2013年3月3日洱源MS5.5地震前地磁諧波振幅比異常研究

李 琪 袁伊人 楊 星 蔡紹平 孫維懷

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所2) 中國昆明650224云南省地震局 3) 中國通海652700云南省地震局通海地震臺

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2013年3月3日洱源MS5.5地震前地磁諧波振幅比異常研究

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所2) 中國昆明650224云南省地震局 3) 中國通海652700云南省地震局通海地震臺

本文首先使用滇西北地磁臺陣8個測點2012年6月1日—2013年5月31日記錄的短周期地磁數(shù)據(jù)， 計算得到各測點的諧波振幅比時間序列變化曲線． 該曲線顯示： 各測點的諧波振幅比YZHy和YHD在2013年3月3日普洱MS5.5地震前均呈顯著高值， 發(fā)震前則剛好是由高轉(zhuǎn)低再上升的一個轉(zhuǎn)折點； 而諧波振幅比YZHx沒有出現(xiàn)類似的異常變化． 其次通過對臺陣區(qū)地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的定性分析， 對該計算結(jié)果予以解釋． 對于地磁短周期垂直分量反相現(xiàn)象和威斯矢量分布的分析結(jié)果表明， 地下存在著近似南北走向的電導(dǎo)率異常帶． 由于臺陣區(qū)域YZHy和YHD的異常變化代表南北向地下電導(dǎo)率變化和地下電導(dǎo)率不均勻， 因此諧波振幅比的變化與電導(dǎo)率異常帶的分布一致， 表明諧波振幅比的變化與地下電性結(jié)構(gòu)密切相關(guān)．

諧波振幅比 地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu) 地磁臺陣 震例分析

引言

巖石破裂實驗表明， 巖石電導(dǎo)率與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系密切(郝錦綺等， 1989)． 地震孕育過程中， 地震震源體及其附近巖體的應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累， 地下巖石的電導(dǎo)率也隨之產(chǎn)生變化； 尤其是有流體存在的地方， 由于巖石在應(yīng)力作用下達(dá)到其破裂強(qiáng)度的1/3—1/2時會產(chǎn)生大量微裂隙， 若含有電解質(zhì)的流體填充到這些裂隙中， 電導(dǎo)率會產(chǎn)生極大變化． 存在于中下地殼的地殼深部流體對地震活動起著關(guān)鍵作用(車用太， 魚金子， 2014)， 而地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化則可以反映地下流體的活動． 根據(jù)電磁感應(yīng)理論， 地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化會使地表處磁場的感應(yīng)成分產(chǎn)生變化， 因此監(jiān)測該變化可以為地震預(yù)測提供判據(jù)．

對于簡單均勻分層介質(zhì)， 地磁諧波振幅比YZHx和YZHy與地下介質(zhì)的視電阻率成正比， 所以可通過諧波振幅比的時間變化直觀地了解地下視電阻率的變化． 馮志生等(2004， 2009， 2013)對不同強(qiáng)度地震前地磁諧波振幅比的異常變化特征進(jìn)行了分析總結(jié)， 結(jié)果表明： 地震前后諧波振幅比的趨勢性異常均表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的變化趨勢； 中強(qiáng)地震震前諧波振幅比異常的持續(xù)時間為1—3 年(馮志生等， 2004)；M>7地震震前異常持續(xù)時間一般在4年以上， 且異常幅度較大， 為0.10—0.20 以上(馮志生等， 2013)； 當(dāng)震中距較大時， 地磁諧波振幅比的異常變化過程由長周期向短周期遷移， 而當(dāng)震中距較小時， 異常變化過程則由短周期向長周期遷移(馮志生等， 2009)．

盡管已有很多諧波振幅比的震例研究， 但這些研究均是在對地下結(jié)構(gòu)完全不了解的情況下開展的， 所以其結(jié)果無法與地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)相聯(lián)系． 由于天然電磁場有頗豐富的頻譜成分和較寬的頻帶， 天然源物探方法的探測深度比人工源物探方法的大， 可以獲得從地殼淺部直至地幔深部的介質(zhì)導(dǎo)電性能的信息， 因此通過短周期地磁信號可獲取地下電導(dǎo)率的分布．

