美国西部,尤其是圣安德列斯断层系所展布的地带,是美国地震活动最强烈的地区(Kanamori,1983),其震害也最严重,因此也是美国地震预测探索研究的实验场。圣安德列斯断层是一条活动断层,该断层及其临近地区经常发生地震、蠕动等构造活动,1906年旧金山8.0级大地震就发生在这条断层附近。为监测该断层及其临近地区的构造活动与探索研究地震预测(Press et al,1965; Allen,1982),自1960年起,美国地质调查局(USGS)与各有关大学的研究单位,在圣安德列斯断层及其临近地区布设了一系列地球物理观测,其中包括地震、地倾斜、蠕变、大地测量、地磁、地电、重力、地下水位与水氡等,形成了一个比较完整的观测系统。

本文概述了圣安德列斯断层的震磁观测与研究,2004年帕克菲尔德6.0级地震的震磁信息以及火山磁效应,讨论了相关的问题,并展望了今后的震磁研究前景。

1980年5月18日,美国圣海伦斯火山发生了大喷发。在这次灾难性的大喷发之前的10天,USGS 已在圣海伦斯火山上架设了3台磁力仪,其中两台磁力仪在这次大喷发中损失了。第三台磁力仪位于该主火山口以西约 5 km 处,在这次大喷发与其后的各次喷发期间一直在连续工作。该台站连续地磁资料的分析表明,这次火山大喷发时产生了(9±2)nT的地磁总强度异常变化。这一火山磁效应是由于伴随火山大喷发的区域应力释放导致的压磁效应引起的(Johnston et al,1981)。

1980年5月18日圣海伦斯火山的大喷发,还引起了明显的大气层波动与电离层偶合效应,在离该火山 8 211 km 处的多普勒效应、法拉第旋转现象、电离层电子数与地磁中都有所反映。

为研究该火山大喷发所引起的大尺度地磁扰动,Mueller和Johnston(1989)分析了离该火山1 493 km以内的美国 28 个台站的地磁总强度资料。分析结果表明,该火山大喷发所引起的地磁扰动信号随着地磁台站与该火山之间的距离L增加,地磁扰动信号的出现时间具有规律性的滞后现象:与该火山之间的距离L<100 km的台站,其地磁扰动信号出现的滞后时间ΔT= 1～2 min; 而当L= 1 362～1 493 km 时,ΔT=44～48 min。这表明,该地磁扰动信号具有一定的传播速度,约为280～580 km/s。而且,该火山大喷发所引起的地磁扰动幅度 △F随着地磁台站与该火山之间的距离L增加,其ΔF出现下降趋势; 当L<100 km时,ΔF= 10 ～ 20 nT; 当L=1 439 ～ 1 493 km时,ΔF = 5～6 nT。Mueller和Johnston(1989)的研究表明,这种大尺度地磁扰动是由圣海伦斯火山大喷发所激发的电离层扰动引起的。

Davis 等(1984)于1981年10月在圣海伦斯火山附近布设了5个台站观测地磁总强度,最近的台站离火山口约 1 km。同时还有地倾斜与地电的观测。对于1981年10月30日圣海伦斯火山喷发前后,这三种观测资料的分析结果表明,最大的磁异常变化约为5 nT,地倾斜的变化约为120 微弧度,但地电却没有相应的明显异常变化。Davis等(1984)的研究表明,这次圣海伦斯火山喷发的磁异常变化的机制是该火山喷发的压磁效应,而不是电动磁效应,因为没有观测到与地磁异常变化相对应的地电异常变化。

表5给出了美国震磁观测研究的一些震例结果,其结果显示,对于5.2～7.3级地震,在离震中为3～50 km的测点与台站上,得到地磁总强度的变化异常幅度为0.3～6 nT。表5中,1974年11月霍利斯特5.2级地震的地磁变化异常出现在该地震之前40天,而其它震例结果都是同震的震磁效应。同震的震磁效应符合发震时刻应力突然释放所引起的压磁效应。研究结果表明,对于某些地震而言,存在震磁前兆信息,因此,震磁效应的观测研究是探索地震预测的一种手段。

