九寨溝7.0級(jí)地震前四川地區(qū)地磁異常分析

芮雪蓮，廖曉峰，楊 鵬，黃嵐俊

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2. 四川商務(wù)職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611131)

地震與地磁的關(guān)系從19世紀(jì)末開始為人們所注目，至今已有百余年的歷史，而有目的地進(jìn)行震磁前兆觀測與地震預(yù)報(bào)實(shí)踐則開始于20世紀(jì)60年代，1966年以來，我國逐步建立了比較完善的震磁觀測系統(tǒng)，在震磁效應(yīng)理論研究和地震預(yù)報(bào)方面取得了很大的進(jìn)展(丁鑒海等，1994)。地震地磁學(xué)主要研究內(nèi)容是地震孕育、發(fā)生及震后調(diào)整過程中直接或間接引起的震磁效應(yīng)及其機(jī)理。震磁研究需要從強(qiáng)的背景場中提取弱的震磁信息，這既受到觀測條件、儀器精度等的限制，也要解決識(shí)別正常背景場和排除其他干擾等問題。地磁預(yù)報(bào)地震的方法主要針對兩個(gè)方面：基本磁場預(yù)報(bào)地震方法研究與變化磁場預(yù)報(bào)地震方法的研究。而變化磁場在震前多表現(xiàn)為中短期異常，這是需要重點(diǎn)關(guān)注的。目前提取地磁變化磁場異常的方法可以分為頻率域分析方法與時(shí)間域分析方法兩大類。頻率域分析方法利用頻譜分析技術(shù)獲取地磁三分量(Z、H、D)的譜值進(jìn)而提取震磁異常信息，包含地磁諧波振幅比法(馮志生等，2004；戴勇等，2016；何暢等，2017a)與地磁垂直強(qiáng)度極化方法(李琪等，2015；何暢等，2017b)；時(shí)間域分析方法重點(diǎn)研究地磁垂直分量(Z)的日變化異常，包括日變形態(tài)、相位及幅度的畸變，主要方法有地磁低點(diǎn)位移法(丁鑒海等，2004)、地磁加卸載響應(yīng)比法(王亶文，1995；馮志生等，2000)、地磁日變幅逐日比法等。本文主要分析九寨溝7.0級(jí)地震前四川地區(qū)地磁垂直分量日變幅逐日比的異常變化。

圖1 四川地磁臺(tái)站分布

1 觀測數(shù)據(jù)

2017年8月8日21時(shí)19分，四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣發(fā)生M7.0地震。四川地區(qū)固定地磁觀測臺(tái)站及震中位置如圖1所示，各臺(tái)站與九寨溝地震震中距如表1所示。本文重點(diǎn)分析震前出現(xiàn)的局部地磁日變幅逐日比異常特征。四川地區(qū)地磁臺(tái)站相對記錄觀測儀器類型包括GM4和FGM，采樣率均為1 sps，連續(xù)記錄垂直分量(Z)、水平分量(H)和磁偏角(D)的變化。

2 計(jì)算方法

地磁垂直分量日變幅逐日比是對地磁加卸載響應(yīng)比的一種簡化，是地磁場垂直分量某一天和后一天日變幅的比值(倪曉寅等，2017)，公式如下：

表1 臺(tái)站與九寨溝地震震中距統(tǒng)計(jì)

(1)

其中，A為垂直分量(Z)日變幅，t1為時(shí)間，t2=t1+1，t2日期為逐日比日期。每日的日變幅度為一天中分鐘值數(shù)據(jù)的最大值與最小值的差值，而日變幅度的準(zhǔn)確性直接影響逐日比結(jié)果的可靠性，因此在計(jì)算各臺(tái)站日變幅之前，需先對分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。本文使用高階傅里葉擬合濾波消除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲。為了便于結(jié)果的對比分析，現(xiàn)將世界時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京時(shí)，再進(jìn)行日變幅與逐日比的計(jì)算。利用地磁日變幅逐日比方法判定四川地區(qū)地磁異常的閾值為3.0，當(dāng)臺(tái)站的逐日比值超過該閾值，且當(dāng)3個(gè)及以上臺(tái)站同步出現(xiàn)超過閾值的情況時(shí)，判定為有效異常。地磁逐日比異常在時(shí)間上具有多臺(tái)同步的特點(diǎn)，相比于單臺(tái)異常，多個(gè)臺(tái)站同時(shí)出現(xiàn)異常的可靠性更高，可有效降低儀器故障與環(huán)境干擾的影響。

