2022年3月17日皮山MS5.2地震区域电磁异常综合分析①

张桉赫, 冯丽丽, 黄 颂, 宋春燕

(1.新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011; 2.青海省地震局,青海 西宁 810001;3.中国地震局地震研究所,湖北 武汉 430071; 4.湖北省地震局,湖北 武汉 430071)

近年来,新疆地球物理台网通过仪器架设和升级改造的方式,有效提升新疆南部地区的监测能力[1]。但是,新疆地区地球物理观测台站数量少、密度低的状况依然存在,仅有天山中段地区台站密度较高,南天山西段次之,阿勒泰地区和西昆仑—阿尔金地区观测台站极少。2022年3月17日皮山MS5.2地震震中200 km范围内仅有和田一个地球物理观测台站,且震前观测资料未出现异常变化。因此,西昆仑—阿尔金地区仅靠定点地球物理观测台站分析研判短期地震形势有较大困难。

地磁学是地震前兆观测的重要手段,主要研究内容是地球自身及周围空间磁场的起源、变化、分布规律及相关现象[2]。依托于中国地磁观测网络,研究人员开展了许多地震地磁前兆异常方面的研究,提出了日变幅逐日比[3]、日变幅加卸载响应比[4]、低点位移[5]、地磁垂直强度极化[6]等方法,对多次中强地震做出了较为准确的中短期预测。尽管新疆及周边地区地磁观测台站数量少,但可以通过空间插值方法划出中短期内发生中强地震可能的危险区域,弥补缺乏足够数量定点观测台站的不足,沙木哈尔·叶尔肯等[7]分析了新疆地区地磁低点位移与后续中强地震的对应情况,二者具有较好的对应关系;艾萨·伊斯马伊力等[8-9]分析了伽师MS6.4地震前和沙雅MS6.1地震前多项区域电磁异常特征。但是目前对于西昆仑—阿尔金地区区域电磁异常震例梳理仍然较少,并且作为观测资料稀缺地区,震前能够获取的异常信息有限,通过对该地区电磁异常的综合分析,对该地区震情分析研判工作具有重要的现实意义。

1 地震及地磁观测台站概况

据新疆地震台网测定,2022年3月17日21时41分新疆维吾尔自治区皮山县发生MS5.2地震,震源深度10 km。震中位于西昆仑山与塔里木盆地过渡区域,大地构造上位于塔里木中央地块西南缘[10],该地区属于帕米尔—西昆仑强震构造带,西段围绕帕米尔高原北缘展布,东段沿西昆仑山延伸与东昆仑—阿尔金地震构造带相连,南面是强烈隆起的青藏高原,北部是强烈活动的南天山地震构造带和强烈沉降的喀什—和田坳陷[11-12]。在印度板块强烈向北推挤和塔里木刚性块体强烈阻挡下,西昆仑地区发育了一系列NW向为主的右旋走滑断裂,距震中最近的断层为天神达坂断裂,该断裂走向NW,倾向NE,断层倾角60°～80°,性质为右行走滑逆断层。1900年以来,震中100 km范围内发生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,最大地震为1996年11月19日喀喇昆仑MS7.1地震。

目前,新疆共有6个地磁观测台站,8套观测仪器,所有仪器均经过数字化改造[13],前后资料衔接较好,资料积累时间较长,观测数据可靠(表1)。由于新疆地磁观测台站密度低,采用甘肃肃北台与西藏狮泉河台进行辅助分析。皮山MS5.2地震震中附近200 km范围内无地磁观测台站,距离最近的为喀什台,约440 km。

表1 新疆及周边地区地磁观测台站信息

2 方法原理与数据处理

皮山MS5.2地震前,新疆南天山西段至西昆仑—阿尔金地区共存在3项区域电磁异常,分别为地磁低点位移、地磁逐日比以及地磁垂直强度极化。

2.1 地磁低点位移

中国位于中低纬度,在磁静日地磁垂直分量日变化形态类似V字型,地磁垂直分量日变化极小时间不随纬度变化,一般为地方时12 h左右,并依经度由东向西每度延迟4 min(15°/h),因此整体上低点时间在空间上呈现为缓变过程。地磁垂直分量日变化信息常用日变化的极大值和极小值及其出现时间和幅度来表达,即极大值和极大值时间、极小值和极小值时间,以及极大值与极小值的差日变化幅度,极小值时间简称低点时间[5]。

根据《地震电磁分析预测技术方法工作手册》[14],形成明显低点时间分界线的“台站对”相关系数均值Ra<0.89,瞬时差值面积均值残差C>-400,且瞬时差值面积均值Sx和残差C分别不小于2 585和67,或相关系数均值R≤0.73则构成低点位移异常。

新疆地区6个地磁台站均可用于低点时间计算。计算各地磁台站日变化极小时间(低点时间),在地图对应台站上标注时间,然后判定异常分界线。

2.2 地磁逐日比

地磁日变化主要取决于外空电流体系产生的变化磁场(外空变化磁场)和地下介质电导率,其中地壳介质电导率引起的磁场变化在地磁垂直分量中表现最为突出。因此,地磁垂直分量日变化幅度前后几天的差异或者来自外空变化磁场的改变,或者来自地壳介质电导率的改变,而后者则可能与地震活动有关[3]。

地磁逐日比的计算公式,

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

(1)

t2=t1+1.

