2011年1月19日安徽安慶地震前后地磁資料變化特征

2011年1月19日安徽安慶地震前后地磁資料變化特征

由于強(qiáng)震前孕婦的地震環(huán)境中產(chǎn)生了強(qiáng)地震，例如中間電導(dǎo)率和其他電性質(zhì)的變化，因此可以觀察到與地震有關(guān)的局部或區(qū)域磁異常。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)垂直分量日變會(huì)出現(xiàn)相位和幅度變化。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。目前研究人員利用地磁日變低點(diǎn)位移的2條以上分界線交匯來研究其與地震之間的關(guān)系,以此縮小預(yù)測(cè)范圍。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)生的各種前兆也是多樣,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,反映不同地區(qū)、不同強(qiáng)度的地震信息。變化磁場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)弱既和外場(chǎng)有關(guān),又與地下物質(zhì)電導(dǎo)率的分布、大小有關(guān)。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)。早在20世紀(jì)90年代,汪江田等就有過利用轉(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)了該方法對(duì)中強(qiáng)地震中期預(yù)報(bào)的有效性。2008年,李琪等分析了2006年7月4日河北文安地震前后,距離震中分別為52km和298km的靜海地磁臺(tái)和泰安地磁臺(tái)不同周期的地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)隨時(shí)間的變化過程,發(fā)現(xiàn)靜海地磁臺(tái)地磁轉(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,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。2011年1月19日,安徽安慶發(fā)生了M4.8級(jí)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級(jí)地震,2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190km。筆者擬利用這2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。1地震前后地震轉(zhuǎn)換函數(shù)的異常特性1.1異常地磁獨(dú)立承擔(dān)地球內(nèi)部不均勻的電性結(jié)構(gòu)會(huì)影響變化磁場(chǎng)3個(gè)分量的比值和相位差,轉(zhuǎn)換函數(shù)是在利用地磁短周期變化研究地下電性結(jié)構(gòu)的過程中引入的概念和參量,這種研究是基于地球內(nèi)部電磁感應(yīng)的原理,主要用于研究地下橫向不均勻的電性結(jié)構(gòu),如果取不同的周期范圍,所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)深度就不同,因而可以反映出不同深度的電性結(jié)構(gòu)。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: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月至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)中的月變趨勢(shì)以及年變趨勢(shì)。安徽安慶地震前后,地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)出現(xiàn)異常的臺(tái)站主要有湖北武漢九峰地磁臺(tái)站、安徽涇縣地磁臺(tái)站和安徽金寨地磁臺(tái)站,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。涇縣地磁臺(tái)站、金寨地磁臺(tái)站、九峰地磁臺(tái)站距離安徽安慶地震震中依次為120,160,150km,距離湖北陽(yáng)新地震震中依次為310,230,120km。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。1.2年9月10日金丘臺(tái)運(yùn)行高值異常在安徽安慶M4.8級(jí)地震前,2010年3月初開始,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,見圖2。在此期間,湖北武漢九峰地磁臺(tái),除了周期T=10min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(點(diǎn)線為2倍均方差值,超過2倍均方差為異常),其中周期T=50min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級(jí)地震。2011年3月中旬開始,安徽涇縣地磁臺(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2倍均方差,高值持續(xù)兩月余,異?；謴?fù)正常水平后3個(gè)月,2011年9月10日在江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界發(fā)生M4.6級(jí)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。