汶川地震前后地磁Z分量的譜質心變化①

許康生，辛長江，李 英

（1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州觀象臺，甘肅 蘭州 730046）

0 引言

震磁關系的研究最早可以上溯到100多年以前，但采用現代手段進行理論和實驗研究應該說開始于上世紀中期。早在1964年3月27日的阿拉斯加地震，震前1小時6分鐘在距離地震30km處的地磁儀器記錄到磁場強度增大的擾動［1］。近年來這方面的研究和報道就更多了：1989年10月17日洛馬普列塔（Loma Prieta）MS7.1地震前觀測到了低頻電磁波［2］；1998年9月3日日本本州島Iwateken Nairku Hokubu M6.1地震之前，距震中15km的Matsukawa臺記錄到了與這次地震有關的超低頻地磁現象［3］；1997年3月26日日本鹿兒島M6.5和1997年5月13日M6.3地震前，距離震中約60km的磁力儀記錄到了與此有關的異常變化［4］；1998年9月3日日本巖手M6.1地震前兩周，在距震中15 km的臺站記錄到與地震有關的極化值異常增高的現象［5］。2008年5月12日中國四川省汶川縣發生的M8.0地震，也有文獻［7］研究表明震前震中附近存在地磁異常現象。

對于震磁現象的理論解釋也有多種學說或假說。一般認為，地震孕育的過程是巖層中應力不斷積累的過程，地震的發生是應力積累超過巖石層的彈性極限突然發生的巖層錯動或斷裂的結果。在孕震區應力緩慢積累的過程促使應力在空間重新分配，地下介質由開始時的彈性形變進入非彈性形變，原有的裂隙集合形態與賦存空間發生變化，新的裂隙生成、延展，流體滲入，導致巖體膨脹，可能產生壓磁效應、感應磁效應、流變磁效應、電動磁效應及熱磁效應等。本研究的重點不是討論震磁現象的發生機理，而是通過實際震例及地磁資料提取與地震有關聯的異常變化信息，并分析和討論這些信息的特征。地磁觀測信息包含了外源場（空間磁場）和內源場（感應磁場和主磁場），將這些不同場的信息準確分離是很困難的，但一些研究表明，地磁Z分量較其他分量更多地反映了地球內部的變化。本文以2008年5月12日汶川M8.0地震為研究對象，采用震中周邊一些臺站較為完整的磁資料進行計算處理，提取一些異常信息。數據處理采用譜質心計算方法，這種方法最初應用于聲學方面的研究，本項研究探索性地將此引入處理地磁資料，并在時間和空間上進行對比分析，試圖提取與這次地震有關聯的信息并對其變化特征進行分析。

1 資料選取

選用的臺站為成都臺、木里臺和西昌臺。成都地磁臺距震中35km；西昌地磁臺距震中357km；木里地磁臺距震中400km。成都地磁臺觀測儀器為FHDZ－M15，其余兩個臺的觀測儀器為GM4。數據采樣率均為每秒1個樣點。為了便于對比，對3個臺均選取3個相同時段的數據進行計算處理，第一時間段為2008年5月1日0時至2008年5月12日14時，為地震發生前278小時；第二時間段為2009年5月1日0時至2009年5月12日14時；第三時間段為2010年5月1日0時至2010年5月12日14時。這樣分段的主要目的一是為了降低季節性變化對空間磁場的影響，二是采用相同長度的樣本數據以避免數據計算處理對結果的影響。

圖1 汶川地震和選用臺站分布圖Fig.1 The distribution of main－earthquake（M8.1）and used stations

2 資料處理

譜質心（spectrum centroid）通常用于測定聲音的亮度，這種方法是從信號的離散傅氏變換的頻率和振幅卷積獲得“質量中心”。下式為譜質心的計算公式：

式中F［k］是頻率k對應的信號振幅。信號的譜質心值越大，說明信號中高頻成分含量越高，反之則說明信號中高頻成分含量較低。

首先從IAGA2002格式的數據文件抽取了Z分量數據，形成每小時一個數據文件，再對個別缺數進行線性內插處理。然后計算每一個數據文件的最大譜質心、平均譜質心和譜質心標準差。無論是平均譜質心還是譜質心標準差，在時序上都表現出相同的變化特征。圖2僅給出了平均譜質心的時序結果，圖中展示了三個時段地磁Z分量平均譜質心8點滑動平均的時序結果。

