2009—2010年日食活動對湖北地區地震前兆觀測的影響＊

孫伶俐 呂品姬 羅俊秋 李 明 趙凌云

(湖北省地震局,武漢 430071)

2009—2010年日食活動對湖北地區地震前兆觀測的影響＊

孫伶俐 呂品姬 羅俊秋 李 明 趙凌云

(湖北省地震局,武漢 430071)

對 2009—2010年兩次日食活動期間的湖北省區域地震前兆原始觀測數據進行分析,結果顯示日食效應對某些前兆測項有一定影響,具體表現為：1)地磁觀測到達低值時間出現于日全食開始前;2)2009年 7月 22日日全食和 2010年 1月 15日日環食期間地磁觀測測項分量、擾動形態變化特征不盡相同。日全食前后地磁場變化主要表現為地磁水平分量 H向下躍動的起伏型變化,具有短時、較為同步的特點;而日環食發生時,地磁場的變化主要表現為地磁偏角D的趨勢轉折,具有趨勢變化、滯后性的特點;3)日食活動對地殼形變中的固體潮線應變和傾斜量也產生短時擾動。

日食活動;地震前兆;地磁脈動;地殼形變;影響

1 引言

日食活動期間,日食地區上空的電離層發生明顯變化從而影響地球的電磁場,這種變化和影響隨地理緯度、季節和日食時的太陽高度而不同,因此每次日食產生的影響并不相同[1-4]。

本文對湖北省區域地震前兆觀測 2009—2010年兩次日食活動期間的數據分析發現,日全食前后地磁場主要表現為地磁水平分量的 H起伏型變化,具有短時、較為同步的特點;而日環食時,地磁場主要表現為地磁偏角D的趨勢轉折型變化,具有趨勢變化、滯后的特點。日食對湖北省內地殼形變的固體潮觀測影響不明顯,對黃梅臺的應變和傾斜固體潮汐低頻段周期上有短時擾動現象,對其他臺站的水管傾斜、擺式傾斜、鉆孔應變、重力等觀測數據無明顯影響。

2 日食現象對湖北省地震前兆觀測的影響

湖北省區域地震前兆觀測臺網 (圖 1)包括重力、地磁、地殼形變及地下流體等數字化觀測手段。共有流體類儀器 16套,地磁類 15套,形變類 19套,重力類 4套,輔助觀測類 10套,儀器布局合理、分布均勻。湖北省前兆觀測項目自 1959年開始觀測,經“九五”和“十五”地震前兆觀測數字化改造,現共有20個觀測臺站、64套前兆觀測儀器、155個測項。

地磁連續觀測儀器有 FHDZ-M15型地磁組合觀測儀、G M4型和 G M3-Ⅱ型磁通門磁力儀、FHD-2型質子矢量磁力儀。分布如圖 1。

圖1 湖北地區地震前兆觀測臺網分布Fig.1 Distribution of Hubei local earthquake precursor observing network

2.1 日全食對地磁觀測影響

2009年 7月 22日的日全食發生前后,地磁儀器記錄到的地磁總強度 F和水平分量 H均明顯的向下躍動(圖 2)。

對日全食期間地磁儀水平分量的對比發現,各地磁臺到達低谷時間均早于食既時間 5～10分鐘;日全食初虧時間恩施和武漢分別是 8：10和 8：14,食既是 9：16和 9：23,食甚是 9：19和 9：26,而恩施臺到達低谷時刻為 9：09,武漢臺則是 9：13(圖 3)。

圖2 日全食對地磁水平分量的影響Fig.2 Effect of total solar eclipse on geomagnetic horizontal component

圖3 武漢臺與恩施臺地磁儀水平分量對比Fig.3 Comparison between horizontal components of magnetometer atWuhan station and Enshi station during total solar eclipse

從圖 3、4可以看出,在日全食發生前后,武漢、恩施、丹江、成都、重慶、南昌、金寨等臺站的地磁儀均在水平分量和總強度上存在明顯向下躍動,其中,恩施臺 FHDZ-M15、G M4和十堰臺的 FHD-2地磁儀器水平分量變化量偏大(表 1)。

2.2 日偏食對地磁觀測影響

2010年 1月 15日湖北省大部分地磁臺站因位置毗臨日環食本影區或位于其內部,3套 FHD-2地磁儀的磁偏角 D分量數據上有明顯變化。變化形態是由長期的下降(西漂)趨勢轉為上升,上升后又減弱;幅值變化不大,在1分內;影響持續時間約3～5天,1月 20日開始恢復正常(圖 5)。

