戴 苗 李軍輝 劉 堅(jiān) 李 明 蔣玲霞

1)湖北省地震局，武漢 430071

2)安徽省地震局，合肥 230031

皖西南地區(qū)中強(qiáng)地震前后地磁資料變化特征*1

戴 苗1)李軍輝2)劉 堅(jiān)1)李 明1)蔣玲霞1)

1)湖北省地震局，武漢 430071

2)安徽省地震局，合肥 230031

計(jì)算并分析了2011年1月19日安慶M4.8地震和2011年9月10日瑞昌-陽(yáng)新M4.6地震前后震中周邊主要地磁臺(tái)站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的變化特征，總結(jié)了安慶地震前華東片主要地磁臺(tái)站地磁資料垂直分量的變化特征。結(jié)果表明:在兩次中強(qiáng)地震前，武漢、涇縣、金寨三個(gè)地磁臺(tái)的轉(zhuǎn)換函數(shù)的部分參數(shù)出現(xiàn)了不同程度的異常變化;安慶地震前，中國(guó)大陸東部地磁低點(diǎn)時(shí)間出現(xiàn)位移，地磁日變形態(tài)亦發(fā)生了明顯的畸變。

轉(zhuǎn)換函數(shù);低點(diǎn)位移;中強(qiáng)地震;地磁;皖西南地區(qū)

1 引言

目前，從地磁場(chǎng)的變化中提取震磁異常常見(jiàn)的方法，通常是在掌握地磁場(chǎng)正常變化規(guī)律的前提下，根據(jù)地磁場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律，利用多臺(tái)站、多測(cè)點(diǎn)的比較分析，排除地磁場(chǎng)本身的正常背景及外空?qǐng)龅母蓴_等非震因素的影響，尋找偏離正常變化的成分，并通過(guò)物理和數(shù)學(xué)的分析，篩選出有用的震磁信號(hào)，如在地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化規(guī)律中常用的提取異常的簡(jiǎn)單差值法［1］、復(fù)雜差值法［2］、時(shí)空參考場(chǎng)法［3］、空間相關(guān)法和加權(quán)差分法［4］;在變化的磁場(chǎng)中提取地磁前兆信息的幅相法［5］、地磁垂直分量日變形態(tài)［6］、地磁加卸載響應(yīng)比法［7］、低點(diǎn)位移法［8，9］、譜分析方法;利用地磁場(chǎng)的短周期變化的地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法［10］和地磁諧波振幅比法［11］等。

2011年1月19日，安徽安慶發(fā)生了 M4.8地震，同年，9月10日，江西瑞昌與湖北陽(yáng)新交界發(fā)生M4.6地震，兩個(gè)地震時(shí)間間隔不到8個(gè)月，震級(jí)相近，震中距相差190 km。本文利用此兩次地震震中周邊主要地磁臺(tái)站絕對(duì)地磁觀測(cè)資料，采用地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)、地磁低點(diǎn)位移、垂直分量日變形態(tài)三種方法探討地震前后地震震中周邊地磁臺(tái)地磁場(chǎng)變化特征，探索地磁場(chǎng)變化與中強(qiáng)地震的孕育和發(fā)生的相關(guān)性。

2 地磁資料異常與地震之間的關(guān)系

2.1 地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)與地震的關(guān)系

地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法可了解和監(jiān)視震源及鄰區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)，如果在地震發(fā)生前捕捉到這種變化，就可進(jìn)行地震預(yù)報(bào)［4］。早在上個(gè)世紀(jì)90年代，汪江田等［12］就有過(guò)利用轉(zhuǎn)換函數(shù)法對(duì)我國(guó)上海及鄰近地區(qū)中強(qiáng)地震進(jìn)行預(yù)報(bào)的嘗試，并確認(rèn)該方法對(duì)中強(qiáng)地震中期預(yù)報(bào)的有效性。2008年，李琪等［10］分析了2006年7月4日河北文安地震前后，距離震中分別為52 km和298 km的靜海地磁臺(tái)和泰安地磁臺(tái)不同周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)靜海地磁臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)異常點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間的向后推移從短周期向長(zhǎng)周期遷移。近年來(lái)，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)在我國(guó)不同區(qū)域、不同省份區(qū)域地磁臺(tái)網(wǎng)均有不同程度的應(yīng)用研究，積累了部分地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)預(yù)報(bào)地震的寶貴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例［13，14］。

