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基于帕金森矢量方法探究地震前震中周围地磁场变化特征
摘要：2019年6月17日在四川长宁县(104.9°E、28.34°N)发生6.0级地震。本文以该地震为例,基于中国地磁台网提供的地磁台站资料,利用帕金森矢量方法,计算出每个台站在不同频段的帕金森矢量方位角异常之后,将同一频段的多个台站的异常进行叠加,提取和分析该地震前震中周围地磁场变化特征。结果显示,震中周围多个台站短临地磁异常时空特征明显,通过异常综合叠加分析可以较好地估计震中方位。该研究结果可为今后短临地震预报提供一定参考价值。
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根据电磁感应理论,理想导体在外加均匀垂直磁场的情况下,其感应产生的垂直磁场将与外加场相互抵消,其表面并无垂直磁场分量。因此,Parkinson等[1]学者曾提出,在假设均匀天然场源的情况下,地球表面观测到地磁日变垂直分量不为零的现象时需要考虑层状地球电导模型中存在的横向电性不均匀体。地磁加卸载响应比[2]、地磁转换函数[3]、地磁日变幅逐日比[4]、地磁谐波振幅比[5]和地磁低点位移[6]等方法都是基于此物理原理。这些方法在研究地震孕育和发生过程的震磁前兆异常中发挥了重要作用[7,8]。
前人研究指出,在地磁转换函数法中通常将转换函数表示成地磁感应矢量[9],并且其导出的帕金森矢量可指明地下感应电流相对集中或相对高导的区域[1],即中强地震发生前后地下的电磁参数(电导率)会发生变化,从而引起地磁场的异常变化。之后中国地震学者对其进行了广泛研究,并且发现帕金森矢量、转换函数及地下电性结构变化与中强地震的发生有较好的对应关系[10,11,12,13]。Chen等[14,15]利用帕金森矢量方法来评估中国台湾地区中强地震前地下电导率变化特征,据此通过地磁台站数据定出震中大致的方位。
本文以2019年四川长宁6.0级地震为例,基于中国地磁台网提供的震中附近地磁台站的连续波形数据,利用帕金森矢量方法和Chen等[14,15]的改进方法,获取了震中周围地磁感应矢量的时间变化序列,提取并分析了其中的长期背景变化特征,讨论了地下岩石出现电导率增大的现象及其地磁感应矢量空间分布特征,定出震中方位,从而分析研究此次地震前后地磁场变化异常特征。
1、发震构造与资料选取
1.1发震构造情况
据中国地震台网测定,北京时间2019年6月17日,在青藏高原东缘四川盆地南缘宜宾市长宁县(104.9°E、28.34°N)发生6.0级地震,震源深度约19km,其后5d内相继多次发生5级左右强余震。根据矩张量反演结果、序列空间分布、震区构造特征以及灾害现场调查,确定此次长宁6.0级地震震中位于长宁—双河复式大背斜附近,其发生可能是由长宁—双河复式大背斜附近的白象岩—狮子滩背斜和双河场褶皱及其伴生的断层活动控制,震源机制显示为主逆冲型地震,发震断层整体呈NE—SW向挤压为主、兼具一定NW—SE向拉张分量的构造变形特征(图1)。震中处于华南地块内部现今构造活动相对较弱的四川盆地南缘盆山结合地带,震中100km范围内历史上发生过两次6级以上地震,本次长宁6.0级地震是继1974年5月11日云南大关7.1级地震后川东南地区发生的再一次强地震活动,造成重大人员伤亡及大量房屋财产受损[16],因此,研究该地震的地震前兆异常,对该地区地震预测研究及防灾减灾具有重要意义。
图1震中区构造及地磁台站分布示意
1.2资料选取
本文使用的地磁台站数据全部由中国地磁台网中心提供,震中300km范围内台站的分布及主要的断裂背景见图1。值得一提的是,考虑地磁资料易受人为和环境干扰,我们只使用震中周围秒采样地磁台站夜间23:00～5:00的数据,仪器类型均为GM4类型磁通门磁力仪(表1)。
表1震中周围地磁观测项目概况
2、计算方法与原理
Parkinson等[1]提出,地磁短周期变化的水平分量变化量ΔH、垂直分量变化量ΔZ和磁偏角变化量ΔD之间存在线性关系,这种关系也适用于ΔZ、ΔX(北分量)和ΔY(东分量)。
Z(f)=A(f)X(f)+B(f)Y(f) (1)
式中,X、Y、Z是地磁场三分量,A、B是地磁转换系数。
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和B是地点和时间(λ,φ)、深度h、频率ω或周期T的函数。如果垂直分量变化量Z有外源场部分,则转换函数A和B一般为复数,称为复转换函数:
{A(f)=Ar(f)+iAu(f)B(f)=Br(f)+iBu(f) (2)
式中,Ar(f)和Au(f)、Bu(f)分别表示转换函数A(f)和B(f)实部和虚部。那么,帕金森矢量的方位角和幅度随之定义为
Pa=arctanBr(f)Ar(f)+180°Pm=[Ar(f)2+Br(f)2]1/2 (3)
式中,Pa是帕金森矢量的方向,指示地下电导率高的方向(0度代表正北方向);Pm是帕金森矢量的大小,反映地下电性横向不均匀的程度,分析和研究A、B和Pa、Pm随时间的变化,可了解和监测地震活动区地下介质电磁参数的变化特征[13,14]。
3、异常特征分析与讨论
