甘
—青地區(qū)地磁諧波振幅比分析①

戴　勇, 高立新, 張立豐

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

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甘
—青地區(qū)地磁諧波振幅比分析①

戴勇, 高立新, 張立豐

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

摘要：以甘肅、青海及周邊地區(qū)(33°~43° N，94°~107° E)作為研究區(qū)，采用諧波振幅比方法處理地磁資料。結(jié)果顯示：(1)在周邊顯著地震發(fā)生前,位于甘—青地區(qū)的嘉峪關(guān)、山丹、都蘭、湟源和英鴿5個臺站地磁諧波振幅比一般存在“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”異常變化，其持續(xù)時間為1~3年，變化幅度為0.03~1.30，地震發(fā)生在異常轉(zhuǎn)折或恢復的過程中；(2)所研究的5個地磁臺站中，僅山丹臺地磁諧波振幅比存在周期間的遷移特征；(3)嘉峪關(guān)、山丹兩個臺站地磁諧波振幅比分別自2010、2011年開始存在“下降-轉(zhuǎn)折-上升”異常變化，2012年以來出現(xiàn)Yspan和Yspan不同項之間以及同一項不同周期間不同步跡象，今后應(yīng)重點關(guān)注這兩個臺站地磁諧波振幅比異常變化。

關(guān)鍵詞：地磁； 諧波振幅比； 異常； 地震

0引言

地震孕育過程中，孕震區(qū)應(yīng)力可引起地下電性結(jié)構(gòu)、電導率等的變化，使感生的二次磁場發(fā)生變化，磁場變化不僅表現(xiàn)在地磁垂直分量上，也表現(xiàn)在地磁水平分量上。基于上述理論，Schmucker[1]引入轉(zhuǎn)換函數(shù)的概念，之后眾多地震學者從分析地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)異常變化特征及其與地震的關(guān)系、總結(jié)典型震例和研究機理等方面較為系統(tǒng)地研究了地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)理論[2-7]。馮志生等[8-11]在地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)理論基礎(chǔ)上提出了地磁諧波振幅比概念，并對崇明臺、佘山臺1982—1999年地磁數(shù)據(jù)進行處理，得到兩個臺站地磁三分量之間的地磁諧波振幅比，結(jié)果顯示，中強地震發(fā)生前后地磁諧波振幅比的趨勢性異常變化特征與地電阻率的趨勢性地震異常特征相似，表現(xiàn)為下降-轉(zhuǎn)折-恢復，持續(xù)時間為1~3年等。馮志生等[2]分析了新疆喀什臺地磁諧波振幅比在幾個6級地震前后的變化特征，結(jié)合上海佘山和崇明臺的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當震中距較大時，地磁諧波振幅比的異常變化過程具有由長周期向短周期遷移的現(xiàn)象，而當震中距較小時，其異常變化過程則具有由短周期向長周期遷移的現(xiàn)象。馮志生等[9]分析7級以上強地震前地磁諧波振幅比的異常變化特征，初步發(fā)現(xiàn)7級以上地震的地磁諧波振幅比趨勢性異常特征與5~6級地震的特征基本一樣，但異常持續(xù)時間為4年以上。由此可見，地磁諧波振幅比方法能提取出地磁異常變化，且其結(jié)果具有較好的映震效果。

甘肅、青海兩省地磁臺網(wǎng)分布較為密集、合理，其中甘肅有四個地磁臺站和一個地磁臺陣，青海有八個地磁臺站，產(chǎn)出了大量的地磁數(shù)據(jù)。本文主要以甘—青地區(qū)(33°~43° N，94°~107° E)作為研究區(qū)域，采用諧波振幅比方法對地磁數(shù)據(jù)進行處理，獲得地磁諧波振幅比結(jié)果，并對結(jié)果進行震例分析，以提高甘—青地區(qū)地磁數(shù)據(jù)的應(yīng)用率。

1分析方法與資料選取

1.1地磁諧波振幅比方法

地磁諧波振幅比YZHx和YZHy和YHxHy的定義為[9]：

(1)

其中:Z(ω)、Hx(ω)和Hy(ω)分別是地磁場垂直分量、南北水平分量和東西水平分量的振幅譜。對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導體的條件下[12]：

(2)

