張凌,杜愛民,郎雪, 3，張鐵龍,楊冬梅,趙旭東

1 中國地震應(yīng)急搜救中心,北京　100049　2　中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,北京　100029　3 中國科學院大學，北京　100049　4 Space Research Institute,Austrian Academy of Sciences,Graz,Austria　5 中國地震局地球物理研究所,北京　100081

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汶川地震前的地磁場日變化特征分析

張凌1,杜愛民2,郎雪2, 3，張鐵龍4,楊冬梅5,趙旭東5

1 中國地震應(yīng)急搜救中心,北京1000492中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,北京1000293 中國科學院大學，北京1000494 Space Research Institute,Austrian Academy of Sciences,Graz,Austria5 中國地震局地球物理研究所,北京100081

摘要近來很多學者報道強地震前地磁日變化異?，F(xiàn)象.本文利用地面地磁觀測臺站分析了2008年5月12日汶川ML=8地震前約37天的地磁場的日變化特征,探討了地震前地下電磁感應(yīng)磁場的相對變化.分析結(jié)果表明: 1) 在地震之前,成都臺(CDP)觀測到地磁日變化的形態(tài)與其他臺站相似,未見與地震相關(guān)變化; 2) CDP的Z/H高于周邊臺站,在4月20日Z/H出現(xiàn)一個最大峰值(>2.5); 3) 以4月20日為分界點,成都CDP臺站的Z/H與恩施ENS臺的Z/H的比值RCDP/ENS先增加后降低,周期越短變化趨勢越明顯.這些結(jié)果間接反映了震前CDP臺地球內(nèi)部電導(dǎo)率的變化信息.

關(guān)鍵詞汶川地震; 地磁日變化; 地球內(nèi)部電導(dǎo)率

1引言

國內(nèi)外許多學者研究了地震地磁前兆現(xiàn)象及其產(chǎn)生機理.探索地震前兆是研究地震預(yù)報以期減少災(zāi)害損失的主要途徑之一.近來很多學者報道強地震前地磁日變化異?，F(xiàn)象(Duma and Ruzhin,2003; Liu et al.,2006a; 韓鵬等,2009; Rabeh et al.,2010).震前在地面觀測到的ULF/VHF電磁輻射具有較寬的頻帶(mHz～MHz)(Hayakawa et al.,1996; 楊少峰等,1999; Du et al.,2002; 杜愛民等,2004; Prattes et al.,2011),起源于巖石圈(Molchanov and Hayakawa,1995; 杜愛民等,2004)或者震區(qū)上空的電離層(Alperovich and Zheludev,1999; Iyemori et al.,2005).CHAMP地磁衛(wèi)星在震區(qū)上空也觀測到了與地震有關(guān)聯(lián)的地磁擾動(Balasis and Mandea,2007).這些地震前兆在幾天前或者一個月前被觀測到.

通常用地磁場垂直分量與水平分量的比值(Z/H)來判斷地震前地磁擾動是否源于地球內(nèi)部.Hayakawa等(1996)統(tǒng)計分析1993年關(guān)島大地震的地磁數(shù)據(jù)時,給出了Z/H比值的月均值和方差變化,發(fā)現(xiàn)Z/H比值能較好的區(qū)分地磁擾動是來自地下還是空間的磁場擾動,Z/H比值的時間演化顯示在震前1個月出現(xiàn)最大值,很像地震前兆,而且Z分量的變化與1989年美國洛馬-普雷塔(Loma Prieta)大地震的變化具有相似特征.

Lockner和Byerlee(1985)用摩擦-汽化理論解釋高導(dǎo)電地球中大電荷濃度如何產(chǎn)生、積累和電流形成.他認為在大地震前會出現(xiàn)剪切帶的摩擦擠壓加熱,使剪切帶附近的水產(chǎn)生汽化,造成飽和或部分飽和巖石的電導(dǎo)率下降.連續(xù)的磨擦擠壓加熱使震區(qū)巖石電導(dǎo)率增加和剪切帶中電荷分離.Gokhberg等(1989)討論了震源電場向電離層的滲透和傳播過程.震區(qū)地表聲重波也會引起電離層的較大范圍的強擾動(Liu et al.,2006b),這些擾動是否引起地磁場變化還不清楚.

