地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (5): 1922-1937   PDF    
2008年汶川MS8.0地震前定点观测电磁异常回溯性分析
解滔, 刘杰, 卢军, 李美, 姚丽, 王亚丽, 于晨     
中国地震台网中心, 北京 100045
摘要:对2008年汶川MS8.0地震周围定点台站观测的电磁异常的相关研究进行了简要的回顾分析,以期加深对汶川地震孕震过程中电磁异常的解读.震中周围8个地电阻率台站震前出现不同形态的异常变化,结合震后地电阻率变化形态分析,仅近邻地震破裂带的成都和江油台异常变化符合已有的地电阻率孕震异常机理.在4月24日和5月9日大致沿南北地震带出现两条南北走向的低点位移线,成都台地磁转换函数、谐波振幅比、帕金森矢量和垂直极化强度等主要反映了地下介质电性在震前出现的异常变化;断裂带附近的地电场和电磁扰动在震前出现波形畸变和能量增强,距离较远的西昌台阵和天祝—松山台阵内地电场也出现功率谱能量增加和裂隙渗透方位角扰动等短期异常现象,甚至沿龙门山断裂带NE方向1300km外的河北电磁扰动台网震前数月也出现自观测以来最大幅度的异常变化.
关键词: 汶川地震      电磁数据      定点台站      地面观测      异常变化     
Retrospective analysis on electromagnetic anomalies observed by ground fixed station before the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake
XIE Tao, LIU Jie, LU Jun, LI Mei, YAO Li, WANG YaLi, YU Chen     
China Earthquake Networks Center, CEA, Beijing 100045, China
Abstract: This paper tries to take a retrospective analysis on the electromagnetic anomalies recorded by fixed stations prior to the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake, and to further understanding these anomalies during the seismogenic process. There were 8 georesistivity stations around the epicenter exhibiting different types of abnormal changes before the main shock. Combining analysis on the successive data after the shock, only the anomalies of Chengdu and Jiangyou stations, which are located near the rupture zone, can be explained by the existing geo-resistivity anomaly mechanism companying the seismogenic process. Two north-south geomagnetic vertical component minimum point shift lines appeared on April 24 and May 9, 2008, respectively, which are distributed approximately along the north-south seismic belt where the Wenchuan earthquake occurred. Some parameters extracted from geomagnetic data of the Chengdu station showed abnormal variations, including the transfer function, harmonic amplitude ratio, Parkinson vector, and vertical polarization intensity, which mainly reflect the underground conductivities. The geoelectric field and electromagnetic data near the rupture zone displayed phenomena of waveform distortion and energy enhancement. The geoelectric field recorded at the Xichang geoelectric monitoring array and Tianzhu-Songshan monitoring array also showed phenomena of power spectrum energy increases and disturbances of the fracture water penetration direction calculated from the geoelectric field data. Three stations in the Hebei electromagnetic monitor network, which was more than 1300km far from the epicenter in NE direction to the Longmen Shan fault, recorded the most obvious abnormal variations a few months before the earthquake since the 1980s.
Key words: Wenchuan earthquake    Electromagnetic data    Fixed station    Ground monitoring    Anomalous variations    
0 引言

2008年5月12日在四川沿龙门山断裂带发生汶川MS8.0地震,地表破裂从微观震中映秀镇开始沿着发震断裂朝北东方向扩展,破裂带总长度超过330km(黄媛等,2008),此次地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失.目前主要通过地震之前可能出现的地震活动性、地球化学、地球物理观测和宏观异常信息来对地震进行预测.在众多的观测数据中,电磁异常是对地震反映非常敏感的地球物理观测数据,已经为国内外大量震例所证实(黄清华,2005丁鉴海等,2006Thanassoulas,2007).