式中:μ為磁導率；σ為電導率；ω為圓頻率；λ為常數(shù)，是變化磁場的波數(shù)。

由式(2)可見，YZHx和YZHy與介質(zhì)的電阻率呈正比，即當?shù)厍蚪橘|(zhì)電阻率下降時YZHx和YZHy也下降，地磁諧波振幅比異常反映的主要是深部地電阻率異常，其不受地表氣象等干擾因素影響。已有震例研究表明，在5~6級地震前后，諧波振幅比異常變化特征與地電阻率(直流)的變化特征類似，且其異常持續(xù)時間與震級大小之間存在正相關(guān)規(guī)律[2,8-9]。

1.2資料選取

首先選取數(shù)據(jù)連續(xù)、干擾較小的嘉峪關(guān)、山丹、都蘭、湟源四個臺站FHD數(shù)據(jù)和英鴿臺GM4數(shù)據(jù)(圖1)，通過時間轉(zhuǎn)換(世界時轉(zhuǎn)為北京時)、格式轉(zhuǎn)換(“十五”格式轉(zhuǎn)為“九五”格式)、粗差處理(將存在粗差較大、缺數(shù)較多等的“九五”數(shù)據(jù)文件剔除)、虛實傅氏譜計算和諧波振幅比計算五個數(shù)據(jù)處理過程，獲得各臺站地磁諧波振幅比結(jié)果，其中第五個處理過程又包括虛實諧波振幅比每日逐頻值計算、虛實諧波振幅比頻帶均值逐日值計算、月滑動平均計算、年滑動平均計算等步驟。

其次，將各臺站地磁諧波振幅比結(jié)果與各臺站周邊300 km范圍內(nèi)MS≥5.0地震(表1)進行映震分析。本文需要說明：(1)本研究采用的地震目錄是由中國地震臺網(wǎng)中心提供的全國MS≥5.0地震目錄；(2)考慮到都蘭臺300 km范圍以內(nèi)發(fā)生的MS≥5.0地震較多，本研究在對該臺地磁諧波振幅比進行映震分析時，僅列出主震。

圖1　參與計算的地磁臺站和參與分析的地震震中分布Fig.1　Distribution of geomagnetic stations and earthquake　　　 epicenters used in the study

表 1　甘—青地區(qū)參與計算的地磁臺站周邊300 km范圍內(nèi)MS≥5.0地震

2計算結(jié)果與分析

2.1嘉峪關(guān)臺地磁諧波振幅比分析

嘉峪關(guān)臺地磁諧波振幅比自2002 年以來出現(xiàn)三次類似于地電阻率的“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”異常變化(圖2)。

(1) 2002年1月—2004年8月YZHx和YZHy處于準同步變化狀態(tài)，異常持續(xù)時間超過2.5年，最大幅度為0.13，期間發(fā)生了8次5.0級以上地震，除震

圖2　嘉峪關(guān)臺地磁諧波振幅比曲線Fig.2　Curve of the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave at Jiayuguan station

中距為79 km的5.9級地震發(fā)生在異常變化的下降階段外，其余地震都發(fā)生在轉(zhuǎn)折或者上升階段，且這些地震距嘉峪關(guān)臺超過270 km。

(2) 2006年10月—2010年3月YZHx和YZHy出現(xiàn)準同步的“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”異常變化，異常持續(xù)時間達到3.5年，最大幅度為0.09。異常期間臺站周邊發(fā)生2次震中距超過180 km的5.0級以上地震，且都處于異常上升變化后期。

(3)YZHx和YZHy在2011年1月—2012年10月間存在準同步的異常變化，最大幅度為0.06。自2012年11月開始，在前期變化背景下出現(xiàn)不同項之間以及同一項不同周期間同步性變差特征。異常期間僅在距嘉峪關(guān)臺92 km處發(fā)生2012年甘肅金塔5.4級地震，該地震之后YZHx和YZHy異常仍在持續(xù)，不同步特征尤為明顯，且前兩次異常期間嘉峪關(guān)臺周邊對應(yīng)的是成組地震發(fā)生。結(jié)合“汶川8.0級地震前成都臺地磁諧波振幅比存在不同步的異常變化現(xiàn)象”[9]這一震例分析，初步判定未來一段時間內(nèi)嘉峪關(guān)臺周邊存在發(fā)生6級以上地震的危險性。