圖4 成都、南昌、重慶、金寨等地磁觀測臺水平分量的對比Fig.4 Comparison among horizontal components of magnetometer at Chengdu,Nanchang,Chongqing and Jinzhai stations during total solar eclipse

表1 日全食對地磁儀器的影響(單位:nT)Tab.1 Effect of total solar eclipse on geomagnetic observations(un it:nT)

從圖 6可以看到,成都、重慶、南昌、金寨等地磁偏角D分量在日環食發生前后 (20—21日)均有突變(上升-下降現象),但隨地理位置的不同,轉折時間與形態存在差異。

2.3 日食對地殼形變觀測的影響

湖北省有地殼形變類觀測臺站 7個,地傾斜、應變類觀測儀器 19套。小波對固體潮有很好的分析結果[5-8]。利用 db4小波方法對日食活動期間形變觀測數據進行分析,小波分析結果顯示,細節 l階是高頻成分,如突跳等;細節 2～4階是固體潮信號,依次是 1/3日波、半日波和日波;從細節 5階以上是去除了潮汐成分的非潮汐信息,隨著階數的增加,信號的頻率越來越低,周期越來越長。

圖5 日環食發生前后磁偏角的變化Fig.5 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

運用小波方法處理后發現除黃梅臺伸縮儀外大部分定點形變觀測均未發現異常信息;黃梅臺重力儀、麻城臺鉆孔應變儀和垂直擺、十堰臺水管儀等均未見明顯異常,麻城臺鉆孔應變儀的NS/EW分量、垂直擺的 EW分量和十堰臺水管儀 EW分量在 22日全食發生之前觀測數據于第 7階細節層上有小幅擾動,在時間上具一致性(圖 7)。

而黃梅臺伸縮儀NS/EW分量分鐘值原始數據在 7月 21—23日全食發生前后,于小波分析結果的第 7階細節層、周期在 128—256分鐘頻段出現明顯波動(圖 8),這種波動過程呈暫態,只在有限時間內出現,并沒有構成趨勢性持續變化。雖然這段變化從原始曲線上看不出異常,日固體潮汐變化也顯正常,但通過分頻段濾波處理后卻顯現了波動異常。與此同時,當地溫度和氣壓也有波動變化,但除黃梅臺伸縮儀外其他儀器并未發生同步異常,由此可排除因自然環境因素產生擾動的影響。

圖6 日環食發生前后磁偏角的變化Fig.6 Changes of geomagnetic declination before and after annular solar eclipse

圖7 日全食前后重力、鉆孔應變、水管傾斜、擺式傾斜觀測數據(分鐘值)的小波分析Fig.7 Wavelet analysis for gravity,borehole strain,water pipes tilt,vertical pendulum datas before and after total solar eclipse

3 日食對觀測數據產生影響原因探討

3.1 日食活動對地磁觀測產生不同表現形態影響的原因

通過兩次日食活動對比,發現對同一臺站同一觀測儀器,日全食前后地磁場變化主要表現為地磁水平分量 H的起伏型變化,具有短時、較為同步等特征。而日環食發生時,地磁場的變化主要表現為地磁偏角D的趨勢轉折,具趨勢性、滯后性的變化特點。

根據地平坐標系中地磁場各要素的定義可知,日全食時 H分量的起伏變化反映的是當時近地表的地磁水平分量上的變化特征;磁偏角D先增大后減小的轉折變化則反映了 H分量在地理北方向和東方向上的投影量變化。

日食活動對地磁觀測產生的不同表現形態影響的原因,初步推斷可能是由于當行星狀態發生變化時,太陽風帶來能量變化將通過磁層-電離層不同的耦合過程進入地球近地空間,太陽風壓強激波觸發地磁亞暴,并且導致極光帶東西向電激流發生急劇的變化,從而引起地磁場的急劇變化[9]。日食時太陽高度、電離層狀態、季節、地磁場指數和太陽黑子數等指數各不相同,會造成日食效應的不同結果。日食引起的這種復雜的動力過程加上熱層風的作用,使 F2區電離的時空分布形態也變得十分復雜。

圖8 日全食前后黃梅伸縮儀的分鐘值原始數據的小波分析Fig.8 Wavelet analysis for original data of extensometer at Huangmei station before and after total solar eclipse