地震是应力持续加载并最终导致断层失稳的结果,伴随着应力应变的持续积累,岩土介质的物性参数会发生变化,孕震晚期会产生电磁辐射并引起电磁场变化.用于地震预测研究的地震电磁观测主要包括地电阻率(也称为视电阻率)、地电场、地磁场、电磁扰动(频段从甚高频至极低频甚至准直流)和卫星观测的空间电离层数据等(Parrot,1995赵国泽等,2007钱家栋,2010).地电阻率主要反映应力作用下介质变形诱发的微裂隙活动引起的电阻率变化(Mjachkin et al., 1975),20世纪50—70年代日本、苏联和美国分别在东京南部地区、加姆地区和圣安德列斯断层开展了与地震有关的地电阻率实验观测,并观测到了地震发生之前的异常变化和地震发生后短时间内的同震变化(Borsukov and Sorokin, 1973Mazzella and Morrison, 1974Yamazaki,1975Morrison et al., 1977).与地震有关的电场变化被称为地震电信号(SES, i.e. Seismic Electric Signal),主要反映孕震体介质临近破裂前微裂隙的生成和扩展以及流体在裂隙中的运移引起的电场变化,VAN小组根据地震电信号对发生在希腊附近的中强地震取得了较好的预测效果(Varotsos and Alexopoulos, 1984),震例和数值分析表明,由于地下电性结构的不均匀性,地震电信号存在选择性现象(黄清华和林玉峰,2010Huang and Lin, 2010).岩石物理学实验研究发现岩石破裂过程中会产生电磁辐射现象,频段覆盖甚高频至超低频很宽的范围,长周期辐射信号先于短周期信号出现(郭自强,1994钱书清等,1998),在许多强震前记录到了孕震晚期岩石新生微破裂及扩展过程中伴随激发的电磁辐射信号(Karakelian et al., 2002Matsushima et al., 2002Ujihara et al., 2004).地震孕育过程中,在构造应力作用下断层区域岩石磁化率和剩余磁化强度发生变化,从而引起孕震区域局部岩石圈磁场发生变化(黄平章等,1990陈伯舫,1998顾春雷等,2010),通过空间加密流动地磁测量分析由孕震作用引起的岩石圈磁场变化在年尺度地震危险区预测中取得了较好的效果(顾左文等,2017).随着地震空间对地观测技术的发展,观测到大地震前震中区及其周围区域上空电离层中电磁场和电子浓度发生异常变化(Parrot,2006Akhoondzadeh et al., 2010Xu et al., 2010Le et al., 2011),大地震发生时还观测到与地震波由震源区向外辐射传播过程相似的电离层由震中上空区域向外扩展的同震扰动变化(Zhao and Hao, 2015Cahyadi and Heki, 2015).地震电离层监测包括陆基台站和空基卫星观测系统,卫星观测先后有美国自1965年开始发射的DMSP系列极轨卫星,法国于2004年发射的DEMETER卫星,美国和中国台湾地区于2006年合作发射的COSMIC掩星地球大气探测系统.

中国自1966年河北邢台MS7.2地震后开始了规模化和规范化的地震电磁观测,至今已经在中国主要活动断裂带和人口密集的大中城市附近地震活动区建立了地电阻率、地电场、地磁、电磁扰动定点观测台网和流动地磁观测网,2018年2月2日发射了地震电磁卫星(CSES),目前正在进行人工源极低频电磁扰动的实验观测.在半个多世纪的连续观测和预测实践过程中,多次记录到了发生在观测台网内及附近大地震前(如:1973年炉霍MS7.6、1975年海城MS7.3、1976年唐山MS7.8、龙陵MS7.3/7.4、1990年共和MS7.0、1998年张北MS6.2、2003年大姚MS6.2、2008年汶川MS8.0地震等)突出的中短期异常现象(钱家栋等,1985汪志亮等,2002杜学彬,2010),并在一些地震前(如:1976年松潘—平武MS7.2、1988年澜沧—耿马MS7.6、1989年巴塘MS6.7、小金MS6.6震群、大同—阳高MS6.1震群、1990年天祝—景泰MS6.2、2003年民乐—山丹MS6.1、2013年芦山MS7.0、岷县—漳县MS6.6、2014年鲁甸MS6.5、2016年门源MS6.4地震等)做出了不同程度的年尺度预测(汪志亮等,2002杜学彬等,2013高曙德,2016顾左文等,2017).

2008年汶川地震是进入21世纪后截至目前为止中国大陆发生的最具破坏性的地震,由于龙门山断裂带在震前呈现弱活动性,震前沿断裂带未布设有密集的前兆观测台网.震中附近和较远距离的电磁观测数据在震前呈现出不同程度的异常变化,地震发生后人们针对这些变化进行了深入的分析研究,相继发表了一系列关于汶川地震前定点电磁异常变化的文章.震中周围地电阻率震前出现中短期下降异常(杜学彬,2010杜学彬等,2015张学民等,2009钱家栋等,2013朱涛,2013Lu et al., 2016),震前大致沿南北带出现两条地磁低点位移线,地磁转换函数、谐波振幅比、帕金森矢量和垂直极化强度等参数在震前也出现异常变化(王武星等,2009冯志生等,2013龚绍京等,2015张凌等,2016),地电场存在能谱增加和方位角偏转现象(高曙德等,2010范莹莹等,2010谭大成等,2012安张辉等,2013),断裂带附近电磁扰动观测出现能量增强和波形幅值增加,甚至1300km外的河北电磁扰动台网震前数月观测到显著的高值异常现象(丁跃军等,2009高曙德等,2010Li et al., 2013, 2016).至此汶川地震发生十周年纪念之际,本文拟对上述定点台站观测数据震前异常现象的研究结果进行回溯性分析.

