九寨溝MS7.0地震前地磁異常

宋成科

(中國地震局第一監測中心, 天津 300180)

0 引言

地震的孕育和發生會引起地磁場異常變化,該異常能夠被較近的地磁臺站所觀測。最近的研究表明地震前幾天甚至更長時間會出現地磁前兆異常信號[1-8]。雖然極少數地震前曾捕捉到幾十nT甚至更大的地磁異常信號[9-10],絕大多數地震可觀測的地磁異常信號比較弱,可能僅為幾nT,甚至小于1 nT。觀測的地磁前兆異常與震級及地磁觀測臺站(或測點)距離震中的距離有關,Hattori發現可被觀測到的低頻地磁異常的地震震級與測點距離地震震中距離的關系可表示為0.025R

依托于中國地磁觀測網絡(主要包括地磁臺站觀測網絡和流動地磁觀測網絡),國內研究人員開展了很多地震地磁前兆異常方面的研究,研究方法主要包括諧波振幅比法[12]、日變幅逐日比法[13-14]、巖石圈磁場年變化[15-18]等,獲得了多個地震前的地磁異常現象。盡管地震地磁異常的物理機制并不是很明了,但不可否認地震地磁異常已經越來越多地被觀測到。關于短臨地震地磁異常信號的研究并不多見,一個重要的原因是國內的地磁臺站分布比較稀疏。國內目前的地震地磁監測網絡是否能夠觀測到直接異常信號,為此需要對近幾年發生的中強震前地磁觀測結果進行仔細分析。

2008年以來,巴顏喀拉塊體東邊界是構造運動非常強烈的地區,先后發生了汶川MS8.0地震(以下簡稱汶川地震)、蘆山MS7.0地震(以下簡稱蘆山地震)和九寨溝MS7.0地震(以下簡稱九寨溝地震)3次強震。目前該區域具有一定的地磁觀測能力,觀測到一些間接的地震地磁異常。芮雪蓮等[19]通過對距離震中300 km內的4個地磁臺站地磁垂直分量日變幅逐日比的分析認為,2017年2月1—10日地磁日變中可能存在與九寨溝地震有關的異常。何暢等[20]發現九寨溝地震前成都地磁臺地磁諧波振幅比出現異常。汶川地震后,區域地殼形變速度明顯增加,對九寨溝地震的發生有一定的促進作用[21-22]。大地電磁測深結果顯示岷江斷裂以西的中部地殼存在明顯的高導層[23-24],震源區速度結構顯示九寨溝地震發生于地殼物質東向運移在岷江斷裂附近受阻,導致地殼應力應變的積累有密切關系。在這種構造背景下該區域可能出現與地震活動有關的地磁異常信號。鑒于該區域較高的地磁觀測能力,地磁監測網絡有可能記錄到可被識別的短臨地磁異常。因此本文對距離九寨溝地震震中150 km內的松潘地磁臺(SPA)的連續觀測資料和該區域流動地磁觀測資料進行分析,探討與九寨溝地震有關的地磁前兆異常。

(大三角為地磁臺站,小三角為流動地磁測點,實心圓為2017-01-01—2017-08-07時段地震事件。實線大圓為距離震中100 km的范圍,虛線大圓為距離震中150 km的范圍)圖1 地質構造及臺站(測點)分布Fig.1 Geological structure and station (measuring point) distribution

1 地磁觀測結果

1.1 臺站連續觀測結果

本節使用SPA臺站2017-02-01—2017-09-30時段的連續觀測結果分析九寨溝地震前的地磁場變化,同時使用成都地磁臺(CDP)和天水地磁臺(TSY)同時段的觀測資料進行對比分析,臺站情況及觀測信息見表1。根據地磁臺站建設規范,地磁觀測室水平和垂直梯度不超過1 nT,且3個臺站場址周邊并未發生大地震,因此可排除儀器活動引起的明顯地磁異常。地磁觀測室溫度變化非常小,因此可以排除溫度變化產生的地磁異常。地磁觀測采用率為1 s,經過高斯濾波獲得地磁場分均值。

表1 地磁臺觀測信息

大量研究結果認為地磁場垂直分量(Z)包含了源于地殼的地磁場,而地磁場水平分量(包含北向分量和東向分量)主要反映了外源地磁場[4],因此本文選擇地磁場垂直分量進行分析。地面磁場測量值主要包含穩定變化的主磁場、地殼磁場和瞬變的日變場(包括平靜變化和擾動變化),在分析地震地磁異常時,需消除主磁場和日變場的影響。這里選擇第13代國際地磁參考場(IGRF-13)作為主磁場模型,首先用原始觀測數據減去IGRF-13主磁場消除部分地磁場穩定變化。同時選擇CDP作為參考臺,將SPA、TSY與CDP進行差值計算,可以消除絕大部分外源場的影響,從而獲得SPA和TSY的巖石圈磁場變化。

