2022年1月8日青海门源MS6.9地震前地磁垂直强度极化异常变化特征

樊文杰,冯丽丽,李 霞,何 畅,廖晓峰,姚休义

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.青海省地震局,青海 西宁 810001;3.四川省地震局,四川 成都 610041;4.云南财经大学巨灾风险管理研究中心,云南 昆明 650221)

0 引言

大量的岩石破裂实验和天然地震前的观测研究均表明,地震孕育和发生过程中伴随有一定程度的电磁波辐射异常[1-4]。通常认为地震产生的电磁信号主要来源于震源区及其附近区域[5],与地震有关的周期小于几百秒的电磁场信号一般称为地震电磁波或者地震电磁扰动[6]。提取和分辨震前地磁异常信号,对于剖析震磁关系和地震预测都具有重要意义。但是由地震引起的地磁异常信号十分微弱,而且容易被外部空间电流体系变化和环境噪声所湮没。因此,如何更加有效地提取地磁异常信号和抑制外部干扰源,是许多学者重点关注和研究的问题。

为了突出源于震源区的地磁异常信号同时抑制外源场的影响,通常选取超低频(ULF)波段进行观测和分析研究。对于频段0.01～100 Hz的地磁信号,Molchanov等[7]通过数值模拟研究后发现,在地表观测到的一次源来自地壳内部的地磁信号,其垂直分量幅度大于或接近于水平分量幅度,即来源于地壳内部的磁场垂直分量幅度与水平分量幅度的比值大于或接近于1。而电磁感应理论研究表明来自电离层外空磁信号的垂直分量幅度小于水平分量幅度。根据源于地壳处磁场信号和电离层外空磁场信号的不同特征,Hayakawa等[8]提出了地磁垂直强度极化法(简称极化法),利用地磁垂直分量和水平分量幅度的比值来提取和地震有关的地磁异常信号,并在1993年关岛8.0级地震前发现了地磁极化值有逐渐增大的现象。随着地磁极化方法的提出,国内外学者在不同地区的震例应用研究中都发现了震前几天到几个月内,震中周边单个台站或多个台站的地磁极化值存在高值异常现象[9-14]。在极化方法的推广应用过程中也得到了改进和发展,冯志生等[15]的研究表明,地磁极化值具有显著的年变特征,在提取极化异常时应予以剔除。目前,地磁极化法日渐成熟并得到广泛使用,在地震磁异常信号提取和识别中发挥着其优势作用。

根据中国地震台网正式测定,2022年1月8日1时45分在青海海北州门源县发生MS6.9地震,震中位置为101.26°E,37.77°N,震源深度10 km。此次地震震中距离门源回族自治县54 km,距西宁市136 km。通过对甘青川地区地磁资料进行日常跟踪,发现在青海门源MS6.9地震前数月已出现地磁垂直强度极化异常,异常满足判定指标并作为正式异常提出。因此,系统科学地开展强震前地磁观测数据异常的回溯性研究,了解震前异常的时空演化特征,总结异常变化规律,对于今后判别地震前兆异常信号和改进异常判定预测指标都具有重大意义。鉴于此,本研究基于此次青海门源地震周边的地磁台站秒钟值数据,采用地磁垂直强度极化法提取震前地磁异常信号,进行异常回溯性分析,研究探讨地磁异常时空变化与地震的关系,以期为实际地震预测工作提供一定参考依据。

1 计算方法和资料

1.1 方法原理及计算过程

通常我们将地磁垂直强度极化值Yzh定义为地磁垂直分量Z和水平分量全矢量H的谱幅值的比值。

(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)为地磁水平分量南北向谱值;Hy(ω)为地磁水平分量东西向谱值,ω为圆频率。

具体计算过程如下:①首先按照15分钟一段,将每天的地磁秒钟值预处理数据分为96段,分段计算5～100 s周期的谱幅值和极化日均值;②对极化日均值进行半年以上周期的傅式拟合计算,以傅氏拟合曲线加二倍残差均方差线作为阈值线,剔除每天各段频点极化值低于阈值的值,重新计算极化日均值;③对剔除低值的极化日均值再次进行半年以上周期的傅式拟合并计算其残差,以消除极化值的季节变化特征;④为了排除短期影响,对极化值残差进行5日滑动平均,将各台站前一年极化值残差的2倍方差上限作为异常阈值线,高于阈值线则视为异常。

