2017年8月8日九寨溝MS 7.0地震前成都臺地磁諧波振幅比異常分析

何暢 廖曉峰 祁玉萍 邱桂蘭 任越霞

四川省地震局，成都市人民南路三段29號 610000

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2017年 8月 8日 21時 19分 46秒四川省阿壩州九寨溝縣（33.20°N，103.82°E）發(fā)生MS7.0地震，震源深度 20km。此次地震發(fā)生在青藏高原東緣巴顏喀拉塊體的北邊界東昆侖斷裂帶東端與東邊界岷山構(gòu)造帶交匯區(qū)域（易桂喜等，2017），在該塊體的東邊界龍門山斷裂帶上曾發(fā)生了2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0地震。

九寨溝MS7.0地震震區(qū)位于川、甘交界高海拔地區(qū)，距震中5km范圍內(nèi)平均海拔3827m，震區(qū)屬于前兆監(jiān)測能力較弱地區(qū)，距震中300km范圍內(nèi)，有四川前兆固定觀測臺站5個，其中，0～100km范圍內(nèi)臺站1個，101～200km范圍內(nèi)臺站1個，201～300km范圍內(nèi)臺站3個（圖1）。成都臺距九寨溝MS7.0地震震中約255km，震前其地磁諧波振幅比出現(xiàn)趨勢性異常。

地震孕震過程中，震源體及其附近區(qū)域的應(yīng)力逐漸積累，地下巖石的電導(dǎo)率也會隨之產(chǎn)生變化，而地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化必然會引起地磁場內(nèi)場強度變化，進而引起外場與內(nèi)場比值的改變，這種變化可以通過地磁諧波振幅比反映出來（丁鑒海等，1994）。對于簡單均勻的分層介質(zhì)，地磁諧波振幅比與地下介質(zhì)的視電阻率成正比，利用諧波振幅比隨時間的變化可以直觀地了解地下視電阻率的變化（李琪等，2016）；馮志生等（2004）在對上海崇明臺、佘山臺的地磁短周期諧波振幅比進行分析的過程中，初步得到地震前地磁諧波振幅比的趨勢性異常變化特征與地電阻率的異常特征相似的結(jié)果，其表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的變化趨勢；馮志生等（2009、2013）對中強震前的諧波振幅比異常特征進行了進一步研究，結(jié)果表明，地震基本發(fā)生在趨勢性異常下降之后的轉(zhuǎn)折期、恢復(fù)上升期及恢復(fù)后的初期階段，異常持續(xù)時間為1～3年，7級以上強震的異常持續(xù)時間一般大于4年，異常幅度較大，一般大于0.10～0.20；近年來，國內(nèi)的研究人員應(yīng)用諧波振幅比方法對地磁數(shù)據(jù)開展了相關(guān)分析，積累了一定數(shù)量的地震地磁前兆異常案例（李琪等，2016；戴勇等，2016；倪曉寅等，2016、2017）。本文利用成都臺GM 4磁通門磁力儀秒采樣資料，分析了2017年8月8日九寨溝MS7.0地震前該臺地磁諧波振幅比異常變化特征。

圖1 九寨溝MS 7.0地震前震中附近四川定點前兆臺站分布

1 臺站概況

成都地震基準(zhǔn)臺位于龍門山構(gòu)造帶東側(cè)前緣的成都新生代凹陷盆地內(nèi)（圖2），距龍門山構(gòu)造帶約20km，西距安縣-灌縣斷裂20余千米，東距龍泉山斷裂約60km，周圍廣泛分布第四紀(jì)沖積層（何暢等，2017）。成都臺地磁觀測始建于1971年，為國家級地磁基準(zhǔn)臺，臺址的觀測環(huán)境良好，巖性為白堊系底部礫巖，堅實穩(wěn)定，觀測室內(nèi)磁場梯度小于1nT/m。

2008年5月20日成都地磁臺安裝了GM4磁通門磁力儀用于地磁場相對觀測，該儀器可測量地磁場水平分量H、垂直分量Z和偏角的變化，同時還能監(jiān)視探頭溫度T，儀器產(chǎn)出的為秒采樣數(shù)據(jù)（廖紹歡等，2016）。2009年儀器多次出現(xiàn)故障，經(jīng)返廠維修，2010年開始儀器總體工作狀態(tài)穩(wěn)定。本文選取成都臺GM 4磁通門磁力儀自2010年以來的地磁三分量秒數(shù)據(jù)進行研究。

圖2 成都臺周邊區(qū)域構(gòu)造與2010年以來強震（MS≥6.5）震中分布

2 計算方法

地磁諧波振幅比可分為SN向諧波振幅比YZHx和EW向諧波振幅比YZHy，分別定義為（馮志生等，2009）

其中，Z（ω）為地磁場垂直分量的頻譜；Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁場 SN向、EW向水平分量的頻譜。

對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體的條件下，滿足其中，ω為圓頻率；σ為電導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率；κ為常數(shù)，是變化磁場的波數(shù)。在該條件下，YZHx、YZHy與地球介質(zhì)的視電阻率成正比，即YZHx、YZHy隨介質(zhì)視電阻率的起伏變化而變化，并且該參量不受地表降雨等氣象因素和人為因素的影響（馮志生等，2013）。

本文選取成都臺GM 4磁通門磁力儀的地磁三分量秒數(shù)據(jù)進行諧波振幅比計算，具體計算流程為：使用“九五”格式數(shù)據(jù)，以15min為分段長度，每天包含96段。首先，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，對粗差較大、缺數(shù)較多的數(shù)據(jù)文件進行刪除；然后，對三分量數(shù)據(jù)進行虛實傅氏譜計算，根據(jù)譜值結(jié)果計算譜比，再按照指定周期（20～230s，間隔30s，共8個周期）計算諧波振幅比逐日值；最后，進行窗長365天滑動濾波處理，得到消除年變的諧波振幅比結(jié)果。

