2013年岷县—漳县6.6级地震前地磁日变化异常及机理分析

李军辉,姜楚峰,冯志生,何 康,郑海刚

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,安徽 合肥 230031;3.湖北省地震局,湖北 武汉 430071;4.江苏省地震局,江苏 南京 210014)

0 引言

地壳上地幔横向电性结构不均匀性的重要地磁变化异常特征之一是高导带二侧地磁垂直分量有反相位短周期变化,水平分量没有反相位短周期变化,高导带埋深越浅,垂直分量反相位越明显。研究人员研究发现,地震之前相邻台站地磁垂直分量日变化曲线中会出现短时间的短周期反相位变化,提出了地磁低点位移法[1]和地磁垂直分量日变化空间相关法[2-3]等方法研究反相位变化异常与地震关系,并将其应用于地震预报实践工作中。

林美等[1]对1976—1979年云南省地磁台站的垂直分量每日整点值进行相关分析,结果显示,1976年5月29日龙陵7.4级、1976年11月7日宁蒗6.7等地震前,连续数天以上相关系数低于2倍均方差的变化为异常,异常出现在震前1—2个月内,异常结束或趋于结束时发震。冯志生等[3]研究了江苏地区台站地磁Z分量整点值的空间相关性,给出了在江苏地区的异常指标;另外发现在中国大陆地区每年的11月初至次年2月底,地磁垂直分量日变化相关性低,无法提取该时段前兆异常。冯志生等[4]为了分析地震之前的日变空间相关异常,采用延时技术消除了经度效应造成的日变化相位差异对相关系数的影响,总结了1995年9月20日山东苍山5.3、1996年11月9日南黄海6.1等典型震例。张秀霞等[5-6]采用地磁数字化观测资料相继在江苏、青海、四川等地区开展了日变化空间相关研究,在资料运用、震例总结、指标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和鲁甸6.5级地震前川滇地区地磁台站垂直分量日变化空间相关异常,以及2013年岷县—漳县6.6级地震前,震中附近陕甘宁川青地区地磁台站垂直分量日变化空间相关异常,发现震前3个月地震附近台站相关系数出现准同步下降异常,地震发生在相关系数高梯度带,该相关系数高梯度带为异常区域正常区的分界地区。

冯志生等[9]采用相关分析方法分析了全国2009—2018年地磁垂直分量日变化资料,研究了台站之间地磁垂直分量日变化的相关性与我国南北带中强地震活动之间关系,发现南北带附近6.0级以上地震主要发生在短期原地重现的线状集中分布电流端部。本文采用改进的空间相关分析方法进一步分析了2013年7月22日,甘肃定西市岷县、漳县6.6级地震前地磁Z分量日变化异常的重叠现象,给出了空间位置更为准确的反相位变化,并对地磁日变化反相位异常的成因进行了解释。

1 数据及分析方法

1.1 观测数据

本文选取中国大陆地磁台2012—2013年产出的地磁Z分量日变化数据,主要由通门磁力仪、FHD质子磁力仪等观测产出数据,为方便延时处理一般应采用转换后的北京时分钟值数据进行分析。为了确保计算结果的准确性和可靠性,对地磁数据进行了筛选,观测数据不连续、缺数较多的台站不参与计算,筛选151个地磁台站的Z分量数据资料进行日变化空间相关计算。

1.2 分析方法及异常判定

(1) 空间相关分析方法:采用二个台站地磁垂直分量日变化分钟采样序列X和Y的相关系数r,其计算方法主要的原理和算法见参考文献[3]。相关系数r的取值范围是0≤∣r∣≤1,∣r∣越接近0,说明两组观测数据之间的相关程度越小,反之,∣r∣越接近1,表示两组观测数据之间的相关程度越高。

(2) 相关系数计算:为避免单个参考台数据影响计算结果,本文选择新沂、红山二个参考台(图1),计算其他台站与参考台的地磁垂直分量的日变化空间相关系数,在计算相关系数时,采用“延时技术”消除经度影响。

图1 地磁台站分布及岷县—漳县6.6级地震震中分布Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in China and the epicenter of Minxian-Zhangxian M6.6 earthquake

