九寨沟MS7.0地震前地磁异常

宋成科

(中国地震局第一监测中心, 天津 300180)

0 引言

地震的孕育和发生会引起地磁场异常变化,该异常能够被较近的地磁台站所观测。最近的研究表明地震前几天甚至更长时间会出现地磁前兆异常信号[1-8]。虽然极少数地震前曾捕捉到几十nT甚至更大的地磁异常信号[9-10],绝大多数地震可观测的地磁异常信号比较弱,可能仅为几nT,甚至小于1 nT。观测的地磁前兆异常与震级及地磁观测台站(或测点)距离震中的距离有关,Hattori发现可被观测到的低频地磁异常的地震震级与测点距离地震震中距离的关系可表示为0.025R

依托于中国地磁观测网络(主要包括地磁台站观测网络和流动地磁观测网络),国内研究人员开展了很多地震地磁前兆异常方面的研究,研究方法主要包括谐波振幅比法[12]、日变幅逐日比法[13-14]、岩石圈磁场年变化[15-18]等,获得了多个地震前的地磁异常现象。尽管地震地磁异常的物理机制并不是很明了,但不可否认地震地磁异常已经越来越多地被观测到。关于短临地震地磁异常信号的研究并不多见,一个重要的原因是国内的地磁台站分布比较稀疏。国内目前的地震地磁监测网络是否能够观测到直接异常信号,为此需要对近几年发生的中强震前地磁观测结果进行仔细分析。

2008年以来,巴颜喀拉块体东边界是构造运动非常强烈的地区,先后发生了汶川MS8.0地震(以下简称汶川地震)、芦山MS7.0地震(以下简称芦山地震)和九寨沟MS7.0地震(以下简称九寨沟地震)3次强震。目前该区域具有一定的地磁观测能力,观测到一些间接的地震地磁异常。芮雪莲等[19]通过对距离震中300 km内的4个地磁台站地磁垂直分量日变幅逐日比的分析认为,2017年2月1—10日地磁日变中可能存在与九寨沟地震有关的异常。何畅等[20]发现九寨沟地震前成都地磁台地磁谐波振幅比出现异常。汶川地震后,区域地壳形变速度明显增加,对九寨沟地震的发生有一定的促进作用[21-22]。大地电磁测深结果显示岷江断裂以西的中部地壳存在明显的高导层[23-24],震源区速度结构显示九寨沟地震发生于地壳物质东向运移在岷江断裂附近受阻,导致地壳应力应变的积累有密切关系。在这种构造背景下该区域可能出现与地震活动有关的地磁异常信号。鉴于该区域较高的地磁观测能力,地磁监测网络有可能记录到可被识别的短临地磁异常。因此本文对距离九寨沟地震震中150 km内的松潘地磁台(SPA)的连续观测资料和该区域流动地磁观测资料进行分析,探讨与九寨沟地震有关的地磁前兆异常。

(大三角为地磁台站,小三角为流动地磁测点,实心圆为2017-01-01—2017-08-07时段地震事件。实线大圆为距离震中100 km的范围,虚线大圆为距离震中150 km的范围)图1 地质构造及台站(测点)分布Fig.1 Geological structure and station (measuring point) distribution

1 地磁观测结果

1.1 台站连续观测结果

本节使用SPA台站2017-02-01—2017-09-30时段的连续观测结果分析九寨沟地震前的地磁场变化,同时使用成都地磁台(CDP)和天水地磁台(TSY)同时段的观测资料进行对比分析,台站情况及观测信息见表1。根据地磁台站建设规范,地磁观测室水平和垂直梯度不超过1 nT,且3个台站场址周边并未发生大地震,因此可排除仪器活动引起的明显地磁异常。地磁观测室温度变化非常小,因此可以排除温度变化产生的地磁异常。地磁观测采用率为1 s,经过高斯滤波获得地磁场分均值。

表1 地磁台观测信息

大量研究结果认为地磁场垂直分量(Z)包含了源于地壳的地磁场,而地磁场水平分量(包含北向分量和东向分量)主要反映了外源地磁场[4],因此本文选择地磁场垂直分量进行分析。地面磁场测量值主要包含稳定变化的主磁场、地壳磁场和瞬变的日变场(包括平静变化和扰动变化),在分析地震地磁异常时,需消除主磁场和日变场的影响。这里选择第13代国际地磁参考场(IGRF-13)作为主磁场模型,首先用原始观测数据减去IGRF-13主磁场消除部分地磁场稳定变化。同时选择CDP作为参考台,将SPA、TSY与CDP进行差值计算,可以消除绝大部分外源场的影响,从而获得SPA和TSY的岩石圈磁场变化。

