地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (12): 2887-2898   PDF    
汶川MS8.0大震前的电磁现象
范莹莹1 , 杜学彬1 , JacquesZlotnicki2 , 谭大成1 , 刘君1 , 安张辉1 , 陈军营1 , 郑国磊1 , 解滔1     
1. 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000;
2. UMR6525-CNRS-OPGC, 5 rue Kessler, 63038 Clermont-Ferrand, France
摘要: 本文应用最大熵谱估计方法(MEM)等处理了2008年四川汶川MS8.0地震震中周围电磁台的观测数据, 研究了地电、地磁场变化, 得到:(1)在汶川大震前, 位于青藏高原东北缘的电磁台记录了显著的自然电场变化、地电场功率谱值增大以及地磁场日变化波形畸变等电磁现象, 特别是地电场周期约小于3 h的低频成分的谱值增大了3个数量级以上.(2)在距离主震震中约500 km范围内, 记录了地电、地磁场低频谱值增大为主的电磁现象, 特别是距离主震震中最近的成都台地电场谱值增大了4个数量级.(3)震前电磁现象的时空分布与青藏高原的大震活动(包括2008年新疆于田MS7.3地震)有大空间尺度的构造关联性.本文讨论了电磁现象的机理, 认为在震前地下介质内部的微裂隙发展、定向排列过程中, 微破裂"机-电转换"作用和地下水运移等多因素引起了地电、地磁场变化.在本次大震前电磁现象的时空强图像很复杂, 可能原因是台站所在处的地下局部介质作用和震源孕育激发的电磁辐射引起了复杂的电磁现象.
关键词: 汶川地震      地电场      地磁场      变化     
The electromagnetic phenomena before the MS8.0 Wenchuan earthquake
FAN Ying-Ying1, DU Xue-Bin1, Jacques Zlotnicki2, TAN Da-Cheng1, LIU Jun1, AN Zhang-Hui1, CHEN Jun-Ying1, ZHENG Guo-Lei1, XIE Tao1     
1. Lanzhou Institute of Seismology of China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
2. UMR6525-CNRS-OPGC, 5 rue Kessler, 63038 Clermont-Ferrand, France
Abstract: We studied the changes of the geo-electric and geo-magnetic fields for the MS8.0 Wenchuan earthquake of 2008 in Sichuan Province, China, and got the following understandings:(1) Significant anomalies of the geo-electric and geo-magnetic fields, which included the self-potential changes, the increased Power Spectrum Density (PSD) of the geo-electric field and the waveform distortion of the geo-magnetic field diurnal variation, were recorded along the Northeastern edge of the Qinghai-Tibet Plateau before the MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008, and especially, the PSD anomalies of low frequency components with periods less than about 3 hours (T < 3h) of the geo-electric field increased by 3~4 orders of magnitude. It obviously shows the tectonic relevance between the great earthquake activity in the Qinghai-Tibet Plateau, the MS7.3 Yutian earthquake in Sinkiang and the Wenchuan earthquake, and the geo-electromagnetic anomalies in a large spatial range. (2) In the range of about 500 km from the MS8.0 Wenchuan earthquake, the PSD anomalies of mainly increased T < 3 h low frequency components of the geo-electric and geo-magnetic fields were recorded. In particular, at Chengdu station which was 35km from the earthquake the PSD anomaly of the geo-electric field was increased by 4 orders of magnitude, and yet, the anomalies appeared spatially non-uniformly and non-synchronously around the focal region and had some great differences in amplitude. The mechanism for the anomalies is studied, as a result, it can be understood that in the processes of the non-linear development of numerous micro cracks and their directional arrangement in the media of the focal region before the earthquake, such influencing factors as the underground water migration and the electro-mechanical transformation function and so on induced the geo-electromagnetic anomalies, and the focal process of the earthquake and the local media action under these geo-electromagnetic stations led to the spatially, temporally complicated evolution of the geo-electromagnetic anomalies..
Key words: Wenchuan Earthquake      Geoelectric field      Geomagnetic field      Change     
1 引言

