2022年3月17日皮山MS5.2地震區域電磁異常綜合分析①

張桉赫, 馮麗麗, 黃 頌, 宋春燕

(1.新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.青海省地震局,青海 西寧 810001;3.中國地震局地震研究所,湖北 武漢 430071; 4.湖北省地震局,湖北 武漢 430071)

近年來,新疆地球物理臺網通過儀器架設和升級改造的方式,有效提升新疆南部地區的監測能力[1]。但是,新疆地區地球物理觀測臺站數量少、密度低的狀況依然存在,僅有天山中段地區臺站密度較高,南天山西段次之,阿勒泰地區和西昆侖—阿爾金地區觀測臺站極少。2022年3月17日皮山MS5.2地震震中200 km范圍內僅有和田一個地球物理觀測臺站,且震前觀測資料未出現異常變化。因此,西昆侖—阿爾金地區僅靠定點地球物理觀測臺站分析研判短期地震形勢有較大困難。

地磁學是地震前兆觀測的重要手段,主要研究內容是地球自身及周圍空間磁場的起源、變化、分布規律及相關現象[2]。依托于中國地磁觀測網絡,研究人員開展了許多地震地磁前兆異常方面的研究,提出了日變幅逐日比[3]、日變幅加卸載響應比[4]、低點位移[5]、地磁垂直強度極化[6]等方法,對多次中強地震做出了較為準確的中短期預測。盡管新疆及周邊地區地磁觀測臺站數量少,但可以通過空間插值方法劃出中短期內發生中強地震可能的危險區域,彌補缺乏足夠數量定點觀測臺站的不足,沙木哈爾·葉爾肯等[7]分析了新疆地區地磁低點位移與后續中強地震的對應情況,二者具有較好的對應關系;艾薩·伊斯馬伊力等[8-9]分析了伽師MS6.4地震前和沙雅MS6.1地震前多項區域電磁異常特征。但是目前對于西昆侖—阿爾金地區區域電磁異常震例梳理仍然較少,并且作為觀測資料稀缺地區,震前能夠獲取的異常信息有限,通過對該地區電磁異常的綜合分析,對該地區震情分析研判工作具有重要的現實意義。

1 地震及地磁觀測臺站概況

據新疆地震臺網測定,2022年3月17日21時41分新疆維吾爾自治區皮山縣發生MS5.2地震,震源深度10 km。震中位于西昆侖山與塔里木盆地過渡區域,大地構造上位于塔里木中央地塊西南緣[10],該地區屬于帕米爾—西昆侖強震構造帶,西段圍繞帕米爾高原北緣展布,東段沿西昆侖山延伸與東昆侖—阿爾金地震構造帶相連,南面是強烈隆起的青藏高原,北部是強烈活動的南天山地震構造帶和強烈沉降的喀什—和田坳陷[11-12]。在印度板塊強烈向北推擠和塔里木剛性塊體強烈阻擋下,西昆侖地區發育了一系列NW向為主的右旋走滑斷裂,距震中最近的斷層為天神達坂斷裂,該斷裂走向NW,傾向NE,斷層傾角60°～80°,性質為右行走滑逆斷層。1900年以來,震中100 km范圍內發生MS≥5.0地震10次(含余震)。其中,MS5.0～5.9地震9次,MS7.0～7.9地震1次,最大地震為1996年11月19日喀喇昆侖MS7.1地震。

目前,新疆共有6個地磁觀測臺站,8套觀測儀器,所有儀器均經過數字化改造[13],前后資料銜接較好,資料積累時間較長,觀測數據可靠(表1)。由于新疆地磁觀測臺站密度低,采用甘肅肅北臺與西藏獅泉河臺進行輔助分析。皮山MS5.2地震震中附近200 km范圍內無地磁觀測臺站,距離最近的為喀什臺,約440 km。

表1 新疆及周邊地區地磁觀測臺站信息

2 方法原理與數據處理

皮山MS5.2地震前,新疆南天山西段至西昆侖—阿爾金地區共存在3項區域電磁異常,分別為地磁低點位移、地磁逐日比以及地磁垂直強度極化。

2.1 地磁低點位移

中國位于中低緯度,在磁靜日地磁垂直分量日變化形態類似V字型,地磁垂直分量日變化極小時間不隨緯度變化,一般為地方時12 h左右,并依經度由東向西每度延遲4 min(15°/h),因此整體上低點時間在空間上呈現為緩變過程。地磁垂直分量日變化信息常用日變化的極大值和極小值及其出現時間和幅度來表達,即極大值和極大值時間、極小值和極小值時間,以及極大值與極小值的差日變化幅度,極小值時間簡稱低點時間[5]。

根據《地震電磁分析預測技術方法工作手冊》[14],形成明顯低點時間分界線的“臺站對”相關系數均值Ra<0.89,瞬時差值面積均值殘差C>-400,且瞬時差值面積均值Sx和殘差C分別不小于2 585和67,或相關系數均值R≤0.73則構成低點位移異常。

新疆地區6個地磁臺站均可用于低點時間計算。計算各地磁臺站日變化極小時間(低點時間),在地圖對應臺站上標注時間,然后判定異常分界線。

2.2 地磁逐日比

地磁日變化主要取決于外空電流體系產生的變化磁場(外空變化磁場)和地下介質電導率,其中地殼介質電導率引起的磁場變化在地磁垂直分量中表現最為突出。因此,地磁垂直分量日變化幅度前后幾天的差異或者來自外空變化磁場的改變,或者來自地殼介質電導率的改變,而后者則可能與地震活動有關[3]。

地磁逐日比的計算公式,

PZ=RZ(t1)/RZ(t2).

