远程检测电场的变化引起地震波从断层破裂的前面

文摘

地震波通常观察到通过起伏的弹性地面运动的测量。我们报告远程探测地球电场的变化几乎同时开始与断层破裂的断层地区的约100公里使用一个特殊的电测量。罕见但重复检测表明,这种现象是真实的。扩散的特征时间几乎是瞬时的,也就是说,每100公里不到1秒,超过十倍普通地震P波传播。我们建议测量电场的变化产生的动电的效果通过增加地震脉冲的孔隙水压力。也建议长期传播是由于表面波模式在附近的接口不同的电导率。的长度规模有限的电场强度是16公里,160公里的电导率0.01,0.001,Sm⁻¹,分别。这一现象表明一种新的地震遥感方法和新的地震早期预警系统提供更多秒的时间。

1。介绍

地震波的滑动部分发出破裂的断层在地震期间,和地震检波器诱发地面弹性运动。地震波速度是大约6公里/秒的主波(P)和3.5 km / s的次级波(1,2在上地壳。已经有许多报道地震和火山喷发的电磁现象(例如,3- - - - - -7]),但只有少数论文处理电磁变化的野外观测断层的破裂后开始(8- - - - - -23]。别洛夫et al。8)检测相关的电磁场对地震波到来前10秒和4秒后原点。ULF乐队场变化检测到一些0.3 P波到来前-0.8秒,3秒后,在伊兹米特地震[起源时间13,24)和P波的到来和原点之间的时间在1995年Hyogoken-Nanbu地震(11]。甚低频乐队pulse-like信号被检测到约1000公里的断层在北海道东部大地震的起源时间10月4日,199410]。

最近应用seismoelectronics勘探测量导致发现和确认同震的电磁场(14- - - - - -17]。然而,我们需要更多的数据来理解这一现象建立一个一致的生成模型,发展基于这一现象的应用技术。最有趣的问题是调查是否信号从断层破裂的开始和理解产生和传播机制。信号的传播速度是另一个重要发现,特别是从应用程序的角度对地震早期预警系统(EEW) [28- - - - - -32]。这个电场变化的速度预计将提供几个关键秒发出警告危险的S波的到来之前,这可能有助于减少生命和财产在地震中受损。

2。观察法

我们一直在观察电场变化13地面电场监测站在日本中部地区与预测方法的研究和开发地震和火山喷发(图1自1989年以来)。检测传感器是一种特殊的天线由一个垂直套管钻孔的深度范围米(20.,21]。观察频率带宽是直流(0 - 0.7赫兹),ULF(0.01 -0.7赫兹),和精灵/甚低频(1 - 9千赫)。频率低于ULF乐队天线是一个沉浸超长电极。我们使用了三通道模拟记录器监控的原始波形直流和ULF乐队和波形的包络的甚低频乐队。的运行速度记录仪是1.5厘米/ h。系统是非常敏感的地壳活动,如地震和火山爆发和高度健壮的气象和城市的噪音。系统的评价是基于观察在不同地质情况下13个地点在日本中部和超过13年(例如,11,25,33])。

调查的前兆异常信号的波形特征地震和火山爆发,我们时间高速模拟录音。记录器的最初的作用是作为一个持续的监控地震仪与图3毫米/秒的速度。观察颞电场进行了27个月1994年6月至2002年12月期间在井下测量网络的两个网站,Hasaki和一端(图1)。

3所示。同震的变化

温和的4.9级地震发生在57公里的深度最活跃的地震带之一茨城县南部,北部的东京,日本,2002年6月14日(图1)。图2(一个)显示在Hasaki低速的电动监控记录,当天地震。我们可以看到三个时间段在直流和ULF乐队(黑色和蓝色)有三组异常,A1, A2,在地震发生之前,和B发生的时候有不同的适应症从正常状态记录(图2 (b))。

我们在模拟固定记录的参数记录在测试时间约为两个月。我们分析了水平及其变化的考虑几个背景噪音的自然和人造的起源在正常状态的地壳活动。电磁观测最重要的工作之一是减少繁琐的噪音来保证高价值的S / N或找到一个方法来区分信号嵌入在大背景噪声(例如,34])。