(3) 异常判定。根据2008—2018年全国地磁日变化空间相关资料的分析及震例总结,异常判定主要分为:(1)每年3月1日至10月31日期间,全国有9个以上台站与2个参考台之间同一天相关系数出现低于阈值变化,则该天地磁日变化空间相关异常成立。(2)将各台站相关系数除以前一年相关系数的“均值-2倍均方差”,以消除台站距离不同对相关系数的影响,此时相关系数“1”为相关系数异常阈值,即相关系数2倍方差下限;(3)计算各台站的二个参考台相关系数均值;(4)将各台站相关系数减“1”,此时相关系数“0”值线为异常分界线。

2 地磁垂直分量日变化异常特征

(1) 本文计算了2012年3—10月时间段150个台站分别与红山和新沂相关系数的阈值,对比2013年3—10月各台站与参考台之间相关系数在地震前后的变化,结果显示:满足日变化空间相关异常的判定标准且与2013年7月22日岷县—漳县6.6级地震相关的异常有2次,分别为2013年7月3日、2013年7月4日分别有16个和17个台站出现相关系数下降的异常,两次异常均主要集中在震中附近,异常区域与正常区域有明显的分界线,2次异常的分界线走向震中附近重叠较好(图2)。

图2 异常台站分布Fig.2 Distribution of stations recording anomalies

(2) 图3为2013年3—10月震中附近台站地磁Z分量日变化与红山、新沂的地磁日变化空间相关系数,结合表1的统计结果显示:兰州、英鸽、山丹、嘉峪关、湟源、格尔木、都兰、中卫、道孚、拉萨、察隅等16个台站与红山、新沂两个台站的相关系数在2013年7月3日都出现同步下降超阈值的变化,成都、周至、天水等台站变化正常;2013年7月4日,兰州、山丹、嘉峪关、湟源、格尔木、都兰、西昌、木里、永胜等17个台站的相关系数也出现了同步下降超阈值的变化,异常出现之后的18天左右,“0”值线区域附近发生岷县—漳县6.6级地震。

图3 2013年3—10月地磁垂直分量日变化空间相关系数曲线Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation from March to October,2013

(3) 研究表明:地磁垂直分量日变化相关下降异常的本质是地磁垂直分量日变出现反相位变化。为进一步研究地磁Z分量日变化相关系数下降的原因,分别对比了7月3日,7月4日分界线两侧多个台站的日变化曲线,结果显示:两次异常时段异常区域内的兰州、英鸽、山丹、嘉峪关等台站的具有一致的日变化形态,正常区域的天水、周至、成都等台站具有一致的日变化形态[图4(a)、(b) ]。选择分界线两侧代表性台站兰州和天水的地磁Z分量日变化数据进一步对比,发现7月3日09:00—15:00兰州台地磁Z分量日变化出现了与天水台相位相反的变化[图4(c)],7月4日08:00—17:00兰州台地磁Z分量日变化出现了与天水台相位相反的变化[图4(d)]。

图4 地磁Z分量日变化曲线Fig.4 Diurnal variation curves of geomagnetic vertical component

3 反相位变化的周期特征

为了进一步明确地磁Z分量日变化出现反相位的周期,本文采用S变换时频分析方法对兰州、天水两个台站相同时段的地磁Z分量进行分频,对分频后两个台站相同周期的地磁Z分量日变化时间序列进行相关系数计算,分析相同周期的相关系数出现负相关的变化,以便确定反相位的周期。

(1) S变换方法原理

S变换由Stockwell等[10]于1996年提出,可以由STFT和小波变换导出,S变换的一维连续正变换为:

(1)

式中:h(t)为原始信号;S(T,f)为相应的S正变换的结果;f为频率;t为观测时间;T为时间轴上高斯窗的位置。

对于离散S变换,其正变换的公式为:

(2)

对于n=0的情况,则为如下常数

(3)

式中:j、m、n=0,1,…,N-1,j、m为时间样点序号;k、n为频率样点序号;T为采样间隔;N为离散点总数。

离散S反变换的公式为:

(4)

在S变换中,频率的倒数决定了S变换中高斯窗的尺度大小,使其具有了类似小波变换的多分辨率特性。S变换保留了每个频率的绝对相位特征,具有无损可逆性。此外,S变换时频分析方法在多个领域得到广泛的应用[11-18]。

