轉(zhuǎn)換函數(shù)方法在磁臺(tái)磁場(chǎng)異常變化分析中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)換函數(shù)方法在磁臺(tái)磁場(chǎng)異常變化分析中的應(yīng)用

“轉(zhuǎn)換函數(shù)”方法地磁場(chǎng)是地球上最重要、最基本的物理場(chǎng)所之一。一百多年以前,人們就已注意到地磁異常變化與地震的關(guān)系,國(guó)外做了許多這方面的研究工作。1966年以來,我國(guó)也逐步建成了比較完善的地磁觀測(cè)系統(tǒng),在震磁效應(yīng)理論研究和地震預(yù)測(cè)方面取得了很大進(jìn)展(丁鑒海等,1994)。經(jīng)過多年的實(shí)踐與研究,地磁已成為地震預(yù)測(cè)不可缺少的手段之一?！稗D(zhuǎn)換函數(shù)”方法是國(guó)內(nèi)用于預(yù)測(cè)地震的地磁方法之一,林云芳等(1999),曾小蘋等(1995)和龔紹京等(1991,1997)基于地磁臺(tái)站磁場(chǎng)連續(xù)記錄儀器磁變儀產(chǎn)出的磁照?qǐng)D經(jīng)數(shù)據(jù)采集后的資料,均使用“轉(zhuǎn)換函數(shù)”方法在地震前提取到了地磁場(chǎng)的異常變化。近幾年來,隨著越來越多地磁臺(tái)站的數(shù)字化,可直接利用地磁臺(tái)站記錄的數(shù)字化數(shù)據(jù)來計(jì)算“轉(zhuǎn)換函數(shù)”。李琪等(2005)對(duì)模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)從時(shí)間序列和轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算結(jié)果兩方面進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者基本一致。2006年7月4日11時(shí)56分河北省文安縣發(fā)生5.1級(jí)地震,震中距離天津靜海地磁臺(tái)僅52km,成為研究地震前后轉(zhuǎn)換函數(shù)變化過程的極好震例。本文利用靜海地震臺(tái)的地磁數(shù)據(jù),分析了文安地震前后靜海地磁臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的變化,并與距離文安地震震中298km的泰安地磁臺(tái)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,試圖找到距離震中距離遠(yuǎn)近不同的臺(tái)站在轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的變化規(guī)律上有何相同與不同之處。1地下電性環(huán)境分析轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)的基本原理在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)說明,在此參照曾小蘋等(1998)撰寫的《地磁方法預(yù)報(bào)災(zāi)害》中的轉(zhuǎn)換函數(shù)部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述。由于電磁感應(yīng)效應(yīng),磁感應(yīng)強(qiáng)度F的分量ΔZ、ΔH和ΔD滿足以下關(guān)系ΔΖ=AΔΗ+BΔD(1)ΔZ=AΔH+BΔD(1)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。據(jù)(1)式對(duì)地面各測(cè)點(diǎn)所記錄到的天然磁場(chǎng)信號(hào)的分析得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)A和B,是位置(λ,φ)、深度(h)、頻率(ω)或周期(T)和時(shí)間(t)的函數(shù),即A=A(λ,φ,h,ω,t)B=B(λ,φ,h,ω,t)(2)A=A(λ,φ,h,ω,t)B=B(λ,φ,h,ω,t)(2)對(duì)某一測(cè)點(diǎn)(λ0,φ0),某一頻率(ωj)的地磁場(chǎng)F,由電磁波的趨膚效應(yīng)即可得到該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)ω0的穿透深度hj=(2/ωjμσ)12(3)hj=(2/ωjμσ)12(3)處的電性信息。其中μ和σ分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。由(2)式、(3)式可知,分析研究轉(zhuǎn)換函數(shù)隨時(shí)間t的變化,則可了解和監(jiān)視地震活動(dòng)區(qū)地下電性環(huán)境的變化。由(1)式已知,某測(cè)點(diǎn)處、某一頻率(或周期)j的地磁短周期變化量滿足關(guān)系ΔΖj=AjΔΗj+BjΔDj(4)ΔZj=AjΔHj+BjΔDj(4)其中復(fù)轉(zhuǎn)換函數(shù)(暫去掉角標(biāo)j)A=Ar+iAiB=Br+iBi(5)A=Ar+iAiB=Br+iBi(5)角標(biāo)r和i分別表示實(shí)部和虛部。