圖2(a)為CDP、SPA和TSY臺站地磁場垂直分量相對變化情況。CDP和TSY變化幾乎一致,長期積累的穩定變化不超過2 nT,這可能是由于選用了國際地磁參考場作為主磁場,與局部主磁場并不完全一致產生[25-26]。圖2(b)為SPA和TSY分別與CDP觀測值的差值,可認為是SPA和TSY的巖石圈磁場變化。兩個臺站巖石圈磁場在2017-02-01—2017-04-30時段變化相對穩定且一致,這說明CDP巖石圈磁場升高(降低)時,TSY和SPA的巖石圈磁場也升高(降低),但SPA的變化幅度比TSY更大。2017年5月之后SPA臺出現明顯不同于CDP和TSY的變化,在約3個月的時間內產生40 nT左右的異常變化,并且該類型異常在九寨溝地震后消失,SPA臺站觀測曲線恢復穩定變化。

圖2 九寨溝地震前后地磁場變化Fig.2 Geomagnetic field variation before and after Jiuzhaigou earthquake

2017-05—2017-08時段,SPA與CDP和TSY地磁場除存在長期變化的差異外,地磁場日變也并不完全相同。圖3為2017-07-01—2017-07-10時段3個臺站地磁場垂直分量日變化,CDP、TSY和SPA的日變化趨勢幾乎一致,CDP、TSY臺地磁場上升(下降)或突跳的時段,SPA臺地磁場也呈現同樣的上升(下降)或突跳,但某些時段SPA地磁場變化幅度和趨勢與CDP和TSY并不相同,如圖3(b)虛線方框所示。

圖3 SPA、TSY和CDP 臺地磁場垂直分量日變化Fig.3 Diurnal variation of vertical component at SPA,TSY and CDP

綜上所述,松潘地磁臺觀測的數據在九寨溝地震前出現了兩種異?，F象:其一為2017年5月后出現的持續約3個月的磁場偏離;其二為個別時段地磁場垂直分量日變化與其他臺站變化不一致。

1.2 流動地磁觀測結果

本節分析距離震中150 km內流動地磁測點觀測結果,觀測分量為磁偏角、磁傾角和總強度的絕對值,根據測量結果計算了地磁場垂直分量,測點分布及觀測時段信息見表2。為了獲得2017年和2016年地磁場的年變化,需對2017年和2016年流動地磁觀測結果分別進行日變通化改正和長期變化改正。日變通化改正采用單一臺站法,將觀測值歸算到觀測日北京時間00:00—03:00;長期變化改正采用自然正交分量方法，將觀測數據改正至2016年 1月1日北京時間00:00—03:00,諸多文獻對日變通化和長期變化改正方法進行了研究[27-29],本文不再贅述。研究區流動地磁觀測均為磁場變化相對平靜的時間開展,因此認為通過日變通化處理可以極大消除外源磁場變化產生的異常。

表2 流動地磁測點觀測信息

圖4為研究區2016—2017年巖石圈磁場垂直分量年變化圖像,距離震中150 km的范圍內絕大部分區域垂直分量變化為+5～+10 nT。在九寨溝地震震源區西部出現明顯負異常,由CSCC004和CSCC006測點觀測。震中附近無明顯異常變化,距離震中最近的CSCC002測點和周邊多個測點的變化量比較一致。Chen等的研究認為,流動地磁獲得的地磁場年變化零值線與發震地點對應較好[30],換言之地震前震中及周邊區域地磁異常表現為巖石圈磁場正負交替,這種現象在魯甸MS6.5地震[16]、蘆山MS7.0地震[17]等多個地震前出現,說明該區域的巖石圈磁場變化與九寨溝地震有一定關系。

圖4 2016—2017年巖石圈磁場變化Fig.4 Variation of lithospheric magnetic field from 2016 to 2017

