汶川地震前后地磁Z分量的谱质心变化①

许康生，辛长江，李 英

（1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000；2.兰州观象台，甘肃 兰州 730046）

0 引言

震磁关系的研究最早可以上溯到100多年以前，但采用现代手段进行理论和实验研究应该说开始于上世纪中期。早在1964年3月27日的阿拉斯加地震，震前1小时6分钟在距离地震30km处的地磁仪器记录到磁场强度增大的扰动［1］。近年来这方面的研究和报道就更多了：1989年10月17日洛马普列塔（Loma Prieta）MS7.1地震前观测到了低频电磁波［2］；1998年9月3日日本本州岛Iwateken Nairku Hokubu M6.1地震之前，距震中15km的Matsukawa台记录到了与这次地震有关的超低频地磁现象［3］；1997年3月26日日本鹿儿岛M6.5和1997年5月13日M6.3地震前，距离震中约60km的磁力仪记录到了与此有关的异常变化［4］；1998年9月3日日本岩手M6.1地震前两周，在距震中15 km的台站记录到与地震有关的极化值异常增高的现象［5］。2008年5月12日中国四川省汶川县发生的M8.0地震，也有文献［7］研究表明震前震中附近存在地磁异常现象。

对于震磁现象的理论解释也有多种学说或假说。一般认为，地震孕育的过程是岩层中应力不断积累的过程，地震的发生是应力积累超过岩石层的弹性极限突然发生的岩层错动或断裂的结果。在孕震区应力缓慢积累的过程促使应力在空间重新分配，地下介质由开始时的弹性形变进入非弹性形变，原有的裂隙集合形态与赋存空间发生变化，新的裂隙生成、延展，流体渗入，导致岩体膨胀，可能产生压磁效应、感应磁效应、流变磁效应、电动磁效应及热磁效应等。本研究的重点不是讨论震磁现象的发生机理，而是通过实际震例及地磁资料提取与地震有关联的异常变化信息，并分析和讨论这些信息的特征。地磁观测信息包含了外源场（空间磁场）和内源场（感应磁场和主磁场），将这些不同场的信息准确分离是很困难的，但一些研究表明，地磁Z分量较其他分量更多地反映了地球内部的变化。本文以2008年5月12日汶川M8.0地震为研究对象，采用震中周边一些台站较为完整的磁资料进行计算处理，提取一些异常信息。数据处理采用谱质心计算方法，这种方法最初应用于声学方面的研究，本项研究探索性地将此引入处理地磁资料，并在时间和空间上进行对比分析，试图提取与这次地震有关联的信息并对其变化特征进行分析。

1 资料选取

选用的台站为成都台、木里台和西昌台。成都地磁台距震中35km；西昌地磁台距震中357km；木里地磁台距震中400km。成都地磁台观测仪器为FHDZ－M15，其余两个台的观测仪器为GM4。数据采样率均为每秒1个样点。为了便于对比，对3个台均选取3个相同时段的数据进行计算处理，第一时间段为2008年5月1日0时至2008年5月12日14时，为地震发生前278小时；第二时间段为2009年5月1日0时至2009年5月12日14时；第三时间段为2010年5月1日0时至2010年5月12日14时。这样分段的主要目的一是为了降低季节性变化对空间磁场的影响，二是采用相同长度的样本数据以避免数据计算处理对结果的影响。

图1 汶川地震和选用台站分布图Fig.1 The distribution of main－earthquake（M8.1）and used stations

2 资料处理

谱质心（spectrum centroid）通常用于测定声音的亮度，这种方法是从信号的离散傅氏变换的频率和振幅卷积获得“质量中心”。下式为谱质心的计算公式：

式中F［k］是频率k对应的信号振幅。信号的谱质心值越大，说明信号中高频成分含量越高，反之则说明信号中高频成分含量较低。

首先从IAGA2002格式的数据文件抽取了Z分量数据，形成每小时一个数据文件，再对个别缺数进行线性内插处理。然后计算每一个数据文件的最大谱质心、平均谱质心和谱质心标准差。无论是平均谱质心还是谱质心标准差，在时序上都表现出相同的变化特征。图2仅给出了平均谱质心的时序结果，图中展示了三个时段地磁Z分量平均谱质心8点滑动平均的时序结果。