(2) 结果分析

利用S变换方法对分界线两侧兰州、天水台2013年4月1日至2013年8月31日的地磁Z分量日变化进行分频后,再计算两个台站相同周期相关系数。计算结果显示:日变化周期在200分钟以下的相关系数无明显的规律性变化,300分钟以上周期基本都是正相关变化(图5)。2013年7月3日两个台站的地磁日变化在25、42、360分钟周期上出现负相关的变化,2013年7月4日在48、288、320、360分钟出现负相关(图6)。研究表明地磁场主要由1～5阶谐波组成,它们的周期分别是24、12、8、6、4.8 h,前5阶可以较好的近似观测数据,拟合地磁日变化的主要形态和特征[19],因此认为地磁日变化前5阶的反相位变化是引起地磁日变化相关系数下降的主要原因,7月3日的相关系数下降主要由于两个台站地磁Z分量日变化的6小时左右周期出现反相位变化,7月4日的异常主要是由于日变化的4.8、6 h周期的出现反相位变化。

图5 兰州、天水2013年4—8月地磁Z分量日变化不同周期相关系数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

图6 兰州、天水两次异常时段不同周期的相关系数Fig.6 The correlation coefficient of different period of two anomalies at Lanzhou and Tianshui stations

4 机理解释

通过兰州、天水两个台站地磁日变化对比,结果显示:2013年7月3日、7月4日的异常时段分界线二侧地磁Z分量日变化有明显反相位变化[图7(a)、(b)],两个台站的相同时段的水平分量H的日变化一致,没有同步的反相位变化[图7(c)、(d)]。

图7 两次异常时段的日变化对比Fig.7 Comparison between diurnal variations of vertical and horizontal components during two abnormal periods

根据相关的观测结果及Biot-Savart定律,冯志生等[20]推测在分界线的下方有电流通过,该电流产生的磁场在分界线两侧方向相反。章鑫等[21]依据甘肃东南地区大地电磁测深的电性结构定量计算了2013年岷县漳县6.6级地震前的畸变电流强度,在一定程度上解释了大区域低点位移现象。研究资料表明在青藏高原东北缘的地壳中有高导层分布[22],与本文2次异常的分界线走向基本一致,图8中电流可以视为由于地壳内高导层产生的感应电流,B(t)为台站a与台站b正常的垂直分量日变化曲线。I(t)为集中分布于台站a和台站b之间地壳内的感应电流;由于感应电流埋深远小于台站间距,因此,台站a和台站b只有I(t)的垂直分量磁场,其产生的垂直分量磁场为BI(t),二个台站BI(t)为反相位。叠加结果为台站a台站b的B′I(t)出现同步反相位变化。

图8 感应电流集中分布导致地磁日变化Z分量出现反相位机理示意图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 讨论与结论

本文利用地磁日变化空间相关方法计算了中国大陆2012—2013年151个地磁台的Z分量日变化的相关系数,分析了空间相关系数在2013年肃岷县—漳县6.6级地震前后的变化,主要结论如下:

(1) 2013年7月3日、7月4日在震中附近分别出现了16和17个台站的地磁日变化相关系数出现低于阈值的异常,正常区域与异常区域具有明显的空间分界线。选取分界线两侧典型的天水和兰州台地磁Z分量日变化进行对比,发现2次异常时段,分界线两侧的Z分量日变化具有明显反相位变化。

(2) 利用S变换方法对天水和兰州台的Z分量日变化进行分频率相关系数计算,发现7月3日、7月4日的地磁Z分量的日变化均在6小时左右的周期出现负相关变化,7月4日在4.8 h周期也存在负相关。其他频段未出现类似变化,因此认为,甘肃岷县—漳县6.6级地震前地磁Z分量日变化异常产生的反相位异常主要集中在6 h和4.8 h左右。

(3) 冯志生等[20]研究发现,地磁低点位移异常的关键特征是地磁低点位移线两侧存在反相位变化,基于电磁理论推测反相位变化期间有感应电流集中分布于分界线下方。本文研究发现,地磁日变化相关异常和地磁低点位移异常机理是一致的,是感应电流集中分布导致地磁垂直分量日变化出现反相位的畸变所致。

致谢:感谢朱培育提供的地磁数据下载程序。