地球电磁场包括地电场和地磁场,地电场由大地电场和自然电场两部分组成.大地电场、变化磁场是固体地球外的空间各种电流体系在地球介质内部感应产生的,自然电场是地壳中的物理、化学过程引起的局部稳定的电场.国际上十分重视地电、地磁场观测在地震与火山监测中的应用,许多学者报道了被认为是前兆现象的地电、地磁场在时域和频域内的变化[1~10].同时,在电磁前兆现象的生成机制、传播机理方面做了大量的加载实验和理论研究工作[11~23].这些有益工作证明了地震电磁前兆现象的可观测性.近年来,国际上实施了以地震监测预报为目的的空间对地电磁观测[24~26],有学者报道了被认为是与地震有关的电离层电磁现象[27, 28].地面和空间的立体电磁观测无疑将推进电磁方法在预测预报地震等灾害事件中的应用.

2008年5月12日在中国四川发生了汶川MS8.0大震,本次大震及强余震发生在青藏高原东缘的NE向龙门山构造带.在地震周围沿青藏高原东缘、东北缘和北缘分布有中国地震局建设的几十个电磁观测台,其中包括地电阻率、地电场、地磁场、电磁扰动和极低频(ELF)电磁场观测.除此之外,在青藏高原东北缘的甘肃天祝地区还分布有中国地震局兰州地震研究所(CEA-LIS)与法国国家科学研究院克莱蒙费朗地球物理观象台(CNRS-OPGC)合作建设的两个地电、地磁场同场地观测台.这些台距离汶川主震的震中几十~1000km左右.汶川大震发生后,杜学彬[29]研究了主震前中期阶段的地电阻率变化,汤吉,Huang等[30, 31]研究了强余震前武都台极低频(ELF)电、磁场同震变化现象等,赵国泽等[32]基于该区深部电性结构研究了主震发震机制.考察主震前后上述台中地电场、地磁场台的观测结果,在主震震前约半年内,一些台观测到了很有意义的地电、地磁场变化.尽管基于这些变化还不足以对本次大震实施短临预报,但研究这些变化的时空强分布图像和原因,对识别本次大震前的电磁现象和今后的地震短临预报有启示,有助于探索、认识地震电磁现象的复杂性.

2 台站基本情况

逐一分析本次地震周围所有电磁台的观测环境有难度,所以本文研究距汶川主震约500km范围内的四川省成都(CDU,35km)、甘孜(GAZ,331km)、西昌(XCM,360km)、泸沽湖(LGH,441km)、甘肃武都(WDH,297 km)等5个地电场台和四川(XCM)、平地(PDI,555km)地磁台(图 1)观测的地电、地磁场变化.距主震500km范围内的天水地电场台和距主震最近的四川成都地磁台等运行状况或观测环境有待考证,文中未应用这些台的观测数据.

图 1 震中和台站分布图 Fig. 1 Distribution of epicenters and stations

法国CNRS-OPGC与中国CEA-LIS合作建的松山(SHN)和代乾(TIA)电磁观测台的测量仪器、电极性能较长期的稳定.两个台观测场地环境很优越,近几年附近发生了多次中强地震,地电、地磁场变化明显[4~6],可比对分析汶川大震前的地电、地磁场变化.同时,两个台是地电场、地磁场同场地观测,有益于震前电、磁场变化的电磁综合研究,所以,尽管两个台距离主震较远(SHN台683km,TIA台669km),仍重点研究了两个台的观测结果.在2008年10月检查两个台运行状况时发现个别测道可能出现了外线路故障,因此,对汶川地震前、后的观测数据进行了仔细考证,研究中应用了装置系统正常运行的测道的观测数据.

据已有的研究,地电、地/磁场主要反应了地震短临信息[1~6],所以研究中选取观测资料的时段一般为2008年1月至震后一段时间.个别台受装置系统、观测环境的影响,选取资料的时段晚于2008年1月.

