引言

地震发生过程中同时伴随着电磁信号的变化,这一现象已经被报道(Matsushima等,2002;Karakelian等,2002)。与地震有关的电磁信号可分为伴随地震波信号到达的电磁同震信号(徐光晶等,2009;汤吉等,2008)和由地震破裂产生的震电磁信号(Honkura等,2002;Okubo等,2011)。大量的地震震例观测结果显示了电磁同震信号与地震波频率和波形都有很好的一致性,这是因为地震波传播过程中存在“地震波驱动同震电磁效应”(Haartsen等,1997;汤吉等,2010)。岩石物理学实验表明,震电磁信号与地震破裂过程中存在的晶体破裂效应、压电效应等有关(刘煜洲等,1997;钱书清等,1996)。不同介质参数和震源类型的数值模拟研究结果显示,震电磁信号比同震信号幅度要小(Garambois等,2002;Huang,2005;Ren等,2010;Gao等,2013),对震电磁信号的选择性进行数值模拟研究后认为,地表介质的电性结构非均匀性和地下特定导电通道等不同的电性结构模型,对震电磁信号的传播和接收会产生重要影响(黄清华等,2010),这些研究结果可用于解释很多地震未观测到震电磁信号的现象。

2013年7月22日在甘肃省岷县、漳县交界处发生了MS6.6地震。地震发生时,执行中国地震科学台阵探测——南北地震带北段项目的大地电磁野外数据采集工作正在进行,距离震中280多公里的宁夏固原县以北的两个大地电磁测点记录了本次地震前后的电磁场时间序列。笔者对这两个测点的时间序列数据进行了处理和分析,得到了与岷县漳县地震相关的电磁同震信号和震电磁信号。本文将展示和分析该地震震电磁信号和同震信号的到时、幅度等信息,并结合地震区深部电性结构特征、震电磁信号数值模拟研究,探讨震电磁信号的发生机制。

1 2013年岷县漳县地震和大地电磁观测点位置

2013年7月22日发生的岷县漳县地震,其震中位于34.54°N、104.21°E(图1),宏观震中位于西秦岭造山带中段的临潭-宕昌断裂带(F4)的岷县段附近(郑文俊等,2013)。WQL6-50A和WQL6-51A两个测点分别位于距离震中约286km和291km的陇西盆地东北侧的宁夏固原县东北(见图1),位于青铜峡-固原断裂带(F1)东侧。为了与地震波波形对比分析,笔者选取了距离大地电磁测点较近的固原地震台(35.96°N、106.17°E)所观测到的地震波数据,该台距离震中约为238km。图1中显示岷县漳县地震震中、固原地震台和两个大地电磁点基本位于一条北东向的直线上。在图1中还显示了穿过岷县漳县地震区的一条北东向的大地电磁剖面位置,沿该条剖面的大地电磁探测结果给出了岷县漳县地震震源区深部电性结构特征(赵凌强等,2015a)。


F1:青铜峡-固原断裂;F2:海原-六盘山断裂带;F3:西秦岭北缘断裂;
F4:临潭-宕昌断裂;F5:光盖山-迭山断裂;F6:迭部-白龙江断裂
图 1 地震震中、地震台站和大地电磁观测台点的分布 Fig. 1The location of epicenter, seismic station and MT sites
2 大地电磁观测、电磁场时间序列和地震波形

