日本2011年3月11日災(zāi)難性地震前地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的異常擾動(dòng)

В.С.Исмагилов　Ю.А.Копытенко　Г.М.Попов

日本2011年3月11日災(zāi)難性地震前地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的異常擾動(dòng)

В.С.ИсмагиловЮ.А.КопытенкоГ.М.Попов

摘要2011年3月11日，在日本東北以東的近海發(fā)生了M9地震，這是日本地震監(jiān)測(cè)史上最大的一次，其震中位于海底下約24km處，距離海岸約130km。根據(jù)位于日本領(lǐng)土上距離此次震中約180～200km的兩個(gè)地磁監(jiān)測(cè)站——江差町和水澤的數(shù)據(jù)研究了地球主磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。地球主磁場(chǎng)的分量在過去的上百年間變化都非常平穩(wěn)，然而在2000～2011年期間，在日本領(lǐng)土發(fā)生大地震的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到了4次主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的異常情況，其持續(xù)時(shí)間從半年到3年不等。這些異常出現(xiàn)的同時(shí)，在地磁臺(tái)站周邊100km的區(qū)域內(nèi)有地震活躍帶發(fā)展，且之后發(fā)生了6級(jí)強(qiáng)震。從兩個(gè)地磁臺(tái)站監(jiān)測(cè)的相關(guān)磁場(chǎng)分量差可發(fā)現(xiàn)一些最顯著的異常。最近的一次異常情況最為強(qiáng)烈，其出現(xiàn)在大地震發(fā)生的約3年前。地震前地球磁場(chǎng)異常的原因可能是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程引起的地殼局部區(qū)域的導(dǎo)電性變動(dòng)造成。在初始階段，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致未來震源區(qū)域溫度和導(dǎo)電性的升高，從而導(dǎo)致地表地電流的重新分配以及磁場(chǎng)的改變。之后，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程的發(fā)展導(dǎo)致未來震源區(qū)域裂縫的加劇，并降低了地震來臨前的電導(dǎo)率。

0引言

現(xiàn)今普遍認(rèn)為，在地震的孕育階段在地表可以監(jiān)測(cè)到異常的巖石層超低頻(F<10Hz)雜音狀的電磁輻射信號(hào)[1-6]，這種超低頻擾動(dòng)的強(qiáng)度通常非常小(<0.1нТл)，但是在強(qiáng)烈地震(M>6)之前，觀測(cè)到其值的震中距可達(dá)100km甚至更深[3，5]?，F(xiàn)代高靈敏度磁力儀能夠監(jiān)測(cè)到這樣微弱的信號(hào)，但是，在日本領(lǐng)土的傳感器，通常記錄到巖石層與電離層發(fā)生的磁場(chǎng)擾動(dòng)疊加信號(hào)，同時(shí)工業(yè)噪聲“干擾”也疊加在自然磁場(chǎng)信號(hào)上。

自然的超低頻地磁變化源頭在電離層。在地表的地磁擾動(dòng)記錄點(diǎn)通常離這些電離層源頭很遠(yuǎn)(幾百千米)。因此沿著地表監(jiān)測(cè)到的電離層所產(chǎn)生的超低頻自然地磁擾動(dòng)的梯度很小，并且取決于擾動(dòng)的大小和距擾動(dòng)源頭的遠(yuǎn)近[7，8]。

超低頻巖石層磁力擾動(dòng)的記錄點(diǎn)位于地震活躍區(qū)域，通常記錄點(diǎn)離局部源頭地比離電離層擾動(dòng)發(fā)源地要近得多。因此沿地表監(jiān)測(cè)到的巖石層超低頻磁擾動(dòng)的梯度大于電離層超低頻擾動(dòng)的梯度。在一些著作[7-10]中推薦使用梯度法，用于區(qū)分巖石層生成的超低頻輻射，該方法是微分法的衍生之一。該方法能夠在強(qiáng)烈地震還在孕育的期間確定超低頻地磁擾動(dòng)的梯度和相位速度的異常狀況，以及根據(jù)沿地表梯度和相位速度的矢量方向確定未來震中的方向。

圖1　地磁臺(tái)站的位置(三角形)和從2000年1月1日到2011年1月31日期間強(qiáng)震活動(dòng)的地區(qū)位置(黃色星號(hào))。每顆星號(hào)里都標(biāo)有強(qiáng)烈主震的震級(jí)(原圖為彩色圖——譯注)

2011年3月11日在日本東北以東不遠(yuǎn)的近海處，發(fā)生了災(zāi)難性的M9(根據(jù)日本氣象部門標(biāo)度)強(qiáng)烈地震。強(qiáng)震還伴有高達(dá)20m的海嘯，摧毀了福島核電站。本文研究的是在這次地震之前出現(xiàn)的地球磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的異常磁力擾動(dòng)。

