汶川地震(MS8.0)前的地磁低频峰值变化①

李秋红,李　英,陈双贵

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



汶川地震(MS8.0)前的地磁低频峰值变化①

李秋红1,李英1,陈双贵2

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

以2008年5月12日发生的汶川地震(MS8.0)为研究对象,选取震前2007年7月—2008年6月成都地磁台的观测数据每月计算一个低频段功率谱峰值,并对2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月两个时间段的资料作同样的数据处理。结果表明,成都台2007年7月—2008年6月的低频段功率谱峰值震前出现一些幅度较大的变化,而另外两个时段则显示较为平稳的低频段功率谱峰值。作为对照,对西昌台同时段资料也作相同的处理,其结果显示震前未出现和成都台类似的异常结果。结合其他研究结果,初步认为这种现象可能与汶川地震(MS8.0)有关联,且这种现象的出现可能与震中距有关,但其发生机理尚需进一步研究。这一结果对于震磁关系的研究具有参考意义。

汶川地震; 地磁Z分量; 功率谱密度; 成都台; 西昌台

0　引言

国内外已有许多对大地震前地磁异常现象的研究,如1989年美国洛马普列塔M7.1地震[1]前的低频电磁波现象;1998年9月3日日本本州岛Iwateken Nairku Hokubu M6.1地震前的超低频地磁现象[2-3];1997年3月26日日本鹿儿岛M6.5地震和1997年5月13日M6.3地震前均出现磁力仪记录异常变化[4]。一些文献也给出了关于汶川地震和地磁场关系方面的研究结果:许康生等[5-6]在研究地磁谱质心变化后发现临震前有频谱中高频成分逐步升高的现象,成都台地磁Z分量近似熵的变化幅度在地震前和正常年份之间有明显差异,和周边其他台的近似熵变化也有明显不同;冯丽丽等[7]研究了近年来汶川、通海及澜沧3个大地震周围区域构造背景地磁异常的特征后指出,汶川主震发生在弱负异常区,负异常带呈东北方向展布,与余震分布带基本一致;王武星等[8]研究了汶川地震前地磁日变低点位移的变化特征,指出四川及周边邻省台站地磁Z分量日变的幅度、相位及形态均有明显变化。张蓓等[9]采用法国DEMETER卫星的ELF频段的波形数据研究了2008年2—9 月的所有数据,结果显示,在时间上,从2008年3月下旬起信号开始增强,一直持续到2008年8 月底; 在空间上,这些增强区域以震中的地磁纬度为中心,两边呈对称分布。本项研究旨在研究地磁垂直分量功率谱密度变化与地震的关系,为震磁关系的研究提供一个参考依据。

1　数据处理与结果讨论

选取2007年7月—2008年6月、2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月三个时间段成都地磁台垂直分量的观测数据进行处理,作为对比,选取西昌地磁台同时段数据。成都地磁台距汶川地震震中35 km,而西昌地磁台为357 km。均以每分钟一个样点为采样率,个别缺值进行内插。首先对数据进行归一化处理,以每月数据长度为单位进行功率谱密度计算(计算时采用的长度为1 024点的汉宁窗),得到一个相对峰值。

功率谱估计(PDF)是利用有限长的数据估计信号的功率谱,其广泛应用于各个领域。本项研究采用的是经典谱估计中的Welch算法,将长度为N的数据分成L段,每段长度为M,各段允许交叠,U是归一化因子,d2(n)为数据窗口,其数学表达为:

