李軍輝,姜楚峰,馮志生,何 康,鄭海剛

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,安徽 合肥 230031;3.湖北省地震局,湖北 武漢 430071;4.江蘇省地震局,江蘇 南京 210014)

0 引言

地殼上地幔橫向電性結(jié)構(gòu)不均勻性的重要地磁變化異常特征之一是高導(dǎo)帶二側(cè)地磁垂直分量有反相位短周期變化,水平分量沒有反相位短周期變化,高導(dǎo)帶埋深越淺,垂直分量反相位越明顯。研究人員研究發(fā)現(xiàn),地震之前相鄰臺站地磁垂直分量日變化曲線中會出現(xiàn)短時間的短周期反相位變化,提出了地磁低點(diǎn)位移法[1]和地磁垂直分量日變化空間相關(guān)法[2-3]等方法研究反相位變化異常與地震關(guān)系,并將其應(yīng)用于地震預(yù)報實(shí)踐工作中。

林美等[1]對1976—1979年云南省地磁臺站的垂直分量每日整點(diǎn)值進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果顯示,1976年5月29日龍陵7.4級、1976年11月7日寧蒗6.7等地震前,連續(xù)數(shù)天以上相關(guān)系數(shù)低于2倍均方差的變化為異常,異常出現(xiàn)在震前1—2個月內(nèi),異常結(jié)束或趨于結(jié)束時發(fā)震。馮志生等[3]研究了江蘇地區(qū)臺站地磁Z分量整點(diǎn)值的空間相關(guān)性,給出了在江蘇地區(qū)的異常指標(biāo);另外發(fā)現(xiàn)在中國大陸地區(qū)每年的11月初至次年2月底,地磁垂直分量日變化相關(guān)性低,無法提取該時段前兆異常。馮志生等[4]為了分析地震之前的日變空間相關(guān)異常,采用延時技術(shù)消除了經(jīng)度效應(yīng)造成的日變化相位差異對相關(guān)系數(shù)的影響,總結(jié)了1995年9月20日山東蒼山5.3、1996年11月9日南黃海6.1等典型震例。張秀霞等[5-6]采用地磁數(shù)字化觀測資料相繼在江蘇、青海、四川等地區(qū)開展了日變化空間相關(guān)研究,在資料運(yùn)用、震例總結(jié)、指標(biāo)建立等方面都取得了一定的成果。

戴勇等[7-8]分析了2014年云南盈江6.1和魯?shù)?.5級地震前川滇地區(qū)地磁臺站垂直分量日變化空間相關(guān)異常,以及2013年岷縣—漳縣6.6級地震前,震中附近陜甘寧川青地區(qū)地磁臺站垂直分量日變化空間相關(guān)異常,發(fā)現(xiàn)震前3個月地震附近臺站相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)準(zhǔn)同步下降異常,地震發(fā)生在相關(guān)系數(shù)高梯度帶,該相關(guān)系數(shù)高梯度帶為異常區(qū)域正常區(qū)的分界地區(qū)。

馮志生等[9]采用相關(guān)分析方法分析了全國2009—2018年地磁垂直分量日變化資料,研究了臺站之間地磁垂直分量日變化的相關(guān)性與我國南北帶中強(qiáng)地震活動之間關(guān)系,發(fā)現(xiàn)南北帶附近6.0級以上地震主要發(fā)生在短期原地重現(xiàn)的線狀集中分布電流端部。本文采用改進(jìn)的空間相關(guān)分析方法進(jìn)一步分析了2013年7月22日,甘肅定西市岷縣、漳縣6.6級地震前地磁Z分量日變化異常的重疊現(xiàn)象,給出了空間位置更為準(zhǔn)確的反相位變化,并對地磁日變化反相位異常的成因進(jìn)行了解釋。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)

本文選取中國大陸地磁臺2012—2013年產(chǎn)出的地磁Z分量日變化數(shù)據(jù),主要由通門磁力儀、FHD質(zhì)子磁力儀等觀測產(chǎn)出數(shù)據(jù),為方便延時處理一般應(yīng)采用轉(zhuǎn)換后的北京時分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,對地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選,觀測數(shù)據(jù)不連續(xù)、缺數(shù)較多的臺站不參與計算,篩選151個地磁臺站的Z分量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行日變化空間相關(guān)計算。