1地球磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化異常

圖1中用白色的三角形標(biāo)出了地磁臺(tái)站。使用的數(shù)據(jù)來自江差町(ESA)臺(tái)、水澤(MIZ)臺(tái)和柿岡(KAK)臺(tái)。ESA臺(tái)和MIZ臺(tái)位于2011年3月11日發(fā)生的災(zāi)難性大地震震中以北約170km到200km。ESA和MIZ臺(tái)之間的距離約為19km，而ESA和KAK臺(tái)之間的距離約為332km。圖1中最大的黃星表示地震震中。11年的時(shí)間中(2000年1月1日到2011年1月31日)地球恒定磁場(chǎng)的H，D和Z分量變化示于圖2。圖中給出的比例顯示江差町臺(tái)和柿岡臺(tái)的數(shù)據(jù)非常相似。2006年后Z分量開始增大，D分量開始降低，而H分量在整個(gè)11年期間在緩慢地降低。圖中豎線標(biāo)出了大地震的發(fā)生時(shí)間。很明顯，地球主磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化與磁力活性無(wú)關(guān)。分別組合成兩對(duì)地磁臺(tái)站(ESA-MIZ，ESA-KAK)的有關(guān)磁力分量之差值示于圖3。圖中下方的曲線表示江差町臺(tái)和水澤臺(tái)垂直分量的差異數(shù)：dZ(EM)=Zesa-Zmiz。下方第二條曲線表示的是江差町臺(tái)和柿岡臺(tái)的垂直分量差異dZ(EK)=Zesa-Zkak等。地震震級(jí)標(biāo)注在圖3右上方，使用的數(shù)據(jù)范圍為江差町臺(tái)地震強(qiáng)度M>4，震中距離江差町臺(tái)小于150km的記錄。在差異信息中(下6條曲線)明顯能看出長(zhǎng)達(dá)1～3年，變化幅度為1～5нТл的異常變化。上數(shù)第二圖中能看到更明顯的異常。這里展示了江差町臺(tái)與水澤臺(tái)垂直分量差異與平行分量差異間的比值：dZ(EM)/dH(EM)=(Zesa-Zmiz)/(Hesa-Hmiz)。曲線下面的黑色箭頭標(biāo)出了異常的時(shí)間，而上方的紅色箭頭則標(biāo)出了震級(jí)M≥6地震的發(fā)生時(shí)間。很明顯，強(qiáng)震發(fā)生時(shí)刻相對(duì)于異常初始時(shí)間延遲1～3年時(shí)間。發(fā)生在災(zāi)難性大地震之前最明顯的異常持續(xù)的時(shí)間比之前的異常要久，并且更加強(qiáng)烈。

在11年內(nèi)發(fā)生的地震活躍區(qū)在圖1中用黃色星號(hào)標(biāo)出。最強(qiáng)烈地震的震級(jí)標(biāo)注在該星號(hào)內(nèi)。在2002年異常之后，震中位于仙臺(tái)市附近，在江差町臺(tái)以南大約100km處。在2005～2007年，震中位于海底之下，在江差町臺(tái)東南約150～200km處。2008年時(shí)，震中的位置距離江差町臺(tái)和水澤臺(tái)非常近(江差町臺(tái)西南約50km處)。2009年后，在海底出現(xiàn)了地震活動(dòng)，也正是在這里發(fā)生了M=9的強(qiáng)震。

2結(jié)果討論

在文獻(xiàn)[11]中對(duì)主磁場(chǎng)源頭的動(dòng)力學(xué)模型研究表明，最靠近日本的地磁極點(diǎn)位于東西伯利亞和太平洋中。這些極點(diǎn)的緩慢位移導(dǎo)致日本境內(nèi)長(zhǎng)期磁場(chǎng)變化的大規(guī)模改變。比較圖2下方的6條曲線可以得出，這些變化的空間尺度應(yīng)當(dāng)非常大。因此，圖3中顯示的異常是局部性的，且距離江差町臺(tái)和水澤臺(tái)很近。圖3中上數(shù)第二條曲線(江差町臺(tái)和水澤臺(tái)dZ/dH的比值)下面的黑色箭頭標(biāo)出了4次監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的異常。紅色箭頭則標(biāo)出了M≥6地震的發(fā)生時(shí)間。很明顯，相對(duì)于異常開始，強(qiáng)震發(fā)生時(shí)間有1～3年的延遲。此外，這些地震都位于不同的地震區(qū)域(圖1中黃星號(hào)標(biāo)出)。震級(jí)M=7.0的地震區(qū)域在2002年磁力異常發(fā)生后出現(xiàn)。震源平均深度約為37km(測(cè)算包含M≥4的地震)。2005年的磁力異常(M=6.9)出現(xiàn)在海底地震活動(dòng)開始前。震源平均深度約為54km。2008年震中的位置離江差町臺(tái)和水澤臺(tái)很近，震源平均深度約為18km。2009年后，地震活動(dòng)出現(xiàn)在2005～2007年地震活躍區(qū)域以東的海底，平均深度約為36km?？雌饋?，2005～2007年以及2009年的地震活動(dòng)與太平洋構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)[12]。幾乎在所有俯沖區(qū)域的地震活動(dòng)都先出現(xiàn)在地殼深處，然后是在較淺處[13]。

