频成分谱值降低,11月28日6测道谱值同步恢复增大,11月8日开始6测道功率谱密度值再次同步降低,12月18日开始恢复增大。其总体变化特征与山丹台相似。

图5 门源地震前后高台地电场MEM时-频图(2021-07—2022-01)Fig.5 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Gaotai station (2021-07—2022-01)

3.4 瓜州地电场台站

瓜州台(40.49°N,95.79°E)距离门源MS6.9地震震中560 km,海拔1 170 m,位于阿尔金断裂北侧100 km处,所处地质构造属阿尔金断裂北侧的NWW向挤压破碎带。测区地形开阔、平坦,无大的干扰源,共布设NS、EW和NE测向长、短极距共6测道,采用固体不极化电极,电极埋深4 m,数据采样周期为1 min。

图6为门源地震前后瓜州台地电场最大熵谱功率谱密度图。由图可见,瓜州台地电场低频成分谱值自2021年10月19日起发生同步降低现象,10月29日恢复增大,11月8日再次降低,持续时间约40天,12月18日开始恢复增大。门源MS6.9地震发生后,其低频成分功率谱密度仍处于较大值。

比较图3～图6,发现上述4个台站在门源MS6.9地震发生前地电场变化特征较为相似,谱值增大、减少时间点较为对应,特别是山丹、高台和瓜州台。

图6 门源地震前后瓜州地电场MEM时-频图(2021-07—2022-01)Fig.6 MEM time-frequency curves of geoelectric field for Guazhou station (2021-07—2022-01)

4 季节性变化影响

地电场由大地电场和自然电场组成,大地电场是固体地球外的各种电流体系在地球介质内部感应产生的,自然电场是地壳中的物理、化学过程引起的局部稳定的电场。地电场因受到地球公转、太阳活动等的影响,最大熵谱功率谱密度值存在季节性增大、减少的现象。因此研究地震发生前后地电场的变化,需考虑其与季节性变化的相关性。

本文以瓜州台为例,选取与地震研究时段邻近年份、同时段的地电场观测数据(即2020年7月—2021年1月,图7)。由图7可见,瓜州台地电场最大熵谱功率谱密度值低频成分自2020年7月1日—11月8日左右谱值较大,而11月8日—2021年1月谱值较低。上述高谱值、低谱值时段分界较为明显,且高谱值/低谱值时段内谱值无明显的突降/突增现象发生。

对比分析图3～图7,认为松山、山丹、高台及瓜州台地电场功率谱密度值在11月8日之前的谱值变化及11月8日—12月18日的谱值降低主要是受到了地电场季节性变化的影响,而12月18日至门源MS6.9地震发生后地电场能谱值的阶段性增大现象可能是由于地震的孕育和发生引起的。

5 讨论

岩石破裂激发低频电磁辐射,电磁辐射从物理起因上归结为压电效应、压磁效应、感应电磁效应、动电效应和热磁效应等。在孕震晚期阶段,震源区及附近的介质内部发生微裂隙非线性发展、定向排列或优势取向的介质过程,沟通了水的运移,引起了电子导电、离子导电机制的自然电场变化。在这个介质过程中,同步发生的“机-电转换”作用、水运移等伴随的多种因素激发了低频的强电磁辐射现象。这种低频强辐射干扰了地电场日变化波形,反映在最大熵谱功率谱密度图上即为低频成分谱值增大的强电磁辐射现象。参考“多点场”观点[26],震源区以外的地壳特殊部位(如活动断层及附近)也会发生类似震源区的介质过程,从而激发宏观电磁现象。

上文研究发现,松山、山丹、高台及瓜州台地电场功率谱密度值在门源MS6.9地震前21天发生间断性增大的现象。松山与瓜州台相距最远,距离超过650 km,功率谱密度增大的现象不应是干扰造成;与图2对比,发现功率谱密度的增大、减少与Dst指数不相关;与图7对比,认为该现象也不应是由地电场季节性变化引起的。对近年来青藏高原及周边地区发生的汶川MS8.0等几次大震、强震前后的地电场变化进行研究发现,在上述地震发生前后部分台站能谱值同样发生增大/减少的现象[14-15],且地震地电场异常通常在震前(20±5)天开始出现(本文中能谱值增大开始于震前21天,时间吻合)。因此认为上述电磁现象的发生可能是由于门源MS6.9地震的孕育及发生引起的。结合本节第一段叙述的地下电磁异常引起的可能原因及地震地电场异常现象发生的同步性,认为震前观测到的地震地电场异常可能是由于震源区激发的电磁辐射通过特定的导电通道传播到台站引起的,但是台站所在地地下介质局部激发的宏观电磁辐射也不能忽略[27-28]。

图7 2020年7月—2021年1月瓜州地电场MEM时-频图Fig.7 MEM time-frequency curves of Guazhou geoelectric field from June 2020 to January 2021

6 结论

本文研究了2022年青海门源MS6.9地震发生前后震中周围松山、山丹、高台及瓜州台地电场能谱值变化,得到以下几个方面的认识:

(1) 从门源MS6.9地震前21天开始,位于青藏高原东北缘的松山、山丹、高台及瓜州台地电场均观测到不同程度的地电场低频成分功率谱密度值增大的现象,且变化较为同步。

(2) 与近年来发生在青藏高原及周边地区的几次大震、强震前后地电场变化特征及地电场季节性变化、研究时段内的磁情指数等对比分析,认为松山等4个台站在门源MS6.9地震发生前的地电场能谱值变化可能是地震地电场异常现象。

(3) 松山、山丹、高台、瓜州地电场台站功率谱密度值在门源MS6.9地震前发生同步增大现象,结合微裂隙机制及“多场点”观点,分析认为其可能是由于震源区激发的电磁辐射通过特定的导电通道传播到台站引起的。

致谢:感谢地电场台站一线观测人员的辛勤付出！