很多學者探討了與強震前的地磁日變化有異常(丁鑒海等，2009；Duma and Ruzhin,2003; Liu et al.,2006a; 韓鵬等,2009; Rabeh et al.,2010).Han 等(2006)報道2011年3月11日13時46分日本東北部海域發(fā)生MW9.0級特大地震前，在距震中135km的臺站觀測到地磁日變化的振幅較大，Duma和Ruzhin(2003)比較了地磁日變化效應(yīng)和大尺度電磁實驗結(jié)果，指出地磁日變化存在地震效應(yīng).2008年5月12日中國汶川地區(qū)發(fā)生了ML=8地震.本文利用地面地磁臺觀測數(shù)據(jù)比較分析震前的地磁日變化特征,討論成都地磁臺觀測結(jié)果與其他臺站的差異性.

2數(shù)據(jù)分析

本文利用了中國地區(qū)18個地磁臺的地磁場觀測數(shù)據(jù),時間范圍為2008年4月6日至2008年5月12日,數(shù)據(jù)的時間分辨率為1 min.圖1給出了臺站的地理分布圖.臺站的選擇考慮了兩個方面: 一是選擇較長的緯度鏈,用來分析空間磁擾動特征,二是在成都臺附件選擇較近的幾個臺站,尋找成都地區(qū)與其他地區(qū)小尺度地磁場變化的差異性.圖2給出了這段時間內(nèi)地磁指數(shù)的變化情況,從上至下分別為極光電集流指數(shù)AU和AL,不對稱環(huán)電流指數(shù)ASY-D和ASY-H,和環(huán)電流指數(shù)Dst.指數(shù)數(shù)據(jù)來自WDC-D Kyoto世界地磁數(shù)據(jù)中心.從指數(shù)來看，4月14—15日和5月9—12日地磁場較為平靜,4月21—26日發(fā)生了一個小磁暴(Dst～-45 nT).

2.12008年4月15日地磁日變化事例

圖3給出了2008年4月15日地磁偏角D(a)、水平分量H(b)和垂直分量Z(c)的變化曲線,從上至下按照臺站的地理緯度從高至低排列,橫坐標是世界時.左面縱軸標出了臺站的編號,右側(cè)為臺站代碼.北京地方時BLT=UT+8.各臺的D、H和Z的形態(tài)較為相似,沒有發(fā)生反向,地磁記錄整體反映了地磁日變化特征.H分量在12UT以后存在10 nT振幅的相似波動,ACE衛(wèi)星觀測顯示(未在文中示圖)行星際磁場Bz開始轉(zhuǎn)南(Bz的最小值約為7.1 nT)并伴隨波動,太陽風速度較低(最小值約為350 km·s-1),因此,未引起磁暴發(fā)生.H分量的波動主要來自太陽風-磁層-電離層耦合引起的空間電流體系變化.值得注意的是,成都臺的Z分量在12UT以后與其他臺站相比擾動較強,可以判定這些擾動是自然信號.

圖1　地磁臺站地理分布圖

成都臺(CDP)與各個臺站的地磁分量相關(guān)分析顯示各臺觀測到的地磁日變化具有較高的相關(guān)系數(shù)(如圖4所示),其中H分量的相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)均大于0.9,其次是D分量相關(guān)系數(shù)大于0.8,而Z分量CDP與鄰近臺站相關(guān)系數(shù)大于0.75,隨著緯度增高相關(guān)系數(shù)下降,與德都臺(DED)相關(guān)系數(shù)最低,為0.65.如圖5所示,D和H分量的振幅隨著緯度升高而略有增加,Z分量隨緯度增高而降低.CDP的Z分量的振幅高于鄰近幾個臺站的振幅.

一般來說,三分之二地磁場的日變化主要起源于地球之外,三分之一起源于地球內(nèi)部的感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的強弱與地下電導(dǎo)率有關(guān)(徐文耀,2009; Campbell et al.,1998).不同周期的地磁擾動趨膚深度也不同,隨著深度增加相位也會發(fā)生變化.以上分析結(jié)果表明Z分量的變化可能與地下電導(dǎo)率關(guān)系較為密切.

