兩次4.0級(jí)地震前高郵臺(tái)和鹽城臺(tái)地磁諧波振幅比異常分析

李鴻宇 王維 袁桂平

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號(hào) 210014

0 引言

巖石破裂實(shí)驗(yàn)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）。地震過程是震源體及附近巖體應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累的過程，伴隨這一過程巖石電阻率將發(fā)生變化，尤其是在存有流體的地方，巖石在應(yīng)力作用下達(dá)到其破裂強(qiáng)度的1／3～1／2時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量微裂隙，流體特別是含有電解質(zhì)的流體會(huì)填充到這些裂隙中，巖石電阻率將發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，這種變化將使地表感應(yīng)磁場(chǎng)分布產(chǎn)生相應(yīng)的變化（丁鑒海等，1994），因此，研究地表磁場(chǎng)的變化有助于我們了解孕震區(qū)地下介質(zhì)電導(dǎo)率在地震發(fā)生前的變化情況。

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，地磁諧波振幅比與地下介質(zhì)的電阻率間成正比關(guān)系（北京大學(xué)等，1986；馮志生等，2004），因此，通過地磁諧波振幅比的時(shí)間變化可以直觀地了解地下介質(zhì)電阻率的變化情況。馮志生等（2004、2009、2013）對(duì)不同強(qiáng)度地震前地磁諧波振幅比異常變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明地震前地磁諧波振幅比的趨勢(shì)性異常表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)，這也表明地磁諧波振幅比異常與地電阻率趨勢(shì)性異常具有相似性。李琪等（2016）通過研究2013年3月3日洱源5.5級(jí)地震的地磁諧波振幅比異常認(rèn)為，地磁諧波振幅比的計(jì)算結(jié)果與臺(tái)站地區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)吻合。此外，地磁諧波振幅比方法在甘肅、青海及江蘇地區(qū)也積累了一些震例（戴勇等，2016；蔣延林等，2016），研究者通過對(duì)地磁諧波振幅比異常的總結(jié)和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了地磁諧波振幅比異常特征與地電阻率異常特征類似的現(xiàn)象。

本文利用江蘇地區(qū)地磁臺(tái)站2009年以來(lái)的地磁分鐘值數(shù)據(jù)，計(jì)算了2012年7月20日高郵4.9級(jí)地震和2016年10月20日射陽(yáng)4.4級(jí)地震前后地磁諧波振幅比變化，給出了具體的異常幅度變化數(shù)值，分析了諧波振幅比異常的長(zhǎng)期變化特征和異常幅度的特征，探討了地磁諧波振幅比異常與地震孕育間的關(guān)系。

1 計(jì)算方法與資料

1.1 計(jì)算方法

其中，Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁垂直分量、水平分量北向和水平分量東向的頻譜值。對(duì)于隨時(shí)間周期變化的不均勻場(chǎng)源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性平面導(dǎo)體的條件下，其滿足

地磁諧波振幅比YZHx和YZHy的定義為（馮志生等，2013）

式中，μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；ω為圓周率；k為變化磁場(chǎng)的波數(shù)，此處為常量；由式（2）可知，YZHx和YZHy與介質(zhì)的電阻率呈正比，即當(dāng)?shù)厍蚪橘|(zhì)電阻率下降時(shí)，YZHx和YZHy也隨之下降。地磁諧波振幅比異常反映的主要是深部地電阻率異常，不受地表、氣象等因素的影響。已有的震例研究表明，在5～6級(jí)地震前后，諧波振幅比異常變化特征與直流地電阻率的變化特征類似，且異常持續(xù)時(shí)間與震級(jí)大小之間存在正相關(guān)性（馮志生等，2004、2009、2013）。

1.2 資料選取及處理

江蘇地區(qū)共有13個(gè)地磁臺(tái)站，臺(tái)站布設(shè)情況如圖1所示。江蘇地區(qū)各地磁臺(tái)站2002年起陸續(xù)開始使用新沂市經(jīng)緯電子儀器有限公司研制生產(chǎn)的FHD質(zhì)子矢量磁力儀，其分辨力為0.1nT，采樣間隔為1min，可用于觀測(cè)地磁總場(chǎng)F、水平分量H，磁偏角D等。

本文選擇連續(xù)觀測(cè)性較好的高郵、鹽城、淮安、新沂、連云港、無(wú)錫、海安、溧陽(yáng)和大豐等共9個(gè)地磁臺(tái)站，分別計(jì)算了2009年1月～2016年10月的地磁諧波振幅比。