在这两个大地电磁点上采集数据所使用的设备为加拿大凤凰公司的MTU-5A型大地电磁观测系统,野外观测2个相互垂直的电场分量:南北(Ex)和东西(Ey);3个相互垂直的磁场分量:南北(Hx)、东西(Hy)和垂直分量(Hz)。当岷县漳县地震发生时,上述观测系统正在以15Hz采样频率采集电磁场数据。笔者选取了大地电磁测点在岷县漳县地震前后共计180s的5个分量的时间序列绘制在图2中。同时,固原地震台的地震仪也记录到了该地震的P波和S波,为了对比电磁场时间序列和地震波形,也同样截取了与大地电磁相同时段的南北、东西和垂直分量的地震波形,它们的采样率为100Hz,分别绘制于图2中两个大地电磁测点记录的三分量磁场时间序列图中。在图2可以看出,两个测点相距仅仅6km,所观测到的电磁场分量时间序列的幅值和波形变化特征基本一致。两个测点上的3个磁场分量信号在地震发生后出现了三次较明显的变化:第一次变化(T1)是地震后约12s出现了明显的脉冲信号;第二次变化(T2)发生在地震后约49s,磁场信号幅值变大;第三次(T3)则是地震后约85s,磁场信号幅值再一次变大,之后随着时间推移而逐渐减小。两个测点上两个电场分量在T2和T3时刻的变化不如磁场分量明显,可能被淹没在低频大地电磁天然场信号中,但在T1时刻仍然存在与磁场分量一致的脉冲信号。根据垂直分量地震波形可确认,在震后约40秒P波到达;根据水平分量地震波形可确认,在震后约70秒S波达到。

对比两个测点的3个磁场分量的时间序列和固原地震台记录到的地震波形可见(图2),两个测点上记录到的磁场信号在T2时刻之后出现的波形都具有类似地震台记录到的地震波形的P波和S波波形信号,只是类似波形信号出现时刻均晚于地震波信号,这可能是由于地震台距离震中较电磁测点近约50km所致。由深地震反射得到传播路线的上地壳纵波速度范围为5.52—6.45km/s(刘明军等,2008),以地震区上地壳纵波速度5.8km/s(李翠芹等,2013)作为地震纵波到达测点的传播速度,地震P波到达大地电磁测点会晚于到达固原地震台约8.62s,由波速比约1.76(李翠芹等,2013)可得到地震S波约迟15.17s到达大地电磁测点,与实际观测T2和P波时间差9s、T3和S波时间差15s,十分接近,说明T2和T3是分别由P波和S波到达产生的同震电磁信号。同震电磁信号产生的原因即来源于地表震动,其被称为“地震波驱动同震电磁效应”,这种现象在很多震例中都被观测到(Matsushima等,2002;汤吉等,2010)。从图2中还可看出,两个测点的电磁场分量在T1时刻出现了较大脉冲信号,但是在地震波形上没有对应的变化,这可能与地震波传播无关,可能是地震破裂过程中产生的震电磁信号(Garambois等,2002;Huang,2005),这一问题将在下一节进行详细分析。

图 2 固原地震台观测地震波形(红色)与大地电磁观测点观测的电磁场波形(黑色) Fig. 2Comparison of the observation data of Guyuan seismic station(red) with MT site(black)
3 震电磁信号特征及机理讨论

为了分析两个电磁测点在岷县漳县地震发生约12s之后记录的震电磁信号的波形特征,笔者绘制了岷县漳县地震前后共计70s的两个测点观测的5个电磁场分量的时间序列(见图3左图),另外截取了包含震电磁信号的10s时段的时间序列绘制在图3右图中。从图3中可清楚地看出,在地震后12s左右两个测点上记录的5个分量的电磁场信号上都出现了明显的脉冲信号,且该脉冲信号幅度具有明显的方向性,其位于震中北东方向两个测点的南北电场(Ex)和东西磁场(Hy)上的幅度比东西电场(Ey)和南北磁场(Hx)的大很多。同时,从图3右图中还可清楚地看出,东西磁场(Hy)分量上的脉冲波形形态在幅值增大到最大之前存在微小扰动,随后振幅达到最大值,之后信号幅值快速震荡衰减,这个过程约4s,南北电场(Ex)分量波形与东西磁场(Hy)分量呈反向。

