2009—2010年日食活動(dòng)對(duì)湖北地區(qū)地震前兆觀(guān)測(cè)的影響＊

孫伶俐 呂品姬 羅俊秋 李 明 趙凌云

(湖北省地震局,武漢 430071)

2009—2010年日食活動(dòng)對(duì)湖北地區(qū)地震前兆觀(guān)測(cè)的影響＊

孫伶俐 呂品姬 羅俊秋 李 明 趙凌云

(湖北省地震局,武漢 430071)

對(duì) 2009—2010年兩次日食活動(dòng)期間的湖北省區(qū)域地震前兆原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示日食效應(yīng)對(duì)某些前兆測(cè)項(xiàng)有一定影響,具體表現(xiàn)為：1)地磁觀(guān)測(cè)到達(dá)低值時(shí)間出現(xiàn)于日全食開(kāi)始前;2)2009年 7月 22日日全食和 2010年 1月 15日日環(huán)食期間地磁觀(guān)測(cè)測(cè)項(xiàng)分量、擾動(dòng)形態(tài)變化特征不盡相同。日全食前后地磁場(chǎng)變化主要表現(xiàn)為地磁水平分量 H向下躍動(dòng)的起伏型變化,具有短時(shí)、較為同步的特點(diǎn);而日環(huán)食發(fā)生時(shí),地磁場(chǎng)的變化主要表現(xiàn)為地磁偏角D的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折,具有趨勢(shì)變化、滯后性的特點(diǎn);3)日食活動(dòng)對(duì)地殼形變中的固體潮線(xiàn)應(yīng)變和傾斜量也產(chǎn)生短時(shí)擾動(dòng)。

日食活動(dòng);地震前兆;地磁脈動(dòng);地殼形變;影響

1 引言

日食活動(dòng)期間,日食地區(qū)上空的電離層發(fā)生明顯變化從而影響地球的電磁場(chǎng),這種變化和影響隨地理緯度、季節(jié)和日食時(shí)的太陽(yáng)高度而不同,因此每次日食產(chǎn)生的影響并不相同[1-4]。

本文對(duì)湖北省區(qū)域地震前兆觀(guān)測(cè) 2009—2010年兩次日食活動(dòng)期間的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),日全食前后地磁場(chǎng)主要表現(xiàn)為地磁水平分量的 H起伏型變化,具有短時(shí)、較為同步的特點(diǎn);而日環(huán)食時(shí),地磁場(chǎng)主要表現(xiàn)為地磁偏角D的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折型變化,具有趨勢(shì)變化、滯后的特點(diǎn)。日食對(duì)湖北省內(nèi)地殼形變的固體潮觀(guān)測(cè)影響不明顯,對(duì)黃梅臺(tái)的應(yīng)變和傾斜固體潮汐低頻段周期上有短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)其他臺(tái)站的水管傾斜、擺式傾斜、鉆孔應(yīng)變、重力等觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)明顯影響。

2 日食現(xiàn)象對(duì)湖北省地震前兆觀(guān)測(cè)的影響

湖北省區(qū)域地震前兆觀(guān)測(cè)臺(tái)網(wǎng) (圖 1)包括重力、地磁、地殼形變及地下流體等數(shù)字化觀(guān)測(cè)手段。共有流體類(lèi)儀器 16套,地磁類(lèi) 15套,形變類(lèi) 19套,重力類(lèi) 4套,輔助觀(guān)測(cè)類(lèi) 10套,儀器布局合理、分布均勻。湖北省前兆觀(guān)測(cè)項(xiàng)目自 1959年開(kāi)始觀(guān)測(cè),經(jīng)“九五”和“十五”地震前兆觀(guān)測(cè)數(shù)字化改造,現(xiàn)共有20個(gè)觀(guān)測(cè)臺(tái)站、64套前兆觀(guān)測(cè)儀器、155個(gè)測(cè)項(xiàng)。

地磁連續(xù)觀(guān)測(cè)儀器有 FHDZ-M15型地磁組合觀(guān)測(cè)儀、G M4型和 G M3-Ⅱ型磁通門(mén)磁力儀、FHD-2型質(zhì)子矢量磁力儀。分布如圖 1。

圖1 湖北地區(qū)地震前兆觀(guān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)分布Fig.1 Distribution of Hubei local earthquake precursor observing network