3 结果与讨论

如图2所示，成都台地磁Z分量平均谱质心变化范围在时段3是2.3～5.5，最大变化峰值2.2；在时段2是0.5～7.6，最大变化峰值7.1；在时段1是8.9～39，最大变化峰值30.1。时段1的变化范围大于时段2和时段3，震前呈现明显的特征是存在逐渐升高的趋势。也就是说，成都台在震前278小时平均谱质心的幅度变化是震后一年同时段变化的4.3倍，是震后两年同时段变化的9.4倍，三年中是逐年下降的。特别注意到震前成都台的平均谱质心时序变化就会发现，显著增高开始于5月7日，5月11日达到这一时段的峰值。文献［7］在研究成都地磁台资料后指出：“消除认为活动干扰和太阳活动的背景干扰（K指数）后，成都地磁台在汶川地震前一天（即5月11日）出现最大幅度突变”，这一结果与本项研究结果相吻合。木里台地磁Z分量平均谱质心在时段1的变化范围是6.2～19.3，最大变化峰值13.1；在时段2是2.5～7.5，最大变化峰值5.0；在时段3是1.2～5.8，最大变化峰值4.6。木里台在震前278小时平均谱质心的幅度变化是震后一年同时段变化的2.6倍，是震后两年同时段变化的8.1倍，三年中是逐年下降的。西昌台地磁Z分量平均谱质心在时段1的变化范围是1.5～4.7，最大变化峰值3.2；在时段2是3.5～9.3，最大变化峰值5.8；在时段3是2.3～9.7，最大变化峰值7.1。西昌台在震前278小时平均谱质心的幅度变化是震后一年同时段变化的2.6倍，是震后两年同时段变化的8.1倍（表1）。

表1 谱质心变化结果Table 1 The results of the spectrum centroid on three stations

图2 3个台三个时段地磁Z分量平均谱质心时序图Fig.2 The timing diagrams of average spectral centroid at three periods

现代地磁学认为地磁场是一个矢量场，是关于地理位置和时间的函数，地磁场的场强F（r，t）由三部分组成［2］：

其中，Fm（r，t）是主磁场，处在地幔与外核之间；Fc（r，t）为感应磁场，主要来自岩石中的铁磁性物质；Fd（r，t）为外源场，源于磁层和电离层［8］。

由表1不同时段、不同地理位置的结果相比较，时段1成都台的变化幅度是最大的，木里台和西昌台相比，木里台的变化幅度较大。由此可见两点，一是较大的变化并非来自外空间，二是结果差异含有区域背景磁场的变化的差异。但我们注意到两点重要信息，一是成都台的变化幅度量值上远大于木里台；二是变化形态不同，成都台资料存在一个变化幅值不断激增的过程，而木里台虽有变化，但变化是相对较为恒稳的，表征两种不同的物理过程。时段2和时段3的结果相比较，各台虽有差异存在，但变化均在同一数量级之内，也表现出过程的相对恒稳性。

从上述结果看，我们虽不能完全剔除非地震因素对结果的影响，但结果量值的较大差异、动态过程的差异及对地理位置的综合分析，认为成都台的结果中包含有与汶川地震有关的重要信息。

4 结论

（1）不同台站和不同时段的计算结果表明，成都台在2008年5月上旬存在地磁Z分量的谱质心急剧变化的现象，这个特征信息包含汶川地震孕震过程中的信息，是进一步研究地震孕育过程的重要参量。

（2）震前地磁Z分量的谱质心变化异常的现象只在邻近震中（成都台震中距35km）的观测资料中提取到，这个信息对于孕震区域位置的预测具有参考意义。

（3）震前地磁Z分量的谱质心随时间变化呈现出逐渐升高，变化幅度逐渐增大的基本趋势。表明存在震前地磁频谱中高频成分逐渐增多的物理过程，其机理需进一步深入研究。

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