3 观测数据与处理方法

中法合作的SHN和TIA台地电场和地磁场观测为10s采样率,产出数据为电场和磁场测值.因数据量大,应用分钟均值和小时均值分析自然电场、大地电场和变化磁场的变化波形.国内台站地电场观测产出电场分钟测值,地磁场观测主要产出分钟测值.文献[6]应用最大熵谱分析方法(MEM)[33]计算了SHN台附近几次中等地震前的地电场、地磁场功率谱密度随时间的变化Sf)-t,结果表明MEM方法对提取频率域的地震前兆信息有效.文中先对地电、地磁场观测数据的时间序列进行预处理,然后应用MEM方法计算汶川地震前、后的地电、磁场的谱密度变化.

文献[34, 35]应用MEM方法计算了河北省昌黎台2003年5月、上海崇明台2002年6月、甘肃嘉峪关台2004年8月等3个台各1个月的地电场两个正交水平分量的观测数据,研究了地电场日变化的主要频谱,得到:在不同年份、不同月份和在经纬度差异大的广大区域,地电场功率谱密度最显著的周期依次为12h、24h和8h,与其他学者的类似研究结果[36, 37]吻合.可以得到这样的认识,地电场日变化的半日波成分最强,是日变化的主要周期成分,具有大区域的广域相似性,表现在时间序列上是日变波形主要为“2峰-2谷”或“2谷-2峰”.其次,全日波和8h周期成分也具广域性.文献[38, 39]应用快速富氏变换(FFT)和离散富氏分析(DFT)方法计算了不同地区的磁静日地磁场日变化的振幅谱,结果表明地磁场静日变化主要为24h、12h和8h周期成分,表现在时间序列上主要为“1峰-1谷”或“1谷-1峰”的全日波最强,其次为半日波和8h周期成分.因此,在通常情况下,地电场日变化半日波最强、地磁场全日波最强的特点可作为识别地震前地电、地磁场日变化波形畸变现象的依据.

4 汶川地震前地电、地磁场变化 4.1 中法国际合作电磁台 4.1.1 松山电磁台(SHN台)

SHN台建于1994年10月.地电场观测是在地面上沿NS、EW向各布3个测道,极距为90~290m,观测使用法国产的固体不极化电极和测量仪器,电极埋深2m以下,电场外线路埋深30cm以下.地磁场观测X分量和Y分量,是相对测量.测量仪器频率范围为0~0.5 Hz,磁场分辨率0.01nT,电压分辨率为4.7μV,仪器工作电源由太阳能板充电12V蓄电池,每天连续观测.台站有人看护、无人值守. SHN台建在海原-六盘山断裂的破碎带上,据长期的多学科地震前兆观测实践证明,在这个特殊构造位置宜观测到地震短临前兆[40~43].同时,岩石实验表明,在这个部位的介质其应力扰动敏感[44].该台观测场地为牧民草场地,布极区开阔、平坦,无灌溉,周围几十公里无工厂和大型电器设备等低频电磁干扰源,电磁环境很优越.

