皖西南地區(qū)中強地震前后地磁資料變化特征*1

戴 苗 李軍輝 劉 堅 李 明 蔣玲霞

1)湖北省地震局，武漢 430071

2)安徽省地震局，合肥 230031

皖西南地區(qū)中強地震前后地磁資料變化特征*1

戴 苗1)李軍輝2)劉 堅1)李 明1)蔣玲霞1)

1)湖北省地震局，武漢 430071

2)安徽省地震局，合肥 230031

計算并分析了2011年1月19日安慶M4.8地震和2011年9月10日瑞昌-陽新M4.6地震前后震中周邊主要地磁臺站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的變化特征，總結(jié)了安慶地震前華東片主要地磁臺站地磁資料垂直分量的變化特征。結(jié)果表明:在兩次中強地震前，武漢、涇縣、金寨三個地磁臺的轉(zhuǎn)換函數(shù)的部分參數(shù)出現(xiàn)了不同程度的異常變化;安慶地震前，中國大陸東部地磁低點時間出現(xiàn)位移，地磁日變形態(tài)亦發(fā)生了明顯的畸變。

轉(zhuǎn)換函數(shù);低點位移;中強地震;地磁;皖西南地區(qū)

1 引言

目前，從地磁場的變化中提取震磁異常常見的方法，通常是在掌握地磁場正常變化規(guī)律的前提下，根據(jù)地磁場時空變化規(guī)律，利用多臺站、多測點的比較分析，排除地磁場本身的正常背景及外空場的干擾等非震因素的影響，尋找偏離正常變化的成分，并通過物理和數(shù)學的分析，篩選出有用的震磁信號，如在地磁場長期變化規(guī)律中常用的提取異常的簡單差值法［1］、復雜差值法［2］、時空參考場法［3］、空間相關(guān)法和加權(quán)差分法［4］;在變化的磁場中提取地磁前兆信息的幅相法［5］、地磁垂直分量日變形態(tài)［6］、地磁加卸載響應比法［7］、低點位移法［8，9］、譜分析方法;利用地磁場的短周期變化的地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法［10］和地磁諧波振幅比法［11］等。

2011年1月19日，安徽安慶發(fā)生了 M4.8地震，同年，9月10日，江西瑞昌與湖北陽新交界發(fā)生M4.6地震，兩個地震時間間隔不到8個月，震級相近，震中距相差190 km。本文利用此兩次地震震中周邊主要地磁臺站絕對地磁觀測資料，采用地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)、地磁低點位移、垂直分量日變形態(tài)三種方法探討地震前后地震震中周邊地磁臺地磁場變化特征，探索地磁場變化與中強地震的孕育和發(fā)生的相關(guān)性。

2 地磁資料異常與地震之間的關(guān)系

2.1 地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)與地震的關(guān)系

地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法可了解和監(jiān)視震源及鄰區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)，如果在地震發(fā)生前捕捉到這種變化，就可進行地震預報［4］。早在上個世紀90年代，汪江田等［12］就有過利用轉(zhuǎn)換函數(shù)法對我國上海及鄰近地區(qū)中強地震進行預報的嘗試，并確認該方法對中強地震中期預報的有效性。2008年，李琪等［10］分析了2006年7月4日河北文安地震前后，距離震中分別為52 km和298 km的靜海地磁臺和泰安地磁臺不同周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)隨時間的變化過程，發(fā)現(xiàn)靜海地磁臺轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)異常點會隨著時間的向后推移從短周期向長周期遷移。近年來，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)在我國不同區(qū)域、不同省份區(qū)域地磁臺網(wǎng)均有不同程度的應用研究，積累了部分地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)預報地震的寶貴經(jīng)驗和實例［13，14］。

2.2 地磁低點位移現(xiàn)象與地震關(guān)系

地磁低點位移是指地磁垂直分量日變極小值出現(xiàn)時間因受到外來因素的影響偏離正常時間的現(xiàn)象，研究結(jié)果表明，全國較大范圍的地磁低點位移異常與我國中強地震活動有一定的關(guān)系［1］。目前研究人員利用地磁日變低點位移的兩條以上分界線交匯來研究其與地震之間的關(guān)系，以此縮小預測范圍［8］。由于應力的積累，孕震介質(zhì)的結(jié)構(gòu)等性質(zhì)發(fā)生變化而產(chǎn)生的各種前兆也呈多樣性，地磁低點位移異常在我國不同地區(qū)有著不同的表現(xiàn)形式，反應不同地區(qū)、不同強度的地震信息。

2.3 地磁日變幅異常與地震的關(guān)系

變化磁場內(nèi)場強弱既與外場有關(guān)，又與地下物質(zhì)電導率的分布、大小有關(guān)。強震前孕震體環(huán)境由于應力增強引起介質(zhì)電導率等電磁性質(zhì)的改變，可觀測到與地震有關(guān)的局部或區(qū)域性磁異常。國內(nèi)多次震例顯示，中強地震發(fā)生前，區(qū)域地磁場垂直分量日變化會出現(xiàn)的相位和幅度變化。

