地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (3): 512-525   PDF    
汶川8.0级地震前后电磁场的变化特征
高曙德1 , 汤吉2 , 杜学彬3 , 刘小凤3 , 苏永刚1 , 陈彦平1 , 狄国荣1 , 梅东林1 , 詹艳2 , 王立凤2     
1. 甘肃省陇南中心地震台, 甘肃陇南 746000;
2. 中国地震局地质研究所, 北京 100029;
3. 中国地震局地震预测研究所兰州基地, 兰州 730000
摘要: 2008年5月12日汶川Ms8.0地震前后, 距震中320 km甘肃陇南汉王地震台的地电阻率、大地电场、ELF电磁等多种观测手段捕捉到这次地震前后的异常信息.本文采用解析方法, 着重探讨汶川8.0级地震前后观测到的电磁场变化特征, 从电磁现象来探讨汶川Ms8.0地震发生前后, 电磁场长、中、短、临期的异常特征和变化规律.自2003年以来甘东南地区及甘川交界发生4次5.0级以上地震, 从空间上看, 有从南北地震带中段的西北向西南方向移动的特点, 强度逐渐增强, 其中, 文县5.0和两次岷县5.0级以上地震可以视为汶川8.0级地震的前震; 从时间上分析, 震前陇南汉王地震台观测到电磁场出现了长趋势变化和短临异常变化, 其特征:①2003~2008年, ZD8B地电仪观测的N54°W、N85°E和N73°W测道地电阻率均显示出长趋势变化和短期变化; ②视电阻率各向异性度‘S′’年变化率在有震年(异常年)是无震年(正常年)的两倍; ③ELF电磁仪观测到了(0.5~39 Hz)频率段的电场、磁场在汶川8.0级地震及余震序列中异常变化分别比正常月份大1~5个数量级, 并记录到电磁同震现象; ④大地电场仪(ZD9A-Ⅱ)在汶川震前17个小时也记录到高频临震变化信息.
关键词: 汶川8.0级地震      地电阻率异常变化      各向异性度(S′)      电磁场功率谱异常      短临预测     
The change characteristics of electromagnetic field before to after Wenchuan Ms8.0 earthquake
GAO Shu-De1, TANG Ji2, DU Xue-Bin3, LIU Xiao-Feng3, SU Yong-Gang1, CHEN Yan-Ping1, DI Guo-Rong1, MEI Dong-Lin1, ZHAN Yan2, WANG LI-Feng2     
1. Longnan Seismological Station, Gansu Longnan 746000, China;
2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
3. Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, CEA, Lanzhou 730000, China
Abstract: Before and after the 12 May Ms8.0 Wenchuan earthquake, we have observed anomalies associated with this event by several geophysical methods, such as DC resistivity, geoelectric field and electromagnetic (ELF), at the Hanwang station, Longnan, Gansu province 320 km away from the epicenter. In this paper, we use the analytical method to study the features and changing regularities on long-, medium-and short-term scales of the electromagnetic field prior to and after this quake based on these data. Since 2003, four earthquakes of M≥5 occurred in the southeastern Gansu and around the border between Gansu and Sichuan province. These events seemed to shift from the middle section of the North-south seismic zone in central China mainland toward southwest with increasing magnitude. Among them, the Wenxian M5.0 and other two M5.0 events at Minxian were likely the precursory quakes to the Wenchuan Ms8.0 in 2008. Corresponding to these quakes, the observations at the Hanwang station exhibit long-term tendency and short-time anomalous changes described as follows. During 2003~2008, the resistivity values measured by the instrument ZD8B in directions N54°W, N85°E and N73°W all showed long-and short-term variations. The annual change rates of the anisotropic degree "S′" of apparent resistivity in the years with M5.0 events (anomalous years) are two times that of the years without M5.0 quakes (normal years). The anomalies of the electric and magnetic fields on the frequency band (0.5~39 Hz) measured by the instrument ELF during the times of the Wenchuan Ms8.0 and its aftershocks are greater than those in normal times by 1~5 orders of magnitude. Meanwhile this instrument has also recorded electromagnetic coseismic signal. And 17 hours prior to the main shock, the telluric electric field instrument (ZD9A-II) detected high-frequency anomalous information..
Key words: Wenchuan Ms8.0 earthquake      Resistivity anomaly      Anisotropy factor      Power spectrum anomaly      Short-term earthquake prediction     
1 引言