图 2a是SHN台磁场X分量2008年4月13日~5月13日的小时均值曲线.由图可见,从4月23日(约震前19天)起,磁场X分量发生了日变化波形畸变现象,表现为从4月23日开始磁场强度减小,后逐步增大变化,最大变化幅度减小了超过60nT.其次,原先的“1峰-1谷”日变化波形变得有些紊乱,叠加了磁场低频扰动成分.大致从5月9日(震前3天)开始,这种波形畸变现象消失.2008年3月~5月间磁情指数低,磁场波形畸变现象不是磁暴引起的. 图 2b是2008年1月1日至6月初的SHN台地电场N1S1测道的小时均值曲线.从2008年3月21日新疆于田MS7.3地震前夕至汶川大震前约50多天的时间(3月17日~5月9日),自然电场VSP发生了大幅度的变化,最大变化幅度约130mV/km.因VSP变化幅度大,压制了日变化波形,难以辨别地电场日变波形畸变现象,但大致可看出,从于田地震前几天开始地电场低频扰动成分增强,汶川MS8.0大震前夕自然电场变化恢复,低频扰动现象消失.在于田地震前4天内,地电场出现了约30mV/km(分钟均值大于50mV/km)的脉冲变化,类似VAN方法的地震电信号SES[1].文献[45]认为,对此类变化应分析人为噪声、随机性、与事件的相关性等因素,在目前陆基观测电磁污染较普遍的情况下考虑这些因素有助于甄别可信的前兆.SHN台观测场地电磁环境很优越.在此变化出现之前的2.5个月内无此类脉冲变化,且脉冲变化与于田地震时间上紧密关联,所以,此脉冲变化不是随机、人为干扰.该台距离于田地震1956km,临震前出现脉冲响应的可能原因将在下文讨论.

图 2 汶川地震SHN地磁场(a)、地电场(b)变化和地电场MEM时-频图(c) Fig. 2 Changes of geomagnetic field (a) and geoelectric field (b) and the MEM time-frequency curve of geoelectric field (c)

应用MEM方法计算了图 2b数据的谱密度随时间变化Sf)-t图 2c).计算时用每5天连续的数据构成1个时间序列计算Sf)-t变化,按抽样定律,截止频率为fc≤1/2h(以下低于fc成分统称为“低频”).图中纵轴是应用5天连续的数据计算的谱密度值Sf),然后取对数LgSf)).横轴坐标是日期,在每一方格内是ffcSf)~t变化(在方格中,向右边f→1/2h,向左边f→DC).由图可见,在2008年2月15日~3月15日,约周期小于3小时(T < 3h,见图 2c)的低频成分谱值比2月15日前减小约1个数量级;在3月16日~5月9日约50天内,各频段的谱值都增大,特别是T < 3h低频成分谱值比3月16日前增大了1~3个数量级.5月10日(汶川地震前2天)开始谱值大致恢复到3月16日前的水平.为了更清晰地表示图 2c的谱变化,用surfer软件绘制了图 2c谱值的等值线图,即三维时-频色图Sf)~t图 3a).比较图中3月16日前与3月17日~汶川地震发生这两个时段,在后一时段内各频段的谱值都显著增大,震后明显减小,且小于3月16日以前.总的看来,汶川地震前出现了地电场谱值先增大约1~3个数量级、然后在临震前夕减小的谱变化.需指出,在于田地震前夕出现的地电场脉冲变化不如其后自然电场变化剧烈,但在3月16日~20日的5天内,周期T < 3h成分的谱值比此前突然增大近3个数量级(大约60dB),紧接震后谱值减小,表现出地电场谱变化响应了远距离的于田地震和汶川大震.

图 3 SHN(a)、TIA(b)、CDU(c)、LGH(d)、WDH(e)台MEM时-频色图 Fig. 3 MEM time -frequency drawings for SHN (a), TIA (b), CDU (c), LGH (d), WDH (e) stations
4.1.2 代乾电磁台(TIA台)

TIA台位于SHN台以西约80km,建于2000年10月.地电场观测布极方式、测量仪器、电极、外线路埋设同SHN台,电场极距125~375m.有人看护、无人值守.地质构造上位于海原大断裂破碎带,观测场地为开阔、平坦的牧区草场地,无灌溉,附近无工厂、大型用电设备等,电磁环境很优越.

