2013年岷縣—漳縣6.6級地震前地磁日變化異常及機理分析

李軍輝,姜楚峰,馮志生,何 康,鄭海剛

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站,安徽 合肥 230031;3.湖北省地震局,湖北 武漢 430071;4.江蘇省地震局,江蘇 南京 210014)

0 引言

地殼上地幔橫向電性結構不均勻性的重要地磁變化異常特征之一是高導帶二側地磁垂直分量有反相位短周期變化,水平分量沒有反相位短周期變化,高導帶埋深越淺,垂直分量反相位越明顯。研究人員研究發現,地震之前相鄰臺站地磁垂直分量日變化曲線中會出現短時間的短周期反相位變化,提出了地磁低點位移法[1]和地磁垂直分量日變化空間相關法[2-3]等方法研究反相位變化異常與地震關系,并將其應用于地震預報實踐工作中。

林美等[1]對1976—1979年云南省地磁臺站的垂直分量每日整點值進行相關分析,結果顯示,1976年5月29日龍陵7.4級、1976年11月7日寧蒗6.7等地震前,連續數天以上相關系數低于2倍均方差的變化為異常,異常出現在震前1—2個月內,異常結束或趨于結束時發震。馮志生等[3]研究了江蘇地區臺站地磁Z分量整點值的空間相關性,給出了在江蘇地區的異常指標;另外發現在中國大陸地區每年的11月初至次年2月底,地磁垂直分量日變化相關性低,無法提取該時段前兆異常。馮志生等[4]為了分析地震之前的日變空間相關異常,采用延時技術消除了經度效應造成的日變化相位差異對相關系數的影響,總結了1995年9月20日山東蒼山5.3、1996年11月9日南黃海6.1等典型震例。張秀霞等[5-6]采用地磁數字化觀測資料相繼在江蘇、青海、四川等地區開展了日變化空間相關研究,在資料運用、震例總結、指標建立等方面都取得了一定的成果。

戴勇等[7-8]分析了2014年云南盈江6.1和魯甸6.5級地震前川滇地區地磁臺站垂直分量日變化空間相關異常,以及2013年岷縣—漳縣6.6級地震前,震中附近陜甘寧川青地區地磁臺站垂直分量日變化空間相關異常,發現震前3個月地震附近臺站相關系數出現準同步下降異常,地震發生在相關系數高梯度帶,該相關系數高梯度帶為異常區域正常區的分界地區。

馮志生等[9]采用相關分析方法分析了全國2009—2018年地磁垂直分量日變化資料,研究了臺站之間地磁垂直分量日變化的相關性與我國南北帶中強地震活動之間關系,發現南北帶附近6.0級以上地震主要發生在短期原地重現的線狀集中分布電流端部。本文采用改進的空間相關分析方法進一步分析了2013年7月22日,甘肅定西市岷縣、漳縣6.6級地震前地磁Z分量日變化異常的重疊現象,給出了空間位置更為準確的反相位變化,并對地磁日變化反相位異常的成因進行了解釋。

1 數據及分析方法

1.1 觀測數據

本文選取中國大陸地磁臺2012—2013年產出的地磁Z分量日變化數據,主要由通門磁力儀、FHD質子磁力儀等觀測產出數據,為方便延時處理一般應采用轉換后的北京時分鐘值數據進行分析。為了確保計算結果的準確性和可靠性,對地磁數據進行了篩選,觀測數據不連續、缺數較多的臺站不參與計算,篩選151個地磁臺站的Z分量數據資料進行日變化空間相關計算。

1.2 分析方法及異常判定

(1) 空間相關分析方法:采用二個臺站地磁垂直分量日變化分鐘采樣序列X和Y的相關系數r,其計算方法主要的原理和算法見參考文獻[3]。相關系數r的取值范圍是0≤∣r∣≤1,∣r∣越接近0,說明兩組觀測數據之間的相關程度越小,反之,∣r∣越接近1,表示兩組觀測數據之間的相關程度越高。

(2) 相關系數計算:為避免單個參考臺數據影響計算結果,本文選擇新沂、紅山二個參考臺(圖1),計算其他臺站與參考臺的地磁垂直分量的日變化空間相關系數,在計算相關系數時,采用“延時技術”消除經度影響。

圖1 地磁臺站分布及岷縣—漳縣6.6級地震震中分布Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in China and the epicenter of Minxian-Zhangxian M6.6 earthquake