表5 美国一些地震的震磁效应
Tab.5 Seismomagnetic effects of some earthquakes in USA

1980年5月18日美国圣海伦斯火山大喷发,产生了(9±2)nT的地磁总强度异常变化。这一火山磁效应是由伴随该火山大喷发的区域应力释放导致的压磁效应引起的。该火山大喷发还引起了大尺度的地磁扰动,是由圣海伦斯火山大喷发所激发的电离层扰动引起的。1981年10月30日圣海伦斯火山喷发,在离火山口约1 km的台站,产生了约为5 nT 的磁异常变化。该火山喷发的磁异常变化的机制是圣海伦斯火山喷发的压磁效应。

以Johnston为首的美国研究组参加了菲律宾Taal火山国际合作的监测与研究工作(袁洁浩等,2013)。2013年3月,以 Johnston 为首的美国研究组在菲律宾Taal火山附近又架设了倾斜仪与调节器。该美国研究组将与日本、法国、希腊、意大利、比利时等国家的研究组继续开展菲律宾Taal火山国际合作的监测与研究工作,可望获得火山磁效应观测研究的丰硕成果。

综上所述,美国的震磁观测与研究已获得了长足的进步,在地震预测实验场的监测与研究以及火山磁效应的观测与研究方面都具有宝贵的经验。对于震磁效应与火山磁效应的观测与研究,各国都很重视。美国的这些研究成果与宝贵经验可供世界各国参考与借鉴,从而有助于推进今后的震磁效应与火山磁效应的观测与研究。

今后,USGS将致力于包括地磁、倾斜、线性的与张量的应变、地电、湖水深度变化、孔隙张量与膨胀应变、火山位移等方面的监测,以了解与研究地震、活动断层破裂与火山活动的机制。根据这些观测资料的综合分析结果,来描述地震、地壳破裂与火山活动的物理模型,确定由这些资料得到的震源物理的意义。

对于震磁效应的观测与研究,相关的专家学者十分关注。中、美、日、俄等国都在地震活动区开展了震磁效应的观测研究,并积极探索地震预测,已获得了良好进展(顾左文等,2006; Gu et al,2006; Sasai et al,2007; Nishida et al,2007; Currenti et al,2007; Yoshimura et al,2008; Mauro et al,2008; Varotsos,Uyeda,2008; Johnston et al,2008; Yamazaki,2009; 陈斌,2011)。各国继续开展震磁效应的观测研究,必将推进震磁研究。

近年来,我国的相关专家学者关注岩石圈磁异常变化与地震的关系,而且在地震活动区与构造活动带,已观测到了与地震活动、地质构造有关的岩石圈磁异常(倪喆等,2014; 顾春雷等,2010,2012; 闫素萍等,2010)。许多具有破坏性的浅源地震都发生在岩石圈中。在地震的孕育和发生的过程中,会引起局部岩石圈的地质结构、温度与应力状态、介质电磁性质等因素的变化,从而导致岩石圈磁异常。分析岩石圈磁异常变化与地质构造的关系,研究与地震相关的构造活动所产生的岩石圈磁场变化特征,对分析震磁前兆信息与研讨区域地震活动性都具有重要意义。因此,分析研究岩石圈磁异常变化与地震的关系在震磁研究中具有重要意义,今后应当深入地探索与研究。

2001年成立的国际地震与火山电磁研究工作组(EMSEV),一直致力于地震与火山电磁研究的国际学术交流与合作,有力地推进了地震与火山的电磁研究(袁洁浩等,2013)。从 2004年开始至今,EMSEV一直与菲律宾开展Taal火山的监测与研究的国际合作,来自日本、法国、美国、希腊、意大利与比利时等国家的研究小组都参加了该国际合作,充分体现了EMSEV国际合作的特色与优势。这种强有力的国际合作研究,有助于攻克科学难题。

2011年11月10日,EMSEV与俄罗斯科签订了今后4年的科学与技术合作协定。该协定旨在合作研究中亚地区活动断层与发生地震的物理过程期间,为双方提供科学与技术的活动平台,推进应用电磁与其它地球物理方法的新研究,利于解决有关中亚大陆岩石圈的不同活动断层的地震发生与监测并减轻这类地震的基本问题。而且,如果双方同意,该协定的合作时间可以再延长4年。这样稳定而长期的国际合作将有助于解决地震与火山电磁研究的基本问题。

感谢詹志佳研究员在文章修改中提出的宝贵意见.