高郵-寶應4.9級地震地磁諧波振幅比異常特征初步分析

蔣延林 袁桂平 李鴻宇 唐廷梅 趙衛紅

1）江蘇省地震局高郵地震臺，江蘇省高郵市南郊地震臺路2號 225601

2）江蘇省地震局，南京 210014

3）山東省地震局，濟南 250014

0 引言

在地震孕育過程中，隨著孕震區應力的增加，孕震區介質電阻率一般會發生下降變化。馮志生等（2009）指出，基于電磁感應理論的各種計算方法可用于探測孕震區深部電阻率變化信息，但對于提取與地震孕育過程有關的異常變化信息這一目標而言，在目前對地震孕育過程中深部電阻率異常變化的機理并不十分清楚、深部電阻率異常變化所引起的變化磁場的異常很微弱的情況下，所采用的計算方法對實際地球介質的假定和約束應越少越好，而地磁諧波振幅比則是能滿足該條件的較好的方法。馮志生等（2004）初步研究表明，地磁諧波振幅比異常變化特征與（直流）地電阻率的變化特征類似，主要表現為下降-轉折-恢復上升的變化過程，地震基本發生在趨勢性下降后的轉折期、恢復上升期或恢復后的初期階段。異常持續時間與震級間的關系符合地電阻率的異常持續時間與震級間的關系，即時間越長，震級越高，但同震級地震的地磁諧波振幅比異常持續時間比地電阻率異常持續時間長。馮志生等（2013）進一步研究發現，地震一般發生在異常恢復上升期出現SN向與EW向不同步或長短周期不同步現象的臺站附近300km范圍內以及僅有短周期出現異常且異常持續時間僅1～2年的臺站附近300km范圍內，但此情況下震級一般僅為5級左右。

在以往一些研究中，研究區域內、時段內地震較多，地震與異常的一一對應關系不明顯，此情形對提取異常特征和判據可能會產生干擾，而與此不同的是，孤立地震事件則有利于提取地震前后的異常特征。2012年7月20日江蘇省高郵市與寶應市交界發生4.9級地震，該地震周邊200km范圍內地磁臺站分布較密，其中高郵臺、鹽城臺和淮安臺的震中距分別僅為37、57、67km，同時該地震發生前后附近地區也未發生其他中等以上地震，此情形為研究地震地磁異常時空特征提供了便利。本文初步研究了該地震周圍地磁諧波振幅比異常特征并對其進行了定性解釋。

1 基本原理、資料處理與結果

地磁諧波振幅比 YZHx（NS）和 YZHy（EW）的定義為

其中，Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁場的垂直分量、水平分量 SN向和 EW向譜；ω為圓頻率。對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質為均勻各向同性的平面導體的條件下，則有

式中，μ為磁導率；σ為電導率；ω為圓頻率；λ為常數，是變化磁場的波數。在這種情況下，YZHx（NS）和 YZHy（EW）與地下介質的電阻率 ρ呈正比，當 YZHx（NS）和 YZHy（EW）下降時，可能對應了地下介質的電阻率ρ的下降。

FHD質子矢量磁力儀采用質子磁力儀與線圈組合觀測原理（錢家棟等，2010），每分鐘觀測1組地磁總場F、水平分量（水平分量全矢量）H和磁偏角D，其中F和H為絕對值，D為相對值，F、H、D的觀測精度分別為0.3nT、0.6nT、0.1′。本次計算分析采用的是地震周圍臺站FHD質子矢量磁力儀分鐘值三分量觀測資料，地震震中與臺站分布見圖1，各臺站FHD磁力儀開始觀測時間見表1，其中無錫臺資料質量一直不佳，海安臺2009年資料不穩定，凌陽臺2010年資料不穩定，崇明臺一直受地鐵干擾，故以上4個臺的資料均未參與計算分析。

資料處理及計算過程采用馮志生編制的軟件①馮志生，2012，地磁諧波振幅比地磁轉換函數專用計算程序，具體計算步驟為：①將每日F、H和D資料轉換為Z、Hx和Hy；②去噪聲、線性去傾、加漢寧窗；③按周期等間隔計算5～65m in的每分鐘的三分量富氏譜 Z（ω）、Hx（ω）和 Hy（ω）；④按每10m in一個頻帶計算譜的頻帶均值；⑤計算各頻帶（10、20、30、40、50、60m in）的地磁諧波振幅比；⑥計算年滑動平均，消除年變化。各臺站計算結果如圖2所示。

