汶川8.0級(jí)地震前地磁日變化異常綜合分析

倪曉寅 賴見深 朱培育

1)福建省地震局，福州 350003 2)東山地震臺(tái)，福建漳州 363400 3)崇明地震臺(tái)，上海 202164

0 引言

地磁場由穩(wěn)定磁場和變化磁場組成。變化磁場包括了地磁場的各種短期變化，主要分為起源于地球電離層電流體系的外源場和外源場在地球內(nèi)部生成的感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)場。因此，變化磁場不但反映了太陽活動(dòng)、外層空間磁層、電離層的活動(dòng)，還反映了地球內(nèi)部介質(zhì)電磁性質(zhì)的變化?；谧兓艌龅囊陨咸匦?，國內(nèi)外不少學(xué)者研究了地磁日變化異常與地震的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)變化磁場地震異常可引起地磁垂直分量(Z分量)日變化的畸變，包括日變化形態(tài)、相位和幅度的畸變，利用地磁Z分量日變化異常預(yù)測地震，已成為我國日常短臨預(yù)測預(yù)報(bào)地震的有效方法之一(丁鑒海等，2006)。

目前，國內(nèi)用于提取地磁Z分量地震前兆異常的方法主要有：地磁低點(diǎn)位移法(丁鑒海等，1988)、地磁每日一值空間相關(guān)法(馮志生等，2000b)、地磁Z分量日變化空間相關(guān)法(馮志生，2005)、地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比法(曾小蘋等，1996；馮志生等，2000a；)、地磁Z分量日變幅逐日比法(馮志生等，2001；袁桂平等，2018)。近些年的研究表明，運(yùn)用以上幾種方法，在中國大陸一些顯著中強(qiáng)地震前均有一定程度的異常出現(xiàn)，例如：2017年精河6.6級(jí)地震前出現(xiàn)了加卸載響應(yīng)比異常和逐日比異常(艾薩·伊斯馬伊力等，2017)、2013年岷縣-漳縣6.6級(jí)地震前出現(xiàn)了每日一值空間相關(guān)異常(李鴻宇等，2017)和加卸載響應(yīng)比異常(戴苗等，2017)、2014年魯?shù)?.5級(jí)地震前出現(xiàn)了日變化空間相關(guān)異常(戴勇等，2017)、2001年昆侖山8.1級(jí)地震前出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常(丁鑒海等，2003)。

這些方法均是通過計(jì)算地磁場日變化相關(guān)參數(shù)——形態(tài)、相位和幅度變化提取地磁場日變化畸變異常的，在國內(nèi)的應(yīng)用范圍較廣，但這些方法的預(yù)測范圍較大。根據(jù)近年來的研究結(jié)果，一些強(qiáng)震前是存在多種地磁方法異常的，但主要以單方法的研究和應(yīng)用分析為主，對(duì)于多方法綜合分析的研究偏少。前郭5.8級(jí)地震前的地磁異常綜合分析研究成果顯示(李鴻宇等，2018)，多方法綜合分析可以顯著縮小地震預(yù)測范圍，這是多方法綜合分析的優(yōu)勢所在。本文將利用地磁低點(diǎn)位移法、地磁加卸載響應(yīng)比和地磁逐日比法，對(duì)2008年南北帶地磁資料進(jìn)行分析，研究汶川8.0級(jí)地震前出現(xiàn)的地磁異常特征，對(duì)這些異常的時(shí)空特征進(jìn)行綜合分析。

1 資料選取和初步計(jì)算結(jié)果

2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震(31.01°N，103.42°E，深度14km)位于南北地震帶上，因此研究中我們?nèi)∧媳睅?22°～42°N，94°～115°E)范圍內(nèi)的地磁臺(tái)站產(chǎn)出的地磁垂直分量分鐘采樣資料作為研究對(duì)象，汶川地震前在該范圍內(nèi)運(yùn)行的地磁臺(tái)站共有42個(gè)(圖1，表1)，這些觀測資料分別來自FHD質(zhì)子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性，對(duì)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，由于FHD質(zhì)子矢量磁力儀噪聲高，計(jì)算極小時(shí)間和日變化幅度前，采用傅氏擬合技術(shù)對(duì)其分鐘采樣數(shù)據(jù)濾波，濾除半小時(shí)以下的變化，刪除突跳臺(tái)階等明確為干擾的變化。

圖 1 汶川地震震中和研究采用的地磁臺(tái)站

表1南北帶地磁臺(tái)站參數(shù)

