基于帕金森矢量的2017年精河6.6级地震震中估计

艾萨·伊斯马伊力 毛志强 陈界宏

1 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011 2 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，武汉市鲁磨路388号，430074

地震地磁学的主要研究内容是地震在孕育和发生过程中地磁场和地球介质电磁参数的变化特征及产生机理。在孕震过程中，地球介质电磁参数(如电导率)会发生变化，监测与地震孕育和发生过程相关的地磁前兆现象[1]，跟踪地磁数据的变化并提取异常，有利于分析地磁异常变化对地震的调制和触发作用[2]。在地震地磁研究中，Rikitake等[3]首先发现地磁短周期变化与地下电性特征变化有关；Parkinson等[4]将地磁三分量(ΔZ、ΔH、ΔD)的短周期数据用于震磁关系分析发现，转换函数导出的帕金森矢量具有指向高电导率异常的特性，即在中强震发生前的一段时间内，地下的电性结构会发生变化，地下岩石出现电导率增大的现象。我国地震学者[5-6]也对帕金森矢量进行广泛研究发现，中强地震前周边台站的短周期转换函数异常变化与地震之间存在较好的对应关系；Chen等[7-8]还利用帕金森矢量计算了多个台湾地震震前地下电导率的变化方向，并定位出震中的大致方位。

本文以2017-08-09新疆精河6.6级地震为例，通过收集震中周围不同方位、不同距离地磁台站的连续波形数据，基于帕金森矢量方法和Chen等[7-8]的改进方法，计算每个台站在不同频段的帕金森矢量方位角异常，并将同一频段多个台站的结果进行叠加，指示出震中方位，以提取和分析精河地震前震中周围台站地磁的短周期异常变化特征。

1 发震构造与资料选取

1.1 发震构造

据中国地震台网中心测定，2017-08-09新疆精河县境内(82.89°E，44.27°N)发生6.6级地震，震源深度约20 km，震中位于北天山主干断裂库松木契克山前次断裂东末端，是天山地震带近5 a发生的最大地震。矩张量反演结果显示，本次地震以逆冲型为主，发震断裂为右旋走滑兼逆冲的全新世活动断裂，2个节面均近EW向，震源性质与区域地震构造背景一致[9-10]。

1.2 资料选取

强震前孕震体环境由于应力变化引起地下介质的电导率等电磁性质发生改变，按照索波列夫等[11]对地震及其最大应力应变影响范围进行的统计分析表明，地震震级越大，地震的应力应变影响范围越大，并给出：

R=100.433M

(1)

式中，R为震中距，M为震级。

根据式(1)计算得到精河6.6级地震的最大应力应变影响范围可达726 km。因此，本文选取由新疆地震前兆台网中心提供的距震中776 km范围内的地磁台站数据，仪器类型有磁通门磁力仪(GM4、FGM)和地磁总强度与分量组合观测仪(FHDZ-M15)[12]，均为秒采样，图1为地磁台站分布及主要断裂构造。为尽可能减少人为活动对地磁观测的影响，本文只使用震中周围秒采样地磁台站当地时23:00～5:00的数据(表1)。

表1 震中周围地磁观测项目概况Tab.1 Information of the geomagnetic station around epicenter

图1 震中区构造及地磁台站分布Fig.1 Distribution of geomagnetic station and structure around epicenter

2 计算方法与原理

地磁短周期变化量的水平分量ΔH、垂直分量ΔZ和磁偏角ΔD之间存在线性关系[3-4]，这种关系也适用于ΔZ、ΔX(NS分量)和ΔY(EW分量)：

Z(f)=A(f)X(f)+B(f)Y(f)

(2)

式中，X、Y、Z为地磁场三分量，A和B为地磁转换系数。对地面各测点记录到的天然磁场信号进行分析得到的转换函数A(f)和B(f)是坐标(λ，φ)、深度(h)、频率(ω)或周期(T)的函数，如果变化量的垂直分量(Z)有外源场部分，则转换函数A(f)和B(f)一般为复数，称为复转换函数，则有：

(3)

式中，Ar(f)、Br(f)和Au(f)、Bu(f)分别为转换函数A(f)和B(f)的实部和虚部。因此，帕金森矢量的方位角和幅度随之定义为：

(4)

式中，Pa为帕金森矢量的方向，指示地下电导率高的方向(0°代表正北方向)；Pm为帕金森矢量的大小，反映地下电性的横向不均匀程度。

分析研究A、B和Pm、Pa随时间的变化，可了解和监测地震活动区域的地下电性结构及环境变化。图2为帕金森矢量法的空间示意图，图中O表示地磁台站，蓝色线(M)表示优势面，ON表示平面的单位法线向量，其在水平面上的投影OP表示帕金森矢量，其中优势面的倾向表示地下电导率差异方向，倾角越大表示差异越大。

图2 帕金森矢量空间上投影示意图Fig.2 Projection diagram of Parkinson’s vector space

本文以3 h为滑动窗口、1 min为步长计算矢量方位角分布，1 d总共得到180组A、B，前后每2组A、B计算得到1组Pa，总共计算得到179组矢量方位角。将平面360°分成36个等角度区间，统计每个角度区间的矢量分布数量。将2017～2018年的矢量分布归一化，即各角度区间矢量数量除以总矢量数量作为背景值，以了解台站当地的地下电性结构差异。以15 d为滑动窗口计算矢量归一化的实时监测值，并将监测值扣除背景值再除以背景值作为窗口内最后1 d的方位角异常值，范围限制在0～100，总共计算地震前后45 d的异常值。本文将大于80的异常定义为高异常。