A、B之模|A|=(A2r+A2i)12|B|=(B2r+B2i)12(6)|A|=(A2r+A2i)12|B|=(B2r+B2i)12(6)A、B的相角為φA=tg-1(Ai/Ar)φB=tg-1(Bi/Br)(7)φA=tg?1(Ai/Ar)φB=tg?1(Bi/Br)(7)帕金森(Parkinson)矢量的磁方位角αp、傾角Ip和長(zhǎng)度Cp為αp=tg-1(Br/Ar)Ιp=tg-1(A2r+B2r)12Cp=sinΙ(8)αp=tg?1(Br/Ar)Ip=tg?1(A2r+B2r)12Cp=sinI(8)解矩陣方程(4)的總方差σz=[n∑j=1(ˉΔΖ-ΔΖj)2n-1]12(9)其中ˉΔΖ=n∑j=1ΔΖj/n2各周期對(duì)應(yīng)的譜值數(shù)據(jù)采集、分析處理流程按如下順序進(jìn)行:數(shù)字化數(shù)據(jù)→高通濾波→譜分析→按周期重組事件→計(jì)算轉(zhuǎn)換函數(shù)參量。(1)對(duì)三要素分鐘值進(jìn)行Fourier譜分析,得出各周期對(duì)應(yīng)的譜值。(2)選出從6～164min之間以2min為間隔遞增的80個(gè)周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)。(3)對(duì)給定的各周期對(duì)應(yīng)的譜值ΔZj、ΔHj和ΔDj生成數(shù)據(jù)矩陣,用最小二乘法,按(4)～(9)式求解,得出轉(zhuǎn)換函數(shù)A,B及其參量:轉(zhuǎn)換函數(shù)的模|A|和|B|,轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)部參量Ar、Br和虛部參量Ai、Bi,實(shí)部參量和虛部參量的差A(yù)c、Bc,實(shí)部參量和虛部參量的相角Ao、Bo,方位角αp以及總方差σz等。36年6月10日第1組總方差z異常點(diǎn)的出現(xiàn)距離文安地震震中最近的天津靜海地磁臺(tái)是國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)站,觀測(cè)環(huán)境和數(shù)據(jù)質(zhì)量都很好。本文中用到的兩個(gè)地磁臺(tái)的數(shù)據(jù)都是GM3磁通門磁力儀記錄的分鐘值采樣數(shù)字化數(shù)據(jù)。圖1給出了靜海地磁臺(tái)2006年1月1日～2006年9月30日總方差σz日均值時(shí)間序列曲線,圖中虛線的值為均值加上2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果把超出2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)據(jù)點(diǎn)視為異常點(diǎn),可看出異常點(diǎn)首先在短周期出現(xiàn),并逐步過渡到長(zhǎng)周期。從時(shí)間上看,周期為6min的總方差σz于2006年2月中旬,文安地震前4個(gè)半月出現(xiàn)了第一組異常點(diǎn)。然后在3月中旬和4月上旬仍是周期為6min的總方差σz出現(xiàn)了兩組剛好超出2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的異常點(diǎn)。在6月上旬,距離發(fā)震時(shí)間不到一個(gè)月時(shí),周期為6min、36min、115min和156min的總方差σz同時(shí)出現(xiàn)了異常點(diǎn)。2006年6月底到地震發(fā)生這段時(shí)間內(nèi),周期為36min、66min、115min和156min的總方差σz都出現(xiàn)了異常點(diǎn),而周期為6min的總方差σz無異常出現(xiàn)。文安地震之后到7月底這段時(shí)間,周期為66min、115min和156min的總方差σz都有異常點(diǎn)出現(xiàn),而周期為6min和36min的總方差σz都無異常出現(xiàn)。如果僅關(guān)注各周期異常最大的點(diǎn),則可以看到異常極大點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間隨著周期的增長(zhǎng)而向后推移。震后短周期的異常點(diǎn)消失,而長(zhǎng)周期的異常點(diǎn)繼續(xù)存在了一段時(shí)間,到7月底所有周期的異常點(diǎn)都消失,恢復(fù)平靜狀態(tài)。圖2給出了靜海地磁臺(tái)2006年1月1日～2006年9月30日轉(zhuǎn)換函數(shù)A的模|A|的日均值時(shí)間序列曲線,圖中虛線的值為均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖中可看出,2月下旬首先在短周期出現(xiàn)(T=6min)了第一組異常點(diǎn),其后依次在周期為116min和66min出現(xiàn)異常點(diǎn),而在文安地震發(fā)震前后,除了周期為6min以外的數(shù)據(jù)曲線,都出現(xiàn)了異常點(diǎn)。圖3給出了靜海地磁臺(tái)2006年1月1日～2006年9月30日轉(zhuǎn)換函數(shù)B的模|B|的日均值時(shí)間序列曲線,圖中虛線的值為均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。