2009—2010年日食活动对湖北地区地震前兆观测的影响＊

孙伶俐 吕品姬 罗俊秋 李 明 赵凌云

(湖北省地震局,武汉 430071)

2009—2010年日食活动对湖北地区地震前兆观测的影响＊

孙伶俐 吕品姬 罗俊秋 李 明 赵凌云

(湖北省地震局,武汉 430071)

对 2009—2010年两次日食活动期间的湖北省区域地震前兆原始观测数据进行分析,结果显示日食效应对某些前兆测项有一定影响,具体表现为：1)地磁观测到达低值时间出现于日全食开始前;2)2009年 7月 22日日全食和 2010年 1月 15日日环食期间地磁观测测项分量、扰动形态变化特征不尽相同。日全食前后地磁场变化主要表现为地磁水平分量 H向下跃动的起伏型变化,具有短时、较为同步的特点;而日环食发生时,地磁场的变化主要表现为地磁偏角D的趋势转折,具有趋势变化、滞后性的特点;3)日食活动对地壳形变中的固体潮线应变和倾斜量也产生短时扰动。

日食活动;地震前兆;地磁脉动;地壳形变;影响

1 引言

日食活动期间,日食地区上空的电离层发生明显变化从而影响地球的电磁场,这种变化和影响随地理纬度、季节和日食时的太阳高度而不同,因此每次日食产生的影响并不相同[1-4]。

本文对湖北省区域地震前兆观测 2009—2010年两次日食活动期间的数据分析发现,日全食前后地磁场主要表现为地磁水平分量的 H起伏型变化,具有短时、较为同步的特点;而日环食时,地磁场主要表现为地磁偏角D的趋势转折型变化,具有趋势变化、滞后的特点。日食对湖北省内地壳形变的固体潮观测影响不明显,对黄梅台的应变和倾斜固体潮汐低频段周期上有短时扰动现象,对其他台站的水管倾斜、摆式倾斜、钻孔应变、重力等观测数据无明显影响。

2 日食现象对湖北省地震前兆观测的影响

湖北省区域地震前兆观测台网 (图 1)包括重力、地磁、地壳形变及地下流体等数字化观测手段。共有流体类仪器 16套,地磁类 15套,形变类 19套,重力类 4套,辅助观测类 10套,仪器布局合理、分布均匀。湖北省前兆观测项目自 1959年开始观测,经“九五”和“十五”地震前兆观测数字化改造,现共有20个观测台站、64套前兆观测仪器、155个测项。

地磁连续观测仪器有 FHDZ-M15型地磁组合观测仪、G M4型和 G M3-Ⅱ型磁通门磁力仪、FHD-2型质子矢量磁力仪。分布如图 1。

图1 湖北地区地震前兆观测台网分布Fig.1 Distribution of Hubei local earthquake precursor observing network

2.1 日全食对地磁观测影响

2009年 7月 22日的日全食发生前后,地磁仪器记录到的地磁总强度 F和水平分量 H均明显的向下跃动(图 2)。

对日全食期间地磁仪水平分量的对比发现,各地磁台到达低谷时间均早于食既时间 5～10分钟;日全食初亏时间恩施和武汉分别是 8：10和 8：14,食既是 9：16和 9：23,食甚是 9：19和 9：26,而恩施台到达低谷时刻为 9：09,武汉台则是 9：13(图 3)。

图2 日全食对地磁水平分量的影响Fig.2 Effect of total solar eclipse on geomagnetic horizontal component

图3 武汉台与恩施台地磁仪水平分量对比Fig.3 Comparison between horizontal components of magnetometer atWuhan station and Enshi station during total solar eclipse

从图 3、4可以看出,在日全食发生前后,武汉、恩施、丹江、成都、重庆、南昌、金寨等台站的地磁仪均在水平分量和总强度上存在明显向下跃动,其中,恩施台 FHDZ-M15、G M4和十堰台的 FHD-2地磁仪器水平分量变化量偏大(表 1)。

2.2 日偏食对地磁观测影响

2010年 1月 15日湖北省大部分地磁台站因位置毗临日环食本影区或位于其内部,3套 FHD-2地磁仪的磁偏角 D分量数据上有明显变化。变化形态是由长期的下降(西漂)趋势转为上升,上升后又减弱;幅值变化不大,在1分内;影响持续时间约3～5天,1月 20日开始恢复正常(图 5)。

图4 成都、南昌、重庆、金寨等地磁观测台水平分量的对比Fig.4 Comparison among horizontal components of magnetometer at Chengdu,Nanchang,Chongqing and Jinzhai stations during total solar eclipse

表1 日全食对地磁仪器的影响(单位:nT)Tab.1 Effect of total solar eclipse on geomagnetic observations(un it:nT)

