高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震地磁諧波振幅比異常特征初步分析

蔣延林 袁桂平 李鴻宇 唐廷梅 趙衛(wèi)紅

1）江蘇省地震局高郵地震臺(tái)，江蘇省高郵市南郊地震臺(tái)路2號(hào) 225601

2）江蘇省地震局，南京 210014

3）山東省地震局，濟(jì)南 250014

0 引言

在地震孕育過(guò)程中，隨著孕震區(qū)應(yīng)力的增加，孕震區(qū)介質(zhì)電阻率一般會(huì)發(fā)生下降變化。馮志生等（2009）指出，基于電磁感應(yīng)理論的各種計(jì)算方法可用于探測(cè)孕震區(qū)深部電阻率變化信息，但對(duì)于提取與地震孕育過(guò)程有關(guān)的異常變化信息這一目標(biāo)而言，在目前對(duì)地震孕育過(guò)程中深部電阻率異常變化的機(jī)理并不十分清楚、深部電阻率異常變化所引起的變化磁場(chǎng)的異常很微弱的情況下，所采用的計(jì)算方法對(duì)實(shí)際地球介質(zhì)的假定和約束應(yīng)越少越好，而地磁諧波振幅比則是能滿(mǎn)足該條件的較好的方法。馮志生等（2004）初步研究表明，地磁諧波振幅比異常變化特征與（直流）地電阻率的變化特征類(lèi)似，主要表現(xiàn)為下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)上升的變化過(guò)程，地震基本發(fā)生在趨勢(shì)性下降后的轉(zhuǎn)折期、恢復(fù)上升期或恢復(fù)后的初期階段。異常持續(xù)時(shí)間與震級(jí)間的關(guān)系符合地電阻率的異常持續(xù)時(shí)間與震級(jí)間的關(guān)系，即時(shí)間越長(zhǎng)，震級(jí)越高，但同震級(jí)地震的地磁諧波振幅比異常持續(xù)時(shí)間比地電阻率異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。馮志生等（2013）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，地震一般發(fā)生在異常恢復(fù)上升期出現(xiàn)SN向與EW向不同步或長(zhǎng)短周期不同步現(xiàn)象的臺(tái)站附近300km范圍內(nèi)以及僅有短周期出現(xiàn)異常且異常持續(xù)時(shí)間僅1～2年的臺(tái)站附近300km范圍內(nèi)，但此情況下震級(jí)一般僅為5級(jí)左右。

在以往一些研究中，研究區(qū)域內(nèi)、時(shí)段內(nèi)地震較多，地震與異常的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯，此情形對(duì)提取異常特征和判據(jù)可能會(huì)產(chǎn)生干擾，而與此不同的是，孤立地震事件則有利于提取地震前后的異常特征。2012年7月20日江蘇省高郵市與寶應(yīng)市交界發(fā)生4.9級(jí)地震，該地震周邊200km范圍內(nèi)地磁臺(tái)站分布較密，其中高郵臺(tái)、鹽城臺(tái)和淮安臺(tái)的震中距分別僅為37、57、67km，同時(shí)該地震發(fā)生前后附近地區(qū)也未發(fā)生其他中等以上地震，此情形為研究地震地磁異常時(shí)空特征提供了便利。本文初步研究了該地震周?chē)卮胖C波振幅比異常特征并對(duì)其進(jìn)行了定性解釋。

1 基本原理、資料處理與結(jié)果

地磁諧波振幅比 YZHx（NS）和 YZHy（EW）的定義為

其中，Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁場(chǎng)的垂直分量、水平分量 SN向和 EW向譜；ω為圓頻率。對(duì)于隨時(shí)間周期變化的不均勻場(chǎng)源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體的條件下，則有

式中，μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；ω為圓頻率；λ為常數(shù)，是變化磁場(chǎng)的波數(shù)。在這種情況下，YZHx（NS）和 YZHy（EW）與地下介質(zhì)的電阻率 ρ呈正比，當(dāng) YZHx（NS）和 YZHy（EW）下降時(shí)，可能對(duì)應(yīng)了地下介質(zhì)的電阻率ρ的下降。

FHD質(zhì)子矢量磁力儀采用質(zhì)子磁力儀與線圈組合觀測(cè)原理（錢(qián)家棟等，2010），每分鐘觀測(cè)1組地磁總場(chǎng)F、水平分量（水平分量全矢量）H和磁偏角D，其中F和H為絕對(duì)值，D為相對(duì)值，F(xiàn)、H、D的觀測(cè)精度分別為0.3nT、0.6nT、0.1′。本次計(jì)算分析采用的是地震周?chē)_(tái)站FHD質(zhì)子矢量磁力儀分鐘值三分量觀測(cè)資料，地震震中與臺(tái)站分布見(jiàn)圖1，各臺(tái)站FHD磁力儀開(kāi)始觀測(cè)時(shí)間見(jiàn)表1，其中無(wú)錫臺(tái)資料質(zhì)量一直不佳，海安臺(tái)2009年資料不穩(wěn)定，凌陽(yáng)臺(tái)2010年資料不穩(wěn)定，崇明臺(tái)一直受地鐵干擾，故以上4個(gè)臺(tái)的資料均未參與計(jì)算分析。

資料處理及計(jì)算過(guò)程采用馮志生編制的軟件①馮志生，2012，地磁諧波振幅比地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)專(zhuān)用計(jì)算程序，具體計(jì)算步驟為：①將每日F、H和D資料轉(zhuǎn)換為Z、Hx和Hy；②去噪聲、線性去傾、加漢寧窗；③按周期等間隔計(jì)算5～65m in的每分鐘的三分量富氏譜 Z（ω）、Hx（ω）和 Hy（ω）；④按每10m in一個(gè)頻帶計(jì)算譜的頻帶均值；⑤計(jì)算各頻帶（10、20、30、40、50、60m in）的地磁諧波振幅比；⑥計(jì)算年滑動(dòng)平均，消除年變化。各臺(tái)站計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

