2021年5月22日青?，敹?.4級地震前地磁日變化異常分析

李軍輝，姜楚峰，馮麗麗，何 康

（1.安徽省地震局，安徽 合肥230031；2.安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，安徽 蒙城230031；3.湖北省地震局，湖北 武漢430071；4.青海省地震局，青海 西寧810001）

地震孕育發(fā)生過程會(huì)導(dǎo)致孕震區(qū)電導(dǎo)率發(fā)生改變，并導(dǎo)致感應(yīng)電流及其感應(yīng)磁場分布發(fā)生改變，由于這一變化過程主要發(fā)生在上地幔和地殼，感應(yīng)電流埋深較淺，故其引起的感應(yīng)磁場變化主要出現(xiàn)在垂直分量中。我國地震預(yù)報(bào)人員先后提出并改進(jìn)了地磁低點(diǎn)位移法（丁鑒海等，2004；馮志生等，2009；黃頌等，2020）、地磁加卸載響應(yīng)比法（曾小蘋等，1996；馮志生等，2000；倪曉寅等，2017）和地磁日變化空間相關(guān)法（林美等，1982；戴勇等，2017；戴勇等，2018），以提取地磁垂直分量中的震磁異常。

馮志生等（2020）采用相關(guān)分析方法和地磁垂直分量日變化分鐘采樣資料，研究了臺(tái)站之間地磁垂直分量日變化的相關(guān)性與我國南北帶地震活動(dòng)之間的關(guān)系，并認(rèn)為相關(guān)異常期間有地磁日變化感應(yīng)電流集中分布在相關(guān)閾值線下方，視相關(guān)閾值線為感應(yīng)電流集中線，研究發(fā)現(xiàn)我國每月平均出現(xiàn)2次地磁日變化感應(yīng)電流線狀集中分布現(xiàn)象，線狀集中分布感應(yīng)電流有原地重復(fù)出現(xiàn)現(xiàn)象—地磁日變化感應(yīng)電流集中分布重疊異常，原地重現(xiàn)日期一般不連續(xù)，大部分在10天左右，原地重現(xiàn)次數(shù)一般僅有2次。在我國南北帶，2009～2018年共出現(xiàn)重疊異常23次，20次重疊異常出現(xiàn)后18個(gè)月內(nèi)重疊段及附近有6級以上地震發(fā)生，對應(yīng)率高達(dá)87%，地震基本發(fā)生在重疊段端部250 km以內(nèi)，重疊段發(fā)生2次6級以上地震的比例約34%；重疊段二個(gè)端部發(fā)生6級以上地震的比例很小僅約9%；研究還發(fā)現(xiàn)部分重疊段走向與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的上地幔和地殼高導(dǎo)帶埋深走向基本一致，推測重疊異常發(fā)生在上地幔和地殼高導(dǎo)帶附近，是來自上地幔和地殼內(nèi)高導(dǎo)帶附近的地震異常信息。中國大陸強(qiáng)地震主要發(fā)生在上地幔高導(dǎo)層的隆起區(qū)一帶及其殼內(nèi)高導(dǎo)層發(fā)育地區(qū)，且深部電性測深結(jié)果表明，大震易于發(fā)生在電導(dǎo)率急劇變化的梯度帶（徐常芳，1996；詹艷等，2008，2021）。通過回溯整理2008～2018年期間中國大陸地磁日變化空間相關(guān)異常，并分析異常與后續(xù)地震的時(shí)空關(guān)系，建立了較完備的短期重現(xiàn)性地磁日變化的地震預(yù)報(bào)指標(biāo)體系（馮志生等，2020）。本研究通過分析2020年9月出現(xiàn)的多次地磁日變化重疊異常與2021年5月22日青海瑪多7.4級地震的相關(guān)性和地磁日變化的異常特征，為震情跟蹤工作提供支撐。

1 計(jì)算方法及資料

1.1 觀測數(shù)據(jù)

本研究選取中國大陸地磁臺(tái)2019年1月至2021年6月年產(chǎn)出的地磁Z分量日變化數(shù)據(jù)，主要由通門磁力儀和FHD質(zhì)子磁力儀等儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)；為方便延時(shí)處理，一般應(yīng)采用轉(zhuǎn)換后的北京時(shí)分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)和缺數(shù)較多的臺(tái)站不參與計(jì)算，最終選取數(shù)據(jù)連續(xù)較好的150個(gè)地磁臺(tái)站的Z分量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行日變化空間相關(guān)計(jì)算，參與計(jì)算臺(tái)站的空間分布如圖1所示。