2.2 地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象與地震關(guān)系

地磁低點(diǎn)位移是指地磁垂直分量日變極小值出現(xiàn)時(shí)間因受到外來(lái)因素的影響偏離正常時(shí)間的現(xiàn)象，研究結(jié)果表明，全國(guó)較大范圍的地磁低點(diǎn)位移異常與我國(guó)中強(qiáng)地震活動(dòng)有一定的關(guān)系［1］。目前研究人員利用地磁日變低點(diǎn)位移的兩條以上分界線交匯來(lái)研究其與地震之間的關(guān)系，以此縮小預(yù)測(cè)范圍［8］。由于應(yīng)力的積累，孕震介質(zhì)的結(jié)構(gòu)等性質(zhì)發(fā)生變化而產(chǎn)生的各種前兆也呈多樣性，地磁低點(diǎn)位移異常在我國(guó)不同地區(qū)有著不同的表現(xiàn)形式，反應(yīng)不同地區(qū)、不同強(qiáng)度的地震信息。

2.3 地磁日變幅異常與地震的關(guān)系

變化磁場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)弱既與外場(chǎng)有關(guān)，又與地下物質(zhì)電導(dǎo)率的分布、大小有關(guān)。強(qiáng)震前孕震體環(huán)境由于應(yīng)力增強(qiáng)引起介質(zhì)電導(dǎo)率等電磁性質(zhì)的改變，可觀測(cè)到與地震有關(guān)的局部或區(qū)域性磁異常。國(guó)內(nèi)多次震例顯示，中強(qiáng)地震發(fā)生前，區(qū)域地磁場(chǎng)垂直分量日變化會(huì)出現(xiàn)的相位和幅度變化。

3 安慶地震前后地磁資料特征分析

3.1 安慶地震前后地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)異常

地磁短周期變化的垂直分量ΔZ、水平分量ΔH和磁偏角ΔD存在如下關(guān)系:

式中的A和B為轉(zhuǎn)換函數(shù)。轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B的時(shí)空變化特征為地下電性構(gòu)造的函數(shù)，因而可用于研究局部和部分地區(qū)地殼和上地幔電性結(jié)構(gòu)及其變化，轉(zhuǎn)換函數(shù)A和 B是地點(diǎn)(λ，φ)、深度(h)、頻率(ω)和時(shí)間(t)的函數(shù)。由于每一個(gè)地磁短周期變化都可以對(duì)應(yīng)一個(gè)方程(如式(1))，于是可以利用多個(gè)相同類(lèi)型的地磁短周期變化建立一個(gè)矩陣方程，用最小二乘法得出轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B、方位角αp以及總方差σz等。

本方法計(jì)算選用湖北、安徽、湖南等震中相鄰省份7套FHD質(zhì)子矢量磁力儀數(shù)字化分鐘值數(shù)據(jù)，資料選用時(shí)間段為2009年1月—2012年5月。數(shù)據(jù)計(jì)算前先采用粗差處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，去除分鐘值中數(shù)據(jù)突跳等不可用數(shù)據(jù)，然后，計(jì)算預(yù)處理后地磁各要素分鐘值虛實(shí)富氏譜，在此基礎(chǔ)之上，計(jì)算并選取不同周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)，最后，采用滑動(dòng)平均方法依次去除轉(zhuǎn)換函數(shù)中的月以及年變趨勢(shì)。安慶地震前后，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)出現(xiàn)異常的臺(tái)站主要有湖北九峰地磁臺(tái)、安徽涇縣地磁臺(tái)和安徽金寨地磁臺(tái)，研究區(qū)域內(nèi)異常地磁臺(tái)站及顯著地震事件震中分布如圖1所示，三個(gè)地磁臺(tái)站涇縣臺(tái)、金寨臺(tái)、九峰臺(tái)三個(gè)臺(tái)站距離安徽安慶地震震中依次為120、160、150 km，距離湖北陽(yáng)新地震震中依次為310、230、120 km。經(jīng)臺(tái)站所屬臺(tái)網(wǎng)人員核實(shí)，異常出現(xiàn)時(shí)間段觀測(cè)儀器的運(yùn)行率較高，數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定可靠。