具體計(jì)算過程如下：①選取臺(tái)站每天的垂直分量Z、水平分量H和磁偏角D的分鐘值采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算Hx和Hy；②將每天數(shù)據(jù)分成4段（每15min一段），計(jì)算5～65min各周期的Z、Hx、Hy等3個(gè)分量虛實(shí)傅氏譜；③計(jì)算5～65min各周期的諧波振幅比，并計(jì)算其幅度；④按10min周期為1個(gè)頻帶，計(jì)算周期分別為10、20、30、40、50、60min的頻帶均值，形成其逐日順序文件；⑤對(duì)逐日順序文件進(jìn)行去高頻（31天滑動(dòng)平均）和消除年變（365天滑動(dòng)平均）處理。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 高郵臺(tái)地磁諧波振幅比分析

2012年7月20日在距高郵臺(tái)37km處的高郵市與寶應(yīng)市交界發(fā)生4.9級(jí)地震，由于2014年高郵臺(tái)地磁諧波振幅比變化幅度較大（蔣延林等，2016），為方便分析該地震前高郵臺(tái)的異常變化，此處只給出了2009～2013年的地磁諧波振幅比曲線（圖2）。由圖2可見，高郵臺(tái)諧波振幅比YZHx向與YZHy向（以下簡(jiǎn)稱NS向與EW向）均從2009年6月開始出現(xiàn)下降，在2010年10月份前后2個(gè)方向大部分周期曲線開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折恢復(fù)變化，而在隨后的恢復(fù)過程中（2010年10月至發(fā)震前），諧波振幅比YZHx方向的10、30、40、60min周期出現(xiàn)上升—下降變化，20min周期持續(xù)上升，50min周期持續(xù)下降；諧波振幅比YZHy方向的10、30、40min周期出現(xiàn)上升—下降變化，20min周期持續(xù)下降，50、60min周期基本不變。高郵臺(tái)地磁諧波振幅比這一“下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)”（2009年7月至發(fā)震前）且在恢復(fù)過程中不同步的現(xiàn)象與馮志生等（2009）的研究結(jié)果一致，因此，分析認(rèn)為高郵臺(tái)地磁諧波振幅比存在異常。

表1給出了各周期異常信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可見，除了上述時(shí)間進(jìn)程中的異常形態(tài)外，異常幅度上也存在NS向各周期和EW向各周期數(shù)值都具有一致性的特點(diǎn)，20min周期的NS向和EW向異常幅度相近，但其它周期的EW向異常幅度遠(yuǎn)大于NS向的異常幅度，部分周期接近2倍。其中，異常起始時(shí)間為地磁諧波振幅比異常變化形態(tài)（下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)）中下降的起始點(diǎn)，異常幅度為數(shù)據(jù)下降的起始點(diǎn)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的差。

圖1 江蘇地磁臺(tái)站及地震分布

2.2 鹽城臺(tái)地磁諧波振幅比分析

2016年10月20日在距鹽城臺(tái)34km處的射陽(yáng)市發(fā)生4.4級(jí)地震，圖3給出了2009～2016年的地磁諧波振幅比。由圖3可見，在2013年初大部分周期開始出現(xiàn)同步的下降變化，諧波振幅比YZHx向與YZHy向10、20、30min周期于2015年2月前后開始轉(zhuǎn)折恢復(fù)上升，但40、50、60min周期的下降變化一直持續(xù)。該異常形態(tài)與高郵4.9級(jí)地震前高郵臺(tái)諧波振幅比異常類似，也符合以往震例研究的結(jié)果。

表2給出了鹽城臺(tái)諧波振幅比異常的詳細(xì)信息。由表2可見，類似于高郵臺(tái)諧波振幅比異常的特點(diǎn)，在不同步變化的時(shí)間點(diǎn)后各周期變化的不一致性凸顯。從異常幅度上看，10、20min的周期NS向和EW向異常幅度相近，但其它周期EW向的異常幅度遠(yuǎn)大于NS向的異常幅度。