地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一, 而地震预测预报是当今世界最重要的科学难题, 长期以来, 人类对于地震预报研究投人了巨大的精力, 给予极大关注[1, 2].科学家通过研究大量观测资料发现, 在力学、地球物理学和地球化学等的许多现象中, 电磁异常是对地震反映最敏感的短临前兆现象之一[3~5], 并被大量强震所证实.随着地震电磁前兆观测和物理实验等基础研究的不断深人, 各种与地震孕育发生相关联的短临前兆电磁异常现象不断被人们观测到[6~7].中国从1966年邢台地震以来, 一些传统的电法和磁法被应用于地震监测当中, 取得许多有价值的成果[8~13]. 2008年5月12日四川省汶川(31.02°N, 103.37°E)发生Ms8.0级特大地震.在地震后一年时间内, 研究者从基本的结构研究到现场的观测发表了许多有关该地震的研究成果.赵国泽等[14, 15]基于近年来用电磁方法探测得到的地壳上地幔及地幔过渡带的电性结构, 结合其他深部资料从3个“层次”分析汶川地震的动力学成因; Huang等[16~18]从不同的角度分析了震前电阻率的变化; 王武星等[19, 20]分析了汶川8.0级地震前地磁场Z分量日变化极小值出现时间(低点时间)变化即地磁低点位移现象, 在空间临震前数天日变幅、相位均有突出异常; 汤吉等[21, 22]在汶川8.0级地震发生后, 在震区进行了余震序列电磁异常连续监测, 观测到多次余震事件的电磁同震现象; Huang[23]用RTL (震中距-时间-破裂长度)方法定量研究表明, 在汶川地震及其周围地区震前2006~2007年期间经历了相对长时间的地震平静期; 长永仙等[24, 25]对地震平静期和大地震发生的相关性进行了研究.

近年国外在地震电磁领域的前兆观测也取得了一定的成效, 发现在SLF/ELF/ULF等频段(0.01~n×103 Hz)的电磁场记录到与地震有关的异常现象, 而且该频段电磁场可反映深达震源附近电阻率的变化[26~28].电磁场在地震过程中的变化, 国外记录典型的震例分别是1988年的Spitak6.9级地震和1989年的LomePrieta地震.1989年10月17日LomaPrieta发生了Ms7.1级地震, Corralitos观测台距离震中7 km, 观测到的磁场分量(频段0.01~0.02 Hz)在地震前两周快速增加了1.5nT, 并在主震前3小时增加3nT, 震后异常又持续了1个半月的时间[26, 29].此外, 1993年8月8日关岛8.0级地震前, 距震中60 km处发现了频带范围为0. 02~0.05 Hz、幅度约为0. 1nT的前兆辐射异常.由于ELF频段在介质及空间传播中衰减比较缓慢, 可以在远距离接收, 2000年初分别在日本伊豆(Izu)半岛和房总(Boso)半岛建立的两个密集地磁台阵, 在2000年伊豆群发地震及火山活动之前检测到了包括地电场和地磁场在内的一些电磁信号的同步异常变化[28, 30]. 1999年9月21日台湾集集地震前, 距震中约2000 km外的日本Nakatsugawa观测台记录到频段是0.001~50 Hz的电磁场异常, 其中, 10 Hz附近的电磁辐射噪声在9月20日21时30分至23时线性增加了5~10dB[31].俄罗斯科学院和美国地质调查局在20世纪90年代合作研究电磁场前兆异常, 所得结果表明, 地震震源区内柱断裂形成时激发了频带为甚低频的强烈的磁场脉冲, 该脉冲离开激发区, 并沿着地球表面进行传播, 同时超过了弹性波的波前, 在俄罗斯高加索和天山地震带观测到了孕震过程产生的震电信号; 在阪神地震时, 利用卫星观测到的超低频(甚低频)电磁辐射可能来自淡路岛震源带的激发信号.2008年5月12日四川省汶川县发生Ms8.0级地震, 在震前一周内DEMETER卫星也观测到电离层异常:卫星在震前3~7天经过震中附近时, 记录到电子浓度、电子温度和氧离子浓度出现剧烈变化(变化率均超过20%); ELF频段电场和磁场数据也出现了异常电磁辐射[32, 33].

“十五”期间, 在甘肃四川交界的陇南汉王地震台架设了一台从俄罗斯引进的ELF仪器, 自2007年9月开始投入运行, 2008年5月22日中国地震局地质研究所固体地球物理研究室野外电磁观测组在武都汉王组建了观测网, 在将近3个月的观测中, 多次记录到了电磁异常和电磁同震现象[21, 22], 这表明震前的电磁效应确实存在.

本文利用距汶川8.0级地震320 km陇南汉王地震台地电阻率、大地电场、ELF电磁仪等多种观测手段在这次地震前后捕捉到的异常信息, 采取解析方法着重探讨汶川8.0级地震前后地面观测到电磁场的变化特征, 从出现的一系列地震电磁现象来探讨汶川Ms8.0地震发生前后, 电磁场和大地电阻率观测到长、中、短期的异常分布和变化规律.

