重慶武隆M5.0地震前地磁異常特征分析

翁 騁,戴 苗,王弘宇,王秋良

(1.中國地震局地震研究所大地測量重點實驗室,湖北 武漢 430071;2.湖北省地震局,湖北 武漢 430071)

0 引言

2017年11月23日17時43分在重慶武隆(29.40°N,107.94°E)發生M5.0地震,震源深度10 km。震中距離武隆區滄溝鄉約5 km,當地居民反映震感非常明顯,沒有人員傷亡。有歷史地震記錄以來,距離震中100 km范圍內只記錄到一次M5.0以上地震,為2004年11月21日發生在重慶市忠縣的M5.1地震。孕震過程往往伴隨著電磁場的變化[1-2],近些年來,國內外學者試圖通過研究地震地磁的基本原理及前兆現象,并結合特殊的異常變化趨勢對地震進行預測,以期降低地震帶來的人員和經濟損失。前人研究表明,在電磁感應理論中,地表的磁場感應成分會受到地下介質電導率的影響[3]。孕震過程中,地下的應力會導致地下電導率及電性結構的變化,從而導致相應的磁場發生變化[4]。馮志生等提出,地磁諧波振幅比異常變化特征與低電阻率變化特征具有較好的相關性,其長期的變化特征可以表現為“下降-轉折-上升”的過程[5]。另外,前人還將加卸載響應比方法應用到地磁資料中,結合歷史地震資料,取得一定研究成果[6-7]。

近年來,武隆地區小震較多,但是較大地震幾乎沒有,有記錄以來只有2004年11月21日發生在距武隆地震震中80 km處的重慶忠縣M5.1地震。這種孤立型地震事件有利于觀察地震前后的異常特征。重慶武隆地震震中附近臺站分布較密集,距離最近的武隆仙女山地磁臺只有約22.3 km。該地震發生之后,震中附近沒有再記錄到較大地震,震后分析為主余型或孤立型地震。這為我們觀測地震前后地磁異常變化提供了良好的條件。利用加卸載響應比和諧波振幅比法進行分析研究,旨在初步解釋地震前后地磁異常變化特征與地震相關性。

1 震中附近地質構造背景

武隆地區以山地地貌為主,震中附近構造變形比較強烈,大部分斷層走向為NE向。武隆M5.0地震震中位于齊岳山—金佛山斷裂帶附近,該斷裂帶北端位于湖北省竹興縣西部馬家山一帶,經金佛山、齊岳山,南至貴州轎子山,是四川盆地與齊岳山—金佛山隆起區的新構造分界線,是為數不多的穿越三峽庫區的斷裂帶之一(圖1)。該斷裂帶在地質歷史時期運動較頻繁,形成于晉寧運動時期,控制著西北側結晶基底的隆起[8]。燕山期,該基底較為活躍,喜馬拉雅運動時期該斷裂帶表現出新的活動性,褶皺變形進一步增強。王贊軍等在武隆土坎發現了齊岳山—金佛山斷裂帶的第四紀活動剖面,認為該斷裂帶最新的活動時期是中更新世,部分段落為晚更新世[8]。

圖1 震中和臺站分布圖Fig.1 Distribution of the earthquake epicenter and stations

2 計算原理與地磁資料選擇

2.1 諧波振幅比計算原理

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平面導體的條件下,有以下公式[7]:

(1)

式中:Z(ω)為地磁場的垂向分量;Hx(ω)為北南向的水平分量;Hy(ω)為東西向的水平分量;σ為電導率;μ為磁導率;ω指圓頻率;k為變化磁場的波數。

地磁諧波振幅比計算公式為[9]:

(2)

2.2 加卸載響應比計算原理

太陽風對地球磁場每5～6天為一個周期進行一次沖擊,這是一個周期性的加載與卸載過程。由于地磁場Z分量比其他分量與地下介質的關系更加密切,因此可選取太陽風卸載與加載時的Z分量日變幅的比值為其加卸載響應比值[7]。有以下公式:

(3)