2.1 日全食對(duì)地磁觀(guān)測(cè)影響

2009年 7月 22日的日全食發(fā)生前后,地磁儀器記錄到的地磁總強(qiáng)度 F和水平分量 H均明顯的向下躍動(dòng)(圖 2)。

對(duì)日全食期間地磁儀水平分量的對(duì)比發(fā)現(xiàn),各地磁臺(tái)到達(dá)低谷時(shí)間均早于食既時(shí)間 5～10分鐘;日全食初虧時(shí)間恩施和武漢分別是 8：10和 8：14,食既是 9：16和 9：23,食甚是 9：19和 9：26,而恩施臺(tái)到達(dá)低谷時(shí)刻為 9：09,武漢臺(tái)則是 9：13(圖 3)。

圖2 日全食對(duì)地磁水平分量的影響Fig.2 Effect of total solar eclipse on geomagnetic horizontal component

圖3 武漢臺(tái)與恩施臺(tái)地磁儀水平分量對(duì)比Fig.3 Comparison between horizontal components of magnetometer atWuhan station and Enshi station during total solar eclipse

從圖 3、4可以看出,在日全食發(fā)生前后,武漢、恩施、丹江、成都、重慶、南昌、金寨等臺(tái)站的地磁儀均在水平分量和總強(qiáng)度上存在明顯向下躍動(dòng),其中,恩施臺(tái) FHDZ-M15、G M4和十堰臺(tái)的 FHD-2地磁儀器水平分量變化量偏大(表 1)。

2.2 日偏食對(duì)地磁觀(guān)測(cè)影響

2010年 1月 15日湖北省大部分地磁臺(tái)站因位置毗臨日環(huán)食本影區(qū)或位于其內(nèi)部,3套 FHD-2地磁儀的磁偏角 D分量數(shù)據(jù)上有明顯變化。變化形態(tài)是由長(zhǎng)期的下降(西漂)趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升,上升后又減弱;幅值變化不大,在1分內(nèi);影響持續(xù)時(shí)間約3～5天,1月 20日開(kāi)始恢復(fù)正常(圖 5)。

圖4 成都、南昌、重慶、金寨等地磁觀(guān)測(cè)臺(tái)水平分量的對(duì)比Fig.4 Comparison among horizontal components of magnetometer at Chengdu,Nanchang,Chongqing and Jinzhai stations during total solar eclipse

表1 日全食對(duì)地磁儀器的影響(單位:nT)Tab.1 Effect of total solar eclipse on geomagnetic observations(un it:nT)

從圖 6可以看到,成都、重慶、南昌、金寨等地磁偏角D分量在日環(huán)食發(fā)生前后 (20—21日)均有突變(上升-下降現(xiàn)象),但隨地理位置的不同,轉(zhuǎn)折時(shí)間與形態(tài)存在差異。

2.3 日食對(duì)地殼形變觀(guān)測(cè)的影響

湖北省有地殼形變類(lèi)觀(guān)測(cè)臺(tái)站 7個(gè),地傾斜、應(yīng)變類(lèi)觀(guān)測(cè)儀器 19套。小波對(duì)固體潮有很好的分析結(jié)果[5-8]。利用 db4小波方法對(duì)日食活動(dòng)期間形變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,小波分析結(jié)果顯示,細(xì)節(jié) l階是高頻成分,如突跳等;細(xì)節(jié) 2～4階是固體潮信號(hào),依次是 1/3日波、半日波和日波;從細(xì)節(jié) 5階以上是去除了潮汐成分的非潮汐信息,隨著階數(shù)的增加,信號(hào)的頻率越來(lái)越低,周期越來(lái)越長(zhǎng)。

圖5 日環(huán)食發(fā)生前后磁偏角的變化Fig.5 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

運(yùn)用小波方法處理后發(fā)現(xiàn)除黃梅臺(tái)伸縮儀外大部分定點(diǎn)形變觀(guān)測(cè)均未發(fā)現(xiàn)異常信息;黃梅臺(tái)重力儀、麻城臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀和垂直擺、十堰臺(tái)水管儀等均未見(jiàn)明顯異常,麻城臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀的NS/EW分量、垂直擺的 EW分量和十堰臺(tái)水管儀 EW分量在 22日全食發(fā)生之前觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)于第 7階細(xì)節(jié)層上有小幅擾動(dòng),在時(shí)間上具一致性(圖 7)。

而黃梅臺(tái)伸縮儀NS/EW分量分鐘值原始數(shù)據(jù)在 7月 21—23日全食發(fā)生前后,于小波分析結(jié)果的第 7階細(xì)節(jié)層、周期在 128—256分鐘頻段出現(xiàn)明顯波動(dòng)(圖 8),這種波動(dòng)過(guò)程呈暫態(tài),只在有限時(shí)間內(nèi)出現(xiàn),并沒(méi)有構(gòu)成趨勢(shì)性持續(xù)變化。雖然這段變化從原始曲線(xiàn)上看不出異常,日固體潮汐變化也顯正常,但通過(guò)分頻段濾波處理后卻顯現(xiàn)了波動(dòng)異常。與此同時(shí),當(dāng)?shù)販囟群蜌鈮阂灿胁▌?dòng)變化,但除黃梅臺(tái)伸縮儀外其他儀器并未發(fā)生同步異常,由此可排除因自然環(huán)境因素產(chǎn)生擾動(dòng)的影響。