(2)

式中:RZ为地磁垂直分量日变化幅度;t观测日期。异常日期;以RZ(t2)日期为准,即分母日期为异常日期。具体分析时设定一个阈值P0,当P>P0时异常成立。

新疆地区6个地磁台站均可用于地磁逐日比计算,选取的阈值为2.6[15],2个或2个以上相邻台站出现超阈值且排除磁暴干扰可认定为异常。

2.3 地磁垂直强度极化

基于地磁学研究结果[16],一次源来自电离层的磁场信号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;数值模拟结果表明[16],一次源来自地壳内频率1 Hz附近的磁信号垂直分量幅度大于水平分量幅度,其比值大于1。因此,地磁垂直强度极化法可以区分一次源来自电离层或地壳的磁场信号,由于其幅度比反应了磁场强度或能量在垂直方向的分配比例,将其简称为地磁垂直强度极化法[6]。采用资料为磁通门磁力仪Z、H、D三分量每天秒采样数据。新疆地区所用台站为乌鲁木齐台、温泉台、喀什台和且末台。

3 地磁异常分析

3.1 地磁低点位移

2021年2月23日新疆及邻区乌什台与喀什台、且末台与狮泉河台以及乌鲁木齐台与肃北台构成3组低点时间差大于2 h的台站对,台站对相关系数均值R=0.55,瞬时差值面积均值残差C=-299.78,瞬时差值面积均值Sx=2 076.13,满足地磁低点位移异常判定标准。

根据新疆地区地磁低点位移异常震例统计(表2),2015年以来新疆地区共出现低点位移异常34组,其后2个月内在预测线300 km范围内发生MS≥4.8地震18组,对应率为53%,优势发震时间为异常日后27±4 d以及41±4 d。

如图2所示,本次低点位移预测线经过南天山西段、西昆仑—阿尔金地区以及天山东段,根据预测规则,在异常日后2个月内预测线周围300 km范围内存在发生MS≥5.0地震的可能。皮山MS5.2地震震中位于预测线西南侧约280 km,且与异常日后27±4 d的优势发震时间节点接近,低点位移异常对应此次地震。但根据以往震例,18组对应地震中有3组存在发生2次目标地震的情况。

图2 2022年2月23日地磁低点位移预测线Fig.2 Geomagnetic low point displacement on February 23, 2022

3.2 地磁逐日比

2021年12月10日新疆乌什和喀什地磁台地磁垂直分量Z日变幅逐日比出现同步超阈值,新疆及邻区其他地磁台站均为正常(表3),且异常日与异常前一日地球空间磁场平静,该异常为集中电流产生感应磁场导致空间磁场分布发生畸变所致。提取异常日各台站的逐日比值,进行克里金差值,得到异常阈值线(图3)。本次异常区域位于南天山西段至西昆仑地区,根据2015年以来南天山西段地磁逐日比异常统计(表4),13组异常后6个月内发生目标地震10组,对应率77%,3个月内发生目标地震8组,对应率61.5%,该异常出现后6个月内异常区域,优势发震时间为3个月内。

表3 2021年12月10日地磁垂直分量Z日变幅逐日比异常信息

表4 新疆南天山西段地磁逐日比对应地震

图3 2021年12月10日地磁逐日比阈值线Fig.3 Geomagnetic daily ratio threshold line on December 10, 2021

皮山MS5.2地震位于本次异常预测区内,但震中位于距离最近的异常台站喀什台约440 km,根据历史震例,此异常对应地震距离最近异常台站均在300 km以内,且本次地磁逐日比异常范围较大,约35×104km2,MS5.2地震震级偏小,该地震不对应本次异常。

3.3 地磁垂直强度极化

2021年12月,全国多个地磁台站地磁垂直强度极化值出现超过2倍均方差异常,在12月11日异常台站数最多,79个有效台站中共有23个出现高值,异常台站占比为29%。其中新疆及周边地区出现高值的为喀什台和狮泉河台。通过绘制等值线图,得到垂直强度极化异常的阈值线(图4)。

图4 2021年12月11日地磁垂直强度极化异常阈值线Fig.4 Geomagnetic vertical intensity polarization threshold line on December 11, 2021