3.2 日食活動對固體潮產生擾動原因分析

聲重力波作為電離層、熱層與中、低層大氣耦合動力學過程的重要現象之一,起著十分重要的能量輸送作用,通過聲重力波,各種低層大氣氣象活動變化都會對電離層產生影響。有研究表明,日食期間,全食區的高層大氣(中性)溫度、電子溫度及離子溫度均急劇下降,偏食區的溫度相應降低,非日食區的溫度不變[9]。這樣從全食區、偏食區或到非食區將出現明顯的溫度梯度。此時非食區的電離將因這種溫度梯度形成向全食區的水平擴散,同時全食區激發的聲重擾動向非食區傳播。

文獻[10]分析 1987年 9月 23日日環食期間大氣聲重力波后認為,日食產生的重力波來自太陽輻射變化產生的強迫振蕩和大氣層內的浮力振蕩。強迫振蕩的波動周期較長,振幅較大,與日食期間太陽輻射的起伏有關;浮力振蕩的波動周期較短,振幅較小,與日食時大氣層內的穩定度及濕度條件有關。

日食期間黃梅臺伸縮儀表現出的短時擾動現象,從小波分析結果看來擾動持續時間在 5～8小時,原因可能是因具有明顯的局地性大氣聲重力波振蕩引起,因為黃梅地處日食區和非食區的交界地帶,日食發生時極容易產生溫度梯度和強對流天氣,而這會引起大氣降溫造成某些大氣層結不穩定加以外來振蕩的激發而造成的聲重力波浮力振蕩,從而對伸縮儀觀測產生影響。本次伸縮儀受到日食擾動現象具有周期較短、微振幅特征,與李啟泰[10]提出的 S′-T2振蕩型類似,即“日食-太陽輻射干擾-直接強迫熱力擾動-強迫振蕩和浮力振蕩-大氣壓力波-引發日食聲重力波”的動力學模式。

黃梅臺除伸縮儀外其他形變儀器未記錄到日食擾動,其原因可能是地傾斜和重力觀測儀器的靈敏度低于應變儀器,因此記錄不到有關信息。

4 討論

對 2009—2010年兩次日食活動期間的湖北省區域地震前兆觀測數據的分析結果顯示,日食效應對地震前兆測項有一定影響,具體表現是：

1)地磁觀測低值均出現于日全食開始前。

2)日環食和日全食期間產生影響的地磁觀測分量、擾動形態變化特征不盡相同。對同一臺站同一觀測儀器而言,日全食過程對地磁觀測產生的影響主要表現在水平分量變化上,垂直分量上略有變化,地磁偏角變化不明顯,變化特征為短期、即時型,實時性較強;日環食過程對地磁觀測的地磁偏角產生趨勢轉折影響,具階段性和延時性。

3)日食對線應變和傾斜固體潮能產生短時的擾動影響。經小波分析后的擾動數據出現在第 7階細節層,周期為 128—256分鐘,具暫態性,沒有趨勢性的持續變化現象。

日食活動對湖北區域地磁和定點形變觀測有一定影響,但機理及形成原因較為復雜,還需要多手段的綜合觀測研究。

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10 李啟泰,謝金來,楊訓仁.日環食激發大氣聲重力波的研究[J].聲學學報,1992,5,17(3)：171-186.(Li Qitai,Xie Jinlai and Yang Xunren.A study on atmospheric acoustic-gravitywaves excited by annular solar eclipse[J]. Acta Acustica,1992,5,17(3)：171-186)

ON I M PACT OF 2009—2010 ECL IPSE EVENTS ON LOCAL EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATI ON IN HUBEI

Sun Lingli,LüPingji,Luo Junqiu,LiMing and Zhao Linyun
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

The continuous and precise data were recorded by variety precursor instruments in the HubeiLocal-Earthquake-precursorObserving System during the 2009-2010 solar eclipse.After the careful processing and analysis for observations,three significant variations all related to the solar eclipse are found.Firstly,the geomagnetic anomaly valleys appeared before the eclipse starting.Secondly,during the total and annular solar eclipse,there were some differences between geomagnetic components and bet ween micro-changing geomagnetic anomaly phenomena.Before and after the total solar eclipse,therewere clear featureswith short-ti me and synchronization on the geomagnetic horizontal component.However,during the annular solar eclipse,geomagnetic declination component shows transition-type change characteristics with trended and lagged.Thirdly,the solar eclipse made the tilt and strain of crustal defor mation observations short-time pulsate.

solar eclipse;earthquake precursors;geomagnetic pulsate;crustal deformation;impact

1671-5942(2011)04-0047-06

2011-01-03

中國地震局震情跟蹤合同制項目(2011020205)

孫伶俐,女,工程師,主要從事地形變與地震預測研究.E-mail：sunll777@sina.com

P353

A