我们的观测系统,独特的电流噪声增兵的时候气氛。的发生非常大的氛围是罕见的和容易区分正常的噪音,所以不难选择放大参数和零位调整,面具一般的声音开始异常的观察寻找,因为比较高鲁棒性的环境噪音。对我们来说很容易拿起出现异常信号A和B所示,因为它们特殊的进化模式。

异常(A1)之一,持续约20分钟,地震发生前约1小时40分钟,第二个异常(A2),持续了约25分钟,地震发生前约30分钟。这些变化的时间尺度,出现在两个渠道是20秒~2分钟。这类异常被认为他们不是气象的结果或地震地磁前兆现象原因而是相关(35,36]。

前兆异常电变化也被发现在一端的网站(图1)。直流和ULF乐队中的记录,然而,完全不同于那些在Hasaki。没有个人异常与其他异常现象,同时,没有一个是一致的;而且外观异常持续几周在一端,以最大的ULF带异常出现在7月6日2002年。后来在目前的工作中,我们将涉及这些现象,当我们讨论远程检测电信号的传播渠道。

在第一个阶段的现象,分析B异常(图2(一个))Hasaki被认为是著名的同震的电变化观察和报道在众多论文(9,10,12,14- - - - - -23]。他们一般相关地面波动引起的地震波到来。此外,震动图和心电图观察彼此相关的网站(10,15- - - - - -17]。理论和观察性研究表明,有电场和地震速度之间的线性关系10)或加速度(17),(传递函数)系数取决于动力学属性。

在观察期间,我们同时做了一个连续的高速模拟记录。时间标记脉冲覆盖信号跟踪每一秒。记录器的时钟使用收音机时钟校准每分钟产生的精度在1 ms。高速记录显示在图的上方3(一个)。

信号B非常不同于同震的电变化与地面的抵达地震波动有关。的初始阶段B可以清楚地看到从42 m 50年代(在图2(一个))43 m 5 s (P)的记录。是地震的震源参数的起源时间由国家研究所地球科学和灾害预防(NIED)。B的峰值约为43米15秒图2(一个)由于信号饱和不是记录。地震信号从原点开始时间,不是在地震波到达的时间。此外,频带截然不同:在信号B,乐队在0.01 - -0.7 Hz范围内,而地震记录显示几赫兹,强烈建议的运动记录下面描述。

我们还比较了电信号波形在Hasaki地震记录。图的下方3 (b)是假定地震记录在Hasaki使用地震仪在最近的站点的强大的移动网络(K-NET) NIED [37),这是Choshi。我们考虑了不同震源距离约11公里的Choshi Hasaki当建筑在Hasaki假定地震记录。水平时间轴转向了P波旅行时差,年代,采用6.1 km / s P波速度。异常B是不同于普通的同震的移动变化与地震波记录和研究到目前为止(9,10,12,14- - - - - -23]。这是第一次报告的检测这种电动变异,也就是说,相关性与地震波从断层破裂的开始,在我们历史悠久的电场测量通过钻孔天线。

比较电场的变化和观察到的地震波形使我们以下几点。(1)异常的起始时间(11 h 42米49.0秒(±1)接近地震的起源时间(= 11 h 42米50.0秒(±1))。(2)电场的强度逐渐增加,直到P波的到来,当它达到顶峰。(3)电场强度降低后P波的到来。(4)电场强度急剧增加从S波到达和非常缓慢下降随着地震波减弱。(5)巧合的现象没有发生地震,但地震波的内在关系。(6)点(1)所示,从源扩散到接收机的有效特征时间小于1秒,约100公里的对应于一个有效的传播率大于100 km / s。

4所示。的统计特征

另一个类似的变化观察地震(M4.9 13 h 04 m, 35.815 N, 140.914 E,深度32.2公里),发生在10月16日,2002年,附近Hasaki (E2在图1),如图4。在这种情况下,电场始于10月16日13 h 04米34.2秒(±1)相对于10月16日13 h的起源时间03米34.5秒(±1),与断层破裂的开始,但信号波形没有增加P波接近现场。在S波到达的时间电场强度急剧增加。两种情况之间有很多相似之处,因此我们研究了现象的再现使用所有可用的高速记录数据。