图2(a)为CDP、SPA和TSY台站地磁场垂直分量相对变化情况。CDP和TSY变化几乎一致,长期积累的稳定变化不超过2 nT,这可能是由于选用了国际地磁参考场作为主磁场,与局部主磁场并不完全一致产生[25-26]。图2(b)为SPA和TSY分别与CDP观测值的差值,可认为是SPA和TSY的岩石圈磁场变化。两个台站岩石圈磁场在2017-02-01—2017-04-30时段变化相对稳定且一致,这说明CDP岩石圈磁场升高(降低)时,TSY和SPA的岩石圈磁场也升高(降低),但SPA的变化幅度比TSY更大。2017年5月之后SPA台出现明显不同于CDP和TSY的变化,在约3个月的时间内产生40 nT左右的异常变化,并且该类型异常在九寨沟地震后消失,SPA台站观测曲线恢复稳定变化。

图2 九寨沟地震前后地磁场变化Fig.2 Geomagnetic field variation before and after Jiuzhaigou earthquake

2017-05—2017-08时段,SPA与CDP和TSY地磁场除存在长期变化的差异外,地磁场日变也并不完全相同。图3为2017-07-01—2017-07-10时段3个台站地磁场垂直分量日变化,CDP、TSY和SPA的日变化趋势几乎一致,CDP、TSY台地磁场上升(下降)或突跳的时段,SPA台地磁场也呈现同样的上升(下降)或突跳,但某些时段SPA地磁场变化幅度和趋势与CDP和TSY并不相同,如图3(b)虚线方框所示。

图3 SPA、TSY和CDP 台地磁场垂直分量日变化Fig.3 Diurnal variation of vertical component at SPA,TSY and CDP

综上所述,松潘地磁台观测的数据在九寨沟地震前出现了两种异常现象:其一为2017年5月后出现的持续约3个月的磁场偏离;其二为个别时段地磁场垂直分量日变化与其他台站变化不一致。

1.2 流动地磁观测结果

本节分析距离震中150 km内流动地磁测点观测结果,观测分量为磁偏角、磁倾角和总强度的绝对值,根据测量结果计算了地磁场垂直分量,测点分布及观测时段信息见表2。为了获得2017年和2016年地磁场的年变化,需对2017年和2016年流动地磁观测结果分别进行日变通化改正和长期变化改正。日变通化改正采用单一台站法,将观测值归算到观测日北京时间00:00—03:00;长期变化改正采用自然正交分量方法，将观测数据改正至2016年 1月1日北京时间00:00—03:00,诸多文献对日变通化和长期变化改正方法进行了研究[27-29],本文不再赘述。研究区流动地磁观测均为磁场变化相对平静的时间开展,因此认为通过日变通化处理可以极大消除外源磁场变化产生的异常。

表2 流动地磁测点观测信息

图4为研究区2016—2017年岩石圈磁场垂直分量年变化图像,距离震中150 km的范围内绝大部分区域垂直分量变化为+5～+10 nT。在九寨沟地震震源区西部出现明显负异常,由CSCC004和CSCC006测点观测。震中附近无明显异常变化,距离震中最近的CSCC002测点和周边多个测点的变化量比较一致。Chen等的研究认为,流动地磁获得的地磁场年变化零值线与发震地点对应较好[30],换言之地震前震中及周边区域地磁异常表现为岩石圈磁场正负交替,这种现象在鲁甸MS6.5地震[16]、芦山MS7.0地震[17]等多个地震前出现,说明该区域的岩石圈磁场变化与九寨沟地震有一定关系。

图4 2016—2017年岩石圈磁场变化Fig.4 Variation of lithospheric magnetic field from 2016 to 2017

2 讨论

是否九寨沟地震前SPA地磁观测数据表现得两种异常现象与九寨沟地震有关,Fraser-Smith等报道的美国Loma Prieta 地震前地磁异常现象[1]被认为是高精度磁力仪观测到的地磁前兆异常而被广泛引用,但Thomas等通过对观测数据得追溯发现Fraser-Smith报道的地磁异常并非真实的前兆异常[31]。同样的情况也出现在被广泛认为是地磁前兆异常得1993 Guam地震中[32]。因此在声明地震地磁异常前,需要对观测数据进行更谨慎的考察,首先需要检查观测系统的稳定性。地磁台站缺数通常是观测系统出现问题,而重新开始记录后需要一定时间才能恢复至正常水平。目前地磁台网运行的仪器可能出现每天的最后一个数据和第二天的第一个数据之间存在台阶变化,为此检查了SPA、TSY和CDP每天最后一个观测值与后一天第一个观测值之差ΔZ,见图5。SPA台站在很多观测日与后续观测日的观测值不连续(ΔZ>1 nT),而TSY和CDP则比较连续。因此SPA台站观测数据2017年5月后持续约3个月的异常更可能是与地磁台站观测系统异常有关。