3 安慶地震前后地磁資料特征分析

3.1 安慶地震前后地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)異常

地磁短周期變化的垂直分量ΔZ、水平分量ΔH和磁偏角ΔD存在如下關(guān)系:

式中的A和B為轉(zhuǎn)換函數(shù)。轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B的時空變化特征為地下電性構(gòu)造的函數(shù)，因而可用于研究局部和部分地區(qū)地殼和上地幔電性結(jié)構(gòu)及其變化，轉(zhuǎn)換函數(shù)A和 B是地點(λ，φ)、深度(h)、頻率(ω)和時間(t)的函數(shù)。由于每一個地磁短周期變化都可以對應一個方程(如式(1))，于是可以利用多個相同類型的地磁短周期變化建立一個矩陣方程，用最小二乘法得出轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B、方位角αp以及總方差σz等。

本方法計算選用湖北、安徽、湖南等震中相鄰省份7套FHD質(zhì)子矢量磁力儀數(shù)字化分鐘值數(shù)據(jù)，資料選用時間段為2009年1月—2012年5月。數(shù)據(jù)計算前先采用粗差處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進行高通濾波，去除分鐘值中數(shù)據(jù)突跳等不可用數(shù)據(jù)，然后，計算預處理后地磁各要素分鐘值虛實富氏譜，在此基礎(chǔ)之上，計算并選取不同周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)，最后，采用滑動平均方法依次去除轉(zhuǎn)換函數(shù)中的月以及年變趨勢。安慶地震前后，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)出現(xiàn)異常的臺站主要有湖北九峰地磁臺、安徽涇縣地磁臺和安徽金寨地磁臺，研究區(qū)域內(nèi)異常地磁臺站及顯著地震事件震中分布如圖1所示，三個地磁臺站涇縣臺、金寨臺、九峰臺三個臺站距離安徽安慶地震震中依次為120、160、150 km，距離湖北陽新地震震中依次為310、230、120 km。經(jīng)臺站所屬臺網(wǎng)人員核實，異常出現(xiàn)時間段觀測儀器的運行率較高，數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定可靠。

圖1 區(qū)域內(nèi)異常地磁臺站及顯著地震事件震中分布Fig.1 Explanation of the map of epicenter distribution and geomagnetic observatory in the studied area

在安徽安慶4.8級地震前，2010年3月初開始，安徽涇縣臺轉(zhuǎn)換函數(shù)A不同周期曲線同步出現(xiàn)異常低值，異常時間持續(xù)6月余，10月開始，不同周期異常曲線逐步恢復，12月底恢復到正常水平(圖2)。在此期間，湖北九峰臺，除了周期為10分鐘的時間序列曲線外，轉(zhuǎn)換函數(shù)A各周期的時間曲線均出現(xiàn)了高值異常，其中周期為50分鐘的時間序列曲線出現(xiàn)的異常持續(xù)時間段最長。安徽金寨臺轉(zhuǎn)換函數(shù)A在震前5～6個月不同周期也同步“成片”出現(xiàn)高值異常。隨后，2011年1月19日發(fā)生安慶M4.8地震。2011年3月中旬開始，安徽涇縣臺轉(zhuǎn)換函數(shù)不同周期曲線同步再次出現(xiàn)異常高值，高值超過兩倍均方差，高值持續(xù)兩月余，異?；謴驼Ｋ胶笕齻€月，2011年9月10日發(fā)生江西瑞昌和湖北陽新交界M4.6地震。江西瑞昌和湖北陽新交界地震發(fā)生前一個月內(nèi)，安徽金寨臺部分短周期段轉(zhuǎn)換函數(shù)A出現(xiàn)高值異常。安徽安慶地震、江西瑞昌和湖北陽新交界地震前，安徽涇縣臺轉(zhuǎn)換函數(shù)A雖均出現(xiàn)異常但曲線異常形態(tài)的表現(xiàn)形式卻不一致(前者為低值異常，后者為高值異常)，可能與這兩次地震發(fā)震構(gòu)造差異性［13］有一定關(guān)聯(lián)。

3.2 安慶地震前地磁低點時間異常

“低點位移”是指一個大區(qū)域各臺的日變低點時間明顯地與另一個大區(qū)域各臺的低點時間不同，而每個大區(qū)域內(nèi)部低點時間又相對一致，兩個區(qū)域之間突變分界線的低點時間相差2小時以上，這種少見的磁場突變分界線與強震發(fā)生有較好的相關(guān)性。根據(jù)震例統(tǒng)計，地震的發(fā)震日期一般為異常日后第27天(或41天)前后4天，即:

低點位移日期+27(或41)天=發(fā)震日期

圖2 九峰(JF)、涇縣(JX)、金寨(JZ)地磁臺不同周期(T)轉(zhuǎn)換函數(shù)A時間序列曲線Fig.2 Variation curves of different period transfer function A in Jiufeng，Jingxian and Jinzhai Station

通過對安慶Ms 4.8級地震前中國大陸東部地區(qū)42個臺站的地磁Z分量的幅度和相位分析，結(jié)果顯示安慶地震前，華東地區(qū)出現(xiàn)地磁Z分量日變化幅度的極小值時間在空間上出現(xiàn)地磁低點位移現(xiàn)象，地磁低點時間的分界線沿九峰、金寨、新沂、安丘、大山等臺站延伸，整體走向與郯廬斷裂帶走向基本一致，呈現(xiàn)NNE走向，分界線兩側(cè)低點時間相差超過2小時，安慶地震發(fā)震日期為異常發(fā)生后的29(27±4)天，震中位于低點位移分界線附近，如圖3所示。

圖3 2010年12月21日地磁低點位移分布Fig.3 Low point displacement image on Dec.21，2010

3.3 安慶地震前地磁日變曲線異常

安慶M4.8地震前29天(2010年12月21日)，沿郯廬斷裂帶分布及附近的信陽、金寨、蒙城、郯城、陵陽、泰安等六個臺站地磁垂直分量除了日變幅度和相位變化顯著外，地磁日變形態(tài)還發(fā)生了明顯的畸變異常，出現(xiàn)了明顯的地磁日變“雙低點”現(xiàn)象(圖4)。

4 結(jié)論

分析2011年1月19日安慶M4.8地震和2011年9月10日瑞昌-陽新M4.6地震前后地震周邊主要地磁臺站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)時間序列曲線，以及安慶地震前華東片主要地磁臺站地磁資料垂直分量變化特征，可得結(jié)論如下:

1)兩次顯著地震事件前后部分地磁臺站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)存在正負異常現(xiàn)象，但有的臺站反應較為明顯，出現(xiàn)“成片”現(xiàn)象，即幾個相鄰的周期同時出現(xiàn)異常，這與過去的震例基本一致。有的臺站幾乎沒有反應或者反應不夠顯著。這主要跟臺站所處的地理位置以及地震發(fā)震構(gòu)造差異性有關(guān)。

2)依據(jù)各臺站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)值變化曲線，轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)異常為漸變的趨勢性異常，持續(xù)時間較長，而且異常消失后往往需要持續(xù)一段時間后發(fā)震，間隔的時間不一，該異常具有中期異常特征，對臨震異常特征識別不好區(qū)分和把握。

3)安慶M4.8震前29天，中國大陸東部地磁低點時間出現(xiàn)了明顯的位移，地磁日變形態(tài)還發(fā)生了明顯的畸變異常，即出現(xiàn)了明顯的地磁日變“雙低點”現(xiàn)象。

湖北及周邊地區(qū)顯著地震少，地磁震例不多，僅從本文兩個震例還不足以得出確定性的結(jié)論，還需在以后的研究中繼續(xù)總結(jié)和探索。

圖4 2010年12月21日中國大陸東部地區(qū)地磁臺站垂直分量日變曲線Fig.4 Daily curves of Z component in East China on Dec.21，2010

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CHARACTERISTIC ANALYSIS OF GEOMAGNETIC DATA BEFORE AND AFTER MODERATELY STRONG EARTHQUAKES IN SOUTHWEST AREA OF ANHUI PROVINCE

Dai Miao1)，Li Junhui2)，Liu Jian1)，Li Ming1)and Jiang Lingxia1)
1)Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071
2)Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei230031

The variation characteristic of transfer function parameter of geomagnetic data is analyzed which recorded by observatories in the time before and after M4.8 Anqing earthquake in January 19，2011 and M4.6 Ruichang-Yangxin earthquake in September 10，2011.The variation of geomagnetic field in the Z component before Anqing M4.8 earthquake in east China is also summarized.The results show that some transfer function parameters of Wuhan observatory，Jingxian observatory and Jinzhai observatory appeared different degrees of abnormalities before and after the two moderately strong earthquakes.The low-point time of the geomagnetic vertical component in east China appears anomalous features before the Anqing earthquake.Daily variation of geomagnetic field arises obvious distortion.

transfer functions;low-point time of the geomagnetic vertical component;moderately strong earthquake;geomagnetism;southwest area of Anhui province

P318.5

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅰ)-0143-05

2012-09-03

武漢市科技計劃項目(2013060501010166)

戴苗，男，1982年生，工程師，理學碩士，主要從事地球地磁學理論、方法和應用研究.E－mail:theocean123@163.com