Chen等[8]的研究发现，在震前帕金森矢量会指向震中或是背离震中，这是由震前应力变化(增加或减小)导致，因此本文同时分析指向或背离震中方向的异常。

3 结果与讨论

对震中周围的乌鲁木齐台、温泉台、喀什台及且末台2017～2018年秒采样资料进行计算，选取当地时23:00～05:00的数据，以15 d为移动窗长、1 d为步长，计算窗口内帕金森矢量方位角的分布比例，再扣除背景值消除长期变化。作为窗口内最后1 d的方位角异常，计算地震前后(共45 d)各台站在0.005～0.01 Hz帕金森矢量方位角异常的日变化。磁场由外源场和内源场两部分组成，在讨论震磁效应时着重研究的是内源场及其变化，需要消除外源场的影响，而外源场最明显的特征即为周期变化，本文利用傅里叶拟合方法扣除长周期变化，以达到消除外源场变化的目的。图3为研究区地磁台站的帕金森矢量背景分布，反映了研究区4个台站的帕金森矢量对电性不均匀结构的响应，图中五角星表示震中，红线表示2017～2018年以台站为中心矢量在各个方向的分布比例，半径表示分布比例的大小。由图可见，各台站的分布具有明显的方向性，温泉台、乌鲁木齐台、喀什台和且末台帕金森矢量的背景方向分别主要集中在80°、68°、70°和55°左右。

图3 研究区地磁台站帕金森矢量背景值Fig.3 Background values of Parkinson vector at geomagnetic stations in the studied area

图4为研究区4个地磁台站在精河6.6级地震前后方位角异常的逐日演化，图中纵轴表示方位角，范围为0°～360°，精度为10°，横轴表示时间(震前30 d到震后15 d)，五角星表示地震发生的时间和相对台站的方位角，红色虚线表示指向震中和背离震中两个方向。由图可知，研究区地磁台站在180°和0°方向具有较强的背景噪声，给异常的识别造成一定的难度，因此在读取异常时，180°和0°方向的高频信号不作为异常。由图4(a)可知，温泉台震前4 d开始在115°左右方向显示出较明显的短临前兆异常，而震前更长时间或震后在该方向没有类似变化，且异常方向与该台的帕金森矢量方向基本一致，异常的可信度较高；类似的，由图4(b)～4(d)可知，乌鲁木齐台震前15 d开始在260°左右方向显示出较明显的短临前兆异常，喀什台震前14 d开始在40°～50°的方向显示出较明显的短临前兆异常，且末台震前7 d开始在340°左右方向显示出较明显的短临前兆异常，且持续2 d。综合分析发现，异常最早出现在喀什台，最后出现在温泉台，表明震前地磁异常从震中较远的地方向震中附近迁移，这对震中估计有一定的指示意义，但从单台异常很难圈定震中位置，因此以台站为中心绘制研究区4个台站每天的帕金森矢量方向异常空间分布。

图4 研究区地磁台站震前30 d和震后15 d异常变化Fig.4 Abnormal changes of geomagnetic stations 30 days before and 15 days after earthquakes in the studied area

帕金森矢量在震前会指向或背离震中方向[10]，因此将每一个角度区间及其反方向区间中的异常较大值作为二者的异常，选取1 000 km内的范围进行叠加，即各台站的异常值相加再除以台站数，最终只保留3个以上台站叠加的异常区域，以减少其他干扰异常。再分析随时间的增加是否有高异常从无到有再到无的现象出现，以进行震中位置的估计，结果见图5，图中色标表示矢量方位角异常值的大小。由图可见，震前16 d高异常区零星分布或几乎不可见，但震前15 d开始零星分布的异常在震中附近汇聚，呈现明显的高异常集中区，随后高异常区逐渐扩散，并持续到震前6 d，但之后震中附近的高异常区在震前5 d基本消失，精河6.6级地震就发生在高异常集中区内。研究表明[13]，地震的孕震范围不仅限于断层附近，在临近地震时电导率异常会大面积增加，造成矢量方位角异常。本文结果显示，震前8 d和6 d地理跨度较大的高异常区出现时间很短，而与地震相关的异常是连续多天持续出现(震前16～8 d)，因此在估计震中时可考虑在大面积异常出现前连续出现异常的区域。

图5 精河地震前30 d和震后15 d异常叠加综合示意图Fig.5 Composite map of Jinghe earthquake 30 days before and 15 days after the earthquake

4 结 语

本文利用帕金森矢量计算了2017-08-09精河6.6级地震前后地磁异常的演化特征，分析发现，震前震中附近地磁台站显示出明显的高异常现象，各台站异常发生的时间分别为：喀什台震前16 d、乌鲁木齐台震前14 d、且末台震前7 d、温泉台震前4 d，异常约从震前15 d开始，均属短临异常，且基本呈由远处往震中附近迁移的现象。由此可知，精河6.6级地震的地磁前兆异常能通过帕金森矢量方法提取出来，且符合异常判定依据。

由于地下构造活动具有复杂性及地表环境干扰等因素的影响，并不是所有地震在震前都会发生前兆异常，也并不是所有异常之后都会发生地震[14-15]。但不管在空间还是时间上，帕金森矢量法在提取地震前兆信号中的作用是值得肯定的。目前短临预报仍是世界性难题，未来会在增加地磁台站密度的基础上增加更多震例，并结合本文方法以证明基于数据处理与图像分析得到的震前地磁异常现象。

致谢：新疆地磁台站同志们在排除数据干扰等方面提供了帮助，本文使用GMT和MATLAB软件作图，在此一并表示感谢。