2.2Z/H比值的統(tǒng)計分析

圖6上圖給出了2008年4月6日—2008年5月12日期間恩施(ENS)、成都(CDP)、當陽(DAY)、重慶(COQ)和貴陽(GYX)等5個臺站的Z/H比值的變化曲線.Z/H在4月20日最大,4月22日最低.CDP的Z/H大于其他4個臺站.圖6下圖給出了CDP臺站的Z/H與ENS臺的Z/H的比值(RCDP/ENS)隨時間的變化.4月24日前RCDP/ENS呈現(xiàn)增加趨勢,最大值為2.0,4月25日RCDP/ENS降低至1.3,在5月1日至5月12日之間RCDP/ENS波動較大.與圖2中地磁指數(shù)對比來看,Z/H的峰值出現(xiàn)在4月21—26日小磁暴之前.

為了分析RCDP/ENS變化趨勢主要來自地磁日變化的哪些周期成分貢獻,我們對地磁數(shù)據(jù)進行了帶通濾波,頻帶范圍分別為2—4 h、4—8 h和8—12 h.如圖7—9所示,對于以上3個波段,CDP的Z/H整體上高于其他4個臺站的Z/H.RCDP/ENS均具有類似的變化趨勢,以4月20日為分界點,先增加后降低,周期越短變化趨勢越明顯.

圖3　2008年4月15日中國地區(qū)地磁臺網(wǎng)觀測到的地磁偏角D(a)、水平分量H(b)和垂直分量Z(c)的變化曲線.

圖2　2008年5月1日00∶00—06∶00MERRA再分析資料沿38°N剖面上的垂直速度分布(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日03∶00； (c) 2008年5月1日06∶00.

圖3　2008年5月1日00∶00—06∶00在38°N 剖面上MERRA再分析資料的浮力頻率分布(a) 2008年5月1日00時； (b) 2008年5月1日03時； (c) 2008年5月1日06時.

圖6　2008年4月6日—2008年5月12日期間恩施(ENS)、成都(CDP)、當陽(DAY)、重慶(COQ)和貴陽(GYX)等5個臺站的Z/H比值的變化曲線(a),和CDP臺站的Z/H與ENS臺的Z/H的比值(RCDP/ENS)隨時間的變化(b)

圖11　2008年5月1日00∶00—06∶00ERA-Interim數(shù)據(jù)在38°N臭氧質(zhì)量混合比緯向剖面(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日06∶00.

圖10　2012年2月19日至21日南郊觀象臺站觀測和模擬的位溫及風速廓線(a—c) 08∶00 LST； (c—d) 20∶00 LST.

圖11　2012年7月13日至15日南郊觀象臺站觀測和模擬的位溫及風速廓線(a—c) 08∶00 LST； (c—d) 20∶00 LST.

圖12　06∶00—08∶00南郊觀象臺站觀測和模擬的風速廓線(a) 2012-07-14； (b) 2012-07-15.

圖6　2008年大柴旦地震模擬形變場(a)和(b)分別為模擬的2008年地震視線向形變場及殘差圖；(c)和(d)分別為模擬的2008年地震垂直向、東西向及殘差圖，底圖表示垂直向，箭頭表示東西向；箭頭大小、方向表示東西向形變量級、形變方向；黑色線表示斷裂帶的地表跡線.

圖7　同圖6,但針對地磁場2—4 h周期性變化

圖8　同圖6,但針對地磁場4—8 h周期性變化

圖9　同圖6,但針對地磁場8—12 h周期性變化

3結(jié)論與討論

本文主要分析了汶川地震前地磁日變化的特征,分析結(jié)果表明: (1)成都臺(CDP)觀測到地磁日變化的形態(tài)與其他臺站相似,未見與地震相關(guān)突出變化; (2)CDP的Z/H高于周邊臺站,在4月20日Z/H出現(xiàn)一個最大峰值(>2.5); (3)以4月20日為分界點,CDP臺站的Z/H與ENS臺的Z/H的比值RCDP/ENS先增加后降低,周期越短變化趨勢越明顯.

本文的目的是嘗試著尋找震前地磁日變化異常,過去學者們更多關(guān)注震前地磁波動異常(如,Hayakawa et al.,1996; Du et al.,2002; Molchanov and Hayakawa,1995),但地磁波動形成過程和波動特征較為復(fù)雜,即使尋找到波動前兆,應(yīng)用起來也不方便.丁鑒海等(2009)在震前地磁日變化異常方面已經(jīng)探索了很長時間,分析了震前“地磁低點位移”現(xiàn)象.本文利用Z/H比值方法,分析震前日變化異常.

