汶川地震前的地磁场日变化特征分析

2016-07-29张凌杜爱民郎雪张铁龙杨冬梅赵旭东

地球物理学报 2016年3期

张凌,杜爱民,郎雪, 3，张铁龙,杨冬梅,赵旭东

1 中国地震应急搜救中心,北京　100049　2　中国科学院地质与地球物理研究所,北京　100029　3 中国科学院大学，北京　100049　4 Space Research Institute,Austrian Academy of Sciences,Graz,Austria　5 中国地震局地球物理研究所,北京　100081

汶川地震前的地磁场日变化特征分析

张凌1,杜爱民2,郎雪2, 3，张铁龙4,杨冬梅5,赵旭东5

1 中国地震应急搜救中心,北京1000492中国科学院地质与地球物理研究所,北京1000293 中国科学院大学，北京1000494 Space Research Institute,Austrian Academy of Sciences,Graz,Austria5 中国地震局地球物理研究所,北京100081

摘要近来很多学者报道强地震前地磁日变化异常现象.本文利用地面地磁观测台站分析了2008年5月12日汶川ML=8地震前约37天的地磁场的日变化特征,探讨了地震前地下电磁感应磁场的相对变化.分析结果表明: 1) 在地震之前,成都台(CDP)观测到地磁日变化的形态与其他台站相似,未见与地震相关变化; 2) CDP的Z/H高于周边台站,在4月20日Z/H出现一个最大峰值(>2.5); 3) 以4月20日为分界点,成都CDP台站的Z/H与恩施ENS台的Z/H的比值RCDP/ENS先增加后降低,周期越短变化趋势越明显.这些结果间接反映了震前CDP台地球内部电导率的变化信息.

关键词汶川地震; 地磁日变化; 地球内部电导率

1引言

国内外许多学者研究了地震地磁前兆现象及其产生机理.探索地震前兆是研究地震预报以期减少灾害损失的主要途径之一.近来很多学者报道强地震前地磁日变化异常现象(Duma and Ruzhin,2003; Liu et al.,2006a; 韩鹏等,2009; Rabeh et al.,2010).震前在地面观测到的ULF/VHF电磁辐射具有较宽的频带(mHz～MHz)(Hayakawa et al.,1996; 杨少峰等,1999; Du et al.,2002; 杜爱民等,2004; Prattes et al.,2011),起源于岩石圈(Molchanov and Hayakawa,1995; 杜爱民等,2004)或者震区上空的电离层(Alperovich and Zheludev,1999; Iyemori et al.,2005).CHAMP地磁卫星在震区上空也观测到了与地震有关联的地磁扰动(Balasis and Mandea,2007).这些地震前兆在几天前或者一个月前被观测到.

通常用地磁场垂直分量与水平分量的比值(Z/H)来判断地震前地磁扰动是否源于地球内部.Hayakawa等(1996)统计分析1993年关岛大地震的地磁数据时,给出了Z/H比值的月均值和方差变化,发现Z/H比值能较好的区分地磁扰动是来自地下还是空间的磁场扰动,Z/H比值的时间演化显示在震前1个月出现最大值,很像地震前兆,而且Z分量的变化与1989年美国洛马-普雷塔(Loma Prieta)大地震的变化具有相似特征.

Lockner和Byerlee(1985)用摩擦-汽化理论解释高导电地球中大电荷浓度如何产生、积累和电流形成.他认为在大地震前会出现剪切带的摩擦挤压加热,使剪切带附近的水产生汽化,造成饱和或部分饱和岩石的电导率下降.连续的磨擦挤压加热使震区岩石电导率增加和剪切带中电荷分离.Gokhberg等(1989)讨论了震源电场向电离层的渗透和传播过程.震区地表声重波也会引起电离层的较大范围的强扰动(Liu et al.,2006b),这些扰动是否引起地磁场变化还不清楚.

很多学者探讨了与强震前的地磁日变化有异常(丁鉴海等，2009；Duma and Ruzhin,2003; Liu et al.,2006a; 韩鹏等,2009; Rabeh et al.,2010).Han 等(2006)报道2011年3月11日13时46分日本东北部海域发生MW9.0级特大地震前，在距震中135km的台站观测到地磁日变化的振幅较大，Duma和Ruzhin(2003)比较了地磁日变化效应和大尺度电磁实验结果，指出地磁日变化存在地震效应.2008年5月12日中国汶川地区发生了ML=8地震.本文利用地面地磁台观测数据比较分析震前的地磁日变化特征,讨论成都地磁台观测结果与其他台站的差异性.