圖1 地磁臺(tái)站分布及瑪多7.4級地震震中分布

1.2 相關(guān)系數(shù)計(jì)算過程

首先對北京時(shí)地磁垂直分量日變化分鐘采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行48階傅氏擬合濾波；然后計(jì)算其它臺(tái)站與參考臺(tái)的地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)（計(jì)算時(shí)采用“延時(shí)技術(shù)”消除臺(tái)站經(jīng)度影響）；最后繪制異常日全國相關(guān)系數(shù)等值線圖。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程：1）將各臺(tái)站相關(guān)系數(shù)除以前一年相關(guān)系數(shù)的“均值減2倍均方差”，以消除臺(tái)站距離不同對相關(guān)系數(shù)的影響，此時(shí)相關(guān)系數(shù)“1”為相關(guān)系數(shù)異常閾值；2）計(jì)算各臺(tái)站的2個(gè)參考臺(tái)相關(guān)系數(shù)均值；3）將各臺(tái)站相關(guān)系數(shù)減“1”，此時(shí)相關(guān)系數(shù)“0”為相關(guān)系數(shù)異常閾值；4）繪制地磁日變化相關(guān)系數(shù)歸一化后的空間分布圖，給出閾值線分布。

1.3 異常判定

相關(guān)系數(shù)異常：每年3月1日至10月31日期間，全國有多個(gè)臺(tái)站與2個(gè)參考臺(tái)之間同一天相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于閾值變化，則該單日地磁日變化空間相關(guān)異常成立，其中，閾值為前1年3～10月相關(guān)系數(shù)均值減2倍方差（即低于2倍均方差異常成立）。重疊異常：若20天內(nèi)多次單日相關(guān)異常閾值線（感應(yīng)電流集中分布線）“完全重合”，且滿足110°E以東的區(qū)域重疊段超過300 km、110°E以西的區(qū)域重疊段超過500 km，則上述數(shù)次的單日異?？梢暈槌山M異常，閾值線重疊段為成組異常段（感應(yīng)電流集中分布重疊段），“完全重合”的判據(jù)為二條閾值線走向一致且相距不超過50 km。

2 相關(guān)系數(shù)異常分析

在分析相關(guān)系數(shù)異常時(shí)，為避免因單個(gè)參考臺(tái)數(shù)據(jù)變化引起的虛假異常，本研究選取江蘇的新沂和河北的紅山兩個(gè)臺(tái)作為參考臺(tái)，時(shí)段背景值選取2019年3月1日至2019年10月31日相關(guān)系數(shù)的均值減2倍方差，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 震中附近日變化相關(guān)系數(shù)異常參數(shù)

圖2 為2020年3月1日至10月31日青藏高原東北緣附近蘭州、山丹、天水、西寧、德令哈、都蘭、湟源、金銀灘、大武等與新沂、紅山日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線，結(jié)果顯示：9月26日有6個(gè)臺(tái)、9月27日有8個(gè)臺(tái)和9月28日有12個(gè)臺(tái)的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)同步的下降且低于閾值的異常變化（見表1、圖2），該異常出現(xiàn)8個(gè)月后，發(fā)生了2021年5月22的青?，敹?.4級地震，其它時(shí)段未出現(xiàn)多臺(tái)同步的異常變化。

圖2 瑪多7.4級地震前（2020年3月～10月）地磁日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線

3 重疊異常分析

在2021年5月7日全國地磁學(xué)科組提交的地磁日變化相關(guān)方法的跟蹤報(bào)告里，提出地磁日變化空間相關(guān)方法存在多次單日異常，其中2020年9月26日、27日和28日出現(xiàn)的3次日變化空間相關(guān)異常的重疊區(qū)域與2021年瑪多7.4級在空間上接近（見圖3a），其中9月26日與9月28日的0值線重疊的區(qū)域較多，滿足異常的判定標(biāo)準(zhǔn)，重疊位置自青海海南州至四川中部、并向東至川渝交界地區(qū)，并提出了明確的預(yù)測意見，即在異常出現(xiàn)18個(gè)月后，在重疊區(qū)域的端部250 km范圍有發(fā)生6.0級以上地震的可能。結(jié)果表明該異常出現(xiàn)8個(gè)月后，在青海海南州端部附近發(fā)生了2021年5月22日的青海果洛州瑪多7.4級地震（98.34°E，34.59°N），震中位于重疊區(qū)域端部的200 km范圍，圖3a給出了9月26、27、28日3個(gè)相關(guān)系數(shù)0值線的分布與地震空間分布，不同顏色表示不同的異常時(shí)段，圖3b采用粗實(shí)線給出了重疊段與地震的空間分布，重疊部分為反S狀的西北-東南走向（圖3b藍(lán)色線條）。

