2021年漾濞MS6.4地震前后的地磁場(chǎng)變化

宋成科 陳政宇 周思遠(yuǎn) 徐玉健 陳 斌

1)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180 2)云南省地震局，昆明 650224 3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

盡管越來(lái)越多的震磁異常現(xiàn)象已被觀(guān)測(cè)到(Hiranoetal.，2001； Napolietal.，2008； Hattorietal.，2013； Xuetal.，2013； Febrianietal.，2014； Hanetal.，2014)，但地磁異常變化的機(jī)制尚無(wú)定論。 伴隨地震波而產(chǎn)生的地磁場(chǎng)脈沖異?？赡苁怯蓜?dòng)電效應(yīng)(Pride，1994)或動(dòng)生電磁感應(yīng)效應(yīng)引起的(Gaoetal.，2014，2019； Chenetal.，2021)。 同震穩(wěn)定地磁變化的研究認(rèn)為該變化是由地震破裂產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致。 例如，Johnston等(1987)利用距離震中3km、 采樣率為10min的地磁儀器觀(guān)測(cè)到1986年North Palm SpringsM5.9地震前后1.2nT的地磁變化； Okubo等(2011)報(bào)道了Iwate-MiyagiM7.2地震后1min內(nèi)距離震中26km的磁力儀觀(guān)測(cè)到的磁場(chǎng)異常變化，并認(rèn)為該變化是由地震破裂產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致。 震磁異常的定量化研究可以幫助分析區(qū)域應(yīng)力變化和地震危險(xiǎn)性，這激勵(lì)著震磁異常研究的發(fā)展。

漾濞地震的發(fā)生為地震地磁異常機(jī)制研究提供了機(jī)會(huì)。 本文使用漾濞地震震中100km范圍的8個(gè)地磁重復(fù)測(cè)點(diǎn)(圖 1)在地震前后所記錄的地磁總強(qiáng)度觀(guān)測(cè)資料計(jì)算地震前后的地磁場(chǎng)變化，并對(duì)該變化的成因機(jī)制進(jìn)行探討。

圖1 地磁觀(guān)測(cè)點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of geomagnetic observation stations.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

表1 地磁重復(fù)觀(guān)測(cè)信息Table1 Information of geomagnetic repeat measurements

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

地面磁場(chǎng)的測(cè)量值主要包含穩(wěn)定變化的主磁場(chǎng)、 地殼磁場(chǎng)和瞬變的日變場(chǎng)。 使用地磁重復(fù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析震磁異常時(shí)需要消除主磁場(chǎng)、 日變場(chǎng)和地殼磁場(chǎng)中不隨時(shí)間變化的部分。 由于2次觀(guān)測(cè)的時(shí)間間隔較短，主磁場(chǎng)和地殼磁場(chǎng)中不隨時(shí)間變化部分可通過(guò)將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)歸算至同一時(shí)刻并做差值進(jìn)行消除，地磁場(chǎng)日變化則可通過(guò)將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)改正至地磁場(chǎng)較為平靜的時(shí)刻(如午夜0～3時(shí))消除，即日變通化改正。 通常進(jìn)行日變通化改正的技術(shù)方法為直接差值法，計(jì)算方法見(jiàn)陳斌等(2017)的研究成果。

圖2 2021年4月1日—5月31日麗江地磁臺(tái)和通海地磁臺(tái)的地磁場(chǎng)變化Fig. 2 Geomagnetic field variation on Lijiang and Tonghai geomagnetic observatories from April 1 to May 31，2021.

由于地殼局部磁化率、 電導(dǎo)率和地磁場(chǎng)方向的差異，使用參考臺(tái)的總強(qiáng)度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)并不能很好地消除地磁場(chǎng)的日變化，而使用參考臺(tái)站的X、Y、Z3個(gè)分量進(jìn)行日變改正能夠獲得更好的日變化改正結(jié)果(Davisetal.，1979； Napolietal.，2011)。 因此，本文使用麗江地磁臺(tái)記錄的X、Y、Z數(shù)據(jù)進(jìn)行日變化改正，將不同觀(guān)測(cè)日獲得的數(shù)據(jù)改正到地磁變化較為平靜的5月6日午夜時(shí)刻(0～3時(shí))。

表2 漾濞地震前后的地磁場(chǎng)變化Table2 Changes of geomagnetic field before and after Yangbi earthquake

圖3 漾濞地震前后的地磁場(chǎng)變化Fig. 3 Changes of geomagnetic field before and after Yangbi earthquake.