臺(tái)站儀器型號(hào)北緯/(°)東經(jīng)/(°)震中距/km臺(tái)站儀器型號(hào)北緯/(°)東經(jīng)/(°)震中距/km肇慶臺(tái)GM423.0112.51260嘉峪關(guān)臺(tái)FHDZ-M1539.898.21090河源臺(tái)FHD-2B23.7114.71375山丹臺(tái)FHD-2B38.8101.0896邕寧臺(tái)FHDZ-M1522.8108.51039大武臺(tái)FHD-2B34.5100.3490河池臺(tái)GM424.7108.0832格爾木臺(tái)FHDZ-M1536.494.9996邵陽臺(tái)GM427.2111.5886湟源臺(tái)FHD-2B36.7101.2665成都臺(tái)GM430.9103.835西寧臺(tái)FHD-2B36.6101.7641道孚臺(tái)FHD-2B30.0101.0253都蘭臺(tái)FHD-2B36.398.1770西昌臺(tái)GM427.9102.3362銀川臺(tái)GM438.5106.3880石門坎臺(tái)GM426.9102.8460中衛(wèi)臺(tái)FHD-2B37.6105.3760木里臺(tái)GM427.9101.3394固原臺(tái)FHD-2B36.0106.2618衛(wèi)城臺(tái)GM427.5101.7424定襄臺(tái)FHD-2B38.0113.01176南山臺(tái)GM426.54101.7518大同臺(tái)FHD-2B40.1113.31354通海臺(tái)GM424.1102.8764臨汾臺(tái)FHD-2B36.1111.4932寧南臺(tái)GM427.2102.6422信陽臺(tái)FHD-2B32.1114.01014美姑臺(tái)GM428.3103.1293浚縣臺(tái)FHD-2B35.7114.51157昭覺臺(tái)GM428.0102.8331恩施臺(tái)FHDZ-M1530.3109.5588烏加河臺(tái)GM440.9107.61165丹江臺(tái)FHD-2B32.5111.5785乾陵臺(tái)GM434.8108.2618鐘祥臺(tái)FHD-2B31.2112.7888漢中臺(tái)FHD-2B34.0107.1485谷城臺(tái)FHD-2B32.3111.6792蘭州臺(tái)FHDZ-M1536.1103.8573重慶臺(tái)GM429.4106.6349天水臺(tái)GM434.5105.9457貴陽臺(tái)GM426.6106.8581

2 方法介紹

2.1 地磁低點(diǎn)位移法

地磁低點(diǎn)位移法采用的分析資料是地磁Z分量日變化極小值時(shí)間，簡稱低點(diǎn)時(shí)間?！暗忘c(diǎn)位移”是指一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間明顯地與另一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間不同，而每個(gè)大區(qū)域內(nèi)部低點(diǎn)時(shí)間又相對(duì)一致，2個(gè)區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時(shí)間相差2hr以上(丁鑒海等，1988)。

預(yù)測規(guī)則[注]姚麗，2017，中國地震局2017年度震情跟蹤定向工作任務(wù)成果。：①發(fā)震時(shí)間：異常出現(xiàn)后60天內(nèi)；②發(fā)震地點(diǎn)：異常預(yù)測線附近200km范圍；③發(fā)震強(qiáng)度：5.0級(jí)以上地震。

2.2 地磁加卸載響應(yīng)比法

加卸載響應(yīng)比的定義為

(1)

式中，RZ(max)為地磁垂直分量日變幅極大值，該方法原始定義中稱為加載響應(yīng)，日期為加載日；RZ(min)為地磁垂直分量日變幅極大值之后第1個(gè)極小值，該方法原始定義中稱為卸載響應(yīng)，日期為卸載日，卸載日視為加卸載響應(yīng)比異常日期。該方法的異常判據(jù)為：當(dāng)多個(gè)臺(tái)站的P出現(xiàn)同步超閾值(3.1)且加載日未發(fā)生磁暴時(shí)認(rèn)為是異常現(xiàn)象(戴苗等，2017)。

預(yù)測規(guī)則[注]戴苗，2016，中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)成果。：①發(fā)震時(shí)間：異常出現(xiàn)后6個(gè)月內(nèi)。若2個(gè)異常間隔在2個(gè)月內(nèi)，且異常區(qū)域有交匯或相隔不遠(yuǎn)，則視為一組異常，預(yù)測時(shí)效以后一次異常出現(xiàn)的時(shí)間為準(zhǔn)。②發(fā)震地點(diǎn)：地震發(fā)生在異常閾值等值線(異常預(yù)測線)附近。③發(fā)震強(qiáng)度：5.0級(jí)以上。