2 討論

是否九寨溝地震前SPA地磁觀測數據表現得兩種異?，F象與九寨溝地震有關,Fraser-Smith等報道的美國Loma Prieta 地震前地磁異?，F象[1]被認為是高精度磁力儀觀測到的地磁前兆異常而被廣泛引用,但Thomas等通過對觀測數據得追溯發現Fraser-Smith報道的地磁異常并非真實的前兆異常[31]。同樣的情況也出現在被廣泛認為是地磁前兆異常得1993 Guam地震中[32]。因此在聲明地震地磁異常前,需要對觀測數據進行更謹慎的考察,首先需要檢查觀測系統的穩定性。地磁臺站缺數通常是觀測系統出現問題,而重新開始記錄后需要一定時間才能恢復至正常水平。目前地磁臺網運行的儀器可能出現每天的最后一個數據和第二天的第一個數據之間存在臺階變化,為此檢查了SPA、TSY和CDP每天最后一個觀測值與后一天第一個觀測值之差ΔZ,見圖5。SPA臺站在很多觀測日與后續觀測日的觀測值不連續(ΔZ>1 nT),而TSY和CDP則比較連續。因此SPA臺站觀測數據2017年5月后持續約3個月的異常更可能是與地磁臺站觀測系統異常有關。

圖5 SPA、TSY和CDP當天最后一個觀測值和后一日第一個觀測值之差(G表示缺數)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觀測數據的異常除了與觀測系統有關外,還有可能與SPA地下介質電性結構與CDP及TSY處不同有關,在外源場的擾動作用下,3個臺站表現出不同的日變化。根據大地電磁測深結果,巴顏喀拉塊體地殼20 km以下存在低速高導層,而龍門山斷裂帶東部則為高阻體,這種結構及其造成的深部低速體的相對高速運移使得應力不斷在巴顏喀拉東邊界積累而產生大地震;SPA臺地下介質電導率高,而CDP和TSY臺地下介質電阻率高[33-35],這種地下介質電性結構的差異使得SPA臺站磁場日變化與CDP和TSY具有一定的差異。若地磁場的變化與地下介質電性有關,則不同時段獲得的地磁日變化應該具有統計學的一致性。這里分別計算201702—201704及201705—201708兩個時段3個臺站相鄰天垂直分量午夜均值的差值,見式(1)。

dz=zi+1-zi

(1)

式中:zi和zi+1分別表示第i和i+1天地磁臺站午夜北京時00:00—03:00均值。

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圖6為TSY、SPA和CDP相鄰天垂直分量變化的相關性,從中可以看出TSY和CDP的相關性很好,2個時段的相關系數均超過0.95,說明TSY和CDP的變化一致。SPA和CDP的相關系數在2個時段均為0.6左右,說明在2個時段控制SPA和CDP地磁場變化差異的是相同的機制,顯然這種機制與九寨溝地震無關,更可能是由兩個臺站地下介質的差異導致的。

圖6 CDP、TSY、SPA垂直分量的相關性Fig.6 Correlation of vertical component between CDP and TSY,CDP and SPA

流動地磁觀測結果顯示的震前出現正負交替的巖石圈磁場變化可能與九寨溝地震的孕育有關,該現象在魯甸MS6.5地震[16]、蘆山MS7.0地震[17]、皮山MS6.5地震[18]等多個地震前出現過。震前巖石圈磁場的這種異常變化機理并非十分清楚,可以肯定的是并非由壓磁效應產生,因為該區域地殼應變率僅為10-8/a[21],而1 nT的地磁場變化對應的地殼應變為10-9[36]。這種變化出現可能是斷層進入亞失穩階段的一種反映,根據實驗室結果,斷層進入亞失穩階段后,斷層與其兩側的溫度變化表現為正負交替[37],可能是由于這種作用,巖石圈磁場表現為正負交替的形態。由于松潘地磁臺觀測系統的誤差和流動地磁觀測的誤差[29]無法完全消除,因此兩種方法獲得的震前地磁異常無法進行比較分析。

3 結論

通過對九寨溝地震周邊松潘地磁臺、成都地磁臺、天水地磁臺連續觀測資料及流動地磁觀測資料分析,獲得以下結論:

(1) 松潘地磁臺2017年5—8月的時段出現明顯的地磁異常,相較于成都地磁臺和天水地磁臺,松潘地磁臺垂直分量變化可達40 nT。由于松潘地磁臺觀測系統產生的誤差,這里很難確定該異常是否與九寨溝地震有關。松潘地磁臺地磁場日變化趨勢與成都地磁臺和天水地磁臺相同,而變化幅度卻有明顯差異,可能是由三個臺站所處區域地下介質電性不同導致。

(2) 九寨溝地震前,震中西側出現巖石圈磁場的正負異常交替現象,這可能與九寨溝地震相關,是斷層進入亞失穩階段的一種反映。

本文僅分析了九寨溝地震前地磁場量值的異常變化,當然也可能存在其他的地磁異常,比如某些頻段存在異常,后續的研究可以進行嘗試。

致謝:本文研究使用了中國地震局流動地磁監測技術團隊的數據結果、國家地磁臺網中心的地磁觀測數據和中國地震臺網中心的地震目錄;審稿專家對文章提出了寶貴的建議。在此一并表示感謝！