1.2 分析方法及異常判定

(1) 空間相關(guān)分析方法:采用二個臺站地磁垂直分量日變化分鐘采樣序列X和Y的相關(guān)系數(shù)r,其計算方法主要的原理和算法見參考文獻(xiàn)[3]。相關(guān)系數(shù)r的取值范圍是0≤∣r∣≤1,∣r∣越接近0,說明兩組觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度越小,反之,∣r∣越接近1,表示兩組觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度越高。

(2) 相關(guān)系數(shù)計算:為避免單個參考臺數(shù)據(jù)影響計算結(jié)果,本文選擇新沂、紅山二個參考臺(圖1),計算其他臺站與參考臺的地磁垂直分量的日變化空間相關(guān)系數(shù),在計算相關(guān)系數(shù)時,采用“延時技術(shù)”消除經(jīng)度影響。

圖1 地磁臺站分布及岷縣—漳縣6.6級地震震中分布Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in China and the epicenter of Minxian-Zhangxian M6.6 earthquake

(3) 異常判定。根據(jù)2008—2018年全國地磁日變化空間相關(guān)資料的分析及震例總結(jié),異常判定主要分為:(1)每年3月1日至10月31日期間,全國有9個以上臺站與2個參考臺之間同一天相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于閾值變化,則該天地磁日變化空間相關(guān)異常成立。(2)將各臺站相關(guān)系數(shù)除以前一年相關(guān)系數(shù)的“均值-2倍均方差”,以消除臺站距離不同對相關(guān)系數(shù)的影響,此時相關(guān)系數(shù)“1”為相關(guān)系數(shù)異常閾值,即相關(guān)系數(shù)2倍方差下限;(3)計算各臺站的二個參考臺相關(guān)系數(shù)均值;(4)將各臺站相關(guān)系數(shù)減“1”,此時相關(guān)系數(shù)“0”值線為異常分界線。

2 地磁垂直分量日變化異常特征

(1) 本文計算了2012年3—10月時間段150個臺站分別與紅山和新沂相關(guān)系數(shù)的閾值,對比2013年3—10月各臺站與參考臺之間相關(guān)系數(shù)在地震前后的變化,結(jié)果顯示:滿足日變化空間相關(guān)異常的判定標(biāo)準(zhǔn)且與2013年7月22日岷縣—漳縣6.6級地震相關(guān)的異常有2次,分別為2013年7月3日、2013年7月4日分別有16個和17個臺站出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)下降的異常,兩次異常均主要集中在震中附近,異常區(qū)域與正常區(qū)域有明顯的分界線,2次異常的分界線走向震中附近重疊較好(圖2)。

圖2 異常臺站分布Fig.2 Distribution of stations recording anomalies

(2) 圖3為2013年3—10月震中附近臺站地磁Z分量日變化與紅山、新沂的地磁日變化空間相關(guān)系數(shù),結(jié)合表1的統(tǒng)計結(jié)果顯示:蘭州、英鴿、山丹、嘉峪關(guān)、湟源、格爾木、都蘭、中衛(wèi)、道孚、拉薩、察隅等16個臺站與紅山、新沂兩個臺站的相關(guān)系數(shù)在2013年7月3日都出現(xiàn)同步下降超閾值的變化,成都、周至、天水等臺站變化正常;2013年7月4日,蘭州、山丹、嘉峪關(guān)、湟源、格爾木、都蘭、西昌、木里、永勝等17個臺站的相關(guān)系數(shù)也出現(xiàn)了同步下降超閾值的變化,異常出現(xiàn)之后的18天左右,“0”值線區(qū)域附近發(fā)生岷縣—漳縣6.6級地震。

圖3 2013年3—10月地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation from March to October,2013