2.3 地磁Z分量日變幅逐日比法

逐日比的定義如下

Y=A(t1)/A(t2)

(2)

式中，A(t)為Z分量日變幅；t為時(shí)間，t2=t1+1。逐日比異常日期為t2(后一天)的日期。異常判據(jù)為當(dāng)多個(gè)臺(tái)站的Y出現(xiàn)同步超閾值(3.0)且前一天Dst指數(shù)大于-70nT時(shí)認(rèn)為是異?，F(xiàn)象(倪曉寅等，2017)。

預(yù)測規(guī)則[注]倪曉寅，2016，中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)成果。：①發(fā)震時(shí)間：異常出現(xiàn)后6個(gè)月內(nèi)。若2個(gè)異常間隔在6個(gè)月內(nèi)，且異常區(qū)域有交匯或相隔不遠(yuǎn)，則視為一組異常，預(yù)測時(shí)效以最后一次異常出現(xiàn)的時(shí)間為準(zhǔn)。②發(fā)震地點(diǎn)：地震發(fā)生在閾值等值線附近；③發(fā)震強(qiáng)度：5.0級(jí)以上。

3 震前異常分析

3.1 地磁低點(diǎn)位移方法異常

圖 2 2008年4月24日、5月9日地磁低點(diǎn)位移異常(據(jù)王武星等(2009))

(2)2008年5月9日，中國大陸地磁場也出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常，異常線同樣由北向南穿過整個(gè)南北地震帶，異常出現(xiàn)后3天在異常線的東側(cè)50km左右地區(qū)發(fā)生了汶川8.0級(jí)地震。

3.2 地磁加卸載響應(yīng)比方法異常

圖 3 2008年2月5日、12日地磁Z分量日變幅度加卸載響應(yīng)比異常曲線

圖 4 2008年2月5日地磁Z分量日變幅度加卸載響應(yīng)比異?？臻g分布

圖 5 2008年2月12日地磁Z分量日變幅度加卸載響應(yīng)比異常空間分布

圖 6 2008年2月5日、12日地磁Z分量日變幅逐日比異?？臻g分布

圖 7 2008年2月5日地磁Z分量日變幅逐日比異常空間分布

以3.1為閾值，3個(gè)以上臺(tái)站加卸載響應(yīng)比值≥3.1時(shí)視為異常，在汶川地震前共出現(xiàn)2次異常，異常日期分別為2008年2月5日、12日，圖4 中紅框?yàn)?次異常。2月5日異常共有12個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，分別為烏加河臺(tái)、定襄臺(tái)、大同臺(tái)、臨汾臺(tái)、銀川臺(tái)、中衛(wèi)臺(tái)、固原臺(tái)、蘭州臺(tái)、天水臺(tái)、重慶臺(tái)、涉縣臺(tái)、?？h臺(tái)；2月12日異常共有18個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，分別為格爾木臺(tái)、嘉峪關(guān)臺(tái)、山丹臺(tái)、蘭州臺(tái)、天水臺(tái)、銀川臺(tái)、中衛(wèi)臺(tái)、固原臺(tái)、成都臺(tái)、道孚臺(tái)、木里臺(tái)、衛(wèi)城臺(tái)、西昌臺(tái)、寧南臺(tái)、昭覺臺(tái)、通海臺(tái)、邕寧臺(tái)、河池臺(tái)。汶川地震發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近(圖4、5)。此外，在汶川地震之前發(fā)生的2008年3月30日甘肅肅南5.0級(jí)地震也發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近。

3.3 地磁逐日比方法異常

以3.0為閾值，3個(gè)以上臺(tái)站逐日比值≥3.0時(shí)視為異常，在汶川地震前共出現(xiàn)2次異常，異常日期與加卸載響應(yīng)比相同，為2008年2月5日、12日，圖7 中紅框?yàn)?次異常。2月5日共有9個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，分別為西寧臺(tái)、銀川臺(tái)、中衛(wèi)臺(tái)、固原臺(tái)、蘭州臺(tái)、天水臺(tái)、漢中臺(tái)、重慶臺(tái)、昭覺臺(tái)；2月12日共有6個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，分別為格爾木臺(tái)、西寧臺(tái)、蘭州臺(tái)、銀川臺(tái)、道孚臺(tái)、南山臺(tái)。汶川地震發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近(圖7、8)。2008年2月5日的異常閾值等值線北側(cè)附近還發(fā)生了2008年3月30日甘肅肅南5.0級(jí)地震。