2 区域构造背景和甘川交界中强地震活动

陇南地震台的电磁仪器架设在甘肃武都区汉王地震台, 该台处在南北地震带中段, 天水-武都-文县地震带上, 既是迭部-武都、白龙江等多条断裂交汇部位, 也是中国中部南北向构造带与西秦岭构造带的交汇区, 属板块内强震高发区和地震监视的有利区.GPS观测中国大陆西部地壳水平运动数据显示, 受印度板块与欧亚大陆碰撞及其向北的推挤, 这一板块间的相对运动导致了亚洲大陆内部大规模的构造变形, 造成了青藏高原的地壳缩短、地貌隆升和向东挤出, 欧亚板块(中国西部的地区)水平运动从2000年逐年增强, 以5~6mm/a速率向东移动, 我国西南地区以30mm/a速率向东移动[34], 2004~2007年昆仑山南缘、甘川交界地区应变变化更加突出.由于青藏高原在向东北方向运动的过程中, 西秦岭东缘相对稳定(包括汉中平原), 甘东南地区应力逐年增强.其他研究中也得到相同的共识.赵国泽等[14]基于近年来在东北、华北和汶川地震附近地区进行的深部结构电磁探测结果, 结合地震学等其他资料, 从三个“层次”探讨分析汶川特大地震的成因.太平洋板块向亚洲大陆的俯冲作用, 导致中国大陆东部地幔过渡带深度较普遍地存在着停滞的板片, 印度板块与青藏高原的碰撞, 使组成高原的各地块发生向北和向东的运动, 各地块向东的运动作用于南北地震带中南段, 影响到该区域的地震活动.松潘甘孜地块向四川地块的推挤, 使松潘甘孜地块运动方向和龙门山断裂带形成“丁”字形结构, 龙门山断裂带显示为较陡直的电性边界和高强度的变质杂岩体, 加剧了汶川地震前的应力积累.在上述大的应力场背景下, 在这个交汇构造区域内发生2003、2004年岷县的两次5级以上地震和2006年武都-文县5. 0级地震, 2007年该区域的受力全部显示为压应力增强, 由于四川盆地一带受到华南活动地块的强烈阻挡, 使得应力在龙门山推覆构造带上高度积累, 在挤压逐渐增大的情况下, 该区龙门山断裂带映秀-北川断裂突然发生错动, 发生汶川8.0级强烈地震, 其基本的构造和应力状况可以表示为图 1, 岷县和文县地震可能是汶川8.0级地震的前期应力调整.

图 1 甘川交界地区构造应力和中强地震分布草图 Fig. 1 The sketch of structure stress and distributing mid-strong shock in the boundary area between Gansu and Sichuan province
3 陇南地震台ZD8B、ELF、ZD9A-Ⅱ仪器布设方案 3.1 ZD8B、ZD9A-Ⅱ有关参数和线路的敷设方案

陇南地震台的地电仪器(直流电阻率和大地电场)架设在武都汉王地电测区, 所处的地质构造复杂, 是应力敏感区, 被认为是电磁观测的较佳场地.测区地形北高南低, 表层为冲洪积扇覆盖物, 其下为黄铁矿片岩、磁黄铁矿和碳硅质板岩, 无大型工业干扰.1974年建台, 地电阻率仪器1975年正式投人观测, 本区1976年8月16日和23日距该台105 km松潘-平武发生了Ms 7.2级地震, N73°W反应相当灵敏, 出现漏斗形异常变化, 被认为地电阻率反映地震的前兆典例.2006年11月架设大地电场仪器ZD9A-Ⅱ, 其相关的测量参数见表 1.

表 1 汉王地震台仪器敷设参数 Table 1 Instrument parameters laid of Hanwang station
3.2 陇南地震台架设ELF有关参数和线路的敷设方案

2007年5月由甘肃地震局在陇南地震台武都汉王观测点敷设ELF电磁观测, 用俄罗斯生产的ACF-4M型ELF电磁观测仪器, 仪器采用正南北、正东西布置, 观测相互垂直的2道电场(E2、E1)和2道磁场(H1、H2), 频率范围为0. 1~800 Hz电场传感器(Pb-PbCL2不极化电极)和磁场传感器(感应线圈)埋人地下, 连接线采用埋地(80 cm深度)敷设, 架设参数如表 1.

观测频率范围和增益:在2008年5月22日以前每天分三个时段观测:8:15~11:30 (低频段D1:0.1~40Hz); 12:15~12:45(中频段D2:1~400 Hz); 6:15~16:30(高频段D3:~800 Hz).为了降低干扰, 5月22日以后改为00:15开始观测, 08:30结束.前置放大增益为1 (所有道均相同), 采用正南北、正东西布设仪器进行4道电磁场监测, 观测相互垂直的水平磁场和电场.