岩石物理学实验研究(刘煜洲等,1997;钱书清等,1996;Huang,2002)已经证实了岩石破裂会产生电磁信号,特别是含流体空隙介质中的地震波可以激发震电磁信号(Garambois等,2002;Haartsen等,1997)。同时研究还表明,由于震电磁信号的产生机理和传播特性,地震电磁信号具有“选择性”且与地表介质的电性非均匀性和地下特定导电通道有关,在一定距离范围内,震电磁信号在特定观测点才能被观测到(黄清华等,2010)。数值模拟研究选择不同电介质参数对震电磁信号有较大影响,在传播过程中容易衰减,所以震电磁信号在传播一定距离后容易被背景变化覆盖而较难分辨(Gao等,2013),因此在很多地震后仅仅观测到同震电磁信号(Matsushima等,2002;徐光晶等,2009;汤吉等,2008;2010)。Gao等(2013)在特定模型震源深度达到20km时,震后约10s左右存在较为明显的地震电磁信号,这一结果与文中观测到的震电磁信号出现时间较为接近。

本文给出了在距离岷县漳县地震震中约280km外固原地区的两个大地电磁观测结果,其记录到了较强震电磁信号,这与岷县漳县地震震源区及其附近地区的深部电性结构特征有一定的关系。2013年岷县漳县地震发生在西秦岭造山带中段,大地电磁探测结果(图4)揭示,西秦岭造山带中段自地表到深度约22km存在东北和西南浅、中间深的倒“梯形”高电阻体,在高阻体之下为低电阻层,岷县漳县地震震源深度约20km,正好位于上地壳高阻体和中下地壳低阻层的接触区位置且偏于高阻体内(赵凌强等,2015a;2015b)。记录到震电磁信号的两个大地电磁测点位于岷县漳县地震区东北方向的陇西盆地东北海原-六盘山断裂带(F2)东侧附近,大地电磁探测结果揭示,在陇西盆地中、下地壳广泛发育低阻层,并且一直向北东方向延伸到海原-六盘山断裂带(F2)附近且埋深变浅(詹艳等,2005)。当岷县漳县地震发生时,地震震源下方的低电阻层和地震震中到电磁观测点一线区域的中下地壳低阻层构成了导电通道,从而在距离震中约286km外的地区观测到了较强的震电磁信号。岷县漳县地震电磁观测结果和地震区及其观测点到震中区一线的深部结构特征,可以为开展震电磁信号的数值理论模拟和机理研究提供一个确实的实例。

在距离2013年岷县漳县MS6.6地震震中约286km外的两个测点利用15Hz采样的大地电磁仪器,同时观测到在地震后12s左右的持续约4s的震电磁信号,该震电磁信号早于地震同震信号约38s到达,如果能捕捉到震电磁信号并用于地震预警,将可以大大减少因地震导致的人员伤亡。

图 3 大地电磁观测数据(虚线是地震发生时刻) Fig. 3The observed data from two magnetotelluric sites (the dashed stand for earthquake occured)
图 4 跨过2013年岷县漳县地震区的深部电性结构图(据赵凌强等,20015a) Fig. 4Electrical resistivity structure derived by 2D inversion of the MT data along the profile
4 结论

本文展示了2013年岷县漳县MS6.6地震时位于距震中北东方向约286—291km的两个大地电磁测点记录的电磁场时间序列特征,与电磁点附近的固原地震台站记录的地震波波形进行了对比分析,结合震源区及其震中和观测点区域的深部电性结构特征对震电磁信号的产生机理进行了分析,可以得到如下结论:

(1)在两个测点上完整观测到了2013年岷县漳县MS6.6地震的地震同震信号和震电磁信号,地震同震信号与地震波形具有很好的对应性,震电磁信号早于地震波38s到达且幅值大小具有明显的方向性。

(2)大地电磁探测结果揭示,岷县漳县地震震源区和地震震中与观测点之间区域在中下地壳存在低电阻层,低阻层构成了特定的导电通道,从而在距离震中约286km外的地区观测到了较强的震电磁信号。岷县漳县电磁观测结果以及地震区及其观测点到震中区一线的深部结构特征,可以为开展震电磁信号的数值理论和机理研究提供一个确实的实例。

(3)2013年岷县漳县MS6.6地震后的电磁观测结果证实了地震后确实存在早于地震波38s到达的较大幅度的震电磁信号,如果能捕捉到震电磁信号并用于地震预警,将可以大大减少因地震导致的人员伤亡。

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