1 汶川地震前的电磁异常现象

汶川地震发生在龙门山构造带中央主断层上(图 1),微观震中位于汶川映秀镇.受印度板块持续向北的推挤和巨大高差产生的重力作用下,青藏高原东部呈现物质向东移动.龙门山断裂带位于巴颜喀拉块体的东边界,是巴颜喀拉地块与四川盆地的推覆碰撞带,主要由3条大断裂构成,自西向东分别为龙门山后山断裂、龙门山中央主断裂和龙门山山前断裂.沿巴颜喀拉地块南北边界发生多次走滑型大地震(张培震等,2003),地块东部区域与南北相邻地块向东移动的差异性显示四川盆地对巴颜喀拉地块向东移动巨大的阻挡作用.巴颜喀拉地块持续向四川盆地方向推挤,造成龙门山地区地貌隆升,地块内部邻近龙门山断裂带西侧的川西高原先后发生1933年叠溪MS7.5大地震和1976年松潘—平武两次MS7.2大地震,显示龙门山断裂带附近已经积累了巨大的应变能(闻学泽等,2009张培震等,2009).

图 1 汶川地震区域构造与震中周围定点电磁台站分布 Fig. 1 Regional tectonics of the Wenchuan earthquake and distribution of ground fixed electromagnetic stations around the epicenter
1.1 定点电磁观测

地震发生时震中附近定点电磁观测台站分布如图 1所示,据中国地震台网中心前兆观测数据库,震中600 km范围内运行有15个地电阻率台站、30个地磁台站(含科学台阵)和14个地电场台站(表 1).地电阻率观测采用对称四极观测方式,同一台站在地表布设2—3条不同方向测道,观测极距AB通常在500~1500 m之间,每小时观测一次;地电场观测布极采用长短极距方式,即同一方向同时布设长极距和短极距观测.通常在地表沿EW和NS布设两个方向,另加一条NW或NE方向共计3个方向的观测,布极方式采用“十”字型或“L”型,观测极距通常在200~450 m之间,采用不极化电极,每分钟观测一次;地磁台站主要采用感应式磁力仪观测地磁垂直分量Z、水平分量H和磁偏角D三个分量的相对变化,部分台站仪器有地磁绝对观测,多数仪器进行分钟采样观测,部分仪器为秒采样观测.

表 1 2008年汶川MS8.0地震前震中600 km范围内定点电磁观测台站 Table 1 The electromagnetic stations within 600 km from the epicenter of the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake
1.2 地电阻率异常

在汶川地震前成都、江油、甘孜、冕宁、红格、武都、天水和固原台出现了较为显著的异常变化(杜学彬, 2010, 2015张学民等,2009Huang,2011钱家栋等,2013朱涛,2013Lu et al., 2016).成都台N58°E和N49°W两测道地电阻率2006年之前几年数据变化相对平稳,存在清晰的年变化特征,且NE测道年变形态更为稳定.自2006月8月开始,NE测道出现年变畸变并持续性下降至2008年1月底,累计下降幅度6.7%,之后开始转折回升,地震发生后数据持续恢复,NW测道无异常变化,地震发生时NE和NW测道分别记录到0.61%和0.39%的同震下降变化(图 2a, b).甘孜台N30°E测道自2006年开始趋势下降,但年变形态清晰,震前累计下降幅度约4.9%,地震发生后原有变化趋势未改变;N60°W测道自2003年就开始趋势下降变化,年变形态清晰,震前累计下降幅度约8.3%,地震发生后原有变化趋势也未改变(图 2c, d).江油台N70°W测道自2006年8月开始出现下降变化,下降幅度约1.1%,N10°E测道震前无明显变化.在地震当天,N70°W和N10°E测道分别记录到了3.9%和5.3%的同震下降变化,之后观测数据开始恢复上升(图 2ef).冕宁台EW测道自2007年7月至2008年2月出现持续性下降变化,下降幅度约23%(图 2g),NS和NW测道无显著变化.武都台EW测道年变形态清晰稳定,自2007年2月开始呈现趋势上升,未出现年变畸变现象,地震发生后数据原有变化趋势未改变,截至2010年年底上升幅度约8%(图 2h),NS和NE测道震前无明显异常变化.天水台EW测道2008年3月底出现阶跃性上升短期变化,上升幅度约1.5%,地震发生后观测数据维持高值状态至5月31日,之后出现阶跃性下降变化,数据恢复至之前的观测状态(图 2i).固原台EW和N45°E测道2008年3月开始出现大幅度上升并伴有大幅波动的短期异常变化,NE测道上升幅度约18%,EW测道上升幅度约1%,地震之后数据维持高值波动状态,10月呈现阶跃性下降并恢复至3月之前的正常状态(图 2j, k).红格台PS-100仪器观测的地电阻率2008年4月30日—5月12日5时记录到了被认为是地震前的HRT波短临异常,在临震前的5月12日2时至6时下降幅度到达到1%,超过平时观测标准偏差的10倍(钱复业等,2009).