1.2 数据资料

本研究选取甘青川地区的地磁秒采样观测数据,共计14个地磁台站,其中青海省8个台站,甘肃省3个台站,四川省2个台站,宁夏回族自治区1个台站,台站仪器均为GM4型磁通门磁力仪及其改进机型。距离此次门源地震震中最近的台站为青海省的金银滩台,约92 km。图1给出了参与计算台站的空间分布情况。数据计算选取时段为2021年1月1日至2022年1月31日。

图1 计算地磁台站空间分布(底图来源于标准地图服务http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)Fig.1 The spatial distribution of geomagnetic stations (The map comes from a standard map service http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html)

为了确保数据计算结果的可靠性,首先对选取的秒采样观测数据进行预处理,删除一些明显由外界人为活动引起的干扰变化,如尖峰和台阶等;其次对于同台存在多套仪器的台站,对台站的每套仪器的数据均进行计算,筛选出数据观测质量和结果更好的仪器作为该台站的最终计算结果进行分析。

2 计算结果及异常特征分析

2.1 计算结果

在极化异常日常跟踪过程中发现,2021年10月底甘青川地区出现满足异常判据的地磁极化超阈值高值异常,在参与计算的14个台站中,青海金银滩等5个台站出现同步高值异常变化,异常台站占总计算台站的36%。图2给出了异常台站地磁极化值拟合残差经过5日滑动平均后随时间变化情况,以2倍方差上限作为阈值线,在图中用红色虚线表示,红色方框圈注的为此次极化高值异常。此外,图2下方还给出了和数据相同时段内的磁暴环电流指数(Dst指数)变化情况。同时,为了详细了解此次极化异常空间分布动态演化过程,我们将异常持续时间期间内每日的异常空间分布形态绘制于图3。由于不同台站场地和仪器产生的噪声会对解析异常空间分布造成影响,我们用极化值残差除以2倍均方差将其归一化,再减去1得到归一置零极化值,处理后以极化值“0”值作为异常阈值线(图3中红色实线),超过异常阈值“0”的区域即为极化高值异常区(图3中红色区域)。图4给出了各异常台站归一置零极化值、异常持续时间和震中距的关系曲线。各地磁异常台站的异常信息统计情况见表1。

图中红色虚线为2倍均方差线,红色阴影框圈注的为此次门源地震前地磁极化高值异常(异常时间为2021年10月24—30 日)图2 异常台站的极化值拟合残差和Dst指数时间序列Fig.2 Fitting residuals time series of polarization values of abnormal stations and Dst index

图3 地磁极化异常归一置零极化值空间等值线Fig.3 The spatial contour map of normalized zero polarization value of geomagnetic polarization anomalies

2.2 异常时间变化特征

从图2和表1可见,在2021年10月24—30日期间,门源地震震中周边的多个台站的地磁极化值拟合残差超出阈值线,呈现出时间同步的极化高值异常。同时,这些台站的极化值拟合残差时间序列具有较好的相似性,变化形态大致相同。虽然2021年期间个别台站的极化值拟合残差也曾出现过高值变化,但是由于异常变化时间同步性较差,且异常台站占比较低,因此本研究重点讨论2021年10月24—30日期间出现的地磁极化同步高值异常。本文将同一天超阈值异常台站数最多的日期定义为异常日期,此次极化高值异常日期为10月27日,与青海门源MS6.9地震的发震时间相隔73天。对各台站异常信息进行统计后显示,此次地磁极化异常台站共有5个,分别为青海金银滩台、贵德台、德令哈台,甘肃天水台,四川松潘台。其中异常幅度最大的台站为青海德令哈台,为0.124,异常幅度次大台站为青海金银滩台。各台站的异常持续时间不等,在2天至7天之间,异常持续时间与震中距存在一定相关性,距离震中位置越近,异常持续时间越长(图4)。

表1 各地磁异常台站异常统计情况Table 1 The abnormal statistics of geomagnetic stations

图4 极化异常台站归一置零极化值(10月27日)、异常持续时间和震中距关系曲线(蓝色和红色线分别代表异常归一置零极化值和异常持续时间)Fig.4 The relationship among normalized zero polarization value of anomalous stations (October 27),the abnormal duration,and the epicentral distance