Z/H比值在某種程度上能夠反映地下電磁信息(Hayakawa et al.,1996),但也受空間電磁擾動也非常大,尤其是在分析地磁日變化時影響會更大.例如,太陽靜日變化(Sq)依賴于緯度、地方時、季節(jié)、太陽活動和極區(qū)電流擾動(Chen et al.,2007; 趙旭東等,2008; Wang et al.,2014).Sq的空間尺度較大,CDP的緯度比DAY高0.07°,比ENS緯度高0.18°,它們的緯度效應(yīng)會很小.CDP觀測到Z分量的振幅(如圖5所示)和Z/H比值(圖6)與鄰近臺站觀測結(jié)果的差異性有可能與地下電導(dǎo)率有關(guān).

一般,在討論地磁日變化與電導(dǎo)率關(guān)系時,利用球諧分析方法將內(nèi)外源場分離開(趙旭東等,2010),但是這種分離描述的空間尺度較大,無法分辨CDP與鄰近臺站的差異性.一類應(yīng)用電磁感應(yīng)理論探測地球內(nèi)部電導(dǎo)率方法是在一定范圍內(nèi)布設(shè)觀測網(wǎng),測量地磁H、D和Z分量,研究電導(dǎo)率橫向變化梯度,特別是利用Z分量等值線來描述(見P449—450,徐文耀,2009).Z分量對于地球內(nèi)部電導(dǎo)率較為敏感.周期越長的地磁變化趨膚深度越大.如圖7—9所示,周期越短的地磁變化,RCDP/ENS的變化趨勢越有規(guī)律,間接說明引起CDP臺地磁Z/H比值的差異性是由短周期地磁變化貢獻的,部分反映了地殼表層電導(dǎo)率的信息.

致謝感謝審稿專家和編輯部的支持和幫助.

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(本文編輯劉少華)

基金項目國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2014CB845903)、國家重大科研裝備研制項目(ZDYZ2012-1)和國家自然科學基金(41174122)資助.

作者簡介張凌，男，1961年生，中國地震應(yīng)急搜救中心信息部高級工程師，主要從事地震監(jiān)測，數(shù)據(jù)共享等方面的研究工作. E-mail：zhangling903@163.com

doi:10.6038/cjg20160317 中圖分類號P315,P318

收稿日期2015-08-18，2015-10-26收修定稿

Characteristics of geomagnetic regular diurnal variation before Wenchuan earthquake

ZHANG Ling1,DU Ai-Min2,LANG Xue2,3,ZHANG Tie-Long4,YANG Dong-Mei5,ZHAO Xu-Dong5

1NationalEarthquakeResponseSupportService,Beijing100049,China2InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100029,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4SpaceResearchInstitute,AustrianAcademyofSciences,Graz,Austria5InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

AbstractThe characteristics of the geomagnetic daily variation before the Wenchuan earthquake (ML=8) occurring on 2008 May 12 are analyzed by using of the data from ground-based geomagnetic array.The variation of the electromagnetic induced field associated with the geomagnetic daily variation is also discussed.The conclusions are: 1) The morphological characteristics of the geomagnetic diurnal variations observed by Chengdu station(CDP)are similar to that observed by other stations; 2) The ratio of Z/H at CDP is greater than that observed by other neighbor stations，with a maximum of Z/H (>2.5)on April 20； 3) The ratio of Z/H at CDP and Z/H at ENS,RCDP/ENS,increases from April 6,reaches a maximum on April 20,then decreases till May 12.The tendency of variations of RCDP/ENS is more apparent for geomagnetic variations with period of 2—4 h.These results indicate that the geomagnetic variation at CDP is partly associated with the conductivity inner the Earth.

KeywordsWenchuan earthquake; Geomagnetic diurnal variation; Conductivity inner the Earth

張凌,杜愛民,郎雪等.2016.汶川地震前的地磁場日變化特征分析.地球物理學報，59(3):952-958,doi:10.6038/cjg20160317.Zhang L,Du A M,Lang X,et al.2016.

Characteristics of geomagnetic regular diurnal variation before Wenchuan earthquake.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):952-958,doi:10.6038/cjg20160317.