本文擬利用滇西北地磁臺陣8個磁通門磁力儀測點記錄的短周期地磁信號資料， 計算該臺陣區(qū)2013年洱源MS5.5地震前后的諧波振幅比變化， 并定性地判定地下電導(dǎo)率異常的走向， 試圖探索諧波振幅比變化與地下電性結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系．

1 云南地磁臺陣概況

滇西北地磁臺陣包括布設(shè)在云南省西北角的8個觀測點， 各測點平均間距約為30 km， 臺陣布設(shè)如圖1所示． 各測點在勘選過程中對磁場梯度和背景噪聲均進(jìn)行了嚴(yán)格測試， 其觀測場地滿足10 m×10 m范圍內(nèi)地磁場總強(qiáng)度F分布均勻， 且水平梯度ΔFh≤5 nT/m， 電磁環(huán)境滿足背景噪聲小于0.1 nT的要求， 符合地磁三級固定觀測網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)．

圖1 滇西北地磁臺陣測點和兩次洱源地震震中分布圖 Fig.1 Locations of eight stations of north-western Yunnan geomagnetic array and the epicenters of two Eryuan earthquakes in 2013

滇西北地磁臺陣的8個測點于2008年10月—2012年8月陸續(xù)建設(shè)完成． 每個觀測點安裝一套由中國地震局地球物理研究所研制生產(chǎn)的GM4磁通門磁力儀， 其采樣間隔為1 s， 觀測周期從2 s到數(shù)十分鐘， 儀器的峰-峰值噪聲小于0.1 nT．

各測點產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)為1 s采樣的地磁垂直分量(Z)、 水平分量(H)和磁偏角(D)三分量的變化量． 因為原始數(shù)據(jù)不可避免地會受到外界人為活動的干擾， 所以需事先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行人工預(yù)處理， 剔除明顯由環(huán)境干擾引起的尖峰， 生成預(yù)處理秒采樣數(shù)據(jù)， 然后經(jīng)高斯濾波將其轉(zhuǎn)換為預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)． 后續(xù)的數(shù)據(jù)分析均基于預(yù)處理秒數(shù)據(jù)和分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行．

在滇西北地磁臺陣的觀測時段內(nèi)， 該臺陣區(qū)發(fā)生了兩次MS≥5.0地震， 其震中位置如圖1所示． 一次為2013年3月3日13時41分洱源地區(qū)(25.9°N， 99.7°E)發(fā)生的MS5.5地震， 震源深度約為9 km； 另一次為2013年4月17日9時45分洱源地區(qū)(25.9°N， 99.8°E)發(fā)生的MS5.0地震， 震源深度約為5 km． 地磁臺陣各個測點與這兩次洱源地震震中的距離列于表1．

表1 滇西北地磁臺陣各測點與兩次洱源地震震中的距離

2 計算方法

2.1 威斯矢量

磁感應(yīng)強(qiáng)度F的感應(yīng)信號ΔZ,ΔH和ΔD之間的經(jīng)驗關(guān)系為ΔZ=AΔH+BΔD， 式中A和B為轉(zhuǎn)換函數(shù)， 是位置(λ， φ)、 深度(h)、 頻率(ω)或周期(T)和時間(t)的函數(shù)， 即

根據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B可計算得到威斯矢量的大小L和方向α分別為

威斯矢量的大小L反映地下電導(dǎo)率的橫向不均勻程度， 地下橫向差異越大， 計算所得的威斯矢量值越大； 威斯矢量的方向則指向電導(dǎo)率低的方向， 背離高導(dǎo)體方向．

2.2 諧波振幅比

對于隨時間周期變化的不均勻場源， 在地球介質(zhì)為均勻各向同性平面導(dǎo)體的條件下， 其滿足

(1)

式中： ω為圓頻率； k為變化磁場的波數(shù)， 此處為一常量； Z(ω)， Hx(ω)和Hy(ω)分別為地磁場垂直分量、 南北向水平分量和東西向水平分量的頻譜值．