安徽安慶地震前、江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界地震前,安徽涇縣地磁臺(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2次地震發(fā)震構(gòu)造差異性有一定關(guān)聯(lián)。2地震前后地震資料的垂直分量變化特征2.1地磁日變現(xiàn)象“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,2個(gè)區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時(shí)間相差2h以上,這種少見的磁場(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27d(或41d)前后4d,即:T(低點(diǎn)位移日期)+27(或41)d=T′(發(fā)震日期)通過對(duì)安慶M4.8級(jí)地震前中國(guó)大陸東部地區(qū)42個(gè)地磁臺(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2h,安慶地震發(fā)震日期為異常發(fā)生后的29(27±4)d,震中位于地磁低點(diǎn)位移分界線附近,如圖3所示。安慶M4.8級(jí)地震前29d(2010年12月21日),沿郯廬斷裂帶分布及附近的靜海、蒙城、信陽(yáng)、金寨等地磁臺(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)。據(jù)中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示(圖5),2010年12月18-22日,空間地磁活動(dòng)水平為平靜到微擾,該時(shí)間段未出現(xiàn)太陽(yáng)質(zhì)子事件,此外,2010年12月21日前后電離層電子濃度分布無明顯變化(圖6),基本可以排除由空間天氣變化引起的地面地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)畸變,說明此次地磁日變形態(tài)明顯的畸變異常與地下介質(zhì)的電性質(zhì)改變有關(guān)。2.2基于s變換的轉(zhuǎn)換變化的磁場(chǎng)中包含許多成因不同、周期不同、形態(tài)不同、強(qiáng)度不同的成分,為了進(jìn)一步探討此次地磁日變形態(tài)明顯畸變異常的產(chǎn)生機(jī)理,弄清地磁資料異常成分的形態(tài)、強(qiáng)度、相位等特征,我們采用S變換方法對(duì)異常時(shí)段前后數(shù)據(jù)進(jìn)行了譜分析。S變換是連續(xù)小波變換的延伸,集中了短時(shí)傅里葉變換和小波變換的優(yōu)點(diǎn),克服了其他濾波方法的缺陷,在實(shí)際應(yīng)用中,具有無損可逆性,而且在低頻時(shí)段的時(shí)窗較寬,從而獲得較高的頻率分辨率,而在高頻的時(shí)窗較窄,可以獲得很高的時(shí)間分辨率。選取的地磁臺(tái)站主要為2010年12月19-23日“低點(diǎn)位移”分界線周邊主要臺(tái)站,頻譜圖顯示(圖7),2010年12月21日02時(shí)-12時(shí)(時(shí)間序列第120~720min)時(shí)間段周期為1.5~6h頻譜信號(hào)增強(qiáng),明顯高于同臺(tái)正常時(shí)間段,其他高頻段和低頻段的頻譜信號(hào)與正常時(shí)間段基本持平。該異常信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短,無明顯周期性規(guī)律。周期段為1.5~6h頻譜信號(hào)的增加與震前地殼介質(zhì)的電性質(zhì)改變有直接關(guān)系。3主要的地震地磁異常表現(xiàn)(1)2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)站反映較為明顯,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,這與過去的震例基本一致。有的臺(tái)站幾乎沒有反映或者反映不夠顯著。這主要跟地磁臺(tái)站所處的地理位置以及地震發(fā)震構(gòu)造的差異性有關(guān)。(2)依據(jù)各地磁臺(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級(jí)震前29d,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,出現(xiàn)了明顯的地磁日變“雙低點(diǎn)”現(xiàn)象。地磁畸變時(shí)段空間天氣信息以及電離層電子濃度數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果基本可以排除空間天氣變化引起的地面地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的畸變,此次地磁日變形態(tài)明顯的畸變異常與地下介質(zhì)的電性改變有關(guān)。(4)安徽安慶地震前轉(zhuǎn)換函數(shù)和地磁低點(diǎn)位移同時(shí)出現(xiàn)異常,說明在地震孕育的過程中,臺(tái)站下方地下介質(zhì)(不能簡(jiǎn)單認(rèn)為是震源區(qū)及附近)導(dǎo)電性確實(shí)發(fā)生了變化,而這種變化也同時(shí)影響了臺(tái)站周邊地磁場(chǎng)垂直分量低點(diǎn)位移。中國(guó)地震局地震研究所楊健副研究員在電離層分析方面進(jìn)行了指導(dǎo),在此表示感謝。式中:A和B為轉(zhuǎn)換