我们已经进入高速记录覆盖了27个月从1994年6月到2002年12月,给数据在Hasaki 20个月,7个月的一端。整个组数据检查为中等大地震同震的信号的再现这两个观测站点。地震事件而暂时被限制的M≥4级,震中距小于100公里Hasaki或一端。有55个地震这样的时间的基础上NIED的地震目录。

有3例corupture异常在Hasaki 42地震事件,2例在一端24此类事件。在分析我们检查是否有类似的异常就在每一个地震的起源时间。震中距检测corupture异常范围从37到98公里。5例(S波到达最大的信号。然而,并非如此之高的相关性与10月16日,2002年,如图2和4:没有山峰在P波到达或没有明显的起源时间和P之间变化的到来。每个信号的变化被发现与震源机制和有限体积下的地震震级的地震。这还需要进一步的研究来澄清这一点。

5。讨论

这里我们讨论观察电磁信号的产生机制和传播通道与地震有关。

5.1。生成源

一个广泛讨论的地震电磁信号的产生机制(SES)(例如,(34)表明,有三个主要机制。第一个机制包括活性来源如地壳变形、裂纹生成的地壳,和孔隙水运动(组1);第二个涉及被动源的地壳等物理参数的变化,也就是说,导电性,磁化率,和电动介电常数(组2)。第三个是明显的来源,即观测仪器和环境(34]。事实上,第三来源通常是主导SES观察,除了特殊的测量系统,如我们的(33]。

活性来源的压磁、压电模压电、动电的,感应效果。压电效应是引起的机械应力变化的岩石含有矿物质,如石英。压力变化引起的电极化单晶石英晶粒择优取向。无线电频率(外的压电很弱34]。压磁效应是诱发的变形和残余磁性矿物通过铁磁夹杂物。夹杂物的方向改变了岩石的过程中。取向导致的随机和各向异性特性的小磁影响地震波的规模。也有另一种电极化强度的改变通过位错(例如,34])。在介电材料、收费混乱,混乱移动时材料发生应力的变化。这些影响似乎扮演一个次要角色(见附录)。

目前的现象似乎并没有引起的被动的原因,是因为地壳的属性没有改变迅速,例如,在最大几十秒的大量地震波的振幅。外部原因也被丢弃在大型健壮性环境噪音的观察(33]。此外,SES的订单估计强度由于几个原因34,38)表明,主要的原因是压磁效应(11,13,14,39)和/或动电的效应(7,14- - - - - -17,40- - - - - -45)等小压力变化在地震波频率(见附录)。

5.2。动电的效果,一个简单的模型

强电场变化的相关性与P波传播让我们推断出这一代区域仅限于在地震波面前不要破裂区。在接下来的两个部分,我们提出简单的模型来讨论信号传播路径半定量的,也就是说,使用齐次扩散模型(33,45)和诱导模型的地震地震脉冲电信号通过使用两层模型(34]。

5.2.1。均匀扩散模型

扩散型方程(. 1)无界导体的电场从麦克斯韦方程推导出用于推断进化的电场(33,45]。假设电导率和流动电位系数,电场强度表达的是球面对称的格林函数的使用。使用可能值参数的动电的效果,我们推断源时间函数信号波形特征地震群和火山喷发的时候使用观察信号波形(33,45]。

计算在任何时候表示,最初急剧上升的信号是守恒的即使在30公里的距离从源(见[33图13]),假设电导率Sm⁻¹(导电率Sm⁻¹在日本中部46])。振幅降低的两个订单,但仍可以检测到有足够高的分辨率和测量系统比,这种情况目前特殊的井下测量系统。

另一方面,在长途100公里的来源、扩散的估计时间 (7)开始后断层的破裂是10年代和100年代的电子导率和0.01 Sm⁻¹分别,这远比的检测时间小于1秒,所以,我们不能认为在同类媒体传播最可能的一个。

5.2.2。两层模型

俄罗斯组治疗的电磁场诱导一个平面地震波通过假设的半空间分层媒体不同的电导率(43)为了讨论前兆SES(观察到8]。

模型的一个有限的地震波入射角度磁感应互动,他们还表明,诱导变异可以观察到地面的导电率与特征检测的距离1.6公里- 160公里(43)(见附录)。表面由幂律模式消散,控制距离远。治疗可以扩展到其他mechanoelectric过程如压磁、压电和电动效应。

