利用電磁臺站觀測數據推算汶川MS8.0地震等效電偶矩

李 美譚捍東盧 軍曹 萌中國地震臺網中心，北京 100045中國地質大學，北京 100083

利用電磁臺站觀測數據推算汶川MS8.0地震等效電偶矩

李 美1，2）譚捍東2）盧 軍1）曹 萌2）
1）中國地震臺網中心，北京 100045
2）中國地質大學，北京 100083

2008年5月12日汶川MS8.0地震前約一個月，位于河北省ULF電磁觀測臺網的高碑店臺電磁異常信息增強，5月9日，即主震前3天，異常信息突然增強達到高潮，且高值異常信息一直持續到17日，主震后5天，隨后，低值異常信息又持續了大約4個月 (f=0.1～10 Hz, D=1440 km, A=1.3 mV/m)。盡管目前沒有統一的物理機制可以解釋地下產生的電磁信號，但是，巖石壓裂實驗結果表明，巖石受壓破裂過程會產生電流，特別是主破裂階段，強地電流激發地面電磁場突然增強，達到震前異常高潮期，被觀測儀器記錄到。研究利用地下偶極子產生電磁場模型，結合汶川MS8.0地震前河北高碑店臺觀測到的電場數據和震源區資料，在設定震源信號輻射頻率，電導率σ閾值σδ=7.0×10-4S/m和地下介質平均視電阻率ρ1=1400 ?·m前提下，在距離震中1440 km的高碑店臺觀測到E=1.3 mV/m電場強度所需等效電偶矩為IΔl=7.5×1013A.m 。若考慮汶川主震破裂長度Δl=240km，則產生地電流量級為I=3.1×108A 。

若將汶川地震等效電偶矩IΔl=7.5×1013A.m 作為固定電流源，利用相同的介質參數，計算z=0（地面）處產生的總電場∣E∣ =(∣Ex∣2+∣Ev∣2)?及總磁場∣H∣ =(∣Hx∣2+∣Hv∣2)?,沿x(－100 km≤Dx≤100 km)，y(－100 km≤Dx≤100 km)二維平面（200 km×200 km）。

電場∣E∣和磁場∣H∣的分布在x軸和y軸上分別為場值高值帶，4個象限為低值區域，這也說明，對于沿x軸方向放置的電流源，電場強度以水平份量Ex為主導，磁場值在電場的正交方向Hy為主導。從以電場∣E∣為例，計算從坐標原點分別沿x軸和y軸到1000 km處的電場值｜Ex︱和｜Ey︱得到的衰減曲線可以看出，在10 km范圍內，兩條曲線衰減較慢，在x軸和y軸方向上的值差別不大；但隨著距離的增加，兩曲線均快速衰減，但x軸方向的值｜Ex︱總是大于y軸方向的值｜Ey︱；｜Ey︱為非單調遞減曲線，在10～30 km范圍有一個明顯的異常低值帶；在距離原點1 000 km 處，兩個值大體差一個數量級。就x軸方向曲線變化，20 km內數值大體衰減1個數量級，100 km左右電場輻射值衰減3個數量級，當距離增加到1 000 km時，場值衰減約5個數量級。因此，若將汶川地震等效電偶矩看作發射源，在源的不同方向上，相同靈敏度的儀器記錄到的場值是不一樣的，電性源的延伸方向上的電場值最強，而其垂直方向上，是磁場觀測的有利區域。因此，地下電性參數（主要是電導率σ）對電性輻射源產生的電磁場影響是很大的，當地下介質電導率小于由汶川震源區參數計算得出的電導率閾值時，電磁信號在傳播過程中衰減較慢；當地下介質電導率大于閾值時，電磁信號在地下會迅速衰減，這樣，在地面很難記錄到電磁信號。汶川地震等效電偶矩看作震源深度處輻射源產生的電磁場，在地面的二維分布圖顯示出很強的方向性（或不均勻性），例如，場值分量Ex和Hy分別在x軸和y軸上為高值帶，分量Ey和Hx的高值帶分布在4個象限，與兩坐標軸成45°夾角；總電場｜E︱和總磁場｜H︱的2D分布與∣Ex∣和∣Hy∣相似，分別在在x軸和y軸上分別為場值高值帶；電場強度以主軸向份量Ex為觀測的優勢方向，磁場值在與主軸正交方向Hy為觀測的優勢方向。這較好地解釋了地震相關電磁異常信息的方向性或不均勻性的觀測事實。同時，由于地下電性輻射源在地面產生電磁場分布不均勻，且信號強度和電流源方向存在著密切的關系，同時，場值隨觀測距離的增大衰減迅速，因此，如果觀測點位于非強信號區，即使在觀測范圍內也可能記錄不到異常信息。這對地震監測臺網儀器選址和布置提出了要求，也具有現實的指導意義。