(3) 研究表明:地磁垂直分量日變化相關(guān)下降異常的本質(zhì)是地磁垂直分量日變出現(xiàn)反相位變化。為進(jìn)一步研究地磁Z分量日變化相關(guān)系數(shù)下降的原因,分別對比了7月3日,7月4日分界線兩側(cè)多個臺站的日變化曲線,結(jié)果顯示:兩次異常時段異常區(qū)域內(nèi)的蘭州、英鴿、山丹、嘉峪關(guān)等臺站的具有一致的日變化形態(tài),正常區(qū)域的天水、周至、成都等臺站具有一致的日變化形態(tài)[圖4(a)、(b) ]。選擇分界線兩側(cè)代表性臺站蘭州和天水的地磁Z分量日變化數(shù)據(jù)進(jìn)一步對比,發(fā)現(xiàn)7月3日09:00—15:00蘭州臺地磁Z分量日變化出現(xiàn)了與天水臺相位相反的變化[圖4(c)],7月4日08:00—17:00蘭州臺地磁Z分量日變化出現(xiàn)了與天水臺相位相反的變化[圖4(d)]。

圖4 地磁Z分量日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curves of geomagnetic vertical component

3 反相位變化的周期特征

為了進(jìn)一步明確地磁Z分量日變化出現(xiàn)反相位的周期,本文采用S變換時頻分析方法對蘭州、天水兩個臺站相同時段的地磁Z分量進(jìn)行分頻,對分頻后兩個臺站相同周期的地磁Z分量日變化時間序列進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計算,分析相同周期的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化,以便確定反相位的周期。

(1) S變換方法原理

S變換由Stockwell等[10]于1996年提出,可以由STFT和小波變換導(dǎo)出,S變換的一維連續(xù)正變換為:

(1)

式中:h(t)為原始信號;S(T,f)為相應(yīng)的S正變換的結(jié)果;f為頻率;t為觀測時間;T為時間軸上高斯窗的位置。

對于離散S變換,其正變換的公式為:

(2)

對于n=0的情況,則為如下常數(shù)

(3)

式中:j、m、n=0,1,…,N-1,j、m為時間樣點(diǎn)序號;k、n為頻率樣點(diǎn)序號;T為采樣間隔;N為離散點(diǎn)總數(shù)。

離散S反變換的公式為:

(4)

在S變換中,頻率的倒數(shù)決定了S變換中高斯窗的尺度大小,使其具有了類似小波變換的多分辨率特性。S變換保留了每個頻率的絕對相位特征,具有無損可逆性。此外,S變換時頻分析方法在多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[11-18]。

(2) 結(jié)果分析

利用S變換方法對分界線兩側(cè)蘭州、天水臺2013年4月1日至2013年8月31日的地磁Z分量日變化進(jìn)行分頻后,再計算兩個臺站相同周期相關(guān)系數(shù)。計算結(jié)果顯示:日變化周期在200分鐘以下的相關(guān)系數(shù)無明顯的規(guī)律性變化,300分鐘以上周期基本都是正相關(guān)變化(圖5)。2013年7月3日兩個臺站的地磁日變化在25、42、360分鐘周期上出現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化,2013年7月4日在48、288、320、360分鐘出現(xiàn)負(fù)相關(guān)(圖6)。研究表明地磁場主要由1～5階諧波組成,它們的周期分別是24、12、8、6、4.8 h,前5階可以較好的近似觀測數(shù)據(jù),擬合地磁日變化的主要形態(tài)和特征[19],因此認(rèn)為地磁日變化前5階的反相位變化是引起地磁日變化相關(guān)系數(shù)下降的主要原因,7月3日的相關(guān)系數(shù)下降主要由于兩個臺站地磁Z分量日變化的6小時左右周期出現(xiàn)反相位變化,7月4日的異常主要是由于日變化的4.8、6 h周期的出現(xiàn)反相位變化。

圖5 蘭州、天水2013年4—8月地磁Z分量日變化不同周期相關(guān)系數(shù)Fig.5 The correlation coefficient of different period of daily variation of geomagnetic Z component between Lanzhou and Tianshui station from April to August 2013

圖6 蘭州、天水兩次異常時段不同周期的相關(guān)系數(shù)Fig.6 The correlation coefficient of different period of two anomalies at Lanzhou and Tianshui stations

