高邮-宝应4.9级地震地磁谐波振幅比异常特征初步分析

2016-09-03蒋延林袁桂平李鸿宇唐廷梅赵卫红

中国地震 2016年1期

关键词：高邮台站振幅

蒋延林袁桂平李鸿宇唐廷梅赵卫红

1）江苏省地震局高邮地震台，江苏省高邮市南郊地震台路2号 225601

2）江苏省地震局，南京 210014

3）山东省地震局，济南 250014

0 引言

在地震孕育过程中，随着孕震区应力的增加，孕震区介质电阻率一般会发生下降变化。冯志生等（2009）指出，基于电磁感应理论的各种计算方法可用于探测孕震区深部电阻率变化信息，但对于提取与地震孕育过程有关的异常变化信息这一目标而言，在目前对地震孕育过程中深部电阻率异常变化的机理并不十分清楚、深部电阻率异常变化所引起的变化磁场的异常很微弱的情况下，所采用的计算方法对实际地球介质的假定和约束应越少越好，而地磁谐波振幅比则是能满足该条件的较好的方法。冯志生等（2004）初步研究表明，地磁谐波振幅比异常变化特征与（直流）地电阻率的变化特征类似，主要表现为下降-转折-恢复上升的变化过程，地震基本发生在趋势性下降后的转折期、恢复上升期或恢复后的初期阶段。异常持续时间与震级间的关系符合地电阻率的异常持续时间与震级间的关系，即时间越长，震级越高，但同震级地震的地磁谐波振幅比异常持续时间比地电阻率异常持续时间长。冯志生等（2013）进一步研究发现，地震一般发生在异常恢复上升期出现SN向与EW向不同步或长短周期不同步现象的台站附近300km范围内以及仅有短周期出现异常且异常持续时间仅1～2年的台站附近300km范围内，但此情况下震级一般仅为5级左右。

在以往一些研究中，研究区域内、时段内地震较多，地震与异常的一一对应关系不明显，此情形对提取异常特征和判据可能会产生干扰，而与此不同的是，孤立地震事件则有利于提取地震前后的异常特征。2012年7月20日江苏省高邮市与宝应市交界发生4.9级地震，该地震周边200km范围内地磁台站分布较密，其中高邮台、盐城台和淮安台的震中距分别仅为37、57、67km，同时该地震发生前后附近地区也未发生其他中等以上地震，此情形为研究地震地磁异常时空特征提供了便利。本文初步研究了该地震周围地磁谐波振幅比异常特征并对其进行了定性解释。

1 基本原理、资料处理与结果

地磁谐波振幅比 YZHx（NS）和 YZHy（EW）的定义为

其中，Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分别为地磁场的垂直分量、水平分量 SN向和 EW向谱；ω为圆频率。对于随时间周期变化的不均匀场源，在地球介质为均匀各向同性的平面导体的条件下，则有

式中，μ为磁导率；σ为电导率；ω为圆频率；λ为常数，是变化磁场的波数。在这种情况下，YZHx（NS）和 YZHy（EW）与地下介质的电阻率 ρ呈正比，当 YZHx（NS）和 YZHy（EW）下降时，可能对应了地下介质的电阻率ρ的下降。

FHD质子矢量磁力仪采用质子磁力仪与线圈组合观测原理（钱家栋等，2010），每分钟观测1组地磁总场F、水平分量（水平分量全矢量）H和磁偏角D，其中F和H为绝对值，D为相对值，F、H、D的观测精度分别为0.3nT、0.6nT、0.1′。本次计算分析采用的是地震周围台站FHD质子矢量磁力仪分钟值三分量观测资料，地震震中与台站分布见图1，各台站FHD磁力仪开始观测时间见表1，其中无锡台资料质量一直不佳，海安台2009年资料不稳定，凌阳台2010年资料不稳定，崇明台一直受地铁干扰，故以上4个台的资料均未参与计算分析。