4 甘东南地区的4次中强地震前武都汉王台电阻率和大地电场异常变化 4.1 电阻率异常的分析方法

在汉王台的直流电阻率观测数据分析中, 引人了地电阻率各向异性, 它的变化实质是孕震构造应力场的动态变化[35, 36].有关研究中指出, 在二维各向异性介质条件下, 假定平行于断裂面方向的视电阻率为ρa//, 垂直于断裂面方向的为ρa⊥, 则各向异性的计算公式为

(1)

但在实际中, 电阻率观测的布极方向并不一定平行或垂直断裂面, 所以在使用中, 引人了地电阻率各向异性度s', 每个月的s'计算公式为

(2)

式中, ρSNSρSEW为地电阻率月均值, n为月数(n≥7).在孕震区周围电性结构无变化时, S'通常为常数.利用式(2), 对武都台2000~2008年5月, N85°E、N73°W测道的地电阻率进行计算做图发现, 有震年份S'年变化率比无震年份的要增大1.4~2.6倍, 表明震前岩石的各向异性增强.2007、2008年与前3年均值相比S'年变化幅度明显偏小(见图 2b), 这主要是汶川8.0级地震前, 该地区处在高围压状态.

图 2 2000~2008年5月陇南汉王地电阻率月均值及各向异性度曲线 Fig. 2 Monthly average value curves of resistivity and anisotropy (S') in Longnan Hanwang station in 2000~May 2008
4.2 地电阻率异常变化

陇南汉王地电观测使用了中国生产四代地电仪器, 从DDC-2A地电仪到20世纪70年代末PZ-40, 20世纪80年代ZD-8数字地电仪, 以及现在高精度ZD8B数字地电仪, 积累三十多年的资料, 也多次观测到了震电变化[37, 38]. 1998年武都汉王地震台对观测线路和仪器进行了更新, 采用高分辨率的ZD8B地电仪器, 供电电流分辨率0.1mA, 电压准确度±0.02%读数+ 0.003%满度值; 大动态范围A/D转换器和数字滤波技术, 增强仪器抗干扰能力; 采用新观测方法, 正反向供电, 减少了地电阻率受测量环境温度、湿度、无规则的背景或低频电信号的干扰影响、稳定性好, 观测资料客观、真实地反映地下介质的变化.为了压制干扰成分, 突出趋势性变化, 对陇南汉王台2000~2008年的地电阻率资料采用月均值法处理和各向异性度计算, 日均值剔除年变等方法分析, 从图 2~图 3看出, N54°W、N73°W道正常年变化形态呈正弓型(夏高冬低), N85°E道正常年变化形态呈反弓型(夏低冬高), 但有些年份形态发生了畸变或高值、低值异常, 这些变化正好对应几次地震事件[37, 38].

图 3 2000~2008年陇南汉王地电阻率日均值(a)及去年变化值(b)曲线 Fig. 3 (a) Daily average value and (b) removed annual change value of resistivity atHanwang station of Longnan in 2000~2008

(1) 2003-11-13日岷县5.2和2004-09-07岷县5.0

在两次岷县地震前, N54°W道的地电阻率月均值在2003年1月下降到了从2000年1月~2004年1月的4年最低值10.94 Ωm, 与前三年同期均值11.21 Ωm相比, 下降幅度达到了2.4%, 转折上升10个月后, 11月13日发震; N85°E的地电阻率月均值在2003年9月下降到了4年来最低值19.34 Ωm, 与前三年同期均值19.69 Ωm相比, 下降幅度达到了1.8%, 转折上升四十多天后, 11月13日发震, 显现了一个完整的下降-上升短临异常; N73°W道的地电阻率月均值在2002年7月打破年变, 到2003年5月快速上升10月达到最大值, 幅度达到了4.0%, 然后下降, 11月13日发震; N85°E和N73°W两测道的异常变化在时间上是对应的, 在形态上两测道大体呈镜像变化, 2004年9月7日老震区又发生5.0级地震, 异常形态与2003年有相似性、具有重复性.

(2) 2006-06-21文县5.0级地震

在文县地震前, N54°W道的地电阻率月均值在2006年1月又下降到了最低值(10.97 Ωm), 与前两年同期均值(11.10 Ωm)相比, 下降幅度达到了1.2%, 转折上升5个月后发震; N85°E的地电阻率月均值在2006年2月到4月测值一直是19.59 Ωm, 5月略有下降到19.45 Ωm, 与前几年同期测值相比变幅较小, 有趋势性变化, 6月转折上升21日发震; N73°W道的地电阻率月均值在2006年1月出现了三年以来最低值, 与同期均值相比幅度达到了0.9%, 然后转折上升6月21日发震.