3 震磁機(jī)制探討

地震地磁異常變化可能是由巖石的磁化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力變化的響應(yīng)所導(dǎo)致，即壓磁效應(yīng)(Stacey，1964； Staceyetal.，1972)，也可能是由于孔隙液體流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)電效應(yīng)所導(dǎo)致(Fitterman，1979； Dobrovolskyetal.，1989)，其他機(jī)制如熱磁效應(yīng)(Okuboetal.，2006)也能夠引起地磁場(chǎng)變化。 本節(jié)將對(duì)漾濞地震可能的震磁機(jī)制進(jìn)行探討。

3.1 壓磁效應(yīng)

根據(jù)笹井洋一等(1978)的方法，地震壓磁效應(yīng)計(jì)算分為2步： 1)根據(jù)地震破裂計(jì)算震中及周邊的應(yīng)力變化，本文采用PSGRN/PSCMP開(kāi)源程序(Wangetal.，2006)計(jì)算漾濞地震的同震應(yīng)力； 2)根據(jù)應(yīng)力-磁化強(qiáng)度關(guān)系(Sasai，1980，1994)計(jì)算地磁場(chǎng)變化，宋成科等(2020)詳細(xì)介紹了該壓磁效應(yīng)計(jì)算方法，這里不再贅述。

地震破裂的研究表明，漾濞地震發(fā)生在走向?yàn)?35°、 傾角為82°的破裂面上，以右旋走滑破裂為主，主要破裂發(fā)生在長(zhǎng)20km、 寬16km的滑動(dòng)面上，最大滑動(dòng)量為0.5m，據(jù)此建立了簡(jiǎn)單的均勻滑動(dòng)模型，磁偏角和磁傾角參考距離震中最近的測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)值。 文麗敏等(2017)對(duì)云南地區(qū)地殼磁異常的研究中認(rèn)為漾濞地震震中所在區(qū)域?yàn)槿踟?fù)磁異常區(qū)域，磁化強(qiáng)度并不高，本文計(jì)算使用的磁化強(qiáng)度為1A/m。 參考實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)的量級(jí)為10-3MPa-1(Nagata，1969； Revoletal.，1977； Martin，1980)，早期的震例研究采用1×10-3MPa-1能夠解釋大部分觀(guān)測(cè)的同震磁場(chǎng)變化。 隨著儀器精度的提高和地震破裂分布研究的深入，應(yīng)力敏感系數(shù)取(2～5)×10-3MPa-1時(shí)計(jì)算的壓磁效應(yīng)與觀(guān)測(cè)值更吻合(Nishidaetal.，2004； Yamazaki，2013)，這里選擇5×10-3MPa-1進(jìn)行壓磁效應(yīng)計(jì)算，模型參數(shù)見(jiàn)表3，壓磁效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 4。

表3 壓磁模型參數(shù)Table3 Parameters of the piezomagnetic model

圖4 漾濞地震的壓磁效應(yīng)Fig. 4 Piezomagnetic effect of Yangbi earthquake.

壓磁效應(yīng)與斷層滑動(dòng)分布密切相關(guān)，本文中使用了最簡(jiǎn)單的均勻滑動(dòng)模型，這可能使得計(jì)算的局部壓磁效應(yīng)偏小(Oshiman，1990)。 漾濞地震的破裂尺度較小，即便是更精細(xì)的模型也不可能使計(jì)算的壓磁效應(yīng)達(dá)到實(shí)測(cè)的量級(jí)(-2.82nT)。 壓磁效應(yīng)的大小與磁化強(qiáng)度和應(yīng)力敏感系數(shù)的乘積(βJ)成正比(Yamazaki，2013)，因此要使得C1測(cè)點(diǎn)處的壓磁效應(yīng)(-0.3nT)達(dá)到實(shí)測(cè)地磁場(chǎng)變化量(-2.82nT)，則需要βJ為表3 中數(shù)值的9～10倍。 巖石磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)力敏感系數(shù)的量級(jí)為10-3MPa-1，本文計(jì)算使用的應(yīng)力敏感系數(shù)(5×10-3MPa-1)是一個(gè)相對(duì)較大的值。 漾濞地震周邊磁異常較弱，這揭示了該區(qū)域巖石不可能存在較高的磁化強(qiáng)度(楊學(xué)慧等，2020)，C1測(cè)點(diǎn)的地磁場(chǎng)梯度較小，故該測(cè)點(diǎn)處也不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，因此認(rèn)為壓磁效應(yīng)不能完全解釋實(shí)測(cè)的磁場(chǎng)變化。

3.2 動(dòng)電效應(yīng)

地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化使得孔隙流體在壓力作用下流動(dòng)，在雙電層效應(yīng)的影響下(Morganetal.，1989)，流體中形成電流，并產(chǎn)生電位差，從而產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)變化，該現(xiàn)象稱(chēng)為動(dòng)電效應(yīng)。 Fitterman(1979)給出了規(guī)則斷層模型產(chǎn)生磁場(chǎng)X、Y、Z3個(gè)分量的定量計(jì)算方法，這里列舉了地面任意位置的磁場(chǎng)X分量的定量計(jì)算公式，見(jiàn)式(1)，詳細(xì)的計(jì)算方法參見(jiàn)Fitterman(1979)的研究成果。

(1)

其中，l為破裂面長(zhǎng)度，a為破裂面頂部的埋深，b為破裂面底部的埋深，σ1和σ2為破裂面兩側(cè)的電導(dǎo)率，μ為真空磁導(dǎo)率，S0為流動(dòng)電勢(shì)，S0=CP，其中C為流動(dòng)電勢(shì)系數(shù)，P為孔隙壓力變化。

圖5 漾濞地震動(dòng)電磁效應(yīng)Fig. 5 Electrokinetic effect of Yangbi earthquake.

3.3 其他機(jī)制

4 結(jié)論