资料处理及计算过程采用冯志生编制的软件①冯志生，2012，地磁谐波振幅比地磁转换函数专用计算程序，具体计算步骤为：①将每日F、H和D资料转换为Z、Hx和Hy；②去噪声、线性去倾、加汉宁窗；③按周期等间隔计算5～65m in的每分钟的三分量富氏谱 Z（ω）、Hx（ω）和 Hy（ω）；④按每10m in一个频带计算谱的频带均值；⑤计算各频带（10、20、30、40、50、60m in）的地磁谐波振幅比；⑥计算年滑动平均，消除年变化。各台站计算结果如图2所示。

2 异常特征

图2（a）高邮台震中距37km，各周期的地磁谐波振幅比约自2010年初开始出现下降，转折时间大部分出现在2010年底，但除YZHx（NS）的10、20、30min出现完整的下降-转折-恢复回升变化，并于震后的2013年初恢复到原有水平（图2（a）中阴影部分），其它基本没有出现恢复回升变化，即恢复阶段不同步。另外，YZHx（NS）50m in未出现下降-转折-恢复回升变化。

图1 高邮-宝应4.9级地震震中与地磁台站分布

表1 地磁台站观测开始时间

图2（b）盐城台震中距57km，各周期的地磁谐波振幅比下降出现时间前后跨度大，约从2009年底～2010年底，转折时间大部分出现在2011年底，比高邮台晚约1年，恢复时间大部分出现在震后的2012年底～2013年初，与高邮台恢复时间大体一致，但恢复水平或不完全或过头（图2（b）中阴影部分）。另，YZHx（NS）10min一直到2011年中才出现小幅下降变化，而YZHy（EW）20min无下降变化。

图2（c）淮安台震中距 67km，YZHy（EW）10、20、30、40min未出现下降-转折-恢复回升变化或变化不明显，其他周期从2010年初开始出现下降变化，2011年先后发生转折，恢复时间大部分出现在震后的2012年底～2013年初，除 YZHx（NS）10、20min外，其他周期都未能恢复到原有水平（图2（c）中阴影部分）。

图2（d）连云港台震中距178km，YZHx（NS）各周期都出现了下降-转折-恢复回升变化且形态完整，下降时间基本出现在2009年下半年，2012年先后发生转折，恢复时间出现在震后的2012年底～2013年。YZHy（EW）各周期都出现了下降和转折，且与 YZHx（NS）同步，但未出现恢复回升变化或恢复回升变化不明显。

图2 地磁谐波振幅比变化与地震

图2（e）新沂台震中距187km，各周期地磁谐波振幅比都出现了下降-转折-恢复回升变化且形态完整，下降时间基本出现在2009年下半年，2011年先后发生转折，恢复时间出现在震后的2012年底～2013年。

图2（f）泰安台震中距419km，各周期地磁谐波振幅比都出现了下降-转折-恢复回升变化且形态完整，恢复回升同步性较好。

3 定性解释

上述地磁谐波振幅比异常变化特征可概括为：基本变化形态为下降-转折-恢复上升，其中，下降时间为2009～2010年，转折时间为2011年，恢复上升时间为2012～2013年，高邮-宝应4.9级地震发生在恢复上升期。距该地震震中较近的高邮、盐城和淮安等台站异常恢复期不同步现象明显，距震中较远的新沂台和泰安台异常形态完整，恢复期没有出现不同步现象。

龚绍京等（2001）应用三维有限差分法对长方形高导体的地磁转换函数分布特征进行了数值模拟计算，根据计算结果的空间分布立体图，地磁转换函数A和B在高导体中央的变化小，极值主要分布在高导体4个犄角和边界附近，且A与B在高导体4个犄角和边界附近的变化分布明显不同。由于地磁转换函数A和B分别与地磁谐波振幅比YZHx和YZHy对应，因此该模拟计算结果很好地解释了地震附近台站地磁谐波振幅比YZHx和YZHy的不同步现象，即当孕震区出现高导异常后，位于高导异常体边界附近台站的地磁谐波振幅比YZHx和YZHy会出现不同步现象，故利用地磁谐波振幅比YZHx和YZHy出现不同步现象可以初步界定高导异常的边界位置。