(3)2008-05-12汶川8.0级地震

在汶川地震前, N54°W道的地电阻率月均值从2007年整个测值偏高, 2008年持续上升, 5月初的值为11.63 Ωm, 与前8年同期均值11.31 Ωm相比, 上升幅度达到了2.8%; N85°E的地电阻率月均值在2008年3月到4月测值持续是19.46 Ωm, 5月略下降到19.37 Ωm, 与前几年同期测值相比变幅高出0.4%;N73°W道地电阻率月均值从2008年2月开始测值为4.44 Ωm, 持续到5月初, 打破了年变, 5月12日发震(见图 2).

4.3 视电阻率日均值剔除年变化分析

从日均值(图 3a)可以看出, N73°W从2002年5月已打破年变化, 2003年开始快速上升且持续直到2008年仍是高值变化, 与2000~2001年的年均值相比上升了约3%, 通过FFT对日均值剔除年变化计算绘图(图 3b), 从时间上分析:N73°W测道电阻率2000、2001年变化形态近似直线, 从2002年中旬至2004年9月电阻率‘勺, 型变化看作一个过程, 在此期间岷县-临潭-宕昌断裂带发生了两次5级以上地震; 从2004年10月至2008年电阻率‘勺, 型变化看作另一个过程, 在此期间白龙江断裂带发生了文县5级地震、龙门山断裂带发生汶川8.0级大震, 异常持续了三年半时间; N54°W测道的电阻率在2003年初出现了2000~2002年以来最低值, 在该值转折后上升至2004年看作一个变化过程, 在此期间发生了两次5级以上地震; 从2004年11月后开始下降, 到2006年6月转折, 6月21日发生文县5.0级地震, 此后持续上升, 2008年2月至3月加速, 4月中旬至5月初持续高值, 然后发生汶川8.0级大震, 异常转折持续了近两年时间; 而N85°E测道的电阻率值从2003年年底到2008年与前三年值相比变小; 从空间上看:地震是从南北地震带中段的西北方向向西南方向迁移, 强度也在增强.

4.4 大地电场异常变化

中强地震发生前, 国内外有相关大地电场扰动的报道, 1998年天津宝坻台观测到了100km外的张北6. 2级地震前的电磁场异常[39]. 2008年5月12日汶川8.0级地震前, 陇南汉王台的大地电场仪记录到南北向和东西向电场分量在5月11日6时50分出现了高频扰动, 19时18分, 北东向、南北向的扰动达到3~5mV/km, 14个小时后, 南北向电场逐步下降, 东西向电场逐步上升, 5小时后发生了汶川8.0级大地震, 两个测量方向的大地电场都上升了3mV/km (见图 4). 5月25日16时21分青川6.4级地震, 5月27日16时03分青川5.4级和16时37分宁强5.7级与汶川8.0级地震有相同的变化形态.为了验证这些变化是干扰或系统电极的极化电势的变化, 从NE测道的记录来校验(图 4), 该道的变化与EW及NS测道的变化同步, 可以确定是临震电场信息.

图 4 2008年5月10~12日陇南汉王ZD9A Ⅱ仪器记录的大地电场(南北向、东西向和北东向)分钟值曲线 Fig. 4 The geoelectric field (NS, EW and NE) data recorded by ZD9A Ⅱ at Hanwang station of Longnan on May 10~12, 2008
5 陇南汉王台ELF观测到电磁场变化

2007年5月15日ELF仪器敷设完成后开始观测, 经过仪器调试和稳定后, 于2007年9月起开始正式观测, 观测资料连续、完整, 观测参数见表 1.在记录期间, 发生了汶川Ms8.0级地震和一系列余震, 震前出现了电磁扰动.2008年5月22日中国地震局地质所电磁组汤吉等在陇南汉王台用1套俄罗斯生产的ELF电磁仪器和2套加拿大凤凰公司生产的V5-2000大地电磁测深仪(MT)组成电磁观测网, 与汉王ELF对比观测, 观测资料变化基本一致, 并记录到了强余震的同震电磁效应[21, 22], 本次使用资料是可靠的.汶川地震前, 在本地区没有开展过MT的观测, 不知道汉王台及附近的地下电性结构, 震后在汉王台内及附近开展了MT的观测.图 5显示了汉王台的一维最光滑模型的电性结构, 它显示了大约在深度为0.08~0.2km、0.4~1.3 km、3.0~6.0 km及9.0~15.0 m的几个明显的低阻层.从0.4 km以后的低阻层电阻率值显示出逐渐增大的趋势.在10 km附近的壳内低阻层可能与该地区的低速层对应.