(1)

t2=t1+1.

(2)

式中:RZ為地磁垂直分量日變化幅度;t觀測日期。異常日期;以RZ(t2)日期為準,即分母日期為異常日期。具體分析時設定一個閾值P0,當P>P0時異常成立。

新疆地區6個地磁臺站均可用于地磁逐日比計算,選取的閾值為2.6[15],2個或2個以上相鄰臺站出現超閾值且排除磁暴干擾可認定為異常。

2.3 地磁垂直強度極化

基于地磁學研究結果[16],一次源來自電離層的磁場信號垂直分量幅度小于水平分量幅度,其比值小于1,且一般低于0.5;數值模擬結果表明[16],一次源來自地殼內頻率1 Hz附近的磁信號垂直分量幅度大于水平分量幅度,其比值大于1。因此,地磁垂直強度極化法可以區分一次源來自電離層或地殼的磁場信號,由于其幅度比反應了磁場強度或能量在垂直方向的分配比例,將其簡稱為地磁垂直強度極化法[6]。采用資料為磁通門磁力儀Z、H、D三分量每天秒采樣數據。新疆地區所用臺站為烏魯木齊臺、溫泉臺、喀什臺和且末臺。

3 地磁異常分析

3.1 地磁低點位移

2021年2月23日新疆及鄰區烏什臺與喀什臺、且末臺與獅泉河臺以及烏魯木齊臺與肅北臺構成3組低點時間差大于2 h的臺站對,臺站對相關系數均值R=0.55,瞬時差值面積均值殘差C=-299.78,瞬時差值面積均值Sx=2 076.13,滿足地磁低點位移異常判定標準。

根據新疆地區地磁低點位移異常震例統計(表2),2015年以來新疆地區共出現低點位移異常34組,其后2個月內在預測線300 km范圍內發生MS≥4.8地震18組,對應率為53%,優勢發震時間為異常日后27±4 d以及41±4 d。

如圖2所示,本次低點位移預測線經過南天山西段、西昆侖—阿爾金地區以及天山東段,根據預測規則,在異常日后2個月內預測線周圍300 km范圍內存在發生MS≥5.0地震的可能。皮山MS5.2地震震中位于預測線西南側約280 km,且與異常日后27±4 d的優勢發震時間節點接近,低點位移異常對應此次地震。但根據以往震例,18組對應地震中有3組存在發生2次目標地震的情況。

圖2 2022年2月23日地磁低點位移預測線Fig.2 Geomagnetic low point displacement on February 23, 2022

3.2 地磁逐日比

2021年12月10日新疆烏什和喀什地磁臺地磁垂直分量Z日變幅逐日比出現同步超閾值,新疆及鄰區其他地磁臺站均為正常(表3),且異常日與異常前一日地球空間磁場平靜,該異常為集中電流產生感應磁場導致空間磁場分布發生畸變所致。提取異常日各臺站的逐日比值,進行克里金差值,得到異常閾值線(圖3)。本次異常區域位于南天山西段至西昆侖地區,根據2015年以來南天山西段地磁逐日比異常統計(表4),13組異常后6個月內發生目標地震10組,對應率77%,3個月內發生目標地震8組,對應率61.5%,該異常出現后6個月內異常區域,優勢發震時間為3個月內。

表3 2021年12月10日地磁垂直分量Z日變幅逐日比異常信息

表4 新疆南天山西段地磁逐日比對應地震

圖3 2021年12月10日地磁逐日比閾值線Fig.3 Geomagnetic daily ratio threshold line on December 10, 2021

皮山MS5.2地震位于本次異常預測區內,但震中位于距離最近的異常臺站喀什臺約440 km,根據歷史震例,此異常對應地震距離最近異常臺站均在300 km以內,且本次地磁逐日比異常范圍較大,約35×104km2,MS5.2地震震級偏小,該地震不對應本次異常。

3.3 地磁垂直強度極化

2021年12月,全國多個地磁臺站地磁垂直強度極化值出現超過2倍均方差異常,在12月11日異常臺站數最多,79個有效臺站中共有23個出現高值,異常臺站占比為29%。其中新疆及周邊地區出現高值的為喀什臺和獅泉河臺。通過繪制等值線圖,得到垂直強度極化異常的閾值線(圖4)。

