汶川、玉树地电场观测资料的地震先兆信息分析

汶川、玉树地电场观测资料的地震先兆信息分析

0多极距地电场观测系统特征2008年5月12日，川药8.0级地震和玉座7.1级地震为近年来中国发生的强震。地震的发生为分析和研究地震区域的前身提供了丰富的数据。地电场是地球内部的电场,由大地电场和自然电场所组成.前者主要是地球高层大气中的各种电流体系在地球内部所产生的感应电场;后者是地壳中的某些物理、化学作用引起的电场.中国地震局90年代中期专门研制生产了ZD9A大地电场仪,并在1998年1月10日河北省张北县发生的6.2级地震前,该仪器在震中距约为240km的天津市宝坻地电台记录到了这次地震的电信号.此外,国内外的专家、学者相继报道了中强地震前地电场的异常现象[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,26].例如:马钦忠博士研究了首都圈地电场观测资料后,发现2006年7月4日文安5.1地震前1个月内,宝坻台、昌黎台分别多次出现各测向同步连续成丛的脉冲异常信号,但不同的台站异常出现的时间、频次、形态和幅度有较大差异;利用上海崇明台和南京地电场ZD9A大地电场仪的观测资料为研究对象,在阐述了多极距地电场观测去噪音原理的基础上,研究这两个台站地电场多极距观测系统的资料在南通地区2001年11月和12月发生的ML3.8和ML4.1地震群事件震前的异常变化特征;利用文县的地电场观测资料研究震前的异常变化,并在昆仑山口MS8.1地震预测意见中起到了良好的作用;通过检查分析拉萨台观测资料,发现在2008年西藏发生的4次MS6.0以上地震前都记录到了明显的地电场的异常信号.范莹莹等利用最大熵谱估计的方法处理2008年四川汶川MS8.0地震震中周围电磁台的观测数据,研究了地震前后地电、地磁场的变化,发现震中附近部分台站地电场谱值增大现象显著,但同时发现在汶川地震前,电磁变化存在时空强分布很复杂,异常幅度差异大,起始时间不一致等现象.李艳等分析临汾台大地电场观测资料,发现青海海西6.4级地震前1天大地电场EW向长、短极距比值出现明显突跳异常,震前2h记录到临震异常扰动信号.张小涛等利用川滇地区“十五”期间布设的地电场观测数据,利用大地电场观测系统中,同一测向长短极距测值的比值方法进行分析,发现川滇地区5.0级地震前,多数台站的地电场观测资料比值发生异常变化,异常大多出现在地震前0.5～3个月,其中汶川地震和姚安地震前,研究区的9个台站均出现异常;使用玉树地震周围台站电场资料分析电场矢量方位角和振幅的时间序列与空间动态特征,在消除来自空间的各种辐射和各种高频突变干扰后,研究了玉树地震前电场的异常变化.由于地电场观测资料的成分复杂,地震前兆信号混杂于正常地电场变化的背景中,不容易识别,故在最近国内发生的强震前未见有关地电场观测出现前兆异常的报道.显然,如何及时识别、提取地电场观测资料中的异常信号是地震预测工作的迫切需要和亟待解决的研究内容.目前,国内大陆已建成由107个地电场观测台组成的观测网,观测系统的布极方式有十字形和L形,观测极距在磁东西、磁南北和北东(或北西)方向布设,每个测向都分别设置长、短两道观测极距(图1),观测数据的采样密度为每测道1分钟1个观测值.本文收集了汶川、玉树地震区附近的39个地电场观测台自投入运行以来的观测资料,并对全部资料的观测质量和地震前兆变化事件进行了检查分析,发现多数地电场观测资料中存在不规则的与地磁场变化或固体潮汐变化相关的较大幅度的扰动变化,因此很难从中识别出地震前兆变化.为了排除大地电场和自然电场远场的干扰,突出地震前兆信息,作者采用同台地电场观测的同一测向长、短极距测值的比值方法进行了分析处理.结果发现在地震前,多数台站的地电场观测资料存在不同形态的比值异常变化,从而证明强地震前地电场观测资料中存在短临前兆变化信息.1观测系统参数大地电场与地球变化磁场密切相关,两者的场源都是来自地球外部的各种电流体系,因而具有相同类型的变化.这种变化的电场和磁场统称为大地电磁场.地球介质的电磁响应满足麦克斯韦(Maxwell)方程组,在国际单位制中,这组方程如下:式中Η为磁场强度,J为传导电流密度,D为电通量密度,E为电场强度,B为磁感应强度,q为自由电荷体密度,·为散度算子,为旋度算子,t为时间.