图 4a为TIA台电场N1S1测道2008年3月6日~6月13日的小时均值曲线.由图可见,从4月17日(约汶川地震前27天)开始,自然电场VSP发生了大幅度的上升变化,至4月25日前后最大变化幅度超过120 mV/km,起始变化日期与SHN台VSP显著下降变化的起始日期(4月17日)吻合.因VSP变化幅度大,不能辨别波形畸变现象,但可识别出在VSP变化上迭加了低频成分.应用MEM方法估算了Sf)-t变化(图 4b).从2008年4月15日开始,各频点谱值都显著增大,特别是在4月15~19日的5天内,约T < 3h的低频成分谱比此前增大了4个数量级之多,超过80dB,然后逐渐减小,在汶川地震前夕减小到接近4月15日前的谱值.应用图 4b数据勾绘了Sf)-t时-频色图(图 3b).由图可见,在4月15日汶川大震发生的时段,谱值增大现象十分显著,大于图中其他任何时段的谱值.4月15日起的5天内谱值最大,后逐步减小,汶川地震后恢复到4月15日前的谱值.

图 4 汶川地震TIA地电场变化(a)及时-频图(b) Fig. 4 The change curve (a) and the time-frequency curve (b) of geoelectric field for TIA station

总的看来,在汶川大震前夕,中法合作的SHN和TIA台地电场谱Sf)增大现象十分显著,且两个台的谱变化过程吻合,即谱值特别是T < 3h的低频成分的谱先增大3~4个数量级,在大震发生前夕,谱值较同步的减小,不过两个台谱值增大的起始日期有差异.震前两个台自然电场VSP变化十分显著,TIA台变化幅度最大达120mV/km,SHN台达130mV/km,且4月17日TIA台开始VSP大幅度增大、SHN台VSP大幅度减小,在地震发生前夕这些VSP异常恢复或在震后即刻恢复,表现出与汶川大震不无关系.此外,在SHN台记录了地磁场日变化的波形畸变现象和远距离新疆于田地震对应的地电场脉冲变化.

上述电磁现象与以往震例类似.在甘肃永登MS5.8地震(1995)前7天内,SHN台(84km)记录了显著的地电、地磁场日变化波形畸变现象[5, 6];在甘肃民乐-山丹MS6.1(2003)地震前12天内,SHN台(256km)和TIA台(182km)记录了显著的地电、地磁场日变化波形畸变现象[46].表现为:在日变化上迭加了丰富的低频成分,干扰了正常的日变化波形,在震后1~2天波形畸变现象消失,恢复了原日变波形.文献[6, 46]分别计算了这两次地震前、后SHN和TIA台地电、地磁场谱变化Sf)-t(计算方法同上),得到:在波形畸变时段,约T < 3h周期成分的谱Sf)增大了1~2个数量级,特别在民乐-山丹地震前谱值增大超过了2个量级(大于40dB),但增大幅度小于汶川地震前夕,且震前持续时间短.

4.2 国内电磁台站

在2008年4月中旬,CDU和WDH两个台的NS、EW两个测道出现了约10mV/km至几十mV/km的自然电场VSP矩形下降,持续不到10天.考察多台的地电场观测数据,以往屡次出现此类变化,多数不对应地震,所以这两个台VSP矩形下降变化的原因还有待考证.其次,分析汶川大震前两个台的地电、地磁场日变化波形畸变现象很困难.应用MEM方法计算了CDU、LGH、WDH台地电场和XCM、PDI台地磁场的谱随时间的变化Sf)-t,其中4个台在汶川大震前不同程度地出现了谱值增大现象,仅1个台出现谱值减小现象.

CDU台距离主震最近,震前地电场谱值Sf)显著增大(图 5a),具体表现是:①在1月16日至汶川主震发生的时段(近4个月),各频点的谱值都出现了增大、减小的起伏变化,主震后谱值变化较平稳.可能是该台距离主震十分近,受震源孕育过程的影响大.②大致从震前4月10日起,低频成分,特别是T < 3h成分的谱值比此前近40天内显著增大,最大增大了3个数量级之多,4月30日开始(震前12天)谱值减小到最小.③紧临新疆于田MS7.3地震前后,谱值密集的增大、减小交替变化,显示与于田地震远距离的关联.CDU台时-频色图(图 3c)清晰展示了上述地电场谱变化的特点.