2 異常特征

圖2（a）高郵臺震中距37km，各周期的地磁諧波振幅比約自2010年初開始出現下降，轉折時間大部分出現在2010年底，但除YZHx（NS）的10、20、30min出現完整的下降-轉折-恢復回升變化，并于震后的2013年初恢復到原有水平（圖2（a）中陰影部分），其它基本沒有出現恢復回升變化，即恢復階段不同步。另外，YZHx（NS）50m in未出現下降-轉折-恢復回升變化。

圖1 高郵-寶應4.9級地震震中與地磁臺站分布

表1 地磁臺站觀測開始時間

圖2（b）鹽城臺震中距57km，各周期的地磁諧波振幅比下降出現時間前后跨度大，約從2009年底～2010年底，轉折時間大部分出現在2011年底，比高郵臺晚約1年，恢復時間大部分出現在震后的2012年底～2013年初，與高郵臺恢復時間大體一致，但恢復水平或不完全或過頭（圖2（b）中陰影部分）。另，YZHx（NS）10min一直到2011年中才出現小幅下降變化，而YZHy（EW）20min無下降變化。

圖2（c）淮安臺震中距 67km，YZHy（EW）10、20、30、40min未出現下降-轉折-恢復回升變化或變化不明顯，其他周期從2010年初開始出現下降變化，2011年先后發生轉折，恢復時間大部分出現在震后的2012年底～2013年初，除 YZHx（NS）10、20min外，其他周期都未能恢復到原有水平（圖2（c）中陰影部分）。

圖2（d）連云港臺震中距178km，YZHx（NS）各周期都出現了下降-轉折-恢復回升變化且形態完整，下降時間基本出現在2009年下半年，2012年先后發生轉折，恢復時間出現在震后的2012年底～2013年。YZHy（EW）各周期都出現了下降和轉折，且與 YZHx（NS）同步，但未出現恢復回升變化或恢復回升變化不明顯。

圖2 地磁諧波振幅比變化與地震

圖2（e）新沂臺震中距187km，各周期地磁諧波振幅比都出現了下降-轉折-恢復回升變化且形態完整，下降時間基本出現在2009年下半年，2011年先后發生轉折，恢復時間出現在震后的2012年底～2013年。

圖2（f）泰安臺震中距419km，各周期地磁諧波振幅比都出現了下降-轉折-恢復回升變化且形態完整，恢復回升同步性較好。

3 定性解釋

上述地磁諧波振幅比異常變化特征可概括為：基本變化形態為下降-轉折-恢復上升，其中，下降時間為2009～2010年，轉折時間為2011年，恢復上升時間為2012～2013年，高郵-寶應4.9級地震發生在恢復上升期。距該地震震中較近的高郵、鹽城和淮安等臺站異常恢復期不同步現象明顯，距震中較遠的新沂臺和泰安臺異常形態完整，恢復期沒有出現不同步現象。

龔紹京等（2001）應用三維有限差分法對長方形高導體的地磁轉換函數分布特征進行了數值模擬計算，根據計算結果的空間分布立體圖，地磁轉換函數A和B在高導體中央的變化小，極值主要分布在高導體4個犄角和邊界附近，且A與B在高導體4個犄角和邊界附近的變化分布明顯不同。由于地磁轉換函數A和B分別與地磁諧波振幅比YZHx和YZHy對應，因此該模擬計算結果很好地解釋了地震附近臺站地磁諧波振幅比YZHx和YZHy的不同步現象，即當孕震區出現高導異常后，位于高導異常體邊界附近臺站的地磁諧波振幅比YZHx和YZHy會出現不同步現象，故利用地磁諧波振幅比YZHx和YZHy出現不同步現象可以初步界定高導異常的邊界位置。

4 結語

本文通過孤立地震事件研究，進一步驗證了地磁諧波振幅比的異常時空特征，即地磁諧波振幅比異常特征表現出與地電阻率類似的下降-轉折-恢復上升的異常變化過程，地震一般發生在異常轉折或恢復上升的過程中，距震中較近的臺站會出現不同步現象——SN向與EW向的不同步以及長短周期的不同步。