图 5 汉王台的一维地下电性结构 Fig. 5 The 1D electric conductivity structure beneath Hanwang station
5.1 ELF观测数据的功率谱计算

我们将2008年1月1日~2008年6月陇南汉王台观测ELF各频段的电场(E)和磁场(H)进行了整理和分析, 计算信号的自功率谱S(E)和S(H), 其中S(E1)表示东西向电场功率谱, S(H1)表示南北向磁场功率谱, S(E2)表示南北向电场功率谱, S(H2)表示东西向磁场功率谱.

在功率谱计算中, 将时间域的信号RE(t)通过FFT变化, 得到其频率域功率谱[11, 40]:

(3)

变形为

(4)

通过对观测资料进行傅里叶变换, 计算功率谱|S(f)|2, 得到的电磁场自功率谱在7.8、14、20、25.7、32、39 Hz附近频率出现幅度变化的极大值, 表现为较清晰的舒曼谐振信号.每天观测资料处理后, 选其优势频率抽取资料, 得到优势频率在时间序列上的功率谱变化, 用0.5~39 Hz频率段的电场、磁场计算出的自功率谱绘图, 见图 6~7, 发现在多次地震临震前电场、磁场功率谱的变化分别比正常值大1~3个数量级.在2008年5月1日至12日汶川8.0级地震前, 电场、磁场功率谱的变化比正常月份高出1~5个数量级(1Hz), 考察5月1日到5月15日的地磁Kp指数和Dst指数显示, 在观察到异常的时段并没有出现较强的地磁活动, 属于磁静日[33], 这说明汉王台ELF观测到的电磁场异常变化不是来自外空间电磁活动, 可能是由于地球内部变化引起的.

图 6 2008年1月1日至6月7日陇南汉王ELF观测的电磁场(39 Hz, S(H1))功率谱曲线 Fig. 6 The auto-spectrum of 39 Hz magnetic field in NS directory of Hanwang ELF station from Jan.1 to June 7, 2008
图 7 2008年1月1日至6月7日陇南汉王ELF观测的电磁场(1 Hz, S(H), S(E))功率谱曲线 Fig. 7 The auto-spectrum of electromagnetic field of Longnan Hanwang ELF recording (1 Hz, S(H), S(E)) from Jan.1 to June 7, 2008

选用2008年1月至2008年6月的资料(7月份后期余震较多, 加上灾后重建干扰增加, 故未选用), 共选用11个地震事件, 各事件用ELF四个参量来描述, 利用计算结果作统计(如表 2), 虽然选用地震较少, 统计样本不足, 很难给出一个具有说服力的统计规律, 但从观测到的地震事件与ELF资料变化的对应上可以得到如下结果:ELF观测的电磁场计算电场的自功率谱S(E)、磁场功率谱S(H)对于震中距在1000~2000 km, 震级Ms>5.0以上地震, 震前1/3参量有异常, 异常出现的时间30~80h, S(E)异常幅度达到0.4~1.5个数量级, S(H)异常幅度达到0.3~1.4个数量级; 对于震中距在400~1000 km, 震级Ms>4.5以上地震, 震前2/3参量有异常, 异常出现的时间30~40h, S(E)异常幅度达到0.3~1.2个数量级, S(H)异常幅度达到0.7~1.7个数量级; 对于震中距在0~400 km, 震级Ms>4. 0以上地震, 震前全参量有异常, 异常出现的时间30~280 h, S(E)异常幅度达到0.3~3个数量级, S(H)异常幅度达到2~5个数量级(如表 3).

表 2 2008年1月1日至6月7日汉王ELF资料计算功率谱变化与对应地震统计 Table 2 Statistics of varations of EM field at Hanwang station in correspond with earthquakes from Jan.1 to June 7, 2008
表 3 2008年1月1日至6月7日汉王ELF资料计算功率谱变化与地震对应关系 Table 3 Variations of EM field at Hanwang station in relation to earthquakes from Jan.1 to June 7, 2008

在汶川8.0级地震及余震前后, 各参量出现了明显的突跳, 上升的幅度与震级大小、震中距等有关, 一般磁场的自功率谱变化较大, 达到1~5个量级, 电场自功率谱变化在1~2个量级之间; 各参量还与信号的频率、布极方位有关, 汶川地震系列1Hz、39Hz磁场信号H1(南北向)比H2(东西向)变化强, 低频(1Hz)比高频(39 Hz)强; 1Hz、39Hz电场信号E1(东西向)比E2 (南北向)变化强, 低频(1Hz)比高频(39 Hz)弱(图 6~7); 说明接收的电磁场强弱具有方向性和频率可选性.