图1为成都台地磁Z分量的相对功率谱密度变化图。从图中可见,假定2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月两个时间段的结果为常态变化,那么2007年7月—2008年6月成都地磁台垂直分量的低频峰值变化显示出较大的特异性,从2008年2月开始峰值达到14E6的数量级,而2011年7月—2012年6月、2012年7月—2013年6月这两个时间段峰值变化较为稳定,数量级为2E6以下。假设3E6为划定异常的界限(图1虚线所示),则可以看到2007年7月—2008年1月峰值变化在异常线以下,2011年7月—2012年6月、2012年7月—2013年6月这两个时间段也在异常线以下。作为对照对西昌地磁台垂直分量作了同样的处理,结果表明(图2),除了在2008年5月显示异常变化外,在震前没有与成都台类似的异常变化。该台5月份的变化可以认为是同震效应的影响,假设8E6为划分异常的界限(图2虚线所示),则三个时段除了2008年5月,其余时段峰值变化都在异常线以下。参考其他研究成果,对汶川地震前后成都台地磁Z分量谱质心变化对比及地磁资料的近似熵估计均显示出成都台震前有异常表现[5-6]。而采用法国DEMETER卫星的ELF频段的波形数据研究从2008年2月—9月的所有ELF 数据,结果显示,从2008年3月—2008年8月底下旬信号出现增强现象[9]。这些不同方法研究结果的一致性支持了本文提出的成都台在震前出现的垂直分量低频峰值异常变化可能与汶川地震有关这一基本观点。

图1　成都台地磁Z分量的相对功率谱密度Fig.1　Relaticve power spectrum density of geomagnetic Z component at Chengdu station

图2　西昌台地磁Z分量的相对功率谱密度Fig.2　Relaticve power spectrum density of geomagnetic Z component at Xichang station

2　结语

基于以上结果及参考其他文献,本文认为汶川地震发生前成都地磁台的垂直向低频段功率谱峰值显示出的异常变化可能与汶川地震有关。但这一现象的内在机理尚需更多资料进行进一步研究。西昌地磁台的垂直向低频段功率谱峰值在震前没有显示出与成都台类似的异常变化,初步推测认为这种异常变化的出现可能具有局域性特征,与震中距有关,这也需进一步的研究工作证实。

References)

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LI Qiu-hong,XIN Chang-jiang,XU Kang-sheng,et al.Application of Differential GPS to the Geographics Azimuth Measurement in China Geomagnetic Field Monitoring Network[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(3):862-866.(in Chinese)

Peak Value Change of Power Spectrum at Low Frequency Before Wenchuan MS8.0 Earthquake

LI Qiu-hong1,LI Ying1,CHEN Shuang-gui2

(1.Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730000,Gansu,China;2.Lanzhou geomagnetic station,Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730046,Gansu,China)

The geomagnetic field is one of the basic geophysical fields,and the seismomagnetic relationship has been laboratory tested.Many studies in China and abroad have reported abnormal geomagnetic variations prior to the occurrence of earthquakes.In this study,with the Wenchuan earthquake as our research object,we selected observation data from the Chengdu geomagnetic station for three periods (July 2007—June 2008 prior to the occurrence of the earthquake,July 2011—June 2012,and July 2012—June 2013 following the occurrence the earthquake).Using the same data processing method for each,we calculated the peak values of their power spectra in the low-frequency band.The results show some abnormal changes in the peak value of the power spectrum at low frequency from July 2007 to June 2008 at the Chengdu station,but no similar changes occurred during the other two periods (July 2011—June 2012 and July 2012—June 2013).To further examine the data,we used the same data processing method for the same periods with data from the Xichang geomagnetic station and observed no abnormal changes.Combined with our other research results,we found the abnormal change to be related to the Wenchuan earthquake,based on its regional characteristics,which was likely related to the epicenter distance.However,determining the generation mechanism of this phenomenon will require more data and further research.These results represent a significant contribution to the study of the seismo-magnetic relationship.

Wenchuan earthquake; geomagnetic Z-compent; power spectrum density; Chengdu station; Xichang station

2015-09-08

地震行业科研专项(201208009);地震行业科研专项(201308011);甘肃省地震局科技发展基金(2012y02)

李秋红(1965-),女,甘肃武威人,工程师,从事地震监测工作。

P318.2+1

A

1000-0844(2016)04-0606-03

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0606