圖1 區(qū)域內(nèi)異常地磁臺(tái)站及顯著地震事件震中分布Fig.1 Explanation of the map of epicenter distribution and geomagnetic observatory in the studied area

在安徽安慶4.8級(jí)地震前，2010年3月初開(kāi)始，安徽涇縣臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)A不同周期曲線同步出現(xiàn)異常低值，異常時(shí)間持續(xù)6月余，10月開(kāi)始，不同周期異常曲線逐步恢復(fù)，12月底恢復(fù)到正常水平(圖2)。在此期間，湖北九峰臺(tái)，除了周期為10分鐘的時(shí)間序列曲線外，轉(zhuǎn)換函數(shù)A各周期的時(shí)間曲線均出現(xiàn)了高值異常，其中周期為50分鐘的時(shí)間序列曲線出現(xiàn)的異常持續(xù)時(shí)間段最長(zhǎng)。安徽金寨臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)A在震前5～6個(gè)月不同周期也同步“成片”出現(xiàn)高值異常。隨后，2011年1月19日發(fā)生安慶M4.8地震。2011年3月中旬開(kāi)始，安徽涇縣臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)不同周期曲線同步再次出現(xiàn)異常高值，高值超過(guò)兩倍均方差，高值持續(xù)兩月余，異?；謴?fù)正常水平后三個(gè)月，2011年9月10日發(fā)生江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界M4.6地震。江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界地震發(fā)生前一個(gè)月內(nèi)，安徽金寨臺(tái)部分短周期段轉(zhuǎn)換函數(shù)A出現(xiàn)高值異常。安徽安慶地震、江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界地震前，安徽涇縣臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)A雖均出現(xiàn)異常但曲線異常形態(tài)的表現(xiàn)形式卻不一致(前者為低值異常，后者為高值異常)，可能與這兩次地震發(fā)震構(gòu)造差異性［13］有一定關(guān)聯(lián)。

3.2 安慶地震前地磁低點(diǎn)時(shí)間異常

“低點(diǎn)位移”是指一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的日變低點(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，兩個(gè)區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時(shí)間相差2小時(shí)以上，這種少見(jiàn)的磁場(chǎng)突變分界線與強(qiáng)震發(fā)生有較好的相關(guān)性。根據(jù)震例統(tǒng)計(jì)，地震的發(fā)震日期一般為異常日后第27天(或41天)前后4天，即:

低點(diǎn)位移日期+27(或41)天=發(fā)震日期

圖2 九峰(JF)、涇縣(JX)、金寨(JZ)地磁臺(tái)不同周期(T)轉(zhuǎn)換函數(shù)A時(shí)間序列曲線Fig.2 Variation curves of different period transfer function A in Jiufeng，Jingxian and Jinzhai Station

通過(guò)對(duì)安慶Ms 4.8級(jí)地震前中國(guó)大陸東部地區(qū)42個(gè)臺(tái)站的地磁Z分量的幅度和相位分析，結(jié)果顯示安慶地震前，華東地區(qū)出現(xiàn)地磁Z分量日變化幅度的極小值時(shí)間在空間上出現(xiàn)地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象，地磁低點(diǎn)時(shí)間的分界線沿九峰、金寨、新沂、安丘、大山等臺(tái)站延伸，整體走向與郯廬斷裂帶走向基本一致，呈現(xiàn)NNE走向，分界線兩側(cè)低點(diǎn)時(shí)間相差超過(guò)2小時(shí)，安慶地震發(fā)震日期為異常發(fā)生后的29(27±4)天，震中位于低點(diǎn)位移分界線附近，如圖3所示。