图 5 汶川地震CDU(a)、LGH(b)和WDH(c)台地电场MEM时-频图 Fig. 5 MEM time-frequency curves of geoelectric field for CDU (a), LGH (b) and WDH (c) stations

在震前的4月10~24日,LGH台地电场低频成分谱值最小,4月25日起5天内谱值增大了1个数量级以上(在同日期内,CDU台谱值显著增大),4月30日起减小恢复(与CDU台同期减小),汶川大震发生在谱值恢复后的时段,主震后谱值变化较平稳(图 5b图 3d).WDH台地电场4月30日后的10天内低频成分谱值增大(同CDU台谱值开始减小的日期),最大约2个量级,在5月10日后的近3个月的时段内,谱值变化较平稳(图 5c图 3e).

图 6(a~d)分别是XCM、PDI地磁台2008年4~5月的地磁场MEM谱的时-频图和时频色图(XCM台是图a和c,PDI台是图b和d).从4月21日开始,两个台的磁场约T < 3h的低频成分谱值增大了1个量级,后同步地逐渐减小,汶川大震前夕恢复到4月21日前的情况.这两个台相距200km左右,在谱值增大-减小恢复期间,磁情活动不强,但两个台磁场谱值变化的过程很相像,据了解期间无明显的观测环境影响.

图 6 汶川地震XCM(a、c)、PDI(b、d)台地磁场MEM时-频图 Fig. 6 MEM tim-frequency curves (a, b) and color drawings (c, d) of geomagnetic field for XCM (a, c) and PDI (b, d) stations

由上述距离汶川大震主震约500km范围内的5个台地电、地磁场的时-频分析看,在震前4个台出现了电、磁场谱值Sf)增大的现象,且在临震前夕减小恢复,震后谱值变化较平稳,与SHN和TIA台的谱变化吻合.不过,5个台又表现了谱变化的时空强复杂性:① CDU台地电场谱值是增大、减小交替的变化,LGH台地电场谱值是减小-增大的变化,WDH台电场谱值是增大变化;② 3个台电场谱值的增大幅度有差异,CDU台谱值的增大现象最显著;③ CDU、LGH和WDH台地电场谱值增大、减小的日期不同步,XCM和PDI台地磁场谱值增大与前3个台电场谱值增大、减小不同日期.另外,在距离主震震中500km范围内的其他台站中,有的台因观测环境影响地电、地磁场没有出现响应汶川地震的谱变化现象,有的台虽无观测环境影响但也未出现响应变化.

应用MEM方法计算了SHN、TIA等2个台和CDU等5个台每天的电、磁场分钟值的谱变化,可分辨的频率为fc≤1/2m(周期T≥2m成分).分钟值谱变化Sf)-t与小时值谱变化类似,由此得到:在汶川主震前,地电、地磁场的频谱响应主要是周期约3h~2min的低频成分.

5 汶川地震前地电、地磁场变化的可能原因 5.1 震前地电、地磁场变化的起因

在汶川MS8.0地震前十几天至近4个月,出现了两种电磁信息:一种是准直流、慢变化的自然电场VSP异常,一种是快变化的地电、磁场低频成分的谱值增大、减小和地电场脉冲变化以及地磁场波形畸变的现象.以下讨论此类地震电磁前兆现象的可能原因.

一般认为,产生自然电场变化的物理、化学作用主要是氧化还原作用和地下水的渗流过滤、不同溶液间的接触扩散作用.前者称为氧化还原电场,属于电子导电机制,后二者称为过虑电场和接触扩散电场,属于离子导电机制.相关学者关于两种导电机制给出了特定结构、介质电性参数模型的定量计算结果[36],在研究地震、火山喷发前的自然电场变化的生成机制方面联系了水的作用[11, 12].可以认为地震前地下介质内部微破裂发育造成的水的迁移是引起VSP前兆信息的最主要原因之一,问题在于震前能否构成地下水迁移的条件?国内外报道了许多地震发生前或火山喷发前观测到的低频电磁辐射异常,为了探索异常的物理机制进行了加载实验研究[13~21, 47],在实验中观测到了岩样破裂前的电磁辐射信号,为已观测到的地震与火山喷发前的电磁辐射现象提供了依据.电磁辐射从物理起因上归结为压电效应、压磁效应、感应电磁效应、动电效应、热磁效应等[47, 48].汶川地震前出现的电磁辐射是频率相对很低甚至于准直流的成分,其产生机制就显得比较模糊.