式中:“-”為卸載;“+”為加載;A為地磁Z分量日變幅度?？山普J為當太陽風對地磁場處于卸載時,A為極小值;而當太陽風對地磁場處于加載時,A為極大值。

2.3 地磁數據處理方法

本文選取震中距由小到大四個臺站,分別為武隆仙女山臺、涪陵江東臺、石柱黃水臺及恩施臺,以下簡稱(武隆仙女山臺、涪陵臺、石柱臺及恩施臺)見表1所列。均選取2012年1月至2017年11月地磁數據進行異常分析,震中分布及臺站分布情況見圖1所示。五個臺站均為GM4型磁通門磁力儀秒采樣相對數據。磁通門磁力儀傳感器由易飽和磁芯、圍繞磁芯的激勵線圈、高導磁系數和感應線圈組成,該磁力儀已經成為全國許多地磁觀測臺站用于記錄地磁數據的典型設備[8]。這為本文分析地震前后地磁前兆數據異常提供了良好的前提條件。數據要求必須具有較高可靠性及連續率,接下來通過計算得到各個臺站的地磁諧波振幅比和加卸載響應比結果,并結合2017年11月23日重慶武隆M5.0地震研究分析地震前后地磁異常現象。

表1 地磁臺站名稱、臺站代碼及震中距Table 1 The name of the geomagnetic station,station code and epicentral distance

3 地磁異常分析

3.1 諧波振幅比異常分析

圖2(a)為武隆仙女山臺諧波振幅比曲線。從圖中可以看出,各周期均經歷了下降-轉折-上升的過程,但是該過程的開始時間和持續時間有一定區別。其中ZHx10 min、ZHx20 min、ZHy10 min、ZHy30 min 、ZHy40 min及ZHy50 min大致都在2012—2013年之間出現下降趨勢,于2015年左右開始出現轉折上升,變化幅度較小,維持在0.01～0.07之間。而ZHy20 min較為特殊,自2014年7月以來一直處于下降趨勢。另外,ZHx30 min、ZHx40 min變化十分頻繁,找不到明顯的規律,ZHy方向轉折上升時期有明顯的隨周期變大順延的趨勢(黑色虛線所示),ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢沒有明顯規律(虛線箭頭所示)。劉長生等認為地磁諧波振幅比同向不同周期或者同方向之間存在差異,可能預示著臺站周邊存在引起異常的因素[11],該異常是否代表臺站周邊存在M5.0以上地震的背景,需要更深入的研究。

圖2(b)為涪陵臺諧波振幅比曲線。其中大部分周期均有下降-轉折-上升的過程,只是出現異常時間以及變化的幅度不一致,ZHx40 min、ZHx50 min及ZHx60 min變化幅度范圍為0.02～0.04,而ZHy20 min、ZHy30 min、ZHy40 min、ZHy50 min及ZHy60 min變化幅度較大,變化范圍為0.11～0.18。其中ZHy40 min、ZHy50 min經過轉折上升之后在2017年初又出現小幅下降,下降幅度約0.02。另外,ZHy方向下降開始時間具有明顯的隨周期順延的趨勢(黑色虛線所示)。ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢大部分保持一致向下,只有ZHy20 min、ZHy60 min趨勢向上(虛線箭頭所示)。

圖2(c)為石柱臺諧波振幅比曲線。變化規律幾乎保持一致,其中ZHx方向的異常持續時間較ZHy的異常持續時間短,短周期的異常持續時間也相對較短。ZHx10 min、ZHx20 min、ZHx30 min及ZHy10 min從2012年到發震前有兩個下降-轉折-上升的異常階段,ZHy20 min、ZHy30 min、ZHy40 min、ZHy50 min及ZHy60 min變化規律非常一致,幾乎都是從2014年2月開始出現下降(黑色虛線所示),異常變化幅度在0.01～0.12之間。另外,值得注意的是ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢均向上(虛線箭頭所示)。

圖2(d)為恩施臺諧波振幅比曲線。從圖中可以看出,武隆M5.0地震發生之前ZHx10 min、ZHx20 min及ZHy10 min從2015年11月開始出現轉折下降,但之后并沒有出現上升的趨勢。ZHx30 min可以大致分為兩個階段,第一階段為2012年至2015年2月呈下降趨勢,從2015年2月至2016年初轉折上升,第二階段從2016年初至2017年表現為完整的下降-轉折-上升過程。其他變化趨勢類似,均從2014年中上旬開始至發震前呈現下降-轉折-上升的過程(黑色虛線所示)。另外,從長短周期的諧波振幅比變化趨勢可以看出短周期基本朝下,而長周期基本朝上(虛線箭頭所示)。變化幅度較小,在0.007～0.036之間。