地磁諧波振幅比YZHx， YZHy和YHD分別定義為

由式(1)可知， YZHx和YZHy均與介質(zhì)的視電阻率成正比， 即當(dāng)?shù)厍蚪橘|(zhì)的視電阻率下降時， YZHx和YZHy也隨之下降． 雖然理論上Hx(ω)/Hy(ω)=1(式(1))， 但實際上地球介質(zhì)具有各向異性的特征， 即Z(ω)/Hx(ω)≠Z(ω)/Hy(ω)， 并且Hx(ω)/Hy(ω)與地下介質(zhì)的各向異性有一定的關(guān)系， 因此Hx(ω)/Hy(ω)在地震孕育過程中的變化值得研究(馮志生等， 2009)．

3 震例分析

為考察兩次洱源地震前后地磁諧波振幅比的變化情況， 本文計算了滇西北地磁臺陣的洱源、 云龍、 牛街、 下關(guān)、 麗江等5個測點2012年6月1日—2013年5月31日的諧波振幅比YZHx， YZHy和YHD在周期為3—60分鐘內(nèi)的時間變化曲線． 由于計算的時間長度只有1年， 無法像傳統(tǒng)的諧波振幅比計算那樣通過12個月滑動平均來消除年變， 所以僅對計算結(jié)果進(jìn)行5天滑動平均． 此外， 同一測點各個周期的諧波振幅比變化比較類似， 僅異常幅度有所差異， 故本文只給出了云龍測點各個周期的計算結(jié)果， 如圖2所示． 為了對比同一周期不同測點的諧波振幅比變化， 圖3給出了各個測點周期為10分鐘的結(jié)果(其它周期的結(jié)果也類似， 故未給出)， 各子圖中諧波振幅比曲線從上到下按距離洱源MS5.5地震的震中距由近及遠(yuǎn)排列． 劍川、 煉鐵、 鶴慶測點的諧波振幅比曲線由于地震前后缺數(shù)較多， 故未給出．

圖2 云龍測點不同周期T內(nèi)YZHx， YZHy和YHD變化曲線， 圖中紅線為均值加1倍方差

圖4給出了洱源MS5.5地震前各測點的諧波振幅比YZHy和YHD異常最高幅度隨周期的變化結(jié)果． 另外， 統(tǒng)計了異常幅度與震中距的關(guān)系， 結(jié)果表明二者并不成簡單的線性關(guān)系， 具體原因尚需進(jìn)一步分析．

圖3 各測點周期為10分鐘的YZHx， YZHy和YHD變化曲線， 圖中紅線為均值加1倍方差

Fig.3TemporalevolutionofYZHx， YZHyandYHDattheperiodof10minutesforfivegeomagneticstations(Yunlong，Eryuan，Niujie，Xiaguan，Lijiangfromthetopdown)，wherethehorizontalredlineistheaveragevalueplusthestandarddeviation

圖4 洱源MS5.5地震前各測點的YZHy(a)和YHD(b)異常最高幅度隨周期T的變化

4 地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)定性分析

為了對本文得到的結(jié)果進(jìn)行機(jī)理解釋， 本文基于滇西北地磁臺陣8個測點記錄的數(shù)據(jù)對洱源地區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性分析． 圖5給出了2012年9月3日滇西北地磁臺陣8個測點三分量11:00—13:00(UT)的原始數(shù)據(jù)曲線. 可以看出， 同一時段的H和D分量變化形態(tài)大致相同， 部分時段的Z分量變化曲線則呈明顯的反向， 即臺陣西側(cè)的云龍、 劍川、 煉鐵臺站與其東側(cè)的洱源、 牛街、 下關(guān)、 麗江和鶴慶臺站的三分量變化方向相反， 于是按照Z的變化方向?qū)?個測點分為兩組． 由于滇西北地磁臺陣位于地磁的中緯度地區(qū)， 引起地磁短周期變化的外源場在地面1000km范圍內(nèi)近似均勻， 因此在間距僅為30km左右的地磁臺站記錄到的短周期地磁變化異常是由地下電導(dǎo)率的橫向不均勻性引起的． 由臺陣測點分布和上述測點的分組可大致推斷， 地下存在著近似南北走向的電導(dǎo)率異常帶(關(guān)于該臺陣區(qū)地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)將在另文討論)， 這與云南地區(qū)的觀測結(jié)果(候作中， 史鐵生， 1984； 范國華等， 1992)是一致的．