除了2006年初出現(xiàn)在周期為116min的異常點(diǎn)之外,從文安地震發(fā)震前后異常點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間來看,仍是異常點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間隨著周期的增長(zhǎng)而向后推移。用同樣的方法分析了山東泰安地磁臺(tái)的數(shù)據(jù),計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5。2006年距離泰安地磁臺(tái)300km范圍內(nèi)發(fā)生了兩個(gè)地震,分別是2006年4月9日的ML4.7地震(震中位置為115.4°E,35.7°N,震中距168km)和文安地震。從圖4和圖5中可看到,這兩個(gè)地震前轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)都出現(xiàn)了異常點(diǎn),而ML4.7地震前出現(xiàn)的異常(周期為36min和66min)在時(shí)間上是同步的,而在文安地震前出現(xiàn)的異常盡管時(shí)間上并不完全同步,但也相差不遠(yuǎn)。此外,在文安地震震后也有比較大的異常出現(xiàn),尤其在圖4中表現(xiàn)尤為明顯。從泰安地磁臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的變化來看,盡管不像靜海地磁臺(tái)那樣震前有異常點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間隨周期的增長(zhǎng)向后推移的規(guī)律,但在震前震后都有明顯的異常出現(xiàn)。4異常點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間本文分析了河北文安地震前后靜海和泰安地磁臺(tái)的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)的日均值時(shí)間序列曲線,發(fā)現(xiàn)①靜海地磁臺(tái)總方差σz數(shù)據(jù)異常點(diǎn)首先在短周期出現(xiàn),隨著時(shí)間向后推移逐漸在比較長(zhǎng)的周期出現(xiàn),尤其是異常的極大點(diǎn)表現(xiàn)得更為明顯。在靜海地磁臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)的模|B|中也有類似的規(guī)律出現(xiàn);②盡管靜海地磁臺(tái)轉(zhuǎn)換函數(shù)的模|A|數(shù)據(jù)異常點(diǎn)出現(xiàn)規(guī)律不明顯,但異常點(diǎn)仍是最先出現(xiàn)在短周期(T=6min),而最后出現(xiàn)于長(zhǎng)周期(T=156min);③泰安地磁臺(tái)的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)(總方差σz和轉(zhuǎn)換函數(shù)的模|A|)異常點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間隨周期的增長(zhǎng)向后推移的規(guī)律不是特別明顯,但震前震后都有很明顯的異常出現(xiàn);④震后一個(gè)半月內(nèi),靜海和泰安地磁臺(tái)的所有轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)都仍然有異常點(diǎn)出現(xiàn)。曾小蘋等(1998)發(fā)現(xiàn),如果震前所有周期的總方差σz的數(shù)值都增大,預(yù)報(bào)的可信度會(huì)增加。龔紹京等(1998)也提出了判斷異常的“成片”原則,即幾個(gè)相鄰的周期同時(shí)出現(xiàn)異常。在本文分析的震例中也同樣觀察到了類似異常“成片”出現(xiàn)現(xiàn)象,這與過去的震例基本一致。但是,從細(xì)節(jié)上看,距離震中最近的靜海臺(tái)的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)每個(gè)周期的異常極大點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間不一致?？偟膩碚f,出現(xiàn)時(shí)間從短周期向長(zhǎng)周期遷移,地震發(fā)生之后的異常更多出現(xiàn)在長(zhǎng)周期。在過去的轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算震例中并沒有發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。從轉(zhuǎn)換函數(shù)的原理來分析,不同周期的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)對(duì)應(yīng)不同深度的地下電性介質(zhì)的變化,周期越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的地下介質(zhì)越深。數(shù)據(jù)異常點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間從短周期逐漸向長(zhǎng)周期過渡,有可能是地下介質(zhì)由淺至深發(fā)生了變化。也許由于靜海地磁臺(tái)距離震中比泰