漾濞縣MS6.4、瑪多縣MS7.4地震前地電場變化分析

辛建村,張晨蕾

(陜西省地震局,陜西 西安 710068)

0 引言

地電場是重要的地球物理場,也是進行地震監測預報的重要判據之一。地電場觀測數據包含了大地電場、自然電場和干擾成分[1]。

2021年5月21日21時48分,云南大理州漾濞縣(25.67°N,99.87°E)發生MS6.4地震,震源深度約8 km。在漾濞縣MS6.4地震發生后,5月22日凌晨2時04分,青海果洛州瑪多縣(34.59°N,98.34°E)發生MS7.4地震,震源深度約17 km。地震后據相關專家介紹,云南地震和青海地震本身沒有關聯,但是兩個地震的力源上還是有一定的關系,近期印度板塊的活動有增強的態勢,我國青藏高原主要是受到印度板塊的碰撞擠壓作用,因此受到一定影響。地下巖體裂隙結構變化與板塊構造運動、應力應變等關系密切,小尺度巖體塊體內的微裂隙分布、裂隙水滲流非常復雜,但宏觀大尺度巖體內的裂隙水滲流或裂隙水中電荷移動主要沿裂隙進行。數百米量級的地電場觀測場地屬宏觀尺度,觀測到的因裂隙水滲流或水中電荷移動產生的電場方向則接近裂隙優勢方位[2-3]。大量的研究表明地震地電場異?，F象客觀存在[2-11],通過地電場觀測數據計算臺站場地下方巖體裂隙主體方位可跟蹤裂隙動態變化,這也是近幾年地電場在地震前兆方面應用的嘗試和探索。

中國大陸現有110余個地電場觀測臺站,漾濞縣MS6.4地震震中500 km范圍內地電場臺12個、瑪多縣MS7.4地震震中500 km范圍內地電場臺9個,應用這些臺2020年1月1日至2021年6月10日的觀測數據,根據大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,計算了地電場優勢方位角[11],同時也計算了不同方位間的相關系數[12],總結了地震前地電場數據的變化情況,旨在從中得到一些有意義的前兆信息。

1 漾濞縣MS6.4地震

1.1 震中周圍地電場臺站分布

漾濞縣MS6.4地震震中500 km范圍內地電場臺站共12個,其分布情況如圖1所示。其中位于云南省境內9個,四川省境內3個,各臺震中距見表1所列。

圖1 漾濞MS6.4地震震中500 km范圍內地電場分布圖Fig.1 Geoelectric field distribution within 500 km of the epicenter of Yangbi MS6.4 earthquake

1.2 地電場優勢方位角分析

基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,在NS、NW測向地電場數據相關性高時,大地電場優勢方位角(即裂隙優勢方位角,α代表北偏東角度,若為負表示北偏西)計算公式如下[11]:

(1)

式中:Ai是第i階潮汐諧波振幅,計算中應用周期分別為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h。需指出,當應用其他方位組合計算時,式(1)需做相應調整。

基于式(1)計算了漾濞縣震中周圍12個臺2020年1月1日—2021年6月10日地電場優勢方位角。圖2展示了羅茨、瀘沽湖、元謀苴林、鹽源等臺的方位角變化情況,其中羅茨臺優勢方位角如圖2(a)所示?？芍?020年10月開始方位角變化范圍大幅收窄,收窄后偏轉接近45°。圖2(c)中的元謀苴林臺優勢方位角2020年10—12月發生約45°的偏轉,兩臺方位角變化具有同步或準同步性。需說明,羅茨臺NE向長極距自2021年5月7日開始出現不明原因的階躍、缺數等現象,故此段時間方位角未進行計算,按缺數處理。

四川境內的鹽源和瀘沽湖臺距離漾濞地震震中分別為252 km、248 km,從圖2(b)和2(d)中可看出兩臺的方位角變化范圍2021年3—4月有逐漸收窄的趨勢,且這種現象具有同步性,這在一定程度上排除了受場地環境干擾或裝置系統故障影響的可能,而反映孕震過程中區域應力作用下場地裂隙結構發生變化的可能性較大。需說明,鹽源臺周邊高壓直流輸電線路雅中換流站2021年5月8—15日連續多日調試,對方位角計算有影響,故對這幾天的方位角計算結果在繪圖中未采用,按缺數處理,但不影響方位角變化趨勢的分析。

注:各臺下標L(NS/EW)表示應用的是該臺NS和EW方向長極距數據,S(NS/EW)表示應用的是該臺NS和EW方向短極距數據圖2 漾濞MS6.4地震震中周圍地電場優勢方位角 (2020-01-01—2021-06-10)Fig.2 Dominant azimuth of geoelectric field around the epicenter of Yangbi earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