在地震前出現(xiàn)磁場(chǎng)異常先前也曾監(jiān)測(cè)到過[14]。這個(gè)現(xiàn)象可以用地殼的局部區(qū)域?qū)щ娦缘母淖儊斫忉?。事?shí)上，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)引起未來震源區(qū)域的溫度升高以及傳導(dǎo)性增強(qiáng)。大地電流在傳導(dǎo)異常區(qū)域附近被重新分配，并使得地表磁場(chǎng)發(fā)生異常。獲取這些異常信號(hào)取決于地磁臺(tái)站相對(duì)于該異常的位置。

在地震孕育階段，構(gòu)造過程能使地磁臺(tái)站所在的地表傾角發(fā)生改變。磁力傳感器方位變化可能成為磁力計(jì)讀數(shù)變化的另一原因。比如，在日本境內(nèi)的傳感器傾斜0.01°可以導(dǎo)致磁力儀水平分量讀數(shù)變化6.6нТл。從圖3可以看出，異常出現(xiàn)后，開始階段會(huì)變得劇烈，而之后會(huì)開始減弱，到強(qiáng)震發(fā)生之前基本消失。有可能的是，由于構(gòu)造過程引起地殼局部區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致該區(qū)域的傳導(dǎo)性增強(qiáng)而出現(xiàn)異常并發(fā)展，之后由于構(gòu)造過程進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致破裂程度增強(qiáng)，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)性減弱，以致傳導(dǎo)性異常消失。

圖2　晝夜Kp指數(shù)總括圖(最上部圖)和2000年1月1日至2011年1月31日期間江差町臺(tái)和柿岡臺(tái)地球主磁場(chǎng)各分量長(zhǎng)期變化圖。豎線標(biāo)出了大地震的發(fā)生時(shí)間

圖3　2000年1月1日至2011年1月31日期間地震震級(jí)記錄(M≥4)(最上方圖)。分別組合的ESA-MIZ(EM)和ESA-KAK(EK)地磁臺(tái)站相關(guān)磁力分量的差值(dH，dD，dZ)見下面的6條曲線。江差町臺(tái)與水澤臺(tái)dZ/dH的比值見上數(shù)第二條曲線。曲線下的黑色箭頭標(biāo)出了異常的時(shí)間，而紅色箭頭則標(biāo)出了M>6地震的發(fā)生時(shí)間(原圖為彩色圖——譯注)

這樣，在2000～2011年間日本發(fā)生大地震的區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測(cè)到4次地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的異常。所有磁力異常都發(fā)生在強(qiáng)震之前，在所選取的地磁臺(tái)站相應(yīng)磁場(chǎng)分量的差值曲線上出現(xiàn)了特別明顯的差異。最后一次異常最為劇烈，在大地震發(fā)生之前持續(xù)了3年時(shí)間。

3結(jié)論

所得結(jié)論如下：

2000～2011年期間，在日本大地震區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的4次異常變化。

所有磁力異常都發(fā)生在強(qiáng)震之前，在所選取的地磁臺(tái)站相應(yīng)分量的差值曲線上出現(xiàn)了特別明顯的變化。

最后一次異常最為劇烈，在M9大地震發(fā)生之前異常持續(xù)了約3年時(shí)間。

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譯自：“PhysicsofAuroralPhenomena”，Proc.XXXVI Annual Seminar，Apatity，2013.71-74

原題：АНОМАЛЫЕ ВОЗМУШЕНИЯ В ВЕКОВЫХ ВАРИАЦИЯХ МАГН- ИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПЕРЕД КАТАСТРОФИЧЕСКИМ ЗЕМЛЕТ- РЯСЕНИЕМ В ЯПОНИН 11.03.2011

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心王超譯；胡鴻翔校)

王超(1979年1月-)，男，北京外國(guó)語(yǔ)大學(xué)俄語(yǔ)學(xué)院學(xué)士，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心項(xiàng)目管理部，高級(jí)工程師，Tel：13671107964，E-mail：chao@seis.ac.cn。

譯 者 簡(jiǎn) 介

doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201504004