圖6 日環(huán)食發(fā)生前后磁偏角的變化Fig.6 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

圖7 日全食前后重力、鉆孔應(yīng)變、水管傾斜、擺式傾斜觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(分鐘值)的小波分析Fig.7 Wavelet analysis for gravity,borehole strain,water pipes tilt,vertical pendulum datas before and after total solar eclipse

3 日食對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響原因探討

3.1 日食活動(dòng)對(duì)地磁觀(guān)測(cè)產(chǎn)生不同表現(xiàn)形態(tài)影響的原因

通過(guò)兩次日食活動(dòng)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)對(duì)同一臺(tái)站同一觀(guān)測(cè)儀器,日全食前后地磁場(chǎng)變化主要表現(xiàn)為地磁水平分量 H的起伏型變化,具有短時(shí)、較為同步等特征。而日環(huán)食發(fā)生時(shí),地磁場(chǎng)的變化主要表現(xiàn)為地磁偏角D的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折,具趨勢(shì)性、滯后性的變化特點(diǎn)。

根據(jù)地平坐標(biāo)系中地磁場(chǎng)各要素的定義可知,日全食時(shí) H分量的起伏變化反映的是當(dāng)時(shí)近地表的地磁水平分量上的變化特征;磁偏角D先增大后減小的轉(zhuǎn)折變化則反映了 H分量在地理北方向和東方向上的投影量變化。

日食活動(dòng)對(duì)地磁觀(guān)測(cè)產(chǎn)生的不同表現(xiàn)形態(tài)影響的原因,初步推斷可能是由于當(dāng)行星狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)能量變化將通過(guò)磁層-電離層不同的耦合過(guò)程進(jìn)入地球近地空間,太陽(yáng)風(fēng)壓強(qiáng)激波觸發(fā)地磁亞暴,并且導(dǎo)致極光帶東西向電激流發(fā)生急劇的變化,從而引起地磁場(chǎng)的急劇變化[9]。日食時(shí)太陽(yáng)高度、電離層狀態(tài)、季節(jié)、地磁場(chǎng)指數(shù)和太陽(yáng)黑子數(shù)等指數(shù)各不相同,會(huì)造成日食效應(yīng)的不同結(jié)果。日食引起的這種復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程加上熱層風(fēng)的作用,使 F2區(qū)電離的時(shí)空分布形態(tài)也變得十分復(fù)雜。

圖8 日全食前后黃梅伸縮儀的分鐘值原始數(shù)據(jù)的小波分析Fig.8 Wavelet analysis for original data of extensometer at Huangmei station before and after total solar eclipse

3.2 日食活動(dòng)對(duì)固體潮產(chǎn)生擾動(dòng)原因分析

聲重力波作為電離層、熱層與中、低層大氣耦合動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要現(xiàn)象之一,起著十分重要的能量輸送作用,通過(guò)聲重力波,各種低層大氣氣象活動(dòng)變化都會(huì)對(duì)電離層產(chǎn)生影響。有研究表明,日食期間,全食區(qū)的高層大氣(中性)溫度、電子溫度及離子溫度均急劇下降,偏食區(qū)的溫度相應(yīng)降低,非日食區(qū)的溫度不變[9]。這樣從全食區(qū)、偏食區(qū)或到非食區(qū)將出現(xiàn)明顯的溫度梯度。此時(shí)非食區(qū)的電離將因這種溫度梯度形成向全食區(qū)的水平擴(kuò)散,同時(shí)全食區(qū)激發(fā)的聲重?cái)_動(dòng)向非食區(qū)傳播。

文獻(xiàn)[10]分析 1987年 9月 23日日環(huán)食期間大氣聲重力波后認(rèn)為,日食產(chǎn)生的重力波來(lái)自太陽(yáng)輻射變化產(chǎn)生的強(qiáng)迫振蕩和大氣層內(nèi)的浮力振蕩。強(qiáng)迫振蕩的波動(dòng)周期較長(zhǎng),振幅較大,與日食期間太陽(yáng)輻射的起伏有關(guān);浮力振蕩的波動(dòng)周期較短,振幅較小,與日食時(shí)大氣層內(nèi)的穩(wěn)定度及濕度條件有關(guān)。