图5 SPA、TSY和CDP当天最后一个观测值和后一日第一个观测值之差(G表示缺数)Fig.5 Difference between the last observation value of the day and the first observation value of the next day at SPA, TSY and CDP (G represents the missing number)

SPA观测数据的异常除了与观测系统有关外,还有可能与SPA地下介质电性结构与CDP及TSY处不同有关,在外源场的扰动作用下,3个台站表现出不同的日变化。根据大地电磁测深结果,巴颜喀拉块体地壳20 km以下存在低速高导层,而龙门山断裂带东部则为高阻体,这种结构及其造成的深部低速体的相对高速运移使得应力不断在巴颜喀拉东边界积累而产生大地震;SPA台地下介质电导率高,而CDP和TSY台地下介质电阻率高[33-35],这种地下介质电性结构的差异使得SPA台站磁场日变化与CDP和TSY具有一定的差异。若地磁场的变化与地下介质电性有关,则不同时段获得的地磁日变化应该具有统计学的一致性。这里分别计算201702—201704及201705—201708两个时段3个台站相邻天垂直分量午夜均值的差值,见式(1)。

dz=zi+1-zi

(1)

式中:zi和zi+1分别表示第i和i+1天地磁台站午夜北京时00:00—03:00均值。

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图6为TSY、SPA和CDP相邻天垂直分量变化的相关性,从中可以看出TSY和CDP的相关性很好,2个时段的相关系数均超过0.95,说明TSY和CDP的变化一致。SPA和CDP的相关系数在2个时段均为0.6左右,说明在2个时段控制SPA和CDP地磁场变化差异的是相同的机制,显然这种机制与九寨沟地震无关,更可能是由两个台站地下介质的差异导致的。

图6 CDP、TSY、SPA垂直分量的相关性Fig.6 Correlation of vertical component between CDP and TSY,CDP and SPA

流动地磁观测结果显示的震前出现正负交替的岩石圈磁场变化可能与九寨沟地震的孕育有关,该现象在鲁甸MS6.5地震[16]、芦山MS7.0地震[17]、皮山MS6.5地震[18]等多个地震前出现过。震前岩石圈磁场的这种异常变化机理并非十分清楚,可以肯定的是并非由压磁效应产生,因为该区域地壳应变率仅为10-8/a[21],而1 nT的地磁场变化对应的地壳应变为10-9[36]。这种变化出现可能是断层进入亚失稳阶段的一种反映,根据实验室结果,断层进入亚失稳阶段后,断层与其两侧的温度变化表现为正负交替[37],可能是由于这种作用,岩石圈磁场表现为正负交替的形态。由于松潘地磁台观测系统的误差和流动地磁观测的误差[29]无法完全消除,因此两种方法获得的震前地磁异常无法进行比较分析。

3 结论

通过对九寨沟地震周边松潘地磁台、成都地磁台、天水地磁台连续观测资料及流动地磁观测资料分析,获得以下结论:

(1) 松潘地磁台2017年5—8月的时段出现明显的地磁异常,相较于成都地磁台和天水地磁台,松潘地磁台垂直分量变化可达40 nT。由于松潘地磁台观测系统产生的误差,这里很难确定该异常是否与九寨沟地震有关。松潘地磁台地磁场日变化趋势与成都地磁台和天水地磁台相同,而变化幅度却有明显差异,可能是由三个台站所处区域地下介质电性不同导致。

(2) 九寨沟地震前,震中西侧出现岩石圈磁场的正负异常交替现象,这可能与九寨沟地震相关,是断层进入亚失稳阶段的一种反映。

本文仅分析了九寨沟地震前地磁场量值的异常变化,当然也可能存在其他的地磁异常,比如某些频段存在异常,后续的研究可以进行尝试。

致谢:本文研究使用了中国地震局流动地磁监测技术团队的数据结果、国家地磁台网中心的地磁观测数据和中国地震台网中心的地震目录;审稿专家对文章提出了宝贵的建议。在此一并表示感谢！