圖2 高郵臺(tái)地磁諧波振幅比計(jì)算結(jié)果

表1 高郵臺(tái)諧波振幅比異常參數(shù)表

3 地磁諧波振幅比異常與地震孕育間的關(guān)系

高郵臺(tái)和鹽城臺(tái)地磁諧波振幅比震前異常存在一個(gè)較為明顯的現(xiàn)象，即EW向的異常幅度大于NS向的異常幅度，高郵地震前EW向和NS向平均異常幅度分別為0.0734、0.0336，射陽(yáng)地震前分別為0.1113、0.0818。表3給出了高郵地震（孫業(yè)君等，2012）和射陽(yáng)地震（李鋒等，2017）的震源機(jī)制解參數(shù)。由表3可見，2次地震的主壓應(yīng)力方向都近似于EW向。計(jì)算結(jié)果顯示，地磁諧波振幅比異常幅度較大的方向與主壓應(yīng)力方向間存在一致性。

圖3 鹽城臺(tái)地磁諧波振幅比計(jì)算結(jié)果

表2 鹽城臺(tái)諧波振幅比異常參數(shù)表

表3 高郵4.9級(jí)地震與射陽(yáng)4.4級(jí)地震震源機(jī)制參數(shù)

地磁諧波振幅比YZHx向與YZHy向分別代表了EW向和NS向2個(gè)正交方向上的視電阻率變化，本文地磁諧波振幅比YZHy方向異常幅度較大，說(shuō)明NS向的視電阻率出現(xiàn)了極大變化，因此推測(cè)，EW向?yàn)閼?yīng)力加載方向或主壓應(yīng)力方向，這一推斷與震源機(jī)制解結(jié)果一致。震例研究表明，與P軸方位正交或近于正交的測(cè)道，顯示快速、大幅度的視電阻率變化；沿P軸方位或近于該方位的變化幅度則較小（杜學(xué)彬，2010）；李琪等（2016）研究認(rèn)為，諧波振幅比異常顯著的方向與高導(dǎo)帶的走向一致，以上結(jié)果均與本文的研究結(jié)果一致。該現(xiàn)象進(jìn)一步證明了地下應(yīng)力、地下介質(zhì)電導(dǎo)率以及地磁諧波振幅比異常間存在著密切的聯(lián)系。

4 討論與結(jié)論

本文分析了2012年7月20日高郵4.9級(jí)地震和2016年10月20日射陽(yáng)4.4級(jí)地震前高郵臺(tái)和鹽城臺(tái)的地磁諧波振幅比異常特征，主要得到以下結(jié)論。

（1）江蘇地區(qū)中等地震前存在地磁諧波振幅比異常，異常形態(tài)類似于直流地電阻率變化形態(tài)，即“下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)”，地震發(fā)生在地磁諧波振幅比恢復(fù)階段，異常持續(xù)時(shí)間為3年，異常幅度一般為0.02～0.17，該結(jié)果與以往中強(qiáng)地震震例總結(jié)的結(jié)果類似，并未發(fā)現(xiàn)中等地震前的異常與強(qiáng)地震前的異常有明顯區(qū)別。

（2）2次顯著地震前諧波振幅比異常幅度都表現(xiàn)出了EW向大于NS向的特點(diǎn)，異常幅度較大的方向與2次主震主壓應(yīng)力方向一致，進(jìn)一步證明了地下應(yīng)力、地下介質(zhì)電導(dǎo)率以及地磁諧波振幅比異常間存在密切的聯(lián)系。

（3）在研究2012年7月20日高郵4.9級(jí)地震地磁諧波振幅比異常時(shí)，對(duì)比圖2、3可以看出，震前遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站（鹽城臺(tái)）并無(wú)異常表現(xiàn)（不同步現(xiàn)象），而近場(chǎng)臺(tái)站（高郵臺(tái)）異常表現(xiàn)明顯，該現(xiàn)象在一定程度上佐證了高郵臺(tái)地磁諧波振幅比異常的可信度。

（4）在高郵臺(tái)和鹽城臺(tái)出現(xiàn)地磁諧波振幅比異常時(shí)段內(nèi)，高郵4.9級(jí)地震和射陽(yáng)4.4級(jí)地震是江蘇陸地2次孤立的地震事件（4級(jí)以上），且地震震中與異常臺(tái)站距離較近（35km左右），地磁諧波振幅比異常形態(tài)清晰，因此，筆者認(rèn)為討論2次地震前的異常特征對(duì)于研究江蘇地區(qū)的地震-地磁關(guān)系有一定意義。

本文研究樣本量較少，以上的結(jié)論是否具有普遍性還需要更多震例的驗(yàn)證。

致謝：馮志生研究員為本研究提供計(jì)算程序；在本文撰寫過程中李琪副研究員、孫業(yè)君高級(jí)工程師、楊云高級(jí)工程師、李鋒工程師給予了無(wú)私的幫助，在此一并表示感謝。