2.2山丹臺地磁諧波振幅比分析

圖3顯示的是山丹臺地磁諧波振幅比結(jié)果，YZHx在2010年4月—2013年5月存在“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”的異常變化，且最低點時刻存在明顯的由長周期向短周期遷移特征，異常持續(xù)時間為3年，最大幅度為0.09。周期為20、30、40、50和60 minYZHy，在2010年4月—2012年11月存在與同時段YZHx準同步的“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”異常變化，但自2012年12月開始出現(xiàn)與YZHx不同步的下降變化，部分周期的YZHy在2013年10月出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、上升的變化。

2.3都蘭臺地磁諧波振幅比分析

圖4顯示的是都蘭臺地磁諧波振幅比結(jié)果(由于MS≥5.0地震較多，在此僅將幾次主震標出)。都蘭臺地磁諧波振幅比自2008年以來出現(xiàn)過兩次特征為“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”的異常變化。

(1) 2008年4月—2010年5月在周期為10~60 min的YZHx和YZHy中僅周期為20、30、40 minYZHx存在異常變化，持續(xù)時間為2年，最大幅度為0.06。異常期間臺站周邊發(fā)生的三次6級以上地震中有兩次處于異常上升階段。

(2) 2011年7月—2014年8月YZHx和YZHy出現(xiàn)準同步變化，持續(xù)時間為3年，最大幅度為0.09。在異常上升階段距臺站245 km處發(fā)生5.2級地震。

2.4湟源臺地磁諧波振幅比分析

圖3　山丹臺地磁諧波振幅比曲線Fig.3　Curve of the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave at Shandan station

圖4　都蘭臺地磁諧波振幅比曲線Fig.4　 Curve of the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave at Dulan station

2010年4月—2012年10月湟源臺YZHx和YZHy出現(xiàn)準同步變化，異常持續(xù)時間為2.5年，最大幅度為0.03。異常期間臺站周邊300 km范圍內(nèi)未發(fā)生5級以上地震，而在異常結(jié)束后1年內(nèi)在距臺站124 km處發(fā)生5.3級地震(圖5)。

2.5英鴿臺地磁諧波振幅比分析

2010年1月—2013年8月英鴿臺YZHx和YZHy出現(xiàn)準同步的“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”異常變化，異常持續(xù)時間為3年，最大幅度為0.07。在異常上升階段距臺站300 km范圍內(nèi)發(fā)生三次5.0級以上地震，其中最大地震為岷縣6.6級地震(圖6)。

圖5　湟源臺地磁諧波振幅比曲線Fig.5　 Curve of the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave at Huangyuan station

圖6　英鴿臺地磁諧波振幅比曲線Fig.6　Curve of the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave at Yingge station

3結(jié)論與討論

(1) 馮志生等通過對崇明、佘山、喀什等臺站地磁諧波比分析，發(fā)現(xiàn)在中強以上地震發(fā)生前后地磁諧波振幅比的變化表現(xiàn)出與地電阻率類似的“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”的異常變化過程[2,8]。對位于甘-青地區(qū)的嘉峪關(guān)、山丹、都蘭、湟源和英鴿5個臺站地磁諧波振幅比進行分析，發(fā)現(xiàn)在臺站周邊發(fā)生顯著地震時或者之前地磁諧波振幅比也會出現(xiàn)特征為“下降-轉(zhuǎn)折-恢復”的異常變化，這進一步說明諧波振幅比方法在地震預(yù)測研究中具有良好的映震效果和廣闊的應(yīng)用前景。

(2) 本文通過對甘-青地區(qū)地磁臺站諧波振幅比結(jié)果進行震例總結(jié)，發(fā)現(xiàn)5級以上地震對應(yīng)的地磁諧波振幅比曲線異常總的持續(xù)時間一般為1～3年，地震一般發(fā)生在異常轉(zhuǎn)折或恢復的過程中，異常最大幅度一般在0.03~1.30之間波動。

(3) 馮志生等通過對崇明、佘山、喀什等臺站地磁諧波比分析，發(fā)現(xiàn)地磁諧波振幅比一般存在不同周期間遷移特征，并發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象與地震震中距之間可能存在一定相關(guān)性[2,8]。本文對甘—青地區(qū)地磁諧波振幅比進行研究，發(fā)現(xiàn)5個地磁臺站中僅山丹臺地磁諧波振幅比具有明顯的遷移特征。另外要說明的是，山丹臺的地磁諧波振幅比遷移特征與該臺周邊發(fā)生的中強以上地震震中距之間似乎未有明顯聯(lián)系。