5.2 应用ELF资料地震预测探索

由上述分析结果发现当电磁场功率谱异常变化(不是干扰信号影响)达到1~5个量级, 就可能与震电信息有关, 2008年9月12日武都-宁强Ms5.5和2009年1月15日汶川Ms5.1级地震前3天磁场功率谱发生变化, 依据该指标并参考其他监测手段的资料做了地震预测并报送甘肃省地震局预报室, 其预测的时间、地点、震级比较准确; 2008年9月25日西藏日喀则Ms6.0级地震在震前三天变化; 2009年1月4日印度尼西亚巴布亚群岛北部发生Ms7.7级地震时, ELF仪器正在观测, 磁场功率谱异常变化2~4个量级(见图 8).

图 8 2008年1月至2009年1月陇南汉王ELF观测的电磁场(8 Hz, S(H))功率谱曲线 Fig. 8 The auto-spectrum of Longnan Hanwang ELF recording data (8 Hz, S(H)) from Jan.2008 to Jan. 2009

对ELF观测资料的分析表明, 震前的电磁效应明显, 强震前在微裂隙的发展过程中产生“机-电能转换效应”引起了电、磁场扰动.电磁谐波异常不仅在强震震源区可以记录到, 在远场电磁场记录中也有反映, 有效的ELF电磁观测数据的处理方法和地震短临信息提取技术, 对研究地震前兆异常信息的时、空、强特征与中强地震的关系, 对未来地震监测、短临地震预测方法的拓展具有实际的意义[21, 22, 32, 40~43].

另外, 环境噪声是影响电磁信号最大的因素, 尤其是电场信号, 武都汉王台在几次全区停电的情况下, 电场功率谱下降了2个量级, 而磁功率谱只有低频(39Hz)的下降1个量级, 这些变化为以后ELF的布设环境提供参考数据.为了从复杂的电磁环境中提取相对较微弱的地震电磁信号, 必须加强对信号提取方法的研究.这既要考虑传统的数学分析方法, 又要考虑引入一些信号处理分析方法, 甚至有必要考虑将上述方法与地震电磁产生的物理过程研究有机结合而形成有效的地震预报方法.这方面的探索研究不仅有助于充分发挥观测资料本身应有的价值, 而且反过来可以为观测提供一定的指导和参考依据.

6 甘东南、甘川交界地区受力分析和电磁场变化的探讨

汶川地震的发生及龙门山向东北方向推覆的动力来源是印度板块与欧亚大陆碰撞及其向北的推挤, 这一板块间的相对运动导致了亚洲大陆内部大规模的构造变形, 造成了青藏高原的地壳缩短、地貌隆升和向东挤出1).由于青藏高原在向东北方向运动的过程中, 西秦岭东缘相对稳定(包括汉中平原), 使甘东南地区应力逐年增强, 四川盆地一带受到华南活动地块的强烈阻挡, 使得应力在龙门山推覆构造带上高度积累, 在挤压逐年增大情况下, 首先在这一地区薄弱的地段破裂, 相继发生了岷县、文县地震; 依据赵国泽等(2009年)电磁探测资料研究认为[14], 松潘甘孜南部地壳显示为高阻带和低阻带交错的复杂结构, 地壳内的低阻层可能源自深部物质的上涌, 并存在沿着羌塘地块和松潘甘孜地块走向方向即南东东方向的运动.松潘甘孜地块的推挤作用主要是它的地壳也包括岩石圈, 与相对稳定的四川地块之间发生正面挤压, 使在它们之间的边界带-龙门山断裂带在经历了相对长时间的地震平静期的应力积累, 可随着青藏块体由西向东的推挤, 在受到南北向构造带的阻挡后, 当应力超过岩石破裂强度后这种推挤作用沿南北向构造带转换为右旋剪切力, 在这一剪切力作用下, 沿映秀-北川断裂突然发生错动, 产生汶川8.0级强烈地震(图 1).

1)2008年四川汶川8级地震的成因分析.中国地震局地质研究所.