图 2 汶川地震前震中周围地电阻率异常变化 (a)成都台N58°E测道日均值观测数据;(b)成都台N49°W测道;(c)甘孜台N30°E测道;(d)甘孜台N60°W测道;(e)江油台N10°E测道;(f)江油台N70°W测道;(g)冕宁台EW测道;(h)武都台EW测道;(i)天水台EW测道;(j)固原台EW测道;(k)固原台N45°E测道. Fig. 2 Georesistivity data anomalies around the epicenter of Wenchuan earthquake (a) Daily average data of N58°E direction at Chengdu station; (b) Data of N49°W direction at Chengdu station; (c) Data of N30°E direction at Garzê station; (d) Data of N60°W direction at Garzê station; (e) Data of N10°E direction at Jiangyou station; (f) Data of N70°W direction at Jiangyou station; (g) Data of EW direction at Mianning station; (h) Data of EW direction at Wudu station; (i) Data of EW direction at Tianshui station; (j) Data of EW direction at Guyuan station; (k) Data of N45°E direction at Guyuan station.
1.3 地磁异常

2008年4月24日中国大陆出现低点位移现象,Z分量日变波形低点时间突变分界线介于103°E—110°E之间(图 3),5月9日再次出现低点位移,两次低点位移线均大致沿南北地震带走向分布(王武星等,2009袁桂平等,2015).5月9日,中国大陆有13个地磁台站Z分量日变化形态出现“双低点”异常现象,这些异常台站大致沿三条交汇于四川西部的条带分布(胡久常等,2009).选择震中周围地磁台站磁静日Z分量数据进行时频分析(何康等,2013徐康生等,2014),结果显示成都台震前低频成分出现能量增强现象(图 4a).垂直极化强度(垂直分量和水平分量的比值Z/H)用于判断地磁变化是否源自地球内部,地震前成都台垂直极化强度出现大幅度上升变化(图 4b),短周期成分更为明显(张凌等,2016).成都台地磁转换函数震前存在一定的上升异常,帕金森矢量指向龙门山断裂带,但方向较之前的NNW逆时针偏转至NW方向(图 4c),且帕金森矢量长度变长(龚绍京等,2015).地磁谐波振幅比与地下介质电阻率之间存在联系,成都台地磁谐波振幅比2006年下半年开始下降变化,部分短周期成分2007年开始转折恢复(图 4d),且短周期成分同步性较差(冯志生等,2013).消除人为活动干扰和太阳活动背景变化后,成都台ULF频段地磁垂直分量Z、磁偏角D、总场强度F和水平分量H在震前一天出现了超过数十倍标准方差的大幅度突变(曾小苹等,2011).区域岩石圈磁场分析显示龙门山断裂带存在北东走向条带状的负异常,主震和余震均位于弱负异常区内(冯丽丽等,2012).

图 3 汶川地震前地磁低点位移 4月24日和5月9日低点位移线(王武星等,2009);(b) 4月24日低点位移线两侧地磁Z分量波形. Fig. 3 Geomagnetic minimum point shift lines before Wenchuan earthquake (a) Two minimum point shift lines appeared on April 24 and May 9, 2008, respectively (Wang et al., 2009); (b) The Z component data on both sides of the line on April 24.
图 4 汶川地震前成都台地磁异常 (a)成都台地磁Z分量滤波及功率谱(何康等,2013);(b)成都台地磁Z/H比值(张凌等,2016);(c)成都台帕金森矢量变化(龚绍京等,2015);(d)成都台地磁谐波振幅比(冯志生等,2013). Fig. 4 Geomagnetic anomalies of Chengdu station before Wenchuan earthquake (a) The Z component after filter and its power spectral (He et al., 2013); (b) The geomagnetic Z/H of Chengdu station (Zhang et al., 2016); (c) The Parkinson vector of Chengdu station (Gong et al., 2015); (d) Geomagnetic harmonic amplitude ratio of Chengdu station (Feng et al., 2013).
1.4 地电场异常