日食期間黃梅臺(tái)伸縮儀表現(xiàn)出的短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象,從小波分析結(jié)果看來(lái)擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間在 5～8小時(shí),原因可能是因具有明顯的局地性大氣聲重力波振蕩引起,因?yàn)辄S梅地處日食區(qū)和非食區(qū)的交界地帶,日食發(fā)生時(shí)極容易產(chǎn)生溫度梯度和強(qiáng)對(duì)流天氣,而這會(huì)引起大氣降溫造成某些大氣層結(jié)不穩(wěn)定加以外來(lái)振蕩的激發(fā)而造成的聲重力波浮力振蕩,從而對(duì)伸縮儀觀(guān)測(cè)產(chǎn)生影響。本次伸縮儀受到日食擾動(dòng)現(xiàn)象具有周期較短、微振幅特征,與李啟泰[10]提出的 S′-T2振蕩型類(lèi)似,即“日食-太陽(yáng)輻射干擾-直接強(qiáng)迫熱力擾動(dòng)-強(qiáng)迫振蕩和浮力振蕩-大氣壓力波-引發(fā)日食聲重力波”的動(dòng)力學(xué)模式。

黃梅臺(tái)除伸縮儀外其他形變儀器未記錄到日食擾動(dòng),其原因可能是地傾斜和重力觀(guān)測(cè)儀器的靈敏度低于應(yīng)變儀器,因此記錄不到有關(guān)信息。

4 討論

對(duì) 2009—2010年兩次日食活動(dòng)期間的湖北省區(qū)域地震前兆觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示,日食效應(yīng)對(duì)地震前兆測(cè)項(xiàng)有一定影響,具體表現(xiàn)是：

1)地磁觀(guān)測(cè)低值均出現(xiàn)于日全食開(kāi)始前。

2)日環(huán)食和日全食期間產(chǎn)生影響的地磁觀(guān)測(cè)分量、擾動(dòng)形態(tài)變化特征不盡相同。對(duì)同一臺(tái)站同一觀(guān)測(cè)儀器而言,日全食過(guò)程對(duì)地磁觀(guān)測(cè)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在水平分量變化上,垂直分量上略有變化,地磁偏角變化不明顯,變化特征為短期、即時(shí)型,實(shí)時(shí)性較強(qiáng);日環(huán)食過(guò)程對(duì)地磁觀(guān)測(cè)的地磁偏角產(chǎn)生趨勢(shì)轉(zhuǎn)折影響,具階段性和延時(shí)性。

3)日食對(duì)線(xiàn)應(yīng)變和傾斜固體潮能產(chǎn)生短時(shí)的擾動(dòng)影響。經(jīng)小波分析后的擾動(dòng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在第 7階細(xì)節(jié)層,周期為 128—256分鐘,具暫態(tài)性,沒(méi)有趨勢(shì)性的持續(xù)變化現(xiàn)象。

日食活動(dòng)對(duì)湖北區(qū)域地磁和定點(diǎn)形變觀(guān)測(cè)有一定影響,但機(jī)理及形成原因較為復(fù)雜,還需要多手段的綜合觀(guān)測(cè)研究。

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ON I M PACT OF 2009—2010 ECL IPSE EVENTS ON LOCAL EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATI ON IN HUBEI

Sun Lingli,LüPingji,Luo Junqiu,LiMing and Zhao Linyun
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

The continuous and precise data were recorded by variety precursor instruments in the HubeiLocal-Earthquake-precursorObserving System during the 2009-2010 solar eclipse.After the careful processing and analysis for observations,three significant variations all related to the solar eclipse are found.Firstly,the geomagnetic anomaly valleys appeared before the eclipse starting.Secondly,during the total and annular solar eclipse,there were some differences between geomagnetic components and bet ween micro-changing geomagnetic anomaly phenomena.Before and after the total solar eclipse,therewere clear featureswith short-ti me and synchronization on the geomagnetic horizontal component.However,during the annular solar eclipse,geomagnetic declination component shows transition-type change characteristics with trended and lagged.Thirdly,the solar eclipse made the tilt and strain of crustal defor mation observations short-time pulsate.

solar eclipse;earthquake precursors;geomagnetic pulsate;crustal deformation;impact

1671-5942(2011)04-0047-06

2011-01-03

中國(guó)地震局震情跟蹤合同制項(xiàng)目(2011020205)

孫伶俐,女,工程師,主要從事地形變與地震預(yù)測(cè)研究.E-mail：sunll777@sina.com

P353

A