武都汉王台震前的各种长趋势的电阻率异常现象可能是在地震孕育过程中岩石的应力变化、使岩石弱化产生新的裂隙或孔隙度变化、地下流体通道改变使地层的电性结构改变, 从而观测到了两年至三年尺度的地电阻率上升和下降.值得一提的是N54°W道在震前3个月(2008年2月12日)出现了加速上升一个多月后, 3月底到5月初持续在髙值变化然后发震(图 3).震前17小时的大地电场的高频扰动、以及从5月1日ELF观测到的电磁场功率密度谱的高值变化, 与韩鹏等[20]用主成分分析方法研究日本岩手县北部6.1级地震, 将较弱的信号地震电磁信息从较强的背景中分离出来, 得到了该信号在地震发生前两周出现了明显的异常, 以及与Hattoti等人[40, 41]基于谱分析的极化方法所得结果基本是一致的.值得一提的是日本岩手县北部6.1级地震活动是火山型地震, 伴随有岩浆的人侵和火山喷发, 地下电性结构变化可能较大, 使得内源感应场发生显著变化, 或者由于动电效应等直接在孕震区局部产生电磁信号, 从而导致了距震中较近的地磁台(MTK)的磁场日变形态出现异常.当然对于汶川Ms8.0级地震震前11天出现的很强震电信号, 可以理解临震阶段, 震源区地壳临近弱化, 应力的改变引起介质及其中的孔隙流体产生“海绵效应”[29’30], 可以激发出不同周期的电磁场异常信号, 然后在自由空间或地壳中实现远距离的传播[42~46], 当这个异常信号到达地电台站, 又与台站的环境磁场、电场谐波相互作用, 当与正常记录相位一致时就导致电场、磁场谐波幅度增强, 而与其相位差异较大时, 就会导致电场、磁场变化幅度减小、产生畸变.至于震前电场、磁场记录的高频、跃变等信息应该与震源区的动态激发关系更为密切, 引发地下流体迁移, 产生电动电位, 以及激发台站附近电磁场信号, 地应力、电阻率的变化等反映了强震前的动态效应[47, 48].

7 讨论和结论

地电场、地磁场、地电阻率虽然不是应力-应变的直接测量手段, 但其对微弱的应力-应变响应却有极好的敏感性[11], 本文记录到一定距离的强震孕育引起的电磁场异常, 强震前在微裂隙的发展过程中产生“机-电转换效应”引起了地电阻率、地电场、地磁场的强能量低频短周期扰动.

电磁谐波异常不仅在强震震源区可以记录到, 在远场电磁场记录中也有反映, 这为分析孕震机理及强震区电磁场信号的长距离传播提供了很好的研究平台, 而地震前电磁扰动信息的时间较短, 信息量的强弱与地震大小、方向, 震中距及台站的地质条件有关[47].扰动信息具有阵发性、方向性、不同步的特点[13], 需要确定观测区域静态结构模型和背景噪声, 为将来地震短临预测提供有效的依据, 这是以后工作深人的基础和重点.

分析可以得出以下结论:

(1)陇南武都汉王台观测到了两年~三年尺度各种长趋势的地电阻率上升和下降异常现象, 这是在地震孕育过程中岩石的应力变化, 使岩石弱化、产生新的裂隙或孔隙度变化, 各向异性度(S')年变化率幅度有震年份比无震年份要增大1.4~2.6倍, 表明震前岩石的各向异性增强; 临震前17小时大地电场出现了高频扰动.

(2)分析2008年1月至2009年1月该台ELF观测的电、磁场自功率谱, 0.5~39 Hz的电场、磁场自功率谱在多次地震临震前分别比正常月份约大1~3个数量级.在汶川8.0级地震及余震序列中, 电、磁场功率谱明显的突跳, 上升的幅度与震级大小、震中距等有关; 也震异常变化比正常月份大1~5个数量级, 这为地震预测提供了有效途径.

(3)环境噪声是影响电磁信号最大的因素, 尤其是电场信号, 该地区在几次停电的情况下, 电场功率谱都下降了2个量级, 而磁功率谱下降1个量级, 表明该点ELF资料受电网干扰明显.通过分析自2008年1月~2009年1月的电场记录数据发现, 在没有地震事件和停电现象发生的情况下, 电场功率谱密度的背景变化基本保持在0.2~0.3个数量级以内, 表明其电磁场背景干扰基本稳定.而汶川8.0地震前电磁场功率谱比背景值上升了几个量级, 远远超出其背景电磁场的变化范围, 观测到的电磁场这种相互对应的变化是汶川地震前的一种客观反映.同时, 由仪器观测的这些背景场的变化为以后ELF的布设环境提供参考数据.

另外N54°W道电阻率在汶川8.0震前(2008年2月12日)开始上升到发震后测值继续增大, 到2009年仍在持续增大, 应值得关注.

地震的孕育和发生是一个极其复杂的过程, 当前对这些地震电磁现象的认识和理解依然十分有限.希望本文对地震预测提出一些有益探讨.

致谢

对两位匿名审稿人以及赵国泽研究员、黄清华教授的有益建议深表感谢!资料由中国地震局地质研究所固体地球物理研究室野外地磁观测组和甘肃陇南中心地震台提供.

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