本文分别选取震中周围300km以内的四川省马边台、重庆市涪陵台、贵州省贵阳台的2018—2019年UTC23:00～05:00的秒采样全波形数据,其中我们将2018全年的地磁数据计算所得到的帕金森矢量方位角作为正常背景值(以图2中马边台为例),以15d为移动窗长,1d为步长,计算窗口内帕金森矢量方位角分布比例,再扣除背景值消除长期变化并做归一化处理,将其作为窗口内最后1d的方位角异常,计算地震前后共45d,各台站在0.005～0.01Hz帕金森矢量方位角异常的日变化。值得注意的是,地球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[17]。因此,在对数据进行分析的过程中,消除年变是非常必要的,本文提取震磁异常前,首先使用傅里叶拟合方法,扣除其长周期变化,从而达到消除外源场变化影响,同时提高异常识别的准确性。在识别震磁信息时,排除变化磁场本身的背景场及外空场的影响等干扰因素。
图22018年马边台三分量(D、H、Z)地磁场日变化
图3分别给出了本文选取的3个地磁台(马边台、涪陵台、贵阳台)0.005～0.01Hz频段的转换函数长期变化及其导出的帕金森矢量及背景值。反映了研究区3个台站的帕金森矢量在电性不均匀结构的响应,并且该分布具有明显的方向性。马边台、涪陵台和贵阳台的帕金森矢量的方向分别集中在103°、242°和275°左右,这给我们研究长宁6.0地震地磁异常指明了方向。
图3研究区地磁台站帕金森矢量背景值
五角星为地震;红线为帕金森矢量
图4给出了涪陵台在长宁6.0级地震前后异常变化曲线。震前21d开始在240°左右的方向显示比较明显的短临前兆异常,异常持续到地震当天,震后快速消失。追加往前更长时间或震后该方向没有显示类似变化,且异常方向跟该台站帕金森矢量方向基本一致,且其他方向未出现明显的高频异常变化,因此异常信度较高,推测为本次地震的短临异常信号;震中较近的马边台、贵阳台则未出现类似异常,这也反映了地震前兆异常的复杂性。但是从单台异常很难圈定震中位置,因此我们对研究区不同方向的3个地磁台站帕金森矢量方向进行异常叠加,以对地震前后异常演化进行分析(图5)。
图4涪陵台震前30天和震后15天异常变化
五角星为地震;红线为帕金森矢量
选取某一天的异常分布,将平面以10°间隔分成36份。将台站某一方向和其背向异常值较高的值同时作为这两个方向的异常值,得到单一台站的异常空间分布。将不同方向所有台站异常叠加,取以各台站为中心300km范围内至少有3个台站异常值相交的区域。图5为长宁6.0级地震前30d和震后15d所选取三个台站的异常叠加综合图,其中色标表示异常大小。从图5不难看到,震前14d图中几乎看不到明显的高异常区或高异常区特别地零星分布,但是震前13d开始这些零星分布的异常在震中附近汇聚,呈现很明显的高异常集中区,持续到震前1d,尤其是震前3～1d高异常区域特别集中,长宁6.0级地震就发生在这个高异常集中区内。长宁6.0级地震后,震中周围仍然没有异常区域。这些结果为长宁6.0级地震震源附近存在相对高电导率提供了积极的证据。
4、结论
本文使用马边台、涪陵台和贵阳地磁台站三分量磁力仪的秒资料,计算出帕金森矢量并借以找出2019年6月17日长宁6.0级地震前,地下电磁场(电导率)的变化。结合前人对地震前地磁场(电导率)异常的研究[14,15,17],笔者可以得到以下结论:
(1)从单台的帕金森矢量分析结果看,涪陵台此次地震前这种异常变化特别明显,异常特性为短临异常,即震前22d以前帕金森矢量所指向的频段几乎无异常,到震前22d开始可以看到明显的高异常出现到消失的现象,且震中对台站指向的方位角基本吻合,地震异常信度高。
图5长宁6.0级地震前30d和震后15d所选取三个台站的异常叠加综合示意图
(2)从不同方向不同角度的多个地磁台站帕金森矢量方向进行异常叠加图看,2019年长宁6.0级地震前后异常演化特征较明显,震前13d开始逐渐出现感应矢量高幅度异常,尤其是震前3d异常幅度达到最高值,震后立即消失,且震中就落到高异常叠加区。本文采用帕金森矢量方位角异常指示的位置与实际震中的位置最接近。
(3)由于地下构造活动的复杂性以及地表环境的干扰等因素,并不是所有的地震在震前都会发生这样的前兆异常,同时也并不是所有的异常之后都会有相应的地震发生[18]。但是,本文的研究结果显示,无论在空间上还是时间上该地震前后磁力场变化都很显著,即震中周围地磁台站表现出最初无异常,到出现高频异常再到异常消失的过程。因此,帕金森矢量在提取本次长宁6.0级地震前兆信号中的积极作用是值得肯定的。
笔者综合分析认为,基于地磁短周期变化,利用地磁秒数据计算分析,在0.005～0.01Hz频段范围内,地震前后20d左右帕金森矢量方位角分布出现明显异常,并指向震中附近。对于目前地震预报难题,前兆异常需要多方面的综合研究,本文研究结果可作为一种地磁方面的参考。
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基金:中国地震局震情跟踪青年项目(2019010409,2020010422);中国地震局监测､预报､科研三结合项目(3JH-201901097).
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2020-07-06
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