圖5 2012年9月3日滇西北地磁臺陣三分量的原始數(shù)據(jù)曲線(陰影區(qū)表示Z分量反向變化的時段) Fig.5 Temporal evolution of the original data recorded by the stations of northwestern Yunnan geomagnetic array on September 3， 2012 The shadow zone shows the period when Z component varied in opposite direction

鑒于計算得到的不同周期威斯矢量分布結(jié)果比較類似， 本文僅給出了周期為10分鐘的威斯矢量分布， 如圖6所示． 威斯矢量的方向背離高導(dǎo)體的方向， 從圖中可以看出， 在云龍、 劍川與麗江、 下關(guān)、 牛街、 鶴慶和洱源兩組臺站之間似乎有明顯的分界線， 即云龍、 劍川臺站的威斯矢量均指向西南， 而麗江、 下關(guān)、 牛街、 鶴慶和洱源臺站的威斯矢量基本都指向東， 這也從另一個角度佐證了洱源地區(qū)地下高導(dǎo)帶的存在， 其大致位置也可以由此確定． 另外， 煉鐵臺站的威斯矢量基本指向南， 推測該臺站也許位于高導(dǎo)帶分界線附近．

圖6 周期為10分鐘的實威斯矢量分布圖 Fig.6 Distribution of Weiss vectors for the period of 10 minutes

5 討論與結(jié)論

本文利用諧波振幅比方法分析了滇西北地磁臺陣區(qū)發(fā)生的兩次MS≥5.0地震，其諧波振幅比時序曲線顯示，洱源MS5.5地震前所有臺站的YZHy和YHD均表現(xiàn)出顯著高值， 發(fā)震前則剛好是由高轉(zhuǎn)低再上升的一個轉(zhuǎn)折點． 基于諧波振幅比和地電阻率變化的震例研究(馮志生等， 2004， 2009， 2013)表明， 這種變化趨勢正是震前諧波振幅比的變化特征． YZHx的變化曲線僅在2012年8月有所加強(qiáng)， 且無后續(xù)的下降轉(zhuǎn)上升的變化趨勢． 本文給出的震前異常持續(xù)時間比馮志生等(2004， 2009， 2013)的研究結(jié)果短得多， 這是源于馮志生等(2004， 2009， 2013)關(guān)于震例分析的研究資料長達(dá)數(shù)年至十幾年， 其采用12個月滑動平均方法來消除年變， 因此短周期信息在數(shù)據(jù)處理過程中得以平滑． 而本研究中， 由于臺陣區(qū)部分測點儀器架設(shè)的時間不長， 只用了一年的數(shù)據(jù)進(jìn)行震例分析， 因此無法進(jìn)行12個月滑動平均， 僅對計算結(jié)果進(jìn)行了5天滑動平均， 這樣可以更好地保留短周期的信息． 雖然本文中給出的震前異常持續(xù)時間僅有1個多月， 但并不排除震前會出現(xiàn)持續(xù)時間較短的諧波振幅比異常， 這種現(xiàn)象尚需更多的震例來驗證．

洱源MS5.5地震前的異常幅度隨著周期的增大而減小， 這與龔紹京和陳化然(2001)的數(shù)值模擬結(jié)果“周期加大， 所有轉(zhuǎn)換函數(shù)的絕對值變小”是一致的， 進(jìn)一步驗證了地震前高導(dǎo)異常的可靠性．

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果， 感應(yīng)矢量的極大值出現(xiàn)在靠近異常體邊界處， 計算得到的諧波振幅比異常幅度最大的地磁測點也可能位于異常高導(dǎo)體邊界附近， 而不一定位于異常高導(dǎo)體的中央， 因此諧波振幅比異常幅度與震中距之間并不成簡單的線性關(guān)系， 還需要得到異常體的大致形狀后進(jìn)一步分析．