在附录中我们形式化电动效应的情况下的方程seismoelectric字段与源引起的诱导效应的情况下可用于动电的效果。我们可以看到,电场的断裂源是由于表面波局限在地面引起的波前传播。我们可以期待快速、远距离探测160公里的电导率值0.001 S / m。

的浅地震地面可以假定波导解释很短时间延迟检测相对于原点的时间。和深事件我们可以假设地下对比之间的接口上地壳和更深的地壳。

的先驱波信号的波形显示,porality逆转目前的初始脉冲平衡以下表面模式。关键是等待进一步的研究与观察到的配置文件。

5.3。非牛顿效应

领域的最新发展seismo电磁学开始从Frenkel-Biot模型(47,48)治疗的带电物质线性多孔弹性特征(例如,(14,15)和引用引用)。假设多孔弹性介质的两相体系,毕奥推断还有第三个弹性地震波(缓慢的压缩波)除了普通压P和剪切S波。骄傲完成两阶段媒体组成的多孔弹性材料的理论和牛顿流体溶剂。他使用一个平均过程宏观方程表明地震波能量转换成电磁变化在不同岩石的界面很可能由于动电的耦合机制15- - - - - -17,47,48]。电磁场伴随有身体和表面地震波局限于地震波的社区。产生的电磁干扰材料界面可以迅速扩散,与电磁波的速度(17,47,48]。Revil和Jardani扩展假设弹粘性的流变学理论的广义麦克斯韦类型(15,16]。特别是,他们发现seismoelectric变化从地震波的接口转换取决于频率和共振的振幅可以有非常大的地震频率的弛豫频率溶剂的广义麦克斯韦定律。同样值得注意的是:流的直流分量系数可能很大(见附录)。

5.4。对现象的解释

这些研究结果的基础上,我们将解释目前的现象。进化的特性非常相似的电磁场的弹性压缩波表明目前电场变化是由地震引起的耦合引起的一些来源。变化的非常早期的到来让我们推断出这直接或反射波大的贡献变化。最可能的机制是电磁场诱导的转换从地震波的原始物质界面引起的动电的耦合接口。非牛顿效应的耦合可以被放大的溶剂。接口包括空气/地面。

我们假设有额外的传播机制有待进一步的研究。关于信号的不稳定的检测,我们假设非均匀地壳属性决定了流动电位参数沿地震波传播的路径到接收器,但罕见很难解释。

在这个框架的推理,我们可以解释前兆异常A1和A2可能是由于preslip故障(49,50)地震发生前几十分钟:多孔介质的preslip通过动电的效果,导致一个电磁场,电磁场传播扩散的观察点通过某种有效的传播路径。

6。可能的应用

从实用角度来看,现象提出一种新的测量方法的可能性在地震学使用电磁传感器除了通常的地震仪。例如,我们也许能够近似第一检测时间是地震的起源,从而消除一个未知数的震源参数测定。

在地震早期预警系统(EEW)可用现在在日本29日,30.,32,51),震源参数由P波数据到达的使用少量的点。这些信息的实际使用开始于2007年10月(29日),与特定的实现对策的紧急停车系统,如气体配件和家庭电气设备51]。EEW的缺点之一是,它不能提供太多时间提醒的人即将到来的地震在地震的情况下浅深度不到一个城市。如果我们能找到一种新的电磁仪器地震波面前使用目前的现象,我们可以获得几秒钟地震横波到来之前,这可能大大减少地震灾害的水平。

7所示。结束语

这里我们提出了观测数据表明可能存在seismoelectric场变化转换的物理接口不同地质的地震波传播路径。有效检测的速度100 km / s或电磁速度更大的扩散蔓延的现实电导率0.1 - -0.001 Sm⁻¹。这种现象可用于EEW技术的未来发展,生产更多的交货时间在大冲击的到来之前,与通常的监测,依靠弹性波检测。

需要进一步的研究我们可以开发工具能够检测电场的变化几乎每次当地震发生时。有人建议,超长的电极测量(ULEM) [33,35,52)方法可以提供一个有用的传感器来解决这个问题。未来的努力将旨在增加观测结果的再现性以及在理解这一现象的产生和传播机制。

