日本2011年3月11日灾难性地震前地磁场长期变化的异常扰动

2015-03-15В.С.ИсмагиловЮ.А.КопытенкоГ.М.Попов

地球与行星物理论评(中英文) 2015年4期

В.С.Исмагилов　Ю.А.Копытенко　Г.М.Попов

В.С.ИсмагиловЮ.А.КопытенкоГ.М.Попов

摘要2011年3月11日，在日本东北以东的近海发生了M9地震，这是日本地震监测史上最大的一次，其震中位于海底下约24km处，距离海岸约130km。根据位于日本领土上距离此次震中约180～200km的两个地磁监测站——江差町和水泽的数据研究了地球主磁场的长期变化。地球主磁场的分量在过去的上百年间变化都非常平稳，然而在2000～2011年期间，在日本领土发生大地震的区域内监测到了4次主磁场长期变化的异常情况，其持续时间从半年到3年不等。这些异常出现的同时，在地磁台站周边100km的区域内有地震活跃带发展，且之后发生了6级强震。从两个地磁台站监测的相关磁场分量差可发现一些最显著的异常。最近的一次异常情况最为强烈，其出现在大地震发生的约3年前。地震前地球磁场异常的原因可能是由构造运动过程引起的地壳局部区域的导电性变动造成。在初始阶段，这个过程会导致未来震源区域温度和导电性的升高，从而导致地表地电流的重新分配以及磁场的改变。之后，构造运动过程的发展导致未来震源区域裂缝的加剧，并降低了地震来临前的电导率。

0引言

现今普遍认为，在地震的孕育阶段在地表可以监测到异常的岩石层超低频(F<10Hz)杂音状的电磁辐射信号[1-6]，这种超低频扰动的强度通常非常小(<0.1нТл)，但是在强烈地震(M>6)之前，观测到其值的震中距可达100km甚至更深[3，5]。现代高灵敏度磁力仪能够监测到这样微弱的信号，但是，在日本领土的传感器，通常记录到岩石层与电离层发生的磁场扰动叠加信号，同时工业噪声“干扰”也叠加在自然磁场信号上。

自然的超低频地磁变化源头在电离层。在地表的地磁扰动记录点通常离这些电离层源头很远(几百千米)。因此沿着地表监测到的电离层所产生的超低频自然地磁扰动的梯度很小，并且取决于扰动的大小和距扰动源头的远近[7，8]。

超低频岩石层磁力扰动的记录点位于地震活跃区域，通常记录点离局部源头地比离电离层扰动发源地要近得多。因此沿地表监测到的岩石层超低频磁扰动的梯度大于电离层超低频扰动的梯度。在一些著作[7-10]中推荐使用梯度法，用于区分岩石层生成的超低频辐射，该方法是微分法的衍生之一。该方法能够在强烈地震还在孕育的期间确定超低频地磁扰动的梯度和相位速度的异常状况，以及根据沿地表梯度和相位速度的矢量方向确定未来震中的方向。

图1　地磁台站的位置(三角形)和从2000年1月1日到2011年1月31日期间强震活动的地区位置(黄色星号)。每颗星号里都标有强烈主震的震级(原图为彩色图——译注)

2011年3月11日在日本东北以东不远的近海处，发生了灾难性的M9(根据日本气象部门标度)强烈地震。强震还伴有高达20m的海啸，摧毁了福岛核电站。本文研究的是在这次地震之前出现的地球磁场长期变化的异常磁力扰动。

1地球磁场长期变化异常

图1中用白色的三角形标出了地磁台站。使用的数据来自江差町(ESA)台、水泽(MIZ)台和柿冈(KAK)台。ESA台和MIZ台位于2011年3月11日发生的灾难性大地震震中以北约170km到200km。ESA和MIZ台之间的距离约为19km，而ESA和KAK台之间的距离约为332km。图1中最大的黄星表示地震震中。11年的时间中(2000年1月1日到2011年1月31日)地球恒定磁场的H，D和Z分量变化示于图2。图中给出的比例显示江差町台和柿冈台的数据非常相似。2006年后Z分量开始增大，D分量开始降低，而H分量在整个11年期间在缓慢地降低。图中竖线标出了大地震的发生时间。很明显，地球主磁场的长期变化与磁力活性无关。分别组合成两对地磁台站(ESA-MIZ，ESA-KAK)的有关磁力分量之差值示于图3。图中下方的曲线表示江差町台和水泽台垂直分量的差异数：dZ(EM)=Zesa-Zmiz。下方第二条曲线表示的是江差町台和柿冈台的垂直分量差异dZ(EK)=Zesa-Zkak等。地震震级标注在图3右上方，使用的数据范围为江差町台地震强度M>4，震中距离江差町台小于150km的记录。在差异信息中(下6条曲线)明显能看出长达1～3年，变化幅度为1～5нТл的异常变化。上数第二图中能看到更明显的异常。这里展示了江差町台与水泽台垂直分量差异与平行分量差异间的比值：dZ(EM)/dH(EM)=(Zesa-Zmiz)/(Hesa-Hmiz)。曲线下面的黑色箭头标出了异常的时间，而上方的红色箭头则标出了震级M≥6地震的发生时间。很明显，强震发生时刻相对于异常初始时间延迟1～3年时间。发生在灾难性大地震之前最明显的异常持续的时间比之前的异常要久，并且更加强烈。