圖4 2021年12月11日地磁垂直強度極化異常閾值線Fig.4 Geomagnetic vertical intensity polarization threshold line on December 11, 2021

本次異常的閾值線主要位于南天山西段至西昆侖附近,新疆境內的面積約為27×104km2。根據2015年以來全國地磁垂直強度極化震例以及異常面積與震級的擬合關系(圖5),震級與異常面積具有較好的正相關關系,異常面積越大,震級越高。皮山MS5.2地震發生在該異常的預測期內,距離閾值線約190 km,但此次地震震級偏小,該異常不對應本次地震。

圖5 地磁垂直強度極化異常面積與對應地震擬合關系Fig.5 Fitting relationship between geomagnetic vertical intensity polarization anomaly area and the corresponding earthquake magnitude

3.4 綜合指標分析

皮山MS5.2地震前,震中區域共存在3項區域電磁異常。其中,地磁低點位移與地磁逐日比屬于短期異常,地磁垂直強度極化屬于中期異常。為提升區域電磁異常對地震短期預測的水平,將地磁低點位移和地磁逐日比進行綜合分析。

地磁低點位移預測期為2022年2月23日—4月23日,地磁逐日比預測期為2021年12月10日—2022年6月10日,2項異常的預測重合時間為2022年2月23日—4月23日,且預測區均包括新疆南天山西段至西昆侖地區。表5統計了2015年以來這2項異常預測區涉及南天山西段至西昆侖地區以及預測時間有重合的情況,共16次,其后在2項異常預測期的重合時間內發生地震10次(2015年12月7日塔吉克斯坦MS7.4和2017年5月11日塔什庫爾干MS5.5分別超過重合期2 d和5 d,視為對應),對應率62.5%,高于地磁低點位移(53%)和地磁逐日比(61.5%)單一指標的對應率,并且10次地震中有7次存在2項異常均發生目標地震的情況。

4 結論與討論

通過2022年3月17日皮山MS5.2地震前地磁觀測資料綜合分析得出以下結論:(1) 地磁低點位移在新疆具有較好的短期預測效果,時間指示性較強,雖然本次地震距離3月22日±4 d的時間節點相差一天,但也基本符合前期對該異常的認識。(2) 本次地震發生在南天山西段地磁逐日比和西昆侖地磁垂直強度極化預測區內,但由于震級偏低且距離異常臺站較遠,異常不對應皮山MS5.2地震。(3) 南天山西段地磁逐日比與低點位移預測時間有重合的情況下,地震對應率為62.5%,高于其單一指標的地震對應率,將預測指標進行綜合分析有助于提高區域電磁異常短期預測的準確性。雖然西昆侖—阿爾金地區定點觀測能力有限,但通過區域電磁異常還是能夠在震前看到異常信息,特別是將多種方法進行綜合分析相比于以往運用單一預測指標更加有效。

皮山MS5.2地震前存在的3項區域電磁異常中有2項都屬于日變化類異常,根據該類異常的基本原理,其閾值線的高曲率段很大程度上可反映上地幔和地殼中高導帶的穩定狀態[17]。但是,新疆南疆地區面積約為85×104km2,僅有烏什、喀什和且末3個地磁臺站,由于臺站稀少,空間插值的結果往往是閾值線不存在高曲率段,僅靠單一指標較難判定可能的發震區域。并且臺站稀少導致預測區面積較大,通過將各異常區域進行簡單疊加,也不能聚焦到某一危險地區。地磁逐日比方法雖然在新疆南天山地區具有較高的地震對應率,但錢才等[18]研究結果顯示,該方法在新疆南天山西段地區R值未通過顯著性檢驗,需要配合其他更多資料提高其預測效能。

馮志生等[19-20]指出,引起磁場畸變的電流仍是變化磁場在地球內部的感應電流。中國大陸地震多為淺源地震,而地震活動較強烈地區通常存在殼內高導層[21]。當地質構造塊體的發生某種短期微動態活動或整體運動時,一些斷層及其交匯區的電導性質將會發生變化,從而有可能形成短期高導(低阻)通道,造成感應電流短期內在高導(低阻)通道內的集中[20]。皮山MS5.2地震前,地磁逐日比和低點位移出現的時間相差超過2個月,雖然這2項異常的形成機理類似,均是由于介質電磁性質改變從而引起地磁垂直分量日變化的畸變[22],但地磁逐日比計算時需考慮前一日垂直分量日變幅,而低點位移僅考慮當天的低點時間,在異常出現的時間上二者沒有必然的聯系。根據楊文采等[23]的研究結果,南天山西段位于高大地熱流區和低熱流交替區域,地體邊緣堅硬的巖塊和斷裂發育使得地下電磁性質易改變,從而觸發地震發育,這個特征跟現實地震活動性特征也基本吻合,也為該區域出現地磁日變化異常提供了物理解釋與科學依據。

致謝:文中使用的地磁數據來自于中國地震局地球物理研究所國家地磁臺網中心,在此表示感謝。