从图 6可以看到,成都、重庆、南昌、金寨等地磁偏角D分量在日环食发生前后 (20—21日)均有突变(上升-下降现象),但随地理位置的不同,转折时间与形态存在差异。

2.3 日食对地壳形变观测的影响

湖北省有地壳形变类观测台站 7个,地倾斜、应变类观测仪器 19套。小波对固体潮有很好的分析结果[5-8]。利用 db4小波方法对日食活动期间形变观测数据进行分析,小波分析结果显示,细节 l阶是高频成分,如突跳等;细节 2～4阶是固体潮信号,依次是 1/3日波、半日波和日波;从细节 5阶以上是去除了潮汐成分的非潮汐信息,随着阶数的增加,信号的频率越来越低,周期越来越长。

图5 日环食发生前后磁偏角的变化Fig.5 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

运用小波方法处理后发现除黄梅台伸缩仪外大部分定点形变观测均未发现异常信息;黄梅台重力仪、麻城台钻孔应变仪和垂直摆、十堰台水管仪等均未见明显异常,麻城台钻孔应变仪的NS/EW分量、垂直摆的 EW分量和十堰台水管仪 EW分量在 22日全食发生之前观测数据于第 7阶细节层上有小幅扰动,在时间上具一致性(图 7)。

而黄梅台伸缩仪NS/EW分量分钟值原始数据在 7月 21—23日全食发生前后,于小波分析结果的第 7阶细节层、周期在 128—256分钟频段出现明显波动(图 8),这种波动过程呈暂态,只在有限时间内出现,并没有构成趋势性持续变化。虽然这段变化从原始曲线上看不出异常,日固体潮汐变化也显正常,但通过分频段滤波处理后却显现了波动异常。与此同时,当地温度和气压也有波动变化,但除黄梅台伸缩仪外其他仪器并未发生同步异常,由此可排除因自然环境因素产生扰动的影响。

图6 日环食发生前后磁偏角的变化Fig.6 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

图7 日全食前后重力、钻孔应变、水管倾斜、摆式倾斜观测数据(分钟值)的小波分析Fig.7 Wavelet analysis for gravity,borehole strain,water pipes tilt,vertical pendulum datas before and after total solar eclipse

3 日食对观测数据产生影响原因探讨

3.1 日食活动对地磁观测产生不同表现形态影响的原因

通过两次日食活动对比,发现对同一台站同一观测仪器,日全食前后地磁场变化主要表现为地磁水平分量 H的起伏型变化,具有短时、较为同步等特征。而日环食发生时,地磁场的变化主要表现为地磁偏角D的趋势转折,具趋势性、滞后性的变化特点。

根据地平坐标系中地磁场各要素的定义可知,日全食时 H分量的起伏变化反映的是当时近地表的地磁水平分量上的变化特征;磁偏角D先增大后减小的转折变化则反映了 H分量在地理北方向和东方向上的投影量变化。

日食活动对地磁观测产生的不同表现形态影响的原因,初步推断可能是由于当行星状态发生变化时,太阳风带来能量变化将通过磁层-电离层不同的耦合过程进入地球近地空间,太阳风压强激波触发地磁亚暴,并且导致极光带东西向电激流发生急剧的变化,从而引起地磁场的急剧变化[9]。日食时太阳高度、电离层状态、季节、地磁场指数和太阳黑子数等指数各不相同,会造成日食效应的不同结果。日食引起的这种复杂的动力过程加上热层风的作用,使 F2区电离的时空分布形态也变得十分复杂。

图8 日全食前后黄梅伸缩仪的分钟值原始数据的小波分析Fig.8 Wavelet analysis for original data of extensometer at Huangmei station before and after total solar eclipse

3.2 日食活动对固体潮产生扰动原因分析

声重力波作为电离层、热层与中、低层大气耦合动力学过程的重要现象之一,起着十分重要的能量输送作用,通过声重力波,各种低层大气气象活动变化都会对电离层产生影响。有研究表明,日食期间,全食区的高层大气(中性)温度、电子温度及离子温度均急剧下降,偏食区的温度相应降低,非日食区的温度不变[9]。这样从全食区、偏食区或到非食区将出现明显的温度梯度。此时非食区的电离将因这种温度梯度形成向全食区的水平扩散,同时全食区激发的声重扰动向非食区传播。

文献[10]分析 1987年 9月 23日日环食期间大气声重力波后认为,日食产生的重力波来自太阳辐射变化产生的强迫振荡和大气层内的浮力振荡。强迫振荡的波动周期较长,振幅较大,与日食期间太阳辐射的起伏有关;浮力振荡的波动周期较短,振幅较小,与日食时大气层内的稳定度及湿度条件有关。