2 異常特征

圖2（a）高郵臺(tái)震中距37km，各周期的地磁諧波振幅比約自2010年初開(kāi)始出現(xiàn)下降，轉(zhuǎn)折時(shí)間大部分出現(xiàn)在2010年底，但除YZHx（NS）的10、20、30min出現(xiàn)完整的下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化，并于震后的2013年初恢復(fù)到原有水平（圖2（a）中陰影部分），其它基本沒(méi)有出現(xiàn)恢復(fù)回升變化，即恢復(fù)階段不同步。另外，YZHx（NS）50m in未出現(xiàn)下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化。

圖1 高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震震中與地磁臺(tái)站分布

表1 地磁臺(tái)站觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間

圖2（b）鹽城臺(tái)震中距57km，各周期的地磁諧波振幅比下降出現(xiàn)時(shí)間前后跨度大，約從2009年底～2010年底，轉(zhuǎn)折時(shí)間大部分出現(xiàn)在2011年底，比高郵臺(tái)晚約1年，恢復(fù)時(shí)間大部分出現(xiàn)在震后的2012年底～2013年初，與高郵臺(tái)恢復(fù)時(shí)間大體一致，但恢復(fù)水平或不完全或過(guò)頭（圖2（b）中陰影部分）。另，YZHx（NS）10min一直到2011年中才出現(xiàn)小幅下降變化，而YZHy（EW）20min無(wú)下降變化。

圖2（c）淮安臺(tái)震中距 67km，YZHy（EW）10、20、30、40min未出現(xiàn)下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化或變化不明顯，其他周期從2010年初開(kāi)始出現(xiàn)下降變化，2011年先后發(fā)生轉(zhuǎn)折，恢復(fù)時(shí)間大部分出現(xiàn)在震后的2012年底～2013年初，除 YZHx（NS）10、20min外，其他周期都未能恢復(fù)到原有水平（圖2（c）中陰影部分）。

圖2（d）連云港臺(tái)震中距178km，YZHx（NS）各周期都出現(xiàn)了下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化且形態(tài)完整，下降時(shí)間基本出現(xiàn)在2009年下半年，2012年先后發(fā)生轉(zhuǎn)折，恢復(fù)時(shí)間出現(xiàn)在震后的2012年底～2013年。YZHy（EW）各周期都出現(xiàn)了下降和轉(zhuǎn)折，且與 YZHx（NS）同步，但未出現(xiàn)恢復(fù)回升變化或恢復(fù)回升變化不明顯。

圖2 地磁諧波振幅比變化與地震

圖2（e）新沂臺(tái)震中距187km，各周期地磁諧波振幅比都出現(xiàn)了下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化且形態(tài)完整，下降時(shí)間基本出現(xiàn)在2009年下半年，2011年先后發(fā)生轉(zhuǎn)折，恢復(fù)時(shí)間出現(xiàn)在震后的2012年底～2013年。

圖2（f）泰安臺(tái)震中距419km，各周期地磁諧波振幅比都出現(xiàn)了下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)回升變化且形態(tài)完整，恢復(fù)回升同步性較好。

3 定性解釋

上述地磁諧波振幅比異常變化特征可概括為：基本變化形態(tài)為下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)上升，其中，下降時(shí)間為2009～2010年，轉(zhuǎn)折時(shí)間為2011年，恢復(fù)上升時(shí)間為2012～2013年，高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震發(fā)生在恢復(fù)上升期。距該地震震中較近的高郵、鹽城和淮安等臺(tái)站異?；謴?fù)期不同步現(xiàn)象明顯，距震中較遠(yuǎn)的新沂臺(tái)和泰安臺(tái)異常形態(tài)完整，恢復(fù)期沒(méi)有出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。

龔紹京等（2001）應(yīng)用三維有限差分法對(duì)長(zhǎng)方形高導(dǎo)體的地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的空間分布立體圖，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B在高導(dǎo)體中央的變化小，極值主要分布在高導(dǎo)體4個(gè)犄角和邊界附近，且A與B在高導(dǎo)體4個(gè)犄角和邊界附近的變化分布明顯不同。由于地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B分別與地磁諧波振幅比YZHx和YZHy對(duì)應(yīng)，因此該模擬計(jì)算結(jié)果很好地解釋了地震附近臺(tái)站地磁諧波振幅比YZHx和YZHy的不同步現(xiàn)象，即當(dāng)孕震區(qū)出現(xiàn)高導(dǎo)異常后，位于高導(dǎo)異常體邊界附近臺(tái)站的地磁諧波振幅比YZHx和YZHy會(huì)出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，故利用地磁諧波振幅比YZHx和YZHy出現(xiàn)不同步現(xiàn)象可以初步界定高導(dǎo)異常的邊界位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)孤立地震事件研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了地磁諧波振幅比的異常時(shí)空特征，即地磁諧波振幅比異常特征表現(xiàn)出與地電阻率類(lèi)似的下降-轉(zhuǎn)折-恢復(fù)上升的異常變化過(guò)程，地震一般發(fā)生在異常轉(zhuǎn)折或恢復(fù)上升的過(guò)程中，距震中較近的臺(tái)站會(huì)出現(xiàn)不同步現(xiàn)象——SN向與EW向的不同步以及長(zhǎng)短周期的不同步。