圖3 線狀集中分布感應(yīng)電流

為進(jìn)一步分析地磁在地震前的變化特征，選取正常時(shí)段與異常時(shí)段的地磁場日變化進(jìn)行對比分析，研究不同時(shí)段地磁日變化的差異性，本研究采用銀川、天水、大武和西寧4個(gè)臺(tái)站2020年9月24日（正常時(shí)段），9月26日和9月28日（異常時(shí)段）地磁場Z、H、D分量日變化資料進(jìn)行對比分析（見圖4），結(jié)果顯示：在正常的變化時(shí)段，4個(gè)臺(tái)站的地磁Z分量日變化較為一致，同步性和一致性較好（見圖4a）；在異常時(shí)段的9月26日，4個(gè)臺(tái)地磁Z分量日變化差異較大，銀川臺(tái)日變幅減小，大武、天水和西寧3個(gè)臺(tái)的日變幅增大，在相位上明顯的出現(xiàn)反向的變化（見圖4b）；9月28日大武和西寧臺(tái)的日變化較為一致，日變幅度變大，天水、銀川的日變化幅度減小，也出現(xiàn)反相位變化（見圖4c）；H、D分量的日變化對比結(jié)果顯示三個(gè)時(shí)段的日變化同步性和一致性均較好，未發(fā)現(xiàn)明顯的日變幅和相位異常（見圖4d、e、f、h、i、j）。

圖4 不同時(shí)段4個(gè)臺(tái)站地磁Z、H、D三分量日變化量歸一化對比

4 結(jié)論

本研究利用地磁日變化空間相關(guān)方法計(jì)算了中國大陸2019～2021年150個(gè)地磁臺(tái)地磁Z分量日變化的相關(guān)系數(shù)，分析相關(guān)系數(shù)在2021年5月22日青海瑪多7.4級地震前后的變化，主要結(jié)論有：1）2020年9月26日和9月28日分別出現(xiàn)了6個(gè)和12個(gè)臺(tái)站的地磁日變化相關(guān)系數(shù)低于閾值的異常，正常區(qū)域與異常區(qū)域具有明顯的空間分界線。選取分界線兩側(cè)典型的銀川和大武地磁Z分量日變化進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)2次異常時(shí)段，分界線兩側(cè)的Z分量日變化具有明顯反相位變化。2）2020年9月26日與2020年9月28日的相關(guān)系數(shù)0值線出現(xiàn)重疊異常，該異常自青海至四川中部呈現(xiàn)反S的形態(tài)，按照地磁日變化空間相關(guān)的震例總結(jié)和指標(biāo)體系建設(shè)的成果給出了關(guān)注的區(qū)域，在重疊異常出現(xiàn)8個(gè)月后，重疊異常的青海段端部200 km范圍內(nèi)發(fā)生了瑪多7.4級地震，為地磁日變化空間相關(guān)方法進(jìn)一步積累了震例。3）根據(jù)以上的現(xiàn)象和認(rèn)識(shí)，可以初步給出感應(yīng)電流線狀集中分布重疊異常端部的地震發(fā)生機(jī)理過程：某種原因?qū)е律系蒯：偷貧?nèi)高導(dǎo)帶出現(xiàn)“裂紋”，深部流體進(jìn)入“裂紋”形成“短時(shí)間高導(dǎo)通道”，地磁日變化感應(yīng)電流集中分布于“短時(shí)間高導(dǎo)通道”，出現(xiàn)線狀集中分布感應(yīng)電流，當(dāng)“短時(shí)間高導(dǎo)通道”持續(xù)多日，或原地不同日期出現(xiàn)“短時(shí)間高導(dǎo)通道”后，線狀集中分布感應(yīng)電流原地重現(xiàn)，線狀集中分布感應(yīng)電流在重疊段端部高阻區(qū)產(chǎn)生熱量，高阻區(qū)即上地幔和地殼內(nèi)重疊段端部因高溫高壓出現(xiàn)膨脹，上地幔和地殼內(nèi)重疊段端部的熱膨脹導(dǎo)致其上方地面發(fā)生隆起，地面隆起導(dǎo)致地殼水平擠壓高應(yīng)力處斷層間摩擦阻力變小，地震發(fā)生。