(4) 采用地磁諧波振幅比方法進行異常分析和震例總結(jié)時，判據(jù)是對其結(jié)果進行異常判斷的重要標準，該依據(jù)是否合理，將直接影響結(jié)論的科學性。考慮到地磁諧波振幅比變化特征與地電阻率變化特征相似，分析預(yù)報人員可參照地電阻率前兆異常變化特征進行初步分析。由于地磁諧波振幅比結(jié)果能同時給出不同周期下的變化特征，分析預(yù)報人員還可依據(jù)同一周期不同項以及同一項不同周期間的變化特征，對地磁諧波振幅比異常進行更為深入地分析。今后隨著所累積的震例不斷豐富，現(xiàn)有的地磁諧波振幅比異常判據(jù)將會被逐步修正和完善。

(5) 嘉峪關(guān)、山丹兩個臺站地磁諧波振幅比出現(xiàn)的不同步異常變化起始時間一致，且目前都在持續(xù)。一般情況下，地磁諧波振幅比不同項之間或者不同周期間同步性差，意味著異常體距離臺站較近[9]。今后應(yīng)繼續(xù)關(guān)注上述兩臺地磁諧波振幅比變化。

致謝：馮志生研究員為本研究提供計算程序；在本研究開展過程及本文撰寫過程中，馮志生研究員、李鴻宇助理研究員給予了無私的幫助和指導,在此一并表示感謝！

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Study on the Amplitude Ratio of Geomagnetic Harmonic Wave in Gansu-Qinghai Region

DAI Yong, GAO Li-xin, ZHANG Li-feng

(EarthquakeAdministrationofInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot010010,InnerMongolia，China)

Abstract：After the completion of projects as part of the ninth and tenth five-year plans, the geomagnetic observatories networks of Gansu and Qinghai provinces have become densely distributed. The Gansu network has four geomagnetic stations and a geomagnetic array, while there are eight geomagnetic stations in the Qinghai network. The two networks have produced a large amount of geomagnetic data since 2008.

The Gansu-Qinghai region (33°~43° N, 94°~107° E) was identified as the study area for this study. The geomagnetic data in the study area was analyzed using the harmonic amplitude ratio method, and the relationships between the results and the earthquakes in the Gansu-Qinghai region were investigated. Feng Zhi-sheng et al. analyzed the geomagnetic humorous wave amplitude ratios of Chongming, Sheshan, Kashi, and other geomagnetic stations and reported the existence of down-turning-recovery characteristics before and after medium-to-strong earthquakes, which are similar to the earthquake precursor anomaly variations of earth resistivity. We analyzed the geomagnetic harmonic amplitude ratios of Jiayuguan, Shandan, Dulan, Huangyuan, and Yingge geomagnetic stations and reached the same conclusions. The amplitude ratio method has been widely employed for earthquake prediction. The duration of geomagnetic humorous wave amplitude ratio curve abnormalities of earthquakes withM≥5 is 1~3 years. Earthquakes typically occur at the abnormal twist or recovery points. The anomaly amplitude varies between 0.03 and 1.30. Feng Zhi-sheng et al. reported the occurrence of migration phenomenon among the curves of different periods. Further, there may be some correlation between the distance of the phenomenon and the earthquake epicenter. In this study, the migration phenomenon was observed only in the curves corresponding to the Shandan station, and no obvious correlation was observed between the migration phenomenon and the earthquake epicenter.

The judgment standard must be determined when analyzing abnormal variations and summarizing earthquake case studies. Researchers analyze abnormal variations in geomagnetic humorous wave amplitude ratio curves using the earth resistivity anomaly judgment standard and the characteristics of different items or different periods during the same item. The starting times of inconsistent variations in the geomagnetic humorous wave amplitude ratio curves of Jiayuguan and Shandan geomagnetic stations are the same. Normally, if the geomagnetic humorous amplitude ratio curves of different item or different periods during the same item show a poor synchronization, it indicates an abnormal body near the distance station. In the future, we will focus on the variations in harmonic amplitude ratios of the two abovementioned geomagnetic stations.

Key words：geomagnetism; harmonic wave amplitude ratio; anomaly; earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0012

中圖分類號:P318

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0012-07

作者簡介：戴勇(1981-), 男, 安徽巢湖人，工程師, 主要從事地震預(yù)測研究工作。E-mail:daiyong06@mails.ucas.ac.cn。

基金項目：2014年度震情跟蹤青年課題(2014020401)

收稿日期：①2014-12-04