圖3 2010年12月21日地磁低點(diǎn)位移分布Fig.3 Low point displacement image on Dec.21，2010

3.3 安慶地震前地磁日變曲線異常

安慶M4.8地震前29天(2010年12月21日)，沿郯廬斷裂帶分布及附近的信陽(yáng)、金寨、蒙城、郯城、陵陽(yáng)、泰安等六個(gè)臺(tái)站地磁垂直分量除了日變幅度和相位變化顯著外，地磁日變形態(tài)還發(fā)生了明顯的畸變異常，出現(xiàn)了明顯的地磁日變“雙低點(diǎn)”現(xiàn)象(圖4)。

4 結(jié)論

分析2011年1月19日安慶M4.8地震和2011年9月10日瑞昌-陽(yáng)新M4.6地震前后地震周邊主要地磁臺(tái)站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)時(shí)間序列曲線，以及安慶地震前華東片主要地磁臺(tái)站地磁資料垂直分量變化特征，可得結(jié)論如下:

1)兩次顯著地震事件前后部分地磁臺(tái)站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)存在正負(fù)異常現(xiàn)象，但有的臺(tái)站反應(yīng)較為明顯，出現(xiàn)“成片”現(xiàn)象，即幾個(gè)相鄰的周期同時(shí)出現(xiàn)異常，這與過(guò)去的震例基本一致。有的臺(tái)站幾乎沒(méi)有反應(yīng)或者反應(yīng)不夠顯著。這主要跟臺(tái)站所處的地理位置以及地震發(fā)震構(gòu)造差異性有關(guān)。

2)依據(jù)各臺(tái)站地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)值變化曲線，轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)異常為漸變的趨勢(shì)性異常，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而且異常消失后往往需要持續(xù)一段時(shí)間后發(fā)震，間隔的時(shí)間不一，該異常具有中期異常特征，對(duì)臨震異常特征識(shí)別不好區(qū)分和把握。

3)安慶M4.8震前29天，中國(guó)大陸東部地磁低點(diǎn)時(shí)間出現(xiàn)了明顯的位移，地磁日變形態(tài)還發(fā)生了明顯的畸變異常，即出現(xiàn)了明顯的地磁日變“雙低點(diǎn)”現(xiàn)象。

湖北及周邊地區(qū)顯著地震少，地磁震例不多，僅從本文兩個(gè)震例還不足以得出確定性的結(jié)論，還需在以后的研究中繼續(xù)總結(jié)和探索。

圖4 2010年12月21日中國(guó)大陸東部地區(qū)地磁臺(tái)站垂直分量日變曲線Fig.4 Daily curves of Z component in East China on Dec.21，2010

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CHARACTERISTIC ANALYSIS OF GEOMAGNETIC DATA BEFORE AND AFTER MODERATELY STRONG EARTHQUAKES IN SOUTHWEST AREA OF ANHUI PROVINCE

Dai Miao1)，Li Junhui2)，Liu Jian1)，Li Ming1)and Jiang Lingxia1)
1)Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071
2)Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei230031

The variation characteristic of transfer function parameter of geomagnetic data is analyzed which recorded by observatories in the time before and after M4.8 Anqing earthquake in January 19，2011 and M4.6 Ruichang-Yangxin earthquake in September 10，2011.The variation of geomagnetic field in the Z component before Anqing M4.8 earthquake in east China is also summarized.The results show that some transfer function parameters of Wuhan observatory，Jingxian observatory and Jinzhai observatory appeared different degrees of abnormalities before and after the two moderately strong earthquakes.The low-point time of the geomagnetic vertical component in east China appears anomalous features before the Anqing earthquake.Daily variation of geomagnetic field arises obvious distortion.

transfer functions;low-point time of the geomagnetic vertical component;moderately strong earthquake;geomagnetism;southwest area of Anhui province

P318.5

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅰ)-0143-05

2012-09-03

武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013060501010166)

戴苗，男，1982年生，工程師，理學(xué)碩士，主要從事地球地磁學(xué)理論、方法和應(yīng)用研究.E－mail:theocean123@163.com