除震中周围分布较为稀疏的地电场台站外,还分别在青藏高原东北缘架设有天祝—松山台阵(由多个相距较近的台站组成)和在四川南部地区架设有西昌台阵.其中天祝—松山台阵包括古丰、黄羊、红沙、松山和寺滩5个台站;西昌台阵包括西昌、泸沽湖和盐源3个台站.由于地电场数据包含有相对稳定的自然电场和受空间电流系影响的感应电场,分析时扣除了Kp指数和Dst指数显示显著扰动时段的数据.从地电场变化波形分析的角度,武都、盐源、平凉和泸沽湖台(图 5a, b)3月至5月11日期间相对之前平稳变化出现了较大幅度的间断性变异或高频扰动现象(高曙德等,2010安张辉等,2013).从信号能量的角度,采用小波能谱方法、最大熵谱分析方法和希尔伯特-黄变换时频分析方法处理地电场数据,松山、代乾(图 5c, d)、武都、成都、泸沽湖和天水台2008年2月至5月期间出现能谱显著增大的现象(范莹莹等, 2010, 2014刘君等,2011安张辉等,2011).通过计算地电场的矢量方向,平凉、成都和泸沽湖地电场矢量方向震前出现大幅度偏转(图 5e),震前方向大致沿NE方向分布(安张辉等,2013).地电场变化与测区地下介质裂隙水渗流引起的导电性有一定的关系,汶川地震前西昌和天祝—松山台阵内都存在场地裂隙水渗流方向的临震变异现象(图 5f, g),西昌台阵变化更明显(谭大成等, 2012, 2013).泸沽湖和盐源台裂隙水渗流方向在2008年2月开始出现扰动,4月26日开始扰动幅度增大,表明临震前场地地应力处于不稳定状态,且4月26日—5月11日期间两台站地电场波形还出现间断性畸变现象.天祝台阵内5个地电场台站在4月5日至5月10日期间有同步的间断性小幅高频扰动和跃变现象,黄羊、红沙和松山台裂隙水渗流方向震前有扰动变化,寺滩和古丰台则基本稳定.

图 5 汶川地震前的部分地电场异常 (a)武都台NE分量地电场;(b)武都台NS分量地电场(高曙德等,2010);(c)代乾台地电场功率谱;(d)松山台地电场功率谱(范莹莹等,2010);(e)泸沽湖、成都和平凉台地电场极化方向(安张辉等,2013);(f)泸沽湖台裂隙水渗透方向变化;(g)盐源台裂隙水渗透方向变化(谭大成等,2013). Fig. 5 Geoelectric anomalies before Wenchuan earthquake (a) Electric field NE component of Wudu station; (b) Electric field NS component of Wudu station (Gao et al., 2010); (c) Electric filed spectrum of Daiqian station; (d) Electric filed spectrum of Songshan station (Fan et al., 2010); (e) Electric field polarization direction of Luguhu, Chengdu and Pingliang station (An et al., 2013); (f) Fracture water penetration direction variations of Luguhu station; (g) Fracture water penetration direction variations of Yanyuan station (Tan et al., 2013).
1.5 电磁扰动异常

四川金河台电磁扰动第一通道电场分量2007年4月开始幅值出现大幅增加,持续至地震发生时,第二通道电场分量2008年1—3月幅值显著增大(丁跃军等,2009).武都台ELF频段电磁扰动1~39 Hz电场和磁场分量自功率谱5月1—12日期间比正常月份高出1~5个数量级(图 6ab),显示出临震阶段电磁场能量的显著增强(高曙德等,2010).采用最大熵谱分析方法分析震中附近台站电磁扰动的能量变化,四川剑阁、西昌和泸沽湖台3月至5月分别在2008年3月20日新疆于田MS7.3和汶川地震前出现显著的临震能量增强(刘君等,2011).汶川地震发生后,中国地震局地质研究所在武都台附近临时架设了2个大地电磁测深点,分两期连续监测余震序列引起的地震电磁现象,共观测到35次MS4.0以上余震发生时的同震电磁扰动现象,同震电磁信号与武都台强震仪记录的地震波同步出现,波形也相似,认为是地震波到达台站时地面震动引起的(汤吉等,2010).