据文献[29],地震前自然电场的变化、电磁辐射现象可以联系介质的两个物理作用:第一是在介质内部的微裂隙的非线性发展,第二是微裂隙的定向排列或优势取向.据文献[29, 49],在强地震孕震晚期阶段(震前1年尺度至几个月),在震源区及附近,地电阻率异常的幅度和持续时间随震级增大而表现为非线性的关系:对于小震级地震,异常幅度增大不快,而异常时间增长较快;对于大震级地震,异常幅度快速增大,而异常时间增长不快.这种非线性关系由实际震例揭示了介质内部的微裂隙非线性发展的事实,支持了IPE模式关于震源区介质内部的微裂隙雪崩式发展的预言[50]和孕震后期震源区介质内部微破裂数目非线性增加的推断[51].文献[29, 52, 53]研究了中等以上地震孕震晚期阶段、近震中区的视电阻率各向异性变化,得到视电阻率变化的根本原因是介质变形,在介质变形过程中微裂隙定向排列或优势取向的结论.由此来看,在强地震孕震晚期,在震源区及附近的介质内部真的存在微裂隙非线性发展、定向排列或优势取向的介质物理过程. DD模式[54, 55]强调了地下水在震源区及附近介质中的作用,文献[29, 53]强调了上述介质过程中水对视电阻率变化的显著贡献.因此,本文认为:在孕震晚期阶段,在震源区及附近的介质内部发生了微裂隙非线性发展、定向排列或优势取向的介质过程,沟通了水的运移,引起了电子导电、离子导电机制的自然电场变化;在这个介质过程中,同步地发生的“机-电转换”作用、水运移等伴随的多种因素激发了低频的强电磁辐射现象.这种低频强辐射干扰了地电、地磁场日变化的日变化波形而出现了波形畸变现象,反应在Sf)-t时-频图上是低频成分的谱值数量级增大的强电磁辐射现象.

5.2 震前地电、地磁场变化的空间不均匀性

震前电磁现象时空强分布的不均匀性问题相当复杂,文献[1, 9, 20~23, 56, 57]从观测资料、物理模拟和数值模拟等方面研究了电磁信号的传播途径,有助于对以上问题的理解.然而,汶川地震前地电、地磁场变化的时空强不均匀分布又揭示了两个问题:(1)汶川MS8.0大震发生在青藏高原东侧的龙门山断裂带,新疆于田MS7.3地震发生在青藏高原西缘与塔里木盆地的交界地区,SHN和TIA台位于青藏高原东北缘的祁连山构造带,从大地构造上两次大震的震中、台站与青藏块体相关联(图 1).在汶川大震前,SHN和TIA台观测到了显著的自然电场变化、地电场T < 3h低频成分的谱值增大和地磁场波形畸变的现象.特别是SHN台谱值增大起始于于田地震前夕,结束于汶川地震前夕,且在于田地震前夕SHN台出现了地电场脉冲变化、CDU台出现了地电场谱值密集交替变化.显然,两个台的电磁场变化对应两次大震活动.两个台距离汶川主震近700km,距于田地震1900km左右,且震中与台站之间无活动断裂沟通.什么原因引起了两个台低频电、磁场变化与两次大震的长程关联?(2)距离汶川大震约500km范围内的地电、地磁场观测表现出低频成分谱变化的时空强复杂图像,存在谱值增大或减小以及幅度、起始和结束时间的差异,且并非各个台均有异常.另外,SHN、TIA台相距约80km,同在海原-六盘山断裂带上,两个台到汶川主震的距离是台间距的9倍,但两台的地电场低频谱值增大的时段、幅度有差异,自然电场变化的起始时间不同.