圖2 地磁諧波振幅比曲線(黑色箭頭為地震發生位置,紅色箭頭為變化趨勢,綠色虛線為均值)Fig.2 Curve of the amplitude ratio of geomagnetic harmonic wave (Black arrow indicates seismic location,red arrow indicates variation trend,green imaginary line indicates mean value)

3.2 加卸載響應比異常分析

將加卸載響應比方法應用于研究區的地磁資料上,閾值的選取在判別地磁加卸載響應比異常上顯得尤為關鍵。通過嘗試不同閾值進行對比分析,認為研究區內選取3.0作為地磁加卸載響應比異常的閾值比較合理(圖3)。

圖3 武隆地震前地磁加卸載響應比異?？臻g分布特征(2017年7月4日)Fig.3 Spatial distribution of load/unload response ratio anomalies before Wulong earthquake (July 4,2017)

從圖3可以看出,最大高值區與震中位置非常吻合,具有較高的時空同步性。高值區域位于重慶、貴州及四川的交界處。此外,有兩個距離震中較遠的次高值區,分別位于四川、西藏交界處和山西境內。其中,部分臺站異?，F象較顯著,而有些臺站反應不顯著甚至沒有反應,該現象可能與臺站的地理位置及震中區域的地下電性結構分布不同有關[14]。前人研究表明,該加卸載響應比異?，F象可能是由于中下地殼流體上涌,流體在微裂隙填充過程中產生的臨時感應電流導致日變形態畸變所致[14]。

4 討論

馮志生等研究認為,地磁諧波振幅比異常與低電阻率變化對應關系非常好,在較大地震發生之前幾年內均有“下降-轉折-上升”的過程,通過大量震例統計表明主震往往發生在上升之初[5]。從本文中各地磁臺的諧波振幅比變化趨勢來看,武隆M5.0地震也大致發生在上升的初期階段。其中震中距較大的石柱、恩施地磁臺變化趨勢比較同步,尤其表現在ZHy方向上,而震中距較小的涪陵、武隆仙女山地磁臺的變化趨勢不同步,尤其在ZHy方向下降期或者轉折上升期表現為隨周期變大順延的趨勢。其中,武隆仙女山、石柱及涪陵地磁臺變化幅度比較一致,大致分布在0.01～0.18區間范圍內,震中距較遠的恩施臺變化幅度較小,變化范圍為0.007～0.036。龔紹京和蔣延林等認為地磁諧波振幅比ZHx和ZHy的不同步現象與臺站位于高導異常體邊界附近有關,利用地磁諧波振幅比不同步現象可以大致判斷高導異常體的邊界位置[12-13]。對比震中與震前四個月地磁加卸載響應比異常高值的相對位置表明,加卸載響應比異常高值區域大致位于震中附近,即二者具有一定的關聯性和時空同步性。

5 結語

分析武隆M5.0地震震中附近的地質構造情況以及地磁異常變化,結果認為武隆地震前大部分地磁諧波振幅比變化特征類似于地電阻率的變化特征,表現為“下降-轉折-上升”過程。本次地震大致發生在轉折上升的初期階段,震中距較小的臺站地磁諧波振幅比變化趨勢不同步,但變化幅度大致相同,而震中距較大的臺站地磁諧波振幅比變化趨勢較為同步,但變化幅度較大。此外,分析表明武隆地震前地磁加卸載響應比在時空分布上與震中位置具有很好的對應關系。綜上所述,諧波振幅比和加卸載響應比異常表明,重慶武隆地震在孕震過程中,中下地殼存在介質電性變化,這可能與受到區域應力場調整有關,因此該地震應為構造地震。分析認為,震前地磁的異常變化及相關計算手段的預報效能還是比較好的,可以為今后的地震地磁研究提供新的參考。