附录

假设quasistationary感兴趣的频段的情况下地壳的现象,我们可以忽略位移电流。在这种情况下,电场遵循以下扩散方程: (见,例如,7,15,33,34,38,43,45])。在这里,,磁导率和吗导电性。源电流,可以分解成吗 在哪里,,,电流是由于压磁效应,压电效应,和动电的效果和介质的运动感应电流的磁场,分别为(34]。

这一比率0.07(电导率S / m,),0.7 (S / m,),0.7 (S / m,),7 (S / m,)。两种效果相媲美。这一比率30 (S / m)、3 (S / m)表示压磁效应是啤酒为更大的电导率和可比电导率越小。

在动电的效应作为驱动源,动电的电流是写成 在哪里和流潜力系数和孔隙水围压,分别为(41,42]。

的现象学参数流媒体的潜力已经知道通过实地观察和实验室实验10⁻⁶到10⁻⁸VPa⁻¹(例如,(15,34])。骄傲(14)开始做运动的方式来表达频率相关参数的零电位等矿产/水界面电化学和表面电导率和结构参数的多孔弹性岩石和溶剂(7,15,16,47,48]。动态流系数表示为 在那里,,,,介电常数、电动电势、流体粘度、孔隙水和液体电导率、密度。和结构参数(见[15多孔介质的])。临界频率10 kHz的顺序。低频率的限制, 对于多孔材料与广义麦克斯韦流体饱和,耦合系数 在哪里的峰值弛豫时间Cole-Cole分布的广义麦克斯韦流体和放松是一个常数分布的形式(见[15])。的值原油是几个订单大于牛顿流体的10⁻⁵V / Pa (15]。此外系数也几个订单大的激发共振频率的粘弹性流体。

我们使用的分析方法目前目的获得直观的理解电磁场通过远程观察进化。Gershenzon et al。43)使用一个非常简单的两层模型来解释磁前体地震波到来前观察到别洛夫et al。8]。他们认为电磁场感应机制的一代。我们的机制动电的效果。多孔介质的孔隙水压力的缓慢的过程表示如下: 在哪里,,孔隙度,体积应变。在哪里,,岩石的体积模矩阵,干燥多孔岩石,和孔隙水,分别孔隙度,是体积应变(34,47,48]。

我们把一个二维矢量与波传播问题位于飞机正常飞机迎角(见图5)。我们把多余的压力脉冲,与地震波,如下: 在哪里是脉冲高度,是宽度,是地震P波速度。控制方程的波动电场的一部分,,在th层是 在哪里,,电磁波的速度在地球上,然后呢的导电率吗层。

表达式是相同的磁场43),除了动力项的形式,。从无穷是两个方向的边界条件 在边界条件的切向分量吗和电位移的正常组成部分是连续的。为了简单起见,假设渗透在两层是一样的。在这种情况下,边界条件 电场方程是减少到几乎一样的磁场治疗的感应动力(43]。最后的解决方案 在哪里,是亥维赛函数,,和积分的功能包括吗,。的,,以相似的方式表达在43]。右边的词由两项组成,和。第一项组成和实验。这两项是有限的波前。另一方面,因为这个词 是局限于层边界方向向前传播。第二项在远场具有一个有限的价值。

空间长度,,这显示了有限的电场强度,是对应作为。长度是1.6,16日和160公里的导电率0.1,0.01和0.001 S / m。观察波前对应在波传播的前进方向延伸,在相反的方向。在远点的电场强度在幂律衰减,。

确认

作者感谢r . Ikeda y Hagiwara, h .高桥Uehara,片山t, s . Yamane n .藤井裕久和m . Ukawa支持和鼓励和大肠山本和y山内的技术支持。他们也感谢NEC公司,新日铁焊接产品&工程有限公司有限公司和抽搐。Inc . Sankousha公司,富兰克林日本有限公司有限公司Izu-Oshima温泉酒店,帝国石油有限公司,有限公司,基本上岐阜县,贾府的城市,和静冈县的支持。他们想表达自己的真诚的谢谢你的仔细阅读和有价值的建议关于原始和修改后的论文教授Andre Revil瑙i Gershenzon教授加里埃格伯特和编辑器。

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