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        汶川8.0級地震前地磁日變化異常綜合分析

        2019-05-07 07:19:30倪曉寅賴見深朱培育
        中國地震 2019年1期
        關(guān)鍵詞:方法

        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,福建漳州 363400 3)崇明地震臺,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、外層空間磁層、電離層的活動,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??梢鸬卮糯怪狈至?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,對于多方法綜合分析的研究偏少。前郭5.8級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2008年南北帶地磁資料進(jìn)行分析,研究汶川8.0級地震前出現(xiàn)的地磁異常特征,對這些異常的時空特征進(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)的地磁臺站產(chǎn)出的地磁垂直分量分鐘采樣資料作為研究對象,汶川地震前在該范圍內(nèi)運(yùn)行的地磁臺站共有42個(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,對地磁臺站數(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)算極小時間和日變化幅度前,采用傅氏擬合技術(shù)對其分鐘采樣數(shù)據(jù)濾波,濾除半小時以下的變化,刪除突跳臺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站

        表1南北帶地磁臺站參數(shù)

        臺站儀器型號北緯/(°)東經(jīng)/(°)震中距/km臺站儀器型號北緯/(°)東經(jīng)/(°)震中距/km肇慶臺GM423.0112.51260嘉峪關(guān)臺FHDZ-M1539.898.21090河源臺FHD-2B23.7114.71375山丹臺FHD-2B38.8101.0896邕寧臺FHDZ-M1522.8108.51039大武臺FHD-2B34.5100.3490河池臺GM424.7108.0832格爾木臺FHDZ-M1536.494.9996邵陽臺GM427.2111.5886湟源臺FHD-2B36.7101.2665成都臺GM430.9103.835西寧臺FHD-2B36.6101.7641道孚臺FHD-2B30.0101.0253都蘭臺FHD-2B36.398.1770西昌臺GM427.9102.3362銀川臺GM438.5106.3880石門坎臺GM426.9102.8460中衛(wèi)臺FHD-2B37.6105.3760木里臺GM427.9101.3394固原臺FHD-2B36.0106.2618衛(wèi)城臺GM427.5101.7424定襄臺FHD-2B38.0113.01176南山臺GM426.54101.7518大同臺FHD-2B40.1113.31354通海臺GM424.1102.8764臨汾臺FHD-2B36.1111.4932寧南臺GM427.2102.6422信陽臺FHD-2B32.1114.01014美姑臺GM428.3103.1293??h臺FHD-2B35.7114.51157昭覺臺GM428.0102.8331恩施臺FHDZ-M1530.3109.5588烏加河臺GM440.9107.61165丹江臺FHD-2B32.5111.5785乾陵臺GM434.8108.2618鐘祥臺FHD-2B31.2112.7888漢中臺FHD-2B34.0107.1485谷城臺FHD-2B32.3111.6792蘭州臺FHDZ-M1536.1103.8573重慶臺GM429.4106.6349天水臺GM434.5105.9457貴陽臺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間,簡稱低點(diǎn)時間。“低點(diǎn)位移”是指一個大區(qū)域各臺的低點(diǎn)時間明顯地與另一個大區(qū)域各臺的低點(diǎn)時間不同,而每個大區(qū)域內(nèi)部低點(diǎn)時間又相對一致,2個區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時間相差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)多個臺站的P出現(xiàn)同步超閾值(3.1)且加載日未發(fā)生磁暴時認(rèn)為是異?,F(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)震時間:異常出現(xiàn)后6個月內(nèi)。若2個異常間隔在2個月內(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)測時效以后一次異常出現(xiàn)的時間為準(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)多個臺站的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)震時間:異常出現(xiàn)后6個月內(nèi)。若2個異常間隔在6個月內(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)測時效以最后一次異常出現(xiàn)的時間為準(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常空間分布

        圖 7 2008年2月5日地磁Z分量日變幅逐日比異??臻g分布

        以3.1為閾值,3個以上臺站加卸載響應(yīng)比值≥3.1時視為異常,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個臺站出現(xiàn)異常,分別為烏加河臺、定襄臺、大同臺、臨汾臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、蘭州臺、天水臺、重慶臺、涉縣臺、??h臺;2月12日異常共有18個臺站出現(xiàn)異常,分別為格爾木臺、嘉峪關(guān)臺、山丹臺、蘭州臺、天水臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、成都臺、道孚臺、木里臺、衛(wèi)城臺、西昌臺、寧南臺、昭覺臺、通海臺、邕寧臺、河池臺。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個以上臺站逐日比值≥3.0時視為異常,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個臺站出現(xiàn)異常,分別為西寧臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、蘭州臺、天水臺、漢中臺、重慶臺、昭覺臺;2月12日共有6個臺站出現(xiàn)異常,分別為格爾木臺、西寧臺、蘭州臺、銀川臺、道孚臺、南山臺。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個異常的預(yù)測有效期內(nèi)。時間軸上,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,僅就單個方法異常而言,單個異常的預(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。如果單個方法出現(xiàn)多次異常時,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)生短期微動態(tài)活動,包括發(fā)生整體運(yùn)動時,一些斷層及其交匯區(qū)的電導(dǎo)性質(zhì)將會發(fā)生變化,在電性方面一些平時并不貫通的斷層發(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,電流產(chǎn)生的力矩對地震的發(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)動引起了大范圍地下介質(zhì)電磁性質(zhì)的改變。

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