图 6 汶川地震前的部分电磁扰动异常 (a)武都台8 Hz通道磁场NS分量自功率谱;(b)武都台8 Hz通道磁场EW分量自功率谱(高曙德等,2010);(c)河北电磁扰动观测台网分布;(d)高碑店台电磁扰动EW分量观测数据;(e)高碑店台电磁扰动NS分量观测数据;(f)宁晋台电磁扰动EW分量观测数据;(g)宁晋台电磁扰动NS分量观测数据(Li et al., 2013). Fig. 6 Electromagnetic field anomalies before Wenchuan earthquake (a) Auto power spectrum of magnetic NS component of 8Hz at Wudu station; (b) Auto power spectrum of magnetic EW component of 8Hz at Wudu station (Gao et al., 2010); (c) Distribution of Hebei electromagnetic field observation network; (d) The electromagnetic EW component at Gaobeidian station; (e) The electromagnetic NS component at Gaobeidian station; (f) The electromagnetic EW component at Ningjin station; (g) The electromagnetic NS component at Ningjin station (Li et al., 2013).

此外,沿龙门山断裂带NE方向震中距1300 km外的河北在震前运行有电磁扰动模拟观测台网,该台网始建于20世纪80年代,包含廊坊、三河、青县、怀来、昌黎、霸州、高碑店和宁晋8个台站(图 6c).随后由于仪器老化,怀来、昌黎和霸州3个台站停测,廊坊台2004年以来人为干扰严重,汶川地震时观测台网内有效台站只剩下三河、青县、高碑店和宁晋4个台站,其中青县、高碑店和宁晋3个台站记录到了震前的异常现象.高碑店台从2007年10月开始出现显著的异常现象,尤其是2008年3—5月异常幅度和集中度都达到自观测以来的最高水平,5月10日EW和NS方向日总信息量(异常平均幅度与持续时间的乘积)增强到9832.2 s·mV·m-1和9001.4 s·mV·m-1(图 6d, e);宁晋台2008年1月开始出现异常,但幅度整体上小于高碑店,4月30日EW方向日信息量达6063.4 s·mV·m-1(图 5f, g);青县台两方向弱异常从2008年4月才开始出现,且每天异常持续时间也较短(Li et al., 2013, 2016).

2 讨论

实验室内含水岩石标本应力加卸载实验结果显示,主压应力加载过程中地电阻率呈现下降变化,多数岩石临近破裂时地电阻率加速下降,岩石破裂后地电阻率上升(张金铸和陆阳泉,1983),与主压应力垂直的方向地电阻率变化最大,平行方向最小,斜交方向介于二者之间,表现出与应力方向有关的各向异性变化(陈大元等,1983).野外原地主压应力加卸载实验结果也表明,应力加载时地电阻率下降,应力卸载时地电阻率回升(图 7a),三个方向地电阻率各向异性变化与实验室实验结果吻合(赵玉林等;1983).原地剪切实验结果表明,沿剪应力方向地电阻率会出现一定的上升变化(图 7b),垂直于剪应力方向地电阻率为下降变化(钱复业等,1998).孕震期间构造应力作用引起测区地下介质孔隙大小和孔隙之间连通性发生改变,从而引起介质电阻率发生变化.通常情况下介质电阻率变化对应变的放大系数大于103以上(Brace and Orange, 1968),因而地电阻率能较为显著地记录到孕震构造应力对介质的影响.在50多年的观测研究与预测实践中发现大震前地电阻率异常空间范围约300 km,近震中区异常形态以连续性变化的负异常为主,并伴随有年变畸变,异常出现时间由震中向外围逐渐延迟,异常幅度也随震中距增加而减小(赵玉林等,2001杜学彬,2010),走滑型大地震近震中区地电阻率异常形态呈现出与震源机制解一致的四象限分布(钱复业等,1982).在临震阶段,由于断层预滑或介质塑性蠕变加剧,紧邻震中区介质应变加速积累,地电阻率在原有异常背景基础上通常会出现加速变化;而近震中区由于断层预滑产生部分应力释放,地电阻率通常表现为转折回升变化.由于多数大地震震例中地电阻率台站并非位于紧邻断层的区域,因而地震多发生在异常转折回升阶段(汪志亮等,2002杜学彬,2010).地震发生后观测数据进入与之前异常趋势变化形态相反的恢复阶段,紧邻震中变形区的台站有时还会记录到同震时的阶跃变化(地电阻率为每小时观测一次,此处的同震指地震发生前后相邻两个时次的观测)(钱复业等,1982Lu et al., 2016).