若对式(1)等号两边取散度,等式左边因对旋度取散度恒为零,并由式(4)消去D,可得式(5)就是场中任一处流出的电流与电荷减少率相等的电荷守恒定律.在电磁介质中,E、B都与介质的性质有关,因此,还有在各向同性均匀电磁介质中表示场矢量之间关系的本构方程:D=εE,(6)H=Β/μ,(7)J=σE.(8)式中,ε为介电常数,μ为磁导率,σ为电导率.当研究的介质为均匀、线性及各向同性时,上述参数为常数.麦克斯韦方程组和电磁介质的本构方程全面地描述了电荷、电流在导电介质中的空间分布和时间变化所遵循的规律.目前国内地电场观测系统的电极埋深一般为2米,在许多地区,这个深度会带来季节性水位变化、大气降水、气温变化或环境变化的干扰.为此可利用多极距的地电场观测系统来排除观测站附近噪音,其方法是在同一方向布设多道长、短不一的电极距(图1).当某一台站附近产生了噪音,在该台的不同长、短极距上会记录到形态不同的信号,但相邻的台站不会记录到这些噪音.而大地电场的变化将会在较大范围内的几乎所有台站同时在长、短极距上记录到相同形态特征的信号.当场源足够远时,在各向同性、均匀的连续介质中,同一测向的长、短极距观测到的地电场值应该是一样的.例如图1中所示的长极距AB、短极距A′B′上,长极距上所观测到的电场强度用EAB表示,短极距上所观测到的电场强度用EA′B′表示,由(8)式可知式中VA、VB、VA′、VB′分别表示各个测量电极的电位,LAB、LA′B′分别表示的长、短电极距的长度,JAB,JA′B′分别表示长、短电极距介质的传导电流密度,σAB,σA′B′分别表示长、短电极距地下介质的电导率,EAB,EA′B′分别表示长、短电极距的电场强度.据式(5),当观测区域地下介质各向同性、均匀、连续以且被测场源足够远时,则有JAB=JA′B′,σAB=σA′B′,EAB=EA′B′.(11)式(11)表明在同一台站,地电场同测向长、短极距的比值是一个无量纲的常量.在正常情况下,同台站的同一测向长、短极距测值的比值应≈1.研究结果表明,由于各个地电台的测量场地条件的差异、电极的极化电位不同等原因,使得这一比值在不同的台站、不同的测向有所不同.但测量电极的激化电位稳定后,其比值应在一个固定的数值上变化(图2).利用这一变化特征,可以通过长、短极距观测值的比值计算方法来识别地电场观测资料中的正常变化、异常变化并实时提取地震前兆信息.需要注意的是,比值法计算得到的异常信号还不完全是地震前兆信息,台站测区附近的大气降水、农田灌溉、雷电、电极极化电位的改变等都可产生地电场的比值产生变化,因此需要通过与原始观测资料对比,剔出因观测条件变化、环境改变和气象变化等干扰,才能对异常信息做出正确的判定,最终识别和提取可靠的地震前兆信息.2数据和计算2.1观测作品的处理本文收集了2008.05.12汶川8.0地震区、2010.04.14玉树地震区附近的39个台、自建成后正式投入观测至今的地电场观测资料(见表1),除个别台站的资料连续性、稳定性、可靠性较差,不能采用和分析外,对大多数台站的资料在逐一排除了各种因干扰产生的变化后,进行了同一测向的长短极距比值的计算和处理.震源区附近地电场观测台站的空间分布如图3所示.2.2地电场异常表现与震前关系为了体现研究结果的客观性和真实性,本文收集了所有选用台站的数据是有测以来的全部资料.由于国内地电场观测台的建设时间主要分“九五”期间2001年和“十五”期间2007年两部分,在资料分析时采用分开制图处理.“九五”期间在研究区建设了嘉峪关、兰州观象台和银川地电场观测台,由于银川台没有布设短极距观测,且台址建设环境不符合观测要求,故本文收集了该台资料,但未做出相应的分析.甘肃嘉峪关台和甘肃兰州观象台地电场观测始于2001年8月31日,至目前已经积累了9年多的观测资料,期间附近地区发生过2002年12月14日玉门5.9地震、2003年10月25日山丹-民乐6.1地震、2004年5月11日青海德令哈5.9地震、以及2008年5月12日汶川8.0地震和2010年4月14日玉树7.1地震.由图4中嘉峪关台NS测向、EW测向的长短极距观测值比值曲线可见,在2002～2004年距该台300km范围内的2次6级左右地震前长短极距的比值结果均连续出现较强的扰动变化.在汶川地震前又出现类似变化,且伴有持续1年多的低值和扰动背景增强(曲线变粗)的变化.