表1統計了震中500 km范圍內12個地電場臺優勢方位角2020—2021年6月10日的變化情況。距離震中100 km內地電場臺站3個,其中洱源、祥云臺地電場優勢方位角在漾濞MS6.4地震發生前都有異常變化,特別是臨震前10天左右同步出現突跳、偏轉等現象,彌渡臺方位角看不出明顯的異常變化,這可能與地震電信號的場地選擇性有關[13]。此外,嵩明、紅格、騰沖等3個臺地電場優勢方位角自2020年以來也看不出明顯異常變化。曲江和元謀水化站臺方位角在2021年3—5月也有變化范圍收窄、突跳等現象。

表1 漾濞縣MS6.4地震震中500 km范圍內地電場臺站方位角變化統計Table 1 Statistics of α of electric field stations within 500 km of the epicenter of Yangbi MS6.4 earthquake

總體上,漾濞縣MS6.4地震震中周圍12個地電場臺,羅茨等8個臺地電場優勢方位角在臨震前出現了異常變化,彌渡等4個臺看不出明顯異常變化。從時間上看,最早的異常變化開始于2020年9月,最晚的則出現在臨震前10余天,且方位角異常變化具有同步或準同步性。異常臺站中方位角出現約45°偏轉或變化范圍收窄的現象較為普遍,占異常臺站的50%,這與以往的震例研究結論較為吻合[11],反映了震中附近臺站中部分場地巖體裂隙可能出現剪裂現象。

1.3 相關系數分析

鹽源、元謀苴林、羅茨、瀘沽湖等4個臺的相關系數繪制如圖3所示。選取相關系數高且變化顯著的典型臺站進行繪制(需說明本文中的相關系數是指同一臺站不同方位間的相關系數,計算方法參照參考文獻[12],下文不再贅述)。

鹽源[圖3(b)]、羅茨[圖3(d)]和元謀水化站(未繪出)3臺相關系數自2021年3月開始出現大幅度下降,而在臨震前10余天相關系數有趨于穩定或上升的現象,且這些變化在時間上具有同步或準同步性。圖3(c)中的瀘沽湖相關系數自2020年10月開始出現大幅下降,分析中發現洱源、紅格、曲江等臺相關系數變化與瀘沽湖臺相似,時間上也具有同步或準同步性。元謀苴林[圖3(a)]、彌渡、祥云、騰沖、嵩明等5個臺相關系數自2020年以來看不出明顯的異常變化。

圖3 漾濞地震震中周圍地電場臺站相關系數(2020-01-01—2021-06-10)Fig.3 Correlation coefficient of geoelectric field stations around the epicenter of Yangbi earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

2 瑪多縣MS7.4地震

2.1 震中周圍地電場臺站分布

青?，敹嗫hMS7.4地震震中500 km范圍內地電場臺站共9個(圖4,大武臺有兩個測點,本文暫認為是兩個臺),各臺站震中距見表2。蘭州臺電磁環境復雜,需要深入研究,因此本文中不對蘭州臺進行分析討論。

圖4 瑪多縣MS7.4地震震中周圍500 km范圍內地電場臺站分布圖Fig.4 Distribution map of electric field stations within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake

2.2 地電場優勢方位角分析

基于式(1)計算了瑪多縣震中周圍8個地電場臺優勢方位角,其中門源、大武(測點1)、瑪曲、甘孜等4個臺的方位角繪制如圖5所示。

門源臺地電場優勢方位角自2021年1月開始跳變范圍收窄成約45°[圖5(a)],臨震前10余天方位角變化較為穩定。

圖5(c)中瑪曲臺方位角跳變范圍2020年11月—2021年3月收窄成約45°,臨震前兩個月突跳明顯增多。

圖5 瑪多縣MS7.4地震震中500 km范圍內地電場臺優勢方位角(2020-01-01—2021-06-10)Fig.5 Dominant azimuth of electric field station within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake (2020-01-01—2021-06-10)

大武臺(測點1)地電場優勢方位角在2020年5月出現約45°偏轉,之后持續到2021年3月,2021年4月開始向原來的方位偏轉,如圖5(b)所示。圖5(d)中甘孜臺方位角2020年6月發生約90°偏轉,2021年3月開始出現間斷突跳。

表2統計了瑪多縣MS7.4地震震中500 km范圍內地電場臺2020—2021年6月10日方位角變化情況。其中,都蘭、白水河、金銀灘、大武(測點2)等4個臺地電場優勢方位角自2020年以來看不出明顯的異常變化。總體上,8個地電場臺中4臺方位角在地震前出現了異常變化,4臺看不出明顯異常變化。