图 7 原地应力加卸载实验地电阻率数据变化 (a)土层开槽压应力加卸载示意图(上),压应力加卸载时垂直方向地电阻率变化(左下),压应力加载时三个方向地电阻率变化(右下)(赵玉林等., 1983);(b)土层四周开槽力偶作用模拟剪切应力加卸载示意图(上),剪切应力加卸载过程中不同方向地电阻率变化(下)(钱复业等,1998). Fig. 7 Georesistivity variations under stress of in suit experiments (a) Schematic diagram of the stress loading and unloading of the soil layer with a unilateral slot (top), the resistivity variations of the vertical direction when the compressive stress is added and unloaded (left bottom), the resistivity variations of the three directions when the compressive stress is loaded (right bottom) (Zhao et al., 1983); (b) Schematic diagram of shear stress loading and unloading under pressure couple of the soil layer with a circumferential slot (top), the resistivity variations of different directions when the shear stress is loaded and unloaded (bottom) (Qian et al., 1998.)

汶川地震发生后,研究人员对出现异常的地电阻率台站进行了调查,固原台2008年3月份在测区陆续架设了铁丝网,造成观测值大幅度上升,10月份铁丝网拆除后数据恢复正常状态;冕宁台测区人为干扰因素较多,且异常幅度远远大于成都台,震后数据也未出现恢复迹象.因此,固原和冕宁台震前的异常变化是由测区干扰引起的,而非汶川地震引起的异常变化.天水台异常表现为阶跃性而非连续性变化,震后观测数据未表现出异常恢复形态,而是在5月底出现阶跃性下降,之后恢复正常年变形态;甘孜台和武都台在震前虽然出现趋势性下降和上升变化,但年变形态清晰稳定,汶川地震后区域应力场短时间内大幅调整,但这两个台站的变化趋势未受任何可识别的影响.天水、甘孜和武都台地电阻率变化与实验室、野外原地实验结果和长期以来积累的震例不相符,因而其震前的变化是否与汶川地震直接有关还存在疑问.

成都台和江油台距离地震主破裂区都很近,地震前地电阻率出现下降型异常,且表现出与主压应力方向有关的各向异性变化.在测区介质均匀各向异性假设下,至少需要在地表布设3个方向的观测才能计算出水平方向两个平均电性主轴的变化情况和电性主轴的方位(钱复业等,1996).成都和江油台只有两个方向的观测,为此只能进行大致的估计.据主震发生时主破裂带的分段震源机制解(图 8a),成都台附近区域主压应力轴方位为N51°W,江油台附近区域主压应力轴方位为N5°W(张勇等,2009).成都台N58°E测道与主压应力轴近乎垂直(图 8b),震前记录到了显著的前兆异常,N49°W测道与主压应力轴近乎平行,未出现异常变化;江油台N70°W测道与主压应力轴夹角为65°(图 8c),震前记录到了异常变化,N10°E测道与主压应力轴大致平行,震前未记录到异常,两个台站震前异常的各向异性变化与实验结果和已有震例吻合.成都台和江油台虽然离主破裂区很近,但震前均未记录到临震阶段的加速下降变化,可能原因是这个两个台位于相对坚硬的四川盆地内,震前主要变形地区为断层上盘的推覆构造区域.成都台和江油台的同震变化表现为下降,与实验结果和唐山地震时的同震变化不同,拟另文深入分析.震后两个台站均表现出恢复上升变化,尽管7月8日成都台测区陆续搭建了38个金属简易房屋导致数据出现阶跃性降低,但之后数据仍然呈现恢复上升,直至2009年成灌高铁施工造成数据形态严重破坏.江油台于2009年8月停测.成都和江油台地电阻率数据震前出现近两年的且与主压应力轴有关的各向异性下降负异常,地震时出现同震变化,震后呈现出与震前异常形态相反的异常回升恢复形态,因此,可以认为成都和江油台地电阻率在汶川地震前记录到了可靠的前兆异常.

图 8 汶川地震主震分段震源机制解主压应力方向和地电阻率布极方位角 (a)汶川地震主震分段震源机制解(张勇等,2009);(b)成都台主压应力和地电阻率布极方位角;(c)江油台主压应力和地电阻率布极方位角. Fig. 8 The segmental seismic source mechanism of Wenchuan earthquake main shock and the azimuth of georesistivity arrays (a) The segmental seismic source mechanism of the main Wenchuan earthquake (Zhang et al., 2009); (b) The azimuth of principal compressive stress and georesistivity arrays at Chengdu station; (c) The azimuth of principal compressive stress and georesistivity arrays at Jiangyou station.