3 結(jié)果分析

成都臺地磁諧波振幅比在九寨溝MS7.0地震前出現(xiàn)了明顯的趨勢性異常，異常形態(tài)表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升變化（圖3）。由圖3可見，2014年開始，諧波振幅比處于緩慢下降狀態(tài)，2015年2月SN向諧波振幅比長周期（170、200、230s）結(jié)果開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，隨后SN向較短周期（140、80、50s）結(jié)果相繼出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化；EW向諧波振幅比轉(zhuǎn)折時間晚于SN向，2015年11月EW向諧波振幅比長周期（200、230s）結(jié)果開始出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折變化，2016年6月EW向較短周期（170、140、110、80s）結(jié)果呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升形態(tài)，至2017年8月成都臺諧波振幅比維持高值波動狀態(tài)，8月8日九寨溝MS7.0地震發(fā)生，震前異常持續(xù)時間長達3.6年，其間周期為20s的諧波振幅比異常變化形態(tài)不明顯。表1給出了九寨溝MS7.0地震前成都臺諧波振幅比的異常參數(shù)。由表1可見，EW向諧波振幅比異常幅度大于SN向，最大異常幅度為0.11。

圖3 成都臺地磁諧波振幅比變化

2013年4月20日蘆山發(fā)生MS7.0地震，震中距成都臺約100km，震前成都臺地磁諧波振幅比曾出現(xiàn)與九寨溝MS7.0地震前形態(tài)相似的趨勢性異常。如圖3所示，SN向諧波振幅比自2010年以來緩慢下降，至 2012年初較長周期（110、140、170、200、230s）的結(jié)果出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折變化，周期為20、50、80s的諧波振幅比于2012年6月開始轉(zhuǎn)折上升，2013年2月各周期均達到峰值，4月20日即發(fā)生蘆山MS7.0地震，震前EW向諧波振幅比僅在140～230s的周期內(nèi)出現(xiàn)了較明顯異常。

表1 成都臺諧波振幅比異常參數(shù)

4 討論與結(jié)論

本文利用成都臺GM 4磁通門磁力儀秒采樣資料，分析了2017年8月8日九寨溝MS7.0地震前該臺地磁諧波振幅比隨時間的變化，結(jié)果顯示，九寨溝MS7.0地震前諧波振幅比表現(xiàn)出下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升的變化，地震發(fā)生在恢復(fù)期，由諧波振幅比與地電阻率變化之間關(guān)系的震例研究結(jié)果可知，上述變化趨勢正是震前諧波振幅比異常的變化特征，與地電阻率趨勢性異常變化特征相似（馮志生等，2013）；在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體的情況下，諧波振幅比與介質(zhì)的電阻率成正比。因此，從理論上講，諧波振幅比的變化反映了地下深部介質(zhì)電阻率的變化。

成都臺地磁諧波振幅比異常表現(xiàn)出了由長周期向短周期遷移的現(xiàn)象（圖3），考慮到臺站與異常高導(dǎo)體位置間的關(guān)系（馮志生等，2009），認為成都臺可能位于高導(dǎo)體的邊界，在高導(dǎo)體形成初期，臺站位于其外側(cè)較遠區(qū)域，諧波振幅比長周期先觀測到異常，伴隨異常體不斷向臺站方向擴展，短周期結(jié)果相繼出現(xiàn)異常變化。

震前同周期SN向諧波振幅比與EW向諧波振幅比表現(xiàn)出了明顯的不同步現(xiàn)象，這體現(xiàn)了臺站地下電性結(jié)構(gòu)的不均勻性，式（2）的結(jié)果是在假設(shè)地球介質(zhì)為均勻各向同性的條件下得到的，而當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)電阻率各向異性很強烈時，會導(dǎo)致2個方向的異常變化形態(tài)的差異（杜學(xué)彬等，2015）。

九寨溝MS7.0地震前成都臺諧波振幅比趨勢性異常持續(xù)時間為3.6年，最大異常幅度達到0.11，與馮志生等（2013）給出的強震前異常持續(xù)時間（4年）、異常幅度（0.10～0.20）相吻合；此次異常與蘆山MS7.0地震前的諧波振幅比異常相似，倪喆等（2014）對蘆山地震前巖石圈磁場動態(tài)變化特征進行分析，結(jié)果表明，震前1年或稍長時間，包含成都臺在內(nèi)的距震中125km范圍內(nèi)曾出現(xiàn)地磁異常，這從另一方面增加了成都臺地磁異常的可靠性。

地磁諧波振幅比的變化源于地磁感應(yīng)磁場的變化，而地下介質(zhì)電導(dǎo)率的橫向不均勻性會引起感應(yīng)電流的畸變和重新分布，進而產(chǎn)生局部的感應(yīng)磁場異常，同時，全球各地觀測到了許多同局部電磁場異常相聯(lián)系的地殼和上地幔的電性結(jié)構(gòu)異常，并且這些電性異常多與構(gòu)造活動帶和地震帶相對應(yīng)（徐文耀，2009）。因此，初步分析認為，九寨溝MS7.0地震前成都臺諧波振幅比異常是孕震過程中地下局部電性結(jié)構(gòu)異常的一種反映。成都臺鄰近地磁臺站的數(shù)據(jù)積累時間較短，無法對諧波振幅比逐日結(jié)果進行去年變處理，因此，未能給出震前不同臺站間的對比結(jié)果，在今后的研究中仍需加強臺站間的對比分析工作。

致謝：馮志生研究員為本研究提供計算程序，并在本文研究過程中給予了很多幫助和理論指導(dǎo)，在此表示感謝。