2数据分析

本文利用了中国地区18个地磁台的地磁场观测数据,时间范围为2008年4月6日至2008年5月12日,数据的时间分辨率为1 min.图1给出了台站的地理分布图.台站的选择考虑了两个方面: 一是选择较长的纬度链,用来分析空间磁扰动特征,二是在成都台附件选择较近的几个台站,寻找成都地区与其他地区小尺度地磁场变化的差异性.图2给出了这段时间内地磁指数的变化情况,从上至下分别为极光电集流指数AU和AL,不对称环电流指数ASY-D和ASY-H,和环电流指数Dst.指数数据来自WDC-D Kyoto世界地磁数据中心.从指数来看，4月14—15日和5月9—12日地磁场较为平静,4月21—26日发生了一个小磁暴(Dst～-45 nT).

2.12008年4月15日地磁日变化事例

图3给出了2008年4月15日地磁偏角D(a)、水平分量H(b)和垂直分量Z(c)的变化曲线,从上至下按照台站的地理纬度从高至低排列,横坐标是世界时.左面纵轴标出了台站的编号,右侧为台站代码.北京地方时BLT=UT+8.各台的D、H和Z的形态较为相似,没有发生反向,地磁记录整体反映了地磁日变化特征.H分量在12UT以后存在10 nT振幅的相似波动,ACE卫星观测显示(未在文中示图)行星际磁场Bz开始转南(Bz的最小值约为7.1 nT)并伴随波动,太阳风速度较低(最小值约为350 km·s-1),因此,未引起磁暴发生.H分量的波动主要来自太阳风-磁层-电离层耦合引起的空间电流体系变化.值得注意的是,成都台的Z分量在12UT以后与其他台站相比扰动较强,可以判定这些扰动是自然信号.

图1　地磁台站地理分布图

成都台(CDP)与各个台站的地磁分量相关分析显示各台观测到的地磁日变化具有较高的相关系数(如图4所示),其中H分量的相关性最好,相关系数均大于0.9,其次是D分量相关系数大于0.8,而Z分量CDP与邻近台站相关系数大于0.75,随着纬度增高相关系数下降,与德都台(DED)相关系数最低,为0.65.如图5所示,D和H分量的振幅随着纬度升高而略有增加,Z分量随纬度增高而降低.CDP的Z分量的振幅高于邻近几个台站的振幅.

一般来说,三分之二地磁场的日变化主要起源于地球之外,三分之一起源于地球内部的感应电流,感应电流的强弱与地下电导率有关(徐文耀,2009; Campbell et al.,1998).不同周期的地磁扰动趋肤深度也不同,随着深度增加相位也会发生变化.以上分析结果表明Z分量的变化可能与地下电导率关系较为密切.

2.2Z/H比值的统计分析

图6上图给出了2008年4月6日—2008年5月12日期间恩施(ENS)、成都(CDP)、当阳(DAY)、重庆(COQ)和贵阳(GYX)等5个台站的Z/H比值的变化曲线.Z/H在4月20日最大,4月22日最低.CDP的Z/H大于其他4个台站.图6下图给出了CDP台站的Z/H与ENS台的Z/H的比值(RCDP/ENS)随时间的变化.4月24日前RCDP/ENS呈现增加趋势,最大值为2.0,4月25日RCDP/ENS降低至1.3,在5月1日至5月12日之间RCDP/ENS波动较大.与图2中地磁指数对比来看,Z/H的峰值出现在4月21—26日小磁暴之前.

为了分析RCDP/ENS变化趋势主要来自地磁日变化的哪些周期成分贡献,我们对地磁数据进行了带通滤波,频带范围分别为2—4 h、4—8 h和8—12 h.如图7—9所示,对于以上3个波段,CDP的Z/H整体上高于其他4个台站的Z/H.RCDP/ENS均具有类似的变化趋势,以4月20日为分界点,先增加后降低,周期越短变化趋势越明显.

图3　2008年4月15日中国地区地磁台网观测到的地磁偏角D(a)、水平分量H(b)和垂直分量Z(c)的变化曲线.

图6　2008年4月6日—2008年5月12日期间恩施(ENS)、成都(CDP)、当阳(DAY)、重庆(COQ)和贵阳(GYX)等5个台站的Z/H比值的变化曲线(a),和CDP台站的Z/H与ENS台的Z/H的比值(RCDP/ENS)随时间的变化(b)

图11　2008年5月1日00∶00—06∶00ERA-Interim数据在38°N臭氧质量混合比纬向剖面(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日06∶00.

图10　2012年2月19日至21日南郊观象台站观测和模拟的位温及风速廓线(a—c) 08∶00 LST； (c—d) 20∶00 LST.

图11　2012年7月13日至15日南郊观象台站观测和模拟的位温及风速廓线(a—c) 08∶00 LST； (c—d) 20∶00 LST.

图12　06∶00—08∶00南郊观象台站观测和模拟的风速廓线(a) 2012-07-14； (b) 2012-07-15.

图6　2008年大柴旦地震模拟形变场(a)和(b)分别为模拟的2008年地震视线向形变场及残差图；(c)和(d)分别为模拟的2008年地震垂直向、东西向及残差图，底图表示垂直向，箭头表示东西向；箭头大小、方向表示东西向形变量级、形变方向；黑色线表示断裂带的地表迹线.