本次异常的阈值线主要位于南天山西段至西昆仑附近,新疆境内的面积约为27×104km2。根据2015年以来全国地磁垂直强度极化震例以及异常面积与震级的拟合关系(图5),震级与异常面积具有较好的正相关关系,异常面积越大,震级越高。皮山MS5.2地震发生在该异常的预测期内,距离阈值线约190 km,但此次地震震级偏小,该异常不对应本次地震。

图5 地磁垂直强度极化异常面积与对应地震拟合关系Fig.5 Fitting relationship between geomagnetic vertical intensity polarization anomaly area and the corresponding earthquake magnitude

3.4 综合指标分析

皮山MS5.2地震前,震中区域共存在3项区域电磁异常。其中,地磁低点位移与地磁逐日比属于短期异常,地磁垂直强度极化属于中期异常。为提升区域电磁异常对地震短期预测的水平,将地磁低点位移和地磁逐日比进行综合分析。

地磁低点位移预测期为2022年2月23日—4月23日,地磁逐日比预测期为2021年12月10日—2022年6月10日,2项异常的预测重合时间为2022年2月23日—4月23日,且预测区均包括新疆南天山西段至西昆仑地区。表5统计了2015年以来这2项异常预测区涉及南天山西段至西昆仑地区以及预测时间有重合的情况,共16次,其后在2项异常预测期的重合时间内发生地震10次(2015年12月7日塔吉克斯坦MS7.4和2017年5月11日塔什库尔干MS5.5分别超过重合期2 d和5 d,视为对应),对应率62.5%,高于地磁低点位移(53%)和地磁逐日比(61.5%)单一指标的对应率,并且10次地震中有7次存在2项异常均发生目标地震的情况。

4 结论与讨论

通过2022年3月17日皮山MS5.2地震前地磁观测资料综合分析得出以下结论:(1) 地磁低点位移在新疆具有较好的短期预测效果,时间指示性较强,虽然本次地震距离3月22日±4 d的时间节点相差一天,但也基本符合前期对该异常的认识。(2) 本次地震发生在南天山西段地磁逐日比和西昆仑地磁垂直强度极化预测区内,但由于震级偏低且距离异常台站较远,异常不对应皮山MS5.2地震。(3) 南天山西段地磁逐日比与低点位移预测时间有重合的情况下,地震对应率为62.5%,高于其单一指标的地震对应率,将预测指标进行综合分析有助于提高区域电磁异常短期预测的准确性。虽然西昆仑—阿尔金地区定点观测能力有限,但通过区域电磁异常还是能够在震前看到异常信息,特别是将多种方法进行综合分析相比于以往运用单一预测指标更加有效。

皮山MS5.2地震前存在的3项区域电磁异常中有2项都属于日变化类异常,根据该类异常的基本原理,其阈值线的高曲率段很大程度上可反映上地幔和地壳中高导带的稳定状态[17]。但是,新疆南疆地区面积约为85×104km2,仅有乌什、喀什和且末3个地磁台站,由于台站稀少,空间插值的结果往往是阈值线不存在高曲率段,仅靠单一指标较难判定可能的发震区域。并且台站稀少导致预测区面积较大,通过将各异常区域进行简单叠加,也不能聚焦到某一危险地区。地磁逐日比方法虽然在新疆南天山地区具有较高的地震对应率,但钱才等[18]研究结果显示,该方法在新疆南天山西段地区R值未通过显著性检验,需要配合其他更多资料提高其预测效能。

冯志生等[19-20]指出,引起磁场畸变的电流仍是变化磁场在地球内部的感应电流。中国大陆地震多为浅源地震,而地震活动较强烈地区通常存在壳内高导层[21]。当地质构造块体的发生某种短期微动态活动或整体运动时,一些断层及其交汇区的电导性质将会发生变化,从而有可能形成短期高导(低阻)通道,造成感应电流短期内在高导(低阻)通道内的集中[20]。皮山MS5.2地震前,地磁逐日比和低点位移出现的时间相差超过2个月,虽然这2项异常的形成机理类似,均是由于介质电磁性质改变从而引起地磁垂直分量日变化的畸变[22],但地磁逐日比计算时需考虑前一日垂直分量日变幅,而低点位移仅考虑当天的低点时间,在异常出现的时间上二者没有必然的联系。根据杨文采等[23]的研究结果,南天山西段位于高大地热流区和低热流交替区域,地体边缘坚硬的岩块和断裂发育使得地下电磁性质易改变,从而触发地震发育,这个特征跟现实地震活动性特征也基本吻合,也为该区域出现地磁日变化异常提供了物理解释与科学依据。

致谢:文中使用的地磁数据来自于中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心,在此表示感谢。