该台自2001年正式投入观测以来的资料,在近十年的资料中两测向同时出现类似变化仅有1次,而该台的地电场观测仪器一直运转正常,地电观测环境无明显改变,故该认为该变化与汶川地震有关,而玉树地震前该台未出现异常变化.由图4中甘肃兰州观象台的NS、EW、NE测向的长短极距观测值比值曲线可见,在2002年～2004年距该台300km范围内的2次6级左右地震前长短极距的比值结果均连续出现较强的扰动变化.汶川地震前该台未出现明显的短临前兆,玉树地震前3个测向均出现高值扰动变化或比值趋势下降且扰动背景增强(曲线变粗)的变化.其中EW测向在玉树地震前出现比值大于10的趋势下降变化,此类变化自该台有观测以来仅出现1次.但在无地震发生的正常变化时段,以上各个台向的长短极距测值的比值曲线是比较稳定的,无趋势上升或下降现象出现,高值扰动变化出现次数也较少.图5是震源附近地区2007年下半年正式投入观测的部分震前有地电场观测长短极距比值异常的曲线,尽管这些台站在汶川地震前观测资料的时间不长,但每个台的同测向长短极距比值均有一个比较稳定的基值,在汶川地震或玉树地震前长短极距的比值结果均连续出现较强的扰动变化、比值趋势上升或下降且伴有持续的扰动背景增强(曲线变粗)的变化.由于本文处理的资料较多(39个台,每个台3个测向),所以图4、图5中只给出了处理后有异常和异常形态比较典型的比值分量,略去了处理后没有异常的比值分量.而不同台站地震前出现异常的分量不一致,可能是与不同的地电台址其地下的电性结构不同、或者不同的台站与断层(或震中)的位置不同有关.此外,震前地电场异常前兆信号的出现存在着敏感点效应也可能造成不同台站地震前出现异常的分量不一致的情况.通过图4、图5的分析可知,汶川、玉树地震前出现地电场同一测道长、短极距观测值比值异常共计25个台项,其中汶川地震前兆异常22台项,玉树地震前兆异常16台项.地震前出现比值趋势上升变化、且多数伴有扰动背景增强(曲线变粗)并且变化幅度≥10的异常7项次,分别是固原、嘉峪关、兰州观象台和武威台.其余异常形态是震前出现较大幅度的连续的扰动变化.同样,以上台项各测向的长短极距测值的比值变化曲线在正常变化时段,其形态是比较稳定的,没有出现趋势上升或下降现象,高值扰动变化出现次数也较少.3正演成像事件的特征由上述39个地电场台站观测资料的分析可知,汶川、玉树地震前震源区附近的地电场观测资料中有较为丰富的地震前兆信息.而本文使用的同一测向的长、短极距观测值的比值方法能有效地排除资料中来自大地电场的正常变化以及自然电场的远场变化,突出了近场的变化信息,使得地震前源自孕震区一定范围内的地电场异常信号容易识别.研究结果表明,汶川地震、玉树地震前地电场观测异常变化的特征主要表现为:1)多数台的比值异常表现为在稳定变化的背景下连续出现正负向跳点,次数逐渐增多或密集成丛,出现时间多在地震发生前的半年左右.例如图5中拉萨台NS向比值自2007年9月投入观测以来至2009年9月一直是比较稳定的变化,10月之后开始出现跳点增多,逐渐密集成丛,2010年3月中旬恢复平静,4月14日即发生了玉树7.1地震.2)有些台的比值异常为出现缓慢的趋势上升(或下降).例如图5中的武威EW向比值自2007年9月以来呈缓慢的上升变化,比值由-6上升到16,2008年3月26日转为下降,4月30日恢复到正常值,5月12日发生了汶川8.0地震.而图中2009年出现了4次单点脉冲变化,研究表明,地电场的比值出现单一的大幅度双向升降变化,是由短极距测值(分母)由正变负或由负变正近零时造成的,不是地震前兆信息.3)有些台的比值异常伴有扰动背景增强的变化.例如图4中嘉峪关台EW、NS测向的比值曲线,自2001年9月以来比值背景变化大多是比较稳定的,2006年8月开始比值的扰动背景增强(曲线变粗),2008年4月底扰动变化消失,5月12日即发生了汶川8.0地震.4)前兆变化的特征多为异常结束后发震.由图4、图5异常特征统计表明,多数台站比值异常结束后到地震发生的时间在1个月之内,偶有在比值异常恢复过程中发震的情况.例如图5中固原台NS向比值在2009年11月出现了趋势上升,比值由3上升到12后出现了扰动背景增强的变化,于2010年1月中旬转降,下降到7.1时4月14日发生了玉树7.1地震.4关于地电场观测资料的初步分析认识2008年5月12日汶川8.0级地震和2010年4月14日玉树7.1级地震,是