图7　同图6,但针对地磁场2—4 h周期性变化

图8　同图6,但针对地磁场4—8 h周期性变化

图9　同图6,但针对地磁场8—12 h周期性变化

3结论与讨论

本文主要分析了汶川地震前地磁日变化的特征,分析结果表明: (1)成都台(CDP)观测到地磁日变化的形态与其他台站相似,未见与地震相关突出变化; (2)CDP的Z/H高于周边台站,在4月20日Z/H出现一个最大峰值(>2.5); (3)以4月20日为分界点,CDP台站的Z/H与ENS台的Z/H的比值RCDP/ENS先增加后降低,周期越短变化趋势越明显.

本文的目的是尝试着寻找震前地磁日变化异常,过去学者们更多关注震前地磁波动异常(如,Hayakawa et al.,1996; Du et al.,2002; Molchanov and Hayakawa,1995),但地磁波动形成过程和波动特征较为复杂,即使寻找到波动前兆,应用起来也不方便.丁鉴海等(2009)在震前地磁日变化异常方面已经探索了很长时间,分析了震前“地磁低点位移”现象.本文利用Z/H比值方法,分析震前日变化异常.

Z/H比值在某种程度上能够反映地下电磁信息(Hayakawa et al.,1996),但也受空间电磁扰动也非常大,尤其是在分析地磁日变化时影响会更大.例如,太阳静日变化(Sq)依赖于纬度、地方时、季节、太阳活动和极区电流扰动(Chen et al.,2007; 赵旭东等,2008; Wang et al.,2014).Sq的空间尺度较大,CDP的纬度比DAY高0.07°,比ENS纬度高0.18°,它们的纬度效应会很小.CDP观测到Z分量的振幅(如图5所示)和Z/H比值(图6)与邻近台站观测结果的差异性有可能与地下电导率有关.

一般,在讨论地磁日变化与电导率关系时,利用球谐分析方法将内外源场分离开(赵旭东等,2010),但是这种分离描述的空间尺度较大,无法分辨CDP与邻近台站的差异性.一类应用电磁感应理论探测地球内部电导率方法是在一定范围内布设观测网,测量地磁H、D和Z分量,研究电导率横向变化梯度,特别是利用Z分量等值线来描述(见P449—450,徐文耀,2009).Z分量对于地球内部电导率较为敏感.周期越长的地磁变化趋肤深度越大.如图7—9所示,周期越短的地磁变化,RCDP/ENS的变化趋势越有规律,间接说明引起CDP台地磁Z/H比值的差异性是由短周期地磁变化贡献的,部分反映了地壳表层电导率的信息.

致谢感谢审稿专家和编辑部的支持和帮助.

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(本文编辑刘少华)

基金项目国家重点基础研究发展计划(2014CB845903)、国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1)和国家自然科学基金(41174122)资助.

作者简介张凌，男，1961年生，中国地震应急搜救中心信息部高级工程师，主要从事地震监测，数据共享等方面的研究工作. E-mail：zhangling903@163.com

doi:10.6038/cjg20160317 中图分类号P315,P318

收稿日期2015-08-18，2015-10-26收修定稿

Characteristics of geomagnetic regular diurnal variation before Wenchuan earthquake

ZHANG Ling1,DU Ai-Min2,LANG Xue2,3,ZHANG Tie-Long4,YANG Dong-Mei5,ZHAO Xu-Dong5

1NationalEarthquakeResponseSupportService,Beijing100049,China2InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100029,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4SpaceResearchInstitute,AustrianAcademyofSciences,Graz,Austria5InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

AbstractThe characteristics of the geomagnetic daily variation before the Wenchuan earthquake (ML=8) occurring on 2008 May 12 are analyzed by using of the data from ground-based geomagnetic array.The variation of the electromagnetic induced field associated with the geomagnetic daily variation is also discussed.The conclusions are: 1) The morphological characteristics of the geomagnetic diurnal variations observed by Chengdu station(CDP)are similar to that observed by other stations; 2) The ratio of Z/H at CDP is greater than that observed by other neighbor stations，with a maximum of Z/H (>2.5)on April 20； 3) The ratio of Z/H at CDP and Z/H at ENS,RCDP/ENS,increases from April 6,reaches a maximum on April 20,then decreases till May 12.The tendency of variations of RCDP/ENS is more apparent for geomagnetic variations with period of 2—4 h.These results indicate that the geomagnetic variation at CDP is partly associated with the conductivity inner the Earth.

KeywordsWenchuan earthquake; Geomagnetic diurnal variation; Conductivity inner the Earth

张凌,杜爱民,郎雪等.2016.汶川地震前的地磁场日变化特征分析.地球物理学报，59(3):952-958,doi:10.6038/cjg20160317.Zhang L,Du A M,Lang X,et al.2016.

Characteristics of geomagnetic regular diurnal variation before Wenchuan earthquake.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):952-958,doi:10.6038/cjg20160317.