地球变化地磁场是联系孕震区介质变化与空间电磁环境的天然媒介,磁静日期间,受太阳辐射作用在地表上空形成Sq等效涡旋电流系,涡旋中心通常位于地方时12点上空,在地球内部会电磁感应出与Sq电流系方向相反的内源感应电流系,地磁场Z分量在地方时12点左右出现极小值(徐文耀,2003).震前地磁Z分量日变化异常主要表现在幅度变化和相位偏移,沿某一分界线两侧Z分量日变波形极小值出现时间相差2小时以上,则构成低点位移现象,该分界线称为低点位移线.通过统计低点位移异常出现后MS6.0以上地震的发生情况,发现发生在低点位移线附近地震的发震日期80%位于异常日之后的第27天或第41天前后4天之间(丁鉴海等,2011).袁桂平等(2015)对2008年4月24日和5月9日两次低点位移日前后共10日的内外源Sq等效电流系进行了反演,结果显示低点位移异常日内外源Sq等效电流系涡旋中心强度减小,且内源部分减小幅度更大;外源电流系涡旋中心没有移动,内源电流系涡旋中心沿纬度增加方向有所偏移.据此推测,低点位移可能和内源感应电流系的关系更为密切,反映地下介质导电性在这一天发生了变化,但为何低点位移不能持续一段时间连续出现,限于水平有限,本文无法给出答案.成都台地磁转换函数、谐波振幅比、帕金森矢量和垂直极化强度在震前出现异常变化,反映成都台附近区域地下介质导电性出现了异常变化.

地震前电磁辐射异常起源于应力作用下地下介质分界面上电荷和介质内电流的不稳定状态以及随时间变化的电场和磁场之间的相互激发.岩石受压直至破裂过程中出现电磁辐射以及裂隙中流体运移产生电场变化已经得到实验室和理论研究的证实,且在早期、中期和晚期不同阶段存在显著差异,在主破裂前夕和主破裂过程中会显著增强,且不同方向的信号强度也不同(郭自强,1994钱书清等,1998).在孕震晚期,震源区微裂隙大量增长并产生优势排列,裂隙尖端处电荷分离,沿裂隙面形成一系列不稳定的电偶极层,电荷移动形成大量不稳定的局部电流单元,从而利于电磁辐射的激发.龙门山断裂带沿NE方向展布,据震后余震精定位分布,断裂带内存在一些NW走向的次级小断裂(陈九辉等,2009),这些断层附近区域在孕震晚期陆续激发电磁辐射.由于地下介质电性的非均匀性,电磁信号更易沿低阻通道传播,位于低阻通道附近的台站更易记录到电磁信号,呈现出电磁信号的选择性(黄清华和林玉峰,2010Huang and Lin, 2010),因而震中周围电磁场异常整体上在震前数月出现,但不同方位台站记录的异常并不严格一致.沿主断裂带方向的裂隙定向排列和裂隙数量占主要地位,Li等(2016)将震前微裂隙破裂产生的电流等效为一沿断裂带走向的电偶极子,讨论了由偶极子产生的电磁分布,认为沿断裂带延长线方向更易于接收到电磁场异常,因而主断裂带附近的金河和剑阁台、沿主断裂带NE方向1300km外的电磁扰动台网和NW方向的西昌地电场台阵震前出现了显著的电磁场异常.

3 结论

地震电磁异常大体可分为两类,一类是伴随孕震应力应变积累引起的介质物性变化,另一类是应力应变积累到一定阶段激发的电磁场变化.相对震源区不同位置地下介质的物性变化应在震前和震后呈现各自完整的异常和异常恢复形态.成都台和江油台地电阻率震前出现了近两年的且与孕震主压应力方位有关的持续性下降异常,震后出现与之前异常形态相反的恢复变化,因而其异常是真实可信的.成都台依据地磁数据计算的多种反映深部介质导电性的参数也出现异常,也说明近邻孕震区的成都台附近区域地下介质在应力作用下出现了异常变化.震前数月短期阶段,震中附近地电场和电磁扰动出现能量增强和波形畸变,距离较远的西昌台阵和天祝—松山台阵地电场出现能谱增加,甚至1300 km外的河北电磁扰动台网也记录到了自观测以来最大幅度的异常变化,这些空间大范围的电磁异常在一定的时间范围内集中出现,也说明其异常现象真实存在.此次地震震源区附近台网稀疏,零星异常之间难以相互印证,此外许多台站受测区环境干扰导致数据分析困难.因此,在大型活动断裂带和潜在地震危险地区应加密前兆观测台网,并做好测区环境保护工作.

致谢

四川省地震局何畅提供了四川地区的地电阻率观测数据,文中部分图件是在原文基础上修改而来,甘肃省地震局高曙德、范莹莹和刘君提供了高清原图;审稿专家提出了详细和中肯的修改建议,对文章的完善起到了很大的帮助,我们在此一并表示衷心的感谢.

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