针对上述问题,我们换个角度讨论汶川大震前的地电、地磁场异常的复杂分布问题.据文献[29, 40~43],在中国大陆中等以上地震前,地电阻率、地下流体等前兆异常的时空强分布图像的复杂性与震源区周围的活动构造分布有关,起因于地下介质的不均匀变形.汶川大震周围(约500km范围内)的电、磁场变化类似地电阻率、地下流体等前兆异常的分布图像.据本文5.1节分析,在震源区及附近的地下介质的变形过程中,介质内部的微裂隙非线性发展、定向排列或优势取向的作用是产生电磁现象的重要因素.参考“多点场”观点[58],这种介质过程也会发生在震源区周围的其他地壳部位(如活动断层上及附近),所以震源区以外的地壳特殊部位也会发生类似震源区的介质过程而激发宏观电磁现象.因此,本文认为在汶川大震周围记录的地电、地磁场低频成分的谱值增大现象是台站所在处地下介质局部激发的宏观电磁辐射现象.其次,震源区激发的电磁辐射通过特定的导电通道传播到台站[1, 21~23, 56, 57]的原因也不能忽略.CDU和LGH台4月25~29日地电场的谱值同期增大、XCM和PDI台地磁场的谱值同期增大-减小的现象可能属于后一种传播机制.距汶川大震远的SHN和TIA台地电场的谱值增大、自然电场变化、震前恢复现象和SHN、CDU台对应于田地震的谱值增大、交替变化或脉冲响应等可能是与青藏块体活动关联的大空间尺度的构造前兆,不是汶川大震和于田地震震源过程直接引起的.其次,在汶川大震前,沿青藏高原北缘、东北缘、东缘的地电阻率和电磁扰动观测也非各个显示异常,或异常不同步,它们也属于这类构造前兆.类似文献[29]提出的大区域的地电阻率异常时空丛集对应高地震活动水平的现象.

6 结论

(1)2008年四川汶川MS8.0大震前,在青藏高原东北缘的松山、代乾电磁台观测到了显著的异常电磁现象,包括大幅度的自然电场变化、周期约小于3h的地电场低频成分的功率谱密度增大了3个数量级以上和地磁场波形畸变等现象.特别是在松山台,电磁现象起始于青藏高原西缘的新疆于田MS7.3地震前夕,结束于汶川大震前夕,与两次大震活动在时间上明显对应.

(2)在距离汶川大震主震约500km范围内,观测到了以地电、地磁场谱密度增大为主,特别是低频成分的谱密度增大了1~3个数量级的电磁现象.在距离汶川主震震中最近的成都台,地电场谱值增大现象最显著.

(3)松山、成都台的地电场谱密度增大现象明显对应了汶川大震和2008年新疆于田MS7.3地震,表现了震前电磁现象的时-空分布与青藏高原大震活动有大空间尺度的构造关联性.

(4)产生地震电磁现象的可能原因是:在震前地下介质内部微裂隙非线性发展、定向排列或优势取向的介质物理过程中,沟通了水运移,引起了自然电场变化;同时,同步发生地“机-电转换”作用以及水运移等多因素激发了低频强电磁辐射现象,干扰了地电、地磁场的日变化波形,产生了波形畸变,并引起了电、磁场低频成分的谱值(能量)增大的现象.

(5)在汶川大震前,电磁现象的时空强分布很复杂,异常幅度差异大、起始时间不一致、空间上远近无规律.可能有两个原因:震前台站所在处的地下介质的物理过程激发了局部区域的低频电磁辐射,同时,震源孕育过程激发的低频电磁辐射现象传播到了台站.

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