表2 青海瑪多縣MS7.4地震震中500 km地電場臺站統計Table 2 Statistics of geoelectric field stations within 500 km of the epicenter of Maduo MS7.4 earthquake

2.3 相關系數分析

圖6繪制了震中周圍瑪曲、門源、大武(測點1)、甘孜等4個臺的相關系數。瑪曲[圖6(a)]、門源[圖6(b)]、大武(測點2,未繪出)等3臺相關系數2020年11月—2021年2月跳變幅度大幅收窄,變化趨于穩定。甘孜和大武(測點1)臺地震前2個月相關系數開始出現了大幅下降[圖6(c),(d)]。

圖6 瑪多縣MS7.4地震震中周圍地電場相關系數Fig.6 Correlation coefficient of geoelectric field around the epicenter of MS7.4 earthquake in Maduo County

都蘭、白水河、金銀灘等3臺相關系數自2020年以來看不出明顯異常變化。8個地電場臺中5臺相關系數出現了異常變化,且在時間上具有同步或準同步性,可能反映了構造作用下區域應力發生了非均勻變化[12]。

3 討論與結論

地電場數據易受場地周圍電磁環境影響,較常見的有城市軌道交通、高壓直流輸電線路、廠礦企業等,此外還有磁暴引起的地電暴干擾、同場地地電阻率觀測人工供電干擾等,這些干擾源或多或少都會對地電場觀測產生不同程度的影響。在地電場數據應用中未特意說明所受干擾情況,一方面是應用地電場兩個測向觀測數據前10階諧波振幅和計算場地巖體裂隙優勢方位角,因其計算方法及取值特點,理論上方位角受干擾影響可能小。作者曾以平涼臺為例,模擬一些典型干擾加載到觀測數據中,結果表明方位角在一定條件下受干擾影響確實較小[14];另一方面數據應用長度達527天,且分析的是趨勢變化,一般的短期干擾基本不會改變方位角變化趨勢;第三是數據變異的可信度分析中,采用同區域多場地準同步性判斷原則。由此,個別臺站盡管環境條件不太好,如云南羅茨、甘肅瑪曲等存在背景性復雜電磁環境影響,但其震前異常信息也可能會表現出來。

通過對2021年5月21日漾濞縣MS6.4地震震中周圍500 km范圍內12個地電場臺、5月22日瑪多縣MS7.4地震震中周圍500 km范圍內8個地電場臺2020年1月1日-2021年6月10日地電場觀測數據進行分析,基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,逐日計算了地電場優勢方位角(場地巖體裂隙優勢方位)的變化情況,以及同一臺站不同方位間的相關系數,初步有以下幾點認知:

(1)漾濞縣MS6.4地震震中周圍12個地電場臺中羅茨等8個臺優勢方位角在臨震前出現了異常變化,彌渡等4臺看不出明顯異常變化。異常臺站中方位角出現約45°偏轉或變化范圍收窄的現象較為普遍,占異常臺站的50%,可能反映了震中附近異常臺站中多數場地巖體裂隙出現剪裂或裂隙受到擠壓現象。

(2)鹽源等3臺相關系數自2021年3月開始出現大幅度下降,而在漾濞地震前10余天相關系數有趨于穩定或上升的現象,瀘沽湖等4臺相關系數自2020年10月開始出現大幅下降,且這些變化在時間上具有同步或準同步性。元謀苴林明等5臺相關系數自2020年以來看不出明顯的異常變化。

(3)瑪多縣MS7.4地震震中周圍500 km范圍內8個地電場臺中門源等4臺方位角出現了異常變化,都蘭等4個臺方位角看不出明顯異常變化。

(4)門源等3臺在瑪多地震前2個月相關系數開始出現了大幅下降,甘孜等2臺相關系數2020年11月—2021年2月跳變范圍明顯收窄,變化趨于穩定。都蘭、白水河、金銀灘等3臺地電場優勢方位角和相關系數都看不出明顯異常變化。

總體上,漾濞縣MS6.4、瑪多縣MS7.4地震前由地電場觀測數據計算的優勢方位角與各方位間的相關系數都有異常變化出現,且異常變化在時間上具有同步或準同步性,但其與地震三要素的關聯尚需要開展更多研究。

致謝:云南、青海、四川、甘肅等省地震局為本研究提供了數據,審稿專家提出了寶貴的意見和建議,編輯部老師進行了耐心指導,作者在此一并表示衷心的感謝。