3 結果與討論

如圖2所示，成都臺地磁Z分量平均譜質心變化范圍在時段3是2.3～5.5，最大變化峰值2.2；在時段2是0.5～7.6，最大變化峰值7.1；在時段1是8.9～39，最大變化峰值30.1。時段1的變化范圍大于時段2和時段3，震前呈現明顯的特征是存在逐漸升高的趨勢。也就是說，成都臺在震前278小時平均譜質心的幅度變化是震后一年同時段變化的4.3倍，是震后兩年同時段變化的9.4倍，三年中是逐年下降的。特別注意到震前成都臺的平均譜質心時序變化就會發現，顯著增高開始于5月7日，5月11日達到這一時段的峰值。文獻［7］在研究成都地磁臺資料后指出：“消除認為活動干擾和太陽活動的背景干擾（K指數）后，成都地磁臺在汶川地震前一天（即5月11日）出現最大幅度突變”，這一結果與本項研究結果相吻合。木里臺地磁Z分量平均譜質心在時段1的變化范圍是6.2～19.3，最大變化峰值13.1；在時段2是2.5～7.5，最大變化峰值5.0；在時段3是1.2～5.8，最大變化峰值4.6。木里臺在震前278小時平均譜質心的幅度變化是震后一年同時段變化的2.6倍，是震后兩年同時段變化的8.1倍，三年中是逐年下降的。西昌臺地磁Z分量平均譜質心在時段1的變化范圍是1.5～4.7，最大變化峰值3.2；在時段2是3.5～9.3，最大變化峰值5.8；在時段3是2.3～9.7，最大變化峰值7.1。西昌臺在震前278小時平均譜質心的幅度變化是震后一年同時段變化的2.6倍，是震后兩年同時段變化的8.1倍（表1）。

表1 譜質心變化結果Table 1 The results of the spectrum centroid on three stations

圖2 3個臺三個時段地磁Z分量平均譜質心時序圖Fig.2 The timing diagrams of average spectral centroid at three periods

現代地磁學認為地磁場是一個矢量場，是關于地理位置和時間的函數，地磁場的場強F（r，t）由三部分組成［2］：

其中，Fm（r，t）是主磁場，處在地幔與外核之間；Fc（r，t）為感應磁場，主要來自巖石中的鐵磁性物質；Fd（r，t）為外源場，源于磁層和電離層［8］。

由表1不同時段、不同地理位置的結果相比較，時段1成都臺的變化幅度是最大的，木里臺和西昌臺相比，木里臺的變化幅度較大。由此可見兩點，一是較大的變化并非來自外空間，二是結果差異含有區域背景磁場的變化的差異。但我們注意到兩點重要信息，一是成都臺的變化幅度量值上遠大于木里臺；二是變化形態不同，成都臺資料存在一個變化幅值不斷激增的過程，而木里臺雖有變化，但變化是相對較為恒穩的，表征兩種不同的物理過程。時段2和時段3的結果相比較，各臺雖有差異存在，但變化均在同一數量級之內，也表現出過程的相對恒穩性。

從上述結果看，我們雖不能完全剔除非地震因素對結果的影響，但結果量值的較大差異、動態過程的差異及對地理位置的綜合分析，認為成都臺的結果中包含有與汶川地震有關的重要信息。

4 結論

（1）不同臺站和不同時段的計算結果表明，成都臺在2008年5月上旬存在地磁Z分量的譜質心急劇變化的現象，這個特征信息包含汶川地震孕震過程中的信息，是進一步研究地震孕育過程的重要參量。

（2）震前地磁Z分量的譜質心變化異常的現象只在鄰近震中（成都臺震中距35km）的觀測資料中提取到，這個信息對于孕震區域位置的預測具有參考意義。

（3）震前地磁Z分量的譜質心隨時間變化呈現出逐漸升高，變化幅度逐漸增大的基本趨勢。表明存在震前地磁頻譜中高頻成分逐漸增多的物理過程，其機理需進一步深入研究。

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