Dst指数通常用来表征中低纬度磁暴活动强度,当Dst指数高于-30 nT时,说明地磁场较为平静,没有强磁暴活动。根据极化异常同时段内的Dst指数变化情况可以看出(图2),异常出现期间Dst指数的变化区间为-2～9 nT,均高于-30 nT(图2中蓝色虚线),表明此次地磁极化高值异常与空间电流体系变化并无关联。

2.3 异常空间演化特征

此次地磁极化异常空间分布随时间演化过程显示[图3(a)～(f)],高值异常区呈现出沿震中附近出现后逐渐扩展最终再向震中收缩的特征。异常刚开始时,位于门源地震震中南侧、距离最近的青海金银滩台首先出现高值异常;之后异常台站逐渐增多,异常区域随之扩大,从青海不断拓展到周边的甘肃和四川境内,至10月27日异常空间范围达到最大;10月28日起,异常台站开始减少,极化高值异常区也跟着缩小,到10月30日仅剩距离震中最近的金银滩台一个异常台站。

从发震地点和地磁极化高值异常区分布情况来看[图3(a)～(f)],门源地震震中主要位于异常高值区边缘(红色阈值线附近)。极化异常从出现到趋于结束,地震震中均在异常阈值线两侧。在极化异常区域较大时,震中位于高值异常区内侧;极化异常区域较小时,震中位于高值异常区外侧边缘。

由于各台站背景值存在差异使得异常幅值有所不同,我们统计了超阈值异常台站数最多日期(10月27日)的各台站归一置零极化值,具体信息见表1和图4。统计结果显示,异常台站的归一置零极化值和震中距存在反比例关系,异常台站距离门源MS6.9地震震中越近,其异常归一置零极化值越高。

3 结论与讨论

本文基于甘青川地区的14个地磁台站秒采样资料,分析研究2022年1月8日青海门源MS6.9地震前地磁垂直强度极化异常的时空变化特征。结果显示,震中附近的多个地磁台站在2021年10月底同步出现地磁极化超阈值高值异常变化,与门源地震发震时间相隔73天,异常台站主要分布于地震震中所在的青海省及临近的甘肃和四川地区。根据极化异常和地震的时空关系分析认为,本次地磁极化高值异常对应了之后在异常高值区边缘发生的门源MS6.9地震。

研究发现,此次地磁极化异常具有一定的时空变化特征。时间上,各异常台站极化结果曲线形态一致性较好,异常出现时间具有较好的同步性,地磁极化值可能会在地震前2～3个月出现幅度增强现象,与前人研究成果一致[11,14]。空间上,地磁极化异常高值区呈现出沿震中周边出现后不断扩展最终再向震中收缩的特点,可能反映了区域应力的增强过程,地震发生在极化高值异常零值阈值线附近,这对于以后出现地磁极化异常后的发震地点预测有一定的参考意义。发震地点所在的高值异常区边界区域可能对应了地下介质电导率变化的过渡带,即高、低阻(速)物质的转换带。高、低阻(速)过渡带由于两侧物质的刚性程度和变形能力不同,易于造成应力集中,加之中下地壳低阻、低速介质对地震有触发作用[16-17],使得过渡带及边界地区是中强地震的易发生地点[18]。而震源区的地壳P波速度结构反演结果表明,门源地震震源位于P波低速层上方,处在高、低速过渡带内(https://www.cea-igp.ac.cn/kydt/278809.html)。这可能是地震主要发生在异常高值区边缘的一种解释。

此外,各地磁极化异常台站的归一置零极化值、异常持续时间与震中距呈现出较好的负相关性,异常台站距离地震震中越近,其归一置零极化值越高,异常持续时间也越长。Huang等[19]通过模拟实验研究表明,地震电磁扰动信号具有随震中距增加而逐步衰减的特征,这恰好诠释了异常台站归一置零极化值和异常持续时间随震中距的增加而逐渐减少的现象。

尽管本文及其他学者的研究都表明在地震前可以提取到不同程度的地磁极化异常,但是关于地震与异常高值区空间分布的关系,尤其是其机理仍需要做进一步研究工作。

致谢:本文所使用的数据来源于国家地磁台网中心,在此表示感谢！