(3) 異常判定。根據2008—2018年全國地磁日變化空間相關資料的分析及震例總結,異常判定主要分為:(1)每年3月1日至10月31日期間,全國有9個以上臺站與2個參考臺之間同一天相關系數出現低于閾值變化,則該天地磁日變化空間相關異常成立。(2)將各臺站相關系數除以前一年相關系數的“均值-2倍均方差”,以消除臺站距離不同對相關系數的影響,此時相關系數“1”為相關系數異常閾值,即相關系數2倍方差下限;(3)計算各臺站的二個參考臺相關系數均值;(4)將各臺站相關系數減“1”,此時相關系數“0”值線為異常分界線。

2 地磁垂直分量日變化異常特征

(1) 本文計算了2012年3—10月時間段150個臺站分別與紅山和新沂相關系數的閾值,對比2013年3—10月各臺站與參考臺之間相關系數在地震前后的變化,結果顯示:滿足日變化空間相關異常的判定標準且與2013年7月22日岷縣—漳縣6.6級地震相關的異常有2次,分別為2013年7月3日、2013年7月4日分別有16個和17個臺站出現相關系數下降的異常,兩次異常均主要集中在震中附近,異常區域與正常區域有明顯的分界線,2次異常的分界線走向震中附近重疊較好(圖2)。

圖2 異常臺站分布Fig.2 Distribution of stations recording anomalies

(2) 圖3為2013年3—10月震中附近臺站地磁Z分量日變化與紅山、新沂的地磁日變化空間相關系數,結合表1的統計結果顯示:蘭州、英鴿、山丹、嘉峪關、湟源、格爾木、都蘭、中衛、道孚、拉薩、察隅等16個臺站與紅山、新沂兩個臺站的相關系數在2013年7月3日都出現同步下降超閾值的變化,成都、周至、天水等臺站變化正常;2013年7月4日,蘭州、山丹、嘉峪關、湟源、格爾木、都蘭、西昌、木里、永勝等17個臺站的相關系數也出現了同步下降超閾值的變化,異常出現之后的18天左右,“0”值線區域附近發生岷縣—漳縣6.6級地震。

圖3 2013年3—10月地磁垂直分量日變化空間相關系數曲線Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation from March to October,2013

(3) 研究表明:地磁垂直分量日變化相關下降異常的本質是地磁垂直分量日變出現反相位變化。為進一步研究地磁Z分量日變化相關系數下降的原因,分別對比了7月3日,7月4日分界線兩側多個臺站的日變化曲線,結果顯示:兩次異常時段異常區域內的蘭州、英鴿、山丹、嘉峪關等臺站的具有一致的日變化形態,正常區域的天水、周至、成都等臺站具有一致的日變化形態[圖4(a)、(b) ]。選擇分界線兩側代表性臺站蘭州和天水的地磁Z分量日變化數據進一步對比,發現7月3日09:00—15:00蘭州臺地磁Z分量日變化出現了與天水臺相位相反的變化[圖4(c)],7月4日08:00—17:00蘭州臺地磁Z分量日變化出現了與天水臺相位相反的變化[圖4(d)]。

圖4 地磁Z分量日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curves of geomagnetic vertical component

3 反相位變化的周期特征

為了進一步明確地磁Z分量日變化出現反相位的周期,本文采用S變換時頻分析方法對蘭州、天水兩個臺站相同時段的地磁Z分量進行分頻,對分頻后兩個臺站相同周期的地磁Z分量日變化時間序列進行相關系數計算,分析相同周期的相關系數出現負相關的變化,以便確定反相位的周期。

(1) S變換方法原理

S變換由Stockwell等[10]于1996年提出,可以由STFT和小波變換導出,S變換的一維連續正變換為:

(1)

式中:h(t)為原始信號;S(T,f)為相應的S正變換的結果;f為頻率;t為觀測時間;T為時間軸上高斯窗的位置。

對于離散S變換,其正變換的公式為:

(2)

對于n=0的情況,則為如下常數

(3)

式中:j、m、n=0,1,…,N-1,j、m為時間樣點序號;k、n為頻率樣點序號;T為采樣間隔;N為離散點總數。

離散S反變換的公式為:

(4)

在S變換中,頻率的倒數決定了S變換中高斯窗的尺度大小,使其具有了類似小波變換的多分辨率特性。S變換保留了每個頻率的絕對相位特征,具有無損可逆性。此外,S變換時頻分析方法在多個領域得到廣泛的應用[11-18]。