日食期间黄梅台伸缩仪表现出的短时扰动现象,从小波分析结果看来扰动持续时间在 5～8小时,原因可能是因具有明显的局地性大气声重力波振荡引起,因为黄梅地处日食区和非食区的交界地带,日食发生时极容易产生温度梯度和强对流天气,而这会引起大气降温造成某些大气层结不稳定加以外来振荡的激发而造成的声重力波浮力振荡,从而对伸缩仪观测产生影响。本次伸缩仪受到日食扰动现象具有周期较短、微振幅特征,与李启泰[10]提出的 S′-T2振荡型类似,即“日食-太阳辐射干扰-直接强迫热力扰动-强迫振荡和浮力振荡-大气压力波-引发日食声重力波”的动力学模式。

黄梅台除伸缩仪外其他形变仪器未记录到日食扰动,其原因可能是地倾斜和重力观测仪器的灵敏度低于应变仪器,因此记录不到有关信息。

4 讨论

对 2009—2010年两次日食活动期间的湖北省区域地震前兆观测数据的分析结果显示,日食效应对地震前兆测项有一定影响,具体表现是：

1)地磁观测低值均出现于日全食开始前。

2)日环食和日全食期间产生影响的地磁观测分量、扰动形态变化特征不尽相同。对同一台站同一观测仪器而言,日全食过程对地磁观测产生的影响主要表现在水平分量变化上,垂直分量上略有变化,地磁偏角变化不明显,变化特征为短期、即时型,实时性较强;日环食过程对地磁观测的地磁偏角产生趋势转折影响,具阶段性和延时性。

3)日食对线应变和倾斜固体潮能产生短时的扰动影响。经小波分析后的扰动数据出现在第 7阶细节层,周期为 128—256分钟,具暂态性,没有趋势性的持续变化现象。

日食活动对湖北区域地磁和定点形变观测有一定影响,但机理及形成原因较为复杂,还需要多手段的综合观测研究。

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4 吕品姬,等.2009年日全食期间黄梅台的固体潮扰动[J].大地测量与地球动力学,2010,(8)：116-119.(Lü Pinji,et al.Tidal disturbance observed at Huangmei station during solar eclipse 2009[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010,(8)：116-119)

5 张燕,吴云,吕品姬.汶川 8.0级地震前定点形变异常特征[J].地震学报,2009,31(2)：152-159.(Zhang Yan, Wu Yun and LüPinji.Characteristics of deformation anomaly obtained from tilt and strain observations before the WenchuanMs8.0 earthquake[J].Acta Seis mologica Sinica, 2009,31(2)：152-159)

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9 肖赛冠,张东和,肖佐.台风激发的声重力波的可探测性研究 [J].空间科学学报 2007,27(1)：35-40.(Xiao Saiguan,ZhangDonghe and Xiao Zuo.Study on the detectability of Typhoon-generated acoustic-gravity waves[J]. Chin.J.Space Sci,2007,27(1)：35-40)

10 李启泰,谢金来,杨训仁.日环食激发大气声重力波的研究[J].声学学报,1992,5,17(3)：171-186.(Li Qitai,Xie Jinlai and Yang Xunren.A study on atmospheric acoustic-gravitywaves excited by annular solar eclipse[J]. Acta Acustica,1992,5,17(3)：171-186)

ON I M PACT OF 2009—2010 ECL IPSE EVENTS ON LOCAL EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATI ON IN HUBEI

Sun Lingli,LüPingji,Luo Junqiu,LiMing and Zhao Linyun
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

The continuous and precise data were recorded by variety precursor instruments in the HubeiLocal-Earthquake-precursorObserving System during the 2009-2010 solar eclipse.After the careful processing and analysis for observations,three significant variations all related to the solar eclipse are found.Firstly,the geomagnetic anomaly valleys appeared before the eclipse starting.Secondly,during the total and annular solar eclipse,there were some differences between geomagnetic components and bet ween micro-changing geomagnetic anomaly phenomena.Before and after the total solar eclipse,therewere clear featureswith short-ti me and synchronization on the geomagnetic horizontal component.However,during the annular solar eclipse,geomagnetic declination component shows transition-type change characteristics with trended and lagged.Thirdly,the solar eclipse made the tilt and strain of crustal defor mation observations short-time pulsate.

solar eclipse;earthquake precursors;geomagnetic pulsate;crustal deformation;impact

1671-5942(2011)04-0047-06

2011-01-03

中国地震局震情跟踪合同制项目(2011020205)

孙伶俐,女,工程师,主要从事地形变与地震预测研究.E-mail：sunll777@sina.com

P353

A