3 震例分析

對四川地區(qū)10個(gè)地磁臺(tái)站的垂直分量數(shù)據(jù)進(jìn)行日變幅逐日比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)2017年2月7日成都、松潘、江油和崇州4個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)了同步的逐日比超閾值現(xiàn)象(見圖2)，臺(tái)站數(shù)量滿足異常判據(jù)指標(biāo)，因此判定此次多臺(tái)同步逐日比高值為有效異常，具體異常信息見表2。根據(jù)逐日比計(jì)算公式可知，2月7日的異常為2月6日的日變幅與2月7日的日變幅的比值，圖3給出了2月5～8日成都、松潘、江油和崇州4個(gè)臺(tái)站垂直分量的預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)，可以看出，2月7日數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變，日變幅度明顯縮小，這是導(dǎo)致日變幅逐日比出現(xiàn)高值的直接原因。

圖2 成都市臺(tái)(a)、松潘臺(tái)(b)、江油臺(tái)(c)、崇州臺(tái)(d)2017年1～8月地磁垂直分量日變幅逐日比

表2 2017年2月7日日變幅逐日比比高值異常信息表

由于此次異常為多臺(tái)同步異常，因此可以初步排除儀器故障與測區(qū)環(huán)境改變帶來的干擾，為了進(jìn)一步排除外空場活動(dòng)對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，開展了磁暴調(diào)查工作，如圖4所示(據(jù)世界地磁數(shù)據(jù)中心)，2017年2月1日至2月10日期間磁擾較為平靜，6日至7日Dst<-30 nT，無磁暴發(fā)生，因此可排除空間環(huán)境的影響，表明此次日變幅逐日比高值很可能是變化磁場在震前的異常變化。

圖3 成都市臺(tái)(a)、崇州臺(tái)(b)、江油臺(tái)(c)、松潘臺(tái)(d)2017年2月5～8日垂直分量預(yù)處理分鐘值曲線

圖4 2017年2月全球Dst指數(shù)曲線(數(shù)據(jù)引自世界地磁數(shù)據(jù)中心)

利用克里金插值法對2017年2月7日計(jì)算范圍內(nèi)臺(tái)站的逐日比值進(jìn)行空間插值，并繪制此次異常的空間等值線圖(見圖5)，此次異常高值區(qū)位于川北區(qū)域，異常出現(xiàn)后的182天發(fā)生了九寨溝7.0級(jí)地震，震中恰好位于閾值線上。

圖5 2017年2月7日地磁逐日比異常空間等值線圖

4 結(jié)論與討論

本文分析了九寨溝7.0級(jí)地震前四川地區(qū)地磁垂直分量日變幅逐日比的異常變化，發(fā)現(xiàn)成都、松潘、江油和崇州4個(gè)臺(tái)站在震前6個(gè)月出現(xiàn)了同步逐日比高值異常，異常臺(tái)站集中于四川北部，震中位于異常閾值線上；此次異常的時(shí)空特征與倪曉寅等(2017)給出的南北地震帶逐日比異常研究結(jié)果相符合。2017年2月7日逐日比異常主要由地磁垂直分量的日變幅度改變引起，通過異常時(shí)段的外空場活動(dòng)調(diào)查，排除了空間環(huán)境對計(jì)算結(jié)果的影響。在地震孕育過程中，應(yīng)力的積累會(huì)引起地下介質(zhì)電導(dǎo)率等電磁性質(zhì)的改變，從而使得感應(yīng)磁場在局部出現(xiàn)異常變化(丁鑒海等，2004)，因此此次多臺(tái)同步逐日比高值異常很可能是孕震區(qū)地下介質(zhì)環(huán)境改變的一種表現(xiàn)。地磁日變幅逐日比異常具有時(shí)間上同步、空間上分布廣的特征，對發(fā)震地點(diǎn)及震級(jí)指示不夠明確，因此僅利用單一方法進(jìn)行地震預(yù)報(bào)具有較大不確定性，在以后的工作中應(yīng)注重多方法綜合分析研究。