利用諧波振幅比方法得到的諧波振幅比曲線在4月17日洱源MS5.0地震前并未顯示明顯的異常， 這是由于該地震的發(fā)震時間和地點距離前一次地震(洱源MS5.5)較近， 前一次地震前后諧波振幅比出現(xiàn)了由高轉(zhuǎn)低再上升的轉(zhuǎn)折變化， 而且從低點上升的轉(zhuǎn)折變化持續(xù)時間長達(dá)一個多月， 即使后一次地震(洱源MS5.0)前諧波振幅比同樣出現(xiàn)了類似的趨勢變化， 也被疊加在前一次地震的震后效應(yīng)中導(dǎo)致無法辨識．

諧波振幅比與視電阻率的對應(yīng)關(guān)系是在地球介質(zhì)為均勻各向同性平面導(dǎo)體的條件下才滿足的． 滇西北地磁臺陣地下的電性結(jié)構(gòu)存在橫向不均勻性， 而YZHx和YZHy分別代表東西和南北兩個正交方向上的視電阻率變化， 所以二者的時間變化不一致． 另一方面， 由于地下高導(dǎo)帶近似南北走向， 因此南北向YZHy所呈現(xiàn)的顯著震前異?，F(xiàn)象也許與高導(dǎo)帶的走向有密切聯(lián)系． 南北向的YZHy有明顯的震前異常， 地下電性介質(zhì)的不均勻性也隨之變化， 因此代表各向異性的YHD也在震前出現(xiàn)顯著變化． 由此可以看出， 在這個震例中諧波振幅比的計算結(jié)果與臺陣區(qū)地下的電性結(jié)構(gòu)是一致的， 關(guān)于這個現(xiàn)象是否具有普遍性尚需更多震例驗證．

根據(jù)震源模式的研究， 地震前震源區(qū)可能會膨脹進(jìn)水(努爾-肖爾茨模式)或者小裂縫閉合(裂叢串通模式和預(yù)滑模式)， 溫度也可能會升高(預(yù)滑模式和松澤武雄熱機(jī)理論). 在這些情況下， 震源區(qū)的電導(dǎo)率均會增大， 并逐漸形成一個高導(dǎo)異常區(qū)． 該異常區(qū)的形成會改變地球感應(yīng)磁場的大小， 從而影響短周期地磁的變化特征， 諧波振幅比的大小也會隨之改變． 因此， 諧波振幅比變化過程的研究可為地震預(yù)報提供判據(jù)．

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Variation of the geomagnetic harmonic wave amplitude ratio before theMS5.5 Eryuan earthquake in 2013

1)InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China2)EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，Kunming650224，China3)TonghaiObservatory，EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，YunnanTonghai652700，China

Based on the 1 second sampling geomagnetic data derived from the eight stations of geomagnetic array in Yunnan Province from June 1， 2012 to May 31， 2013， the temporal variations of the geomagnetic harmonic wave amplitude ratios were analyzed. It was found that both the geomagnetic harmonic wave amplitude ratiosYZHyandYHDwere enhanced just before theMS5.5 Eryuan earthquake on 3 March 2013， but no similar variation appeared for the ratioYZHx. In order to explain the result， both the temporal evolution of original vertical components (Z) and the distribution of Weiss vectors were analyzed， and it was found that there was an NS-oriented high conductivity layer on the underground. Considering that the ratiosYZHy，YHDandYZHxare related with the variation of NS-oriented conductivity， the heterogeneity of underground electrical structure and the variation of EW-oriented conductivity， respec-tively， it was deduced that the variation of the geomagnetic harmonic wave amplitude ratios was closely related to the underground electrical structure.

harmonic wave amplitude ratio; underground conductivity structure; geomagnetic array; case study

地震行業(yè)科研專項(200708033)資助.

2015-05-18收到初稿， 2015-08-18決定采用修改稿.

e-mail: darcyli@163.com

10.11939/jass.2016.01.012

P315.72+1

A

李琪, 袁伊人, 楊星, 蔡紹平, 孫維懷. 2016. 2013年3月3日洱源MS5.5地震前地磁諧波振幅比異常研究. 地震學(xué)報, 38(1): 122--129. doi:10.11939/jass.2016.01.012.

Li Q, Yuan Y R, Yang X, Cai S P, Sun W H. 2016. Variation of the geomagnetic harmonic wave amplitude ratio before theMS5.5 Eryuan earthquake in 2013.ActaSeismologicaSinica, 38(1): 122--129. doi:10.11939/jass.2016.01.012.