(2) 結果分析

利用S變換方法對分界線兩側蘭州、天水臺2013年4月1日至2013年8月31日的地磁Z分量日變化進行分頻后,再計算兩個臺站相同周期相關系數。計算結果顯示:日變化周期在200分鐘以下的相關系數無明顯的規律性變化,300分鐘以上周期基本都是正相關變化(圖5)。2013年7月3日兩個臺站的地磁日變化在25、42、360分鐘周期上出現負相關的變化,2013年7月4日在48、288、320、360分鐘出現負相關(圖6)。研究表明地磁場主要由1～5階諧波組成,它們的周期分別是24、12、8、6、4.8 h,前5階可以較好的近似觀測數據,擬合地磁日變化的主要形態和特征[19],因此認為地磁日變化前5階的反相位變化是引起地磁日變化相關系數下降的主要原因,7月3日的相關系數下降主要由于兩個臺站地磁Z分量日變化的6小時左右周期出現反相位變化,7月4日的異常主要是由于日變化的4.8、6 h周期的出現反相位變化。

圖5 蘭州、天水2013年4—8月地磁Z分量日變化不同周期相關系數Fig.5 The correlation coefficient of different period of daily variation of geomagnetic Z component between Lanzhou and Tianshui station from April to August 2013

圖6 蘭州、天水兩次異常時段不同周期的相關系數Fig.6 The correlation coefficient of different period of two anomalies at Lanzhou and Tianshui stations

4 機理解釋

通過蘭州、天水兩個臺站地磁日變化對比,結果顯示:2013年7月3日、7月4日的異常時段分界線二側地磁Z分量日變化有明顯反相位變化[圖7(a)、(b)],兩個臺站的相同時段的水平分量H的日變化一致,沒有同步的反相位變化[圖7(c)、(d)]。

圖7 兩次異常時段的日變化對比Fig.7 Comparison between diurnal variations of vertical and horizontal components during two abnormal periods

根據相關的觀測結果及Biot-Savart定律,馮志生等[20]推測在分界線的下方有電流通過,該電流產生的磁場在分界線兩側方向相反。章鑫等[21]依據甘肅東南地區大地電磁測深的電性結構定量計算了2013年岷縣漳縣6.6級地震前的畸變電流強度,在一定程度上解釋了大區域低點位移現象。研究資料表明在青藏高原東北緣的地殼中有高導層分布[22],與本文2次異常的分界線走向基本一致,圖8中電流可以視為由于地殼內高導層產生的感應電流,B(t)為臺站a與臺站b正常的垂直分量日變化曲線。I(t)為集中分布于臺站a和臺站b之間地殼內的感應電流;由于感應電流埋深遠小于臺站間距,因此,臺站a和臺站b只有I(t)的垂直分量磁場,其產生的垂直分量磁場為BI(t),二個臺站BI(t)為反相位。疊加結果為臺站a臺站b的B′I(t)出現同步反相位變化。

圖8 感應電流集中分布導致地磁日變化Z分量出現反相位機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of the mechanism of the reverse phase anomaly of the Z component caused by the concentrated distribution of the induced current

5 討論與結論

本文利用地磁日變化空間相關方法計算了中國大陸2012—2013年151個地磁臺的Z分量日變化的相關系數,分析了空間相關系數在2013年肅岷縣—漳縣6.6級地震前后的變化,主要結論如下:

(1) 2013年7月3日、7月4日在震中附近分別出現了16和17個臺站的地磁日變化相關系數出現低于閾值的異常,正常區域與異常區域具有明顯的空間分界線。選取分界線兩側典型的天水和蘭州臺地磁Z分量日變化進行對比,發現2次異常時段,分界線兩側的Z分量日變化具有明顯反相位變化。

(2) 利用S變換方法對天水和蘭州臺的Z分量日變化進行分頻率相關系數計算,發現7月3日、7月4日的地磁Z分量的日變化均在6小時左右的周期出現負相關變化,7月4日在4.8 h周期也存在負相關。其他頻段未出現類似變化,因此認為,甘肅岷縣—漳縣6.6級地震前地磁Z分量日變化異常產生的反相位異常主要集中在6 h和4.8 h左右。

(3) 馮志生等[20]研究發現,地磁低點位移異常的關鍵特征是地磁低點位移線兩側存在反相位變化,基于電磁理論推測反相位變化期間有感應電流集中分布于分界線下方。本文研究發現,地磁日變化相關異常和地磁低點位移異常機理是一致的,是感應電流集中分布導致地磁垂直分量日變化出現反相位的畸變所致。

致謝:感謝朱培育提供的地磁數據下載程序。