圖 8 2008年2月12日地磁Z分量日變幅逐日比異?？臻g分布

圖 9 2008年1～5月異常預(yù)測進(jìn)程

4 綜合預(yù)測分析

圖9給出了地震前所有異常的預(yù)測時(shí)間進(jìn)程圖，每條線代表1 次異常，線條長度代表異常開始時(shí)間加上異常預(yù)測有效期限，從圖9 可以看出，汶川地震發(fā)生在6個(gè)異常的預(yù)測有效期內(nèi)。時(shí)間軸上，2008年2月首先出現(xiàn)了2次逐日比異常和加卸載響應(yīng)比異常，接著在4月份出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常，之后是汶川地震前3天又出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常。隨著地震發(fā)生的臨近，處于有效預(yù)測期限內(nèi)的異常數(shù)量是逐漸增多的。出現(xiàn)異常的3種方法均屬于中短期預(yù)測方法，可以認(rèn)為，中短期異常的逐漸增加，發(fā)生地震的概率也在逐步增大，出現(xiàn)的短期異常越多，距離地震發(fā)生的時(shí)間越短。

圖10給出了所有異常預(yù)測線的空間分布疊加，從圖10 可以看到，3種方法的異常集中交匯地區(qū)位于四川中東部地區(qū)，而汶川地震發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)部。相對(duì)于單方法，預(yù)測范圍明顯縮小，且異常集中地區(qū)發(fā)震的可信度更高。

圖 10 汶川地震前異常預(yù)測線空間分布

5 結(jié)論和討論

加卸載響應(yīng)比和逐日比結(jié)果均是基于Z分量日變幅計(jì)算得到的，2種方法的本質(zhì)屬于識(shí)別并提取Z分量日變幅畸變異常。2種方法出現(xiàn)異常的直接原因是Z分量日變幅異常增大或減小。本文計(jì)算得到的加卸載響應(yīng)比和逐日比的異常日期相同，說明2種比值法的分母相同，兩者空間分布上的差異是由于計(jì)算公式的分子不同引起的，2種異?？臻g分布上的共有和交匯部位可能才是真正的異常區(qū)域。

從發(fā)震地點(diǎn)預(yù)測方面來看，僅就單個(gè)方法異常而言，單個(gè)異常的預(yù)測范圍較大，精確度不高。但我們將汶川地震的地磁異常預(yù)測線綜合繪圖后可以發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生在多個(gè)方法異常預(yù)測線的集中交匯地區(qū)。因此，以多方法空間交匯地區(qū)作為預(yù)測發(fā)震地點(diǎn)，相比單方法的預(yù)測范圍要小的多，且更加精確可信。如果單個(gè)方法出現(xiàn)多次異常時(shí)，其預(yù)測線集中交匯的地區(qū)發(fā)生地震的可能性也較大。

馮志生等(2009)認(rèn)為在低點(diǎn)位移線下方存在引起地磁場日變化畸變的感應(yīng)電流經(jīng)過，其對(duì)電流兩側(cè)的感應(yīng)磁場是反相位的，使得疊加了感應(yīng)電流磁場的Z分量日變化形態(tài)發(fā)生了不同的變化，形成了低點(diǎn)位移異常。加卸載響應(yīng)比和逐日比的研究成果也顯示，2種方法形成機(jī)制與低點(diǎn)位移類似(戴苗等，2017；倪曉寅等，2017)。一般情況下，感應(yīng)電流的存在是常態(tài)的，當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造塊體發(fā)生短期微動(dòng)態(tài)活動(dòng)，包括發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)時(shí)，一些斷層及其交匯區(qū)的電導(dǎo)性質(zhì)將會(huì)發(fā)生變化，在電性方面一些平時(shí)并不貫通的斷層發(fā)生貫通，從而有可能形成短期高導(dǎo)(低阻)通道，造成感應(yīng)電流短期內(nèi)在高導(dǎo)(低阻)通道內(nèi)的集中，當(dāng)這種集中電流的分布形成閉合圈或有EW方向分量時(shí)，電流產(chǎn)生的力矩對(duì)地震的發(fā)生可能有觸發(fā)作用(馮志生等，2009)。

汶川地震前，2008年1～5月的地磁Z分量日變化畸變異常覆蓋了南北帶的大部分地區(qū)，南北帶大范圍出現(xiàn)的地磁日變化畸變異常表明，汶川地震前南北帶區(qū)域可能的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起了大范圍地下介質(zhì)電磁性質(zhì)的改變。