4 機(jī)理解釋

通過蘭州、天水兩個臺站地磁日變化對比,結(jié)果顯示:2013年7月3日、7月4日的異常時段分界線二側(cè)地磁Z分量日變化有明顯反相位變化[圖7(a)、(b)],兩個臺站的相同時段的水平分量H的日變化一致,沒有同步的反相位變化[圖7(c)、(d)]。

圖7 兩次異常時段的日變化對比Fig.7 Comparison between diurnal variations of vertical and horizontal components during two abnormal periods

根據(jù)相關(guān)的觀測結(jié)果及Biot-Savart定律,馮志生等[20]推測在分界線的下方有電流通過,該電流產(chǎn)生的磁場在分界線兩側(cè)方向相反。章鑫等[21]依據(jù)甘肅東南地區(qū)大地電磁測深的電性結(jié)構(gòu)定量計算了2013年岷縣漳縣6.6級地震前的畸變電流強(qiáng)度,在一定程度上解釋了大區(qū)域低點(diǎn)位移現(xiàn)象。研究資料表明在青藏高原東北緣的地殼中有高導(dǎo)層分布[22],與本文2次異常的分界線走向基本一致,圖8中電流可以視為由于地殼內(nèi)高導(dǎo)層產(chǎn)生的感應(yīng)電流,B(t)為臺站a與臺站b正常的垂直分量日變化曲線。I(t)為集中分布于臺站a和臺站b之間地殼內(nèi)的感應(yīng)電流;由于感應(yīng)電流埋深遠(yuǎn)小于臺站間距,因此,臺站a和臺站b只有I(t)的垂直分量磁場,其產(chǎn)生的垂直分量磁場為BI(t),二個臺站BI(t)為反相位。疊加結(jié)果為臺站a臺站b的B′I(t)出現(xiàn)同步反相位變化。

圖8 感應(yīng)電流集中分布導(dǎo)致地磁日變化Z分量出現(xiàn)反相位機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of the mechanism of the reverse phase anomaly of the Z component caused by the concentrated distribution of the induced current

5 討論與結(jié)論

本文利用地磁日變化空間相關(guān)方法計算了中國大陸2012—2013年151個地磁臺的Z分量日變化的相關(guān)系數(shù),分析了空間相關(guān)系數(shù)在2013年肅岷縣—漳縣6.6級地震前后的變化,主要結(jié)論如下:

(1) 2013年7月3日、7月4日在震中附近分別出現(xiàn)了16和17個臺站的地磁日變化相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于閾值的異常,正常區(qū)域與異常區(qū)域具有明顯的空間分界線。選取分界線兩側(cè)典型的天水和蘭州臺地磁Z分量日變化進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)2次異常時段,分界線兩側(cè)的Z分量日變化具有明顯反相位變化。

(2) 利用S變換方法對天水和蘭州臺的Z分量日變化進(jìn)行分頻率相關(guān)系數(shù)計算,發(fā)現(xiàn)7月3日、7月4日的地磁Z分量的日變化均在6小時左右的周期出現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化,7月4日在4.8 h周期也存在負(fù)相關(guān)。其他頻段未出現(xiàn)類似變化,因此認(rèn)為,甘肅岷縣—漳縣6.6級地震前地磁Z分量日變化異常產(chǎn)生的反相位異常主要集中在6 h和4.8 h左右。

(3) 馮志生等[20]研究發(fā)現(xiàn),地磁低點(diǎn)位移異常的關(guān)鍵特征是地磁低點(diǎn)位移線兩側(cè)存在反相位變化,基于電磁理論推測反相位變化期間有感應(yīng)電流集中分布于分界線下方。本文研究發(fā)現(xiàn),地磁日變化相關(guān)異常和地磁低點(diǎn)位移異常機(jī)理是一致的,是感應(yīng)電流集中分布導(dǎo)致地磁垂直分量日變化出現(xiàn)反相位的畸變所致。

致謝:感謝朱培育提供的地磁數(shù)據(jù)下載程序。