在11年内发生的地震活跃区在图1中用黄色星号标出。最强烈地震的震级标注在该星号内。在2002年异常之后，震中位于仙台市附近，在江差町台以南大约100km处。在2005～2007年，震中位于海底之下，在江差町台东南约150～200km处。2008年时，震中的位置距离江差町台和水泽台非常近(江差町台西南约50km处)。2009年后，在海底出现了地震活动，也正是在这里发生了M=9的强震。

2结果讨论

在文献[11]中对主磁场源头的动力学模型研究表明，最靠近日本的地磁极点位于东西伯利亚和太平洋中。这些极点的缓慢位移导致日本境内长期磁场变化的大规模改变。比较图2下方的6条曲线可以得出，这些变化的空间尺度应当非常大。因此，图3中显示的异常是局部性的，且距离江差町台和水泽台很近。图3中上数第二条曲线(江差町台和水泽台dZ/dH的比值)下面的黑色箭头标出了4次监测发现的异常。红色箭头则标出了M≥6地震的发生时间。很明显，相对于异常开始，强震发生时间有1～3年的延迟。此外，这些地震都位于不同的地震区域(图1中黄星号标出)。震级M=7.0的地震区域在2002年磁力异常发生后出现。震源平均深度约为37km(测算包含M≥4的地震)。2005年的磁力异常(M=6.9)出现在海底地震活动开始前。震源平均深度约为54km。2008年震中的位置离江差町台和水泽台很近，震源平均深度约为18km。2009年后，地震活动出现在2005～2007年地震活跃区域以东的海底，平均深度约为36km。看起来，2005～2007年以及2009年的地震活动与太平洋构造板块运动有关[12]。几乎在所有俯冲区域的地震活动都先出现在地壳深处，然后是在较浅处[13]。

在地震前出现磁场异常先前也曾监测到过[14]。这个现象可以用地壳的局部区域导电性的改变来解释。事实上，构造运动会引起未来震源区域的温度升高以及传导性增强。大地电流在传导异常区域附近被重新分配，并使得地表磁场发生异常。获取这些异常信号取决于地磁台站相对于该异常的位置。

在地震孕育阶段，构造过程能使地磁台站所在的地表倾角发生改变。磁力传感器方位变化可能成为磁力计读数变化的另一原因。比如，在日本境内的传感器倾斜0.01°可以导致磁力仪水平分量读数变化6.6нТл。从图3可以看出，异常出现后，开始阶段会变得剧烈，而之后会开始减弱，到强震发生之前基本消失。有可能的是，由于构造过程引起地壳局部区域温度升高，导致该区域的传导性增强而出现异常并发展，之后由于构造过程进一步发展，导致破裂程度增强，从而导致传导性减弱，以致传导性异常消失。

图2　昼夜Kp指数总括图(最上部图)和2000年1月1日至2011年1月31日期间江差町台和柿冈台地球主磁场各分量长期变化图。竖线标出了大地震的发生时间

图3　2000年1月1日至2011年1月31日期间地震震级记录(M≥4)(最上方图)。分别组合的ESA-MIZ(EM)和ESA-KAK(EK)地磁台站相关磁力分量的差值(dH，dD，dZ)见下面的6条曲线。江差町台与水泽台dZ/dH的比值见上数第二条曲线。曲线下的黑色箭头标出了异常的时间，而红色箭头则标出了M>6地震的发生时间(原图为彩色图——译注)

这样，在2000～2011年间日本发生大地震的区域内，监测到4次地球主磁场长期变化的异常。所有磁力异常都发生在强震之前，在所选取的地磁台站相应磁场分量的差值曲线上出现了特别明显的差异。最后一次异常最为剧烈，在大地震发生之前持续了3年时间。

3结论

所得结论如下：

2000～2011年期间，在日本大地震区域内监测到地球主磁场长期变化的4次异常变化。

所有磁力异常都发生在强震之前，在所选取的地磁台站相应分量的差值曲线上出现了特别明显的变化。

最后一次异常最为剧烈，在M9大地震发生之前异常持续了约3年时间。

参考文献

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

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

(中国地震台网中心王超译；胡鸿翔校)