基于帕金森矢量的2017年精河6.6級(jí)地震震中估計(jì)

艾薩·伊斯馬伊力 毛志強(qiáng) 陳界宏

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市科學(xué)二街338號(hào)，830011 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢市魯磨路388號(hào)，430074

地震地磁學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容是地震在孕育和發(fā)生過程中地磁場(chǎng)和地球介質(zhì)電磁參數(shù)的變化特征及產(chǎn)生機(jī)理。在孕震過程中，地球介質(zhì)電磁參數(shù)(如電導(dǎo)率)會(huì)發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)與地震孕育和發(fā)生過程相關(guān)的地磁前兆現(xiàn)象[1]，跟蹤地磁數(shù)據(jù)的變化并提取異常，有利于分析地磁異常變化對(duì)地震的調(diào)制和觸發(fā)作用[2]。在地震地磁研究中，Rikitake等[3]首先發(fā)現(xiàn)地磁短周期變化與地下電性特征變化有關(guān)；Parkinson等[4]將地磁三分量(ΔZ、ΔH、ΔD)的短周期數(shù)據(jù)用于震磁關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換函數(shù)導(dǎo)出的帕金森矢量具有指向高電導(dǎo)率異常的特性，即在中強(qiáng)震發(fā)生前的一段時(shí)間內(nèi)，地下的電性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，地下巖石出現(xiàn)電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象。我國(guó)地震學(xué)者[5-6]也對(duì)帕金森矢量進(jìn)行廣泛研究發(fā)現(xiàn)，中強(qiáng)地震前周邊臺(tái)站的短周期轉(zhuǎn)換函數(shù)異常變化與地震之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；Chen等[7-8]還利用帕金森矢量計(jì)算了多個(gè)臺(tái)灣地震震前地下電導(dǎo)率的變化方向，并定位出震中的大致方位。

本文以2017-08-09新疆精河6.6級(jí)地震為例，通過收集震中周圍不同方位、不同距離地磁臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，基于帕金森矢量方法和Chen等[7-8]的改進(jìn)方法，計(jì)算每個(gè)臺(tái)站在不同頻段的帕金森矢量方位角異常，并將同一頻段多個(gè)臺(tái)站的結(jié)果進(jìn)行疊加，指示出震中方位，以提取和分析精河地震前震中周圍臺(tái)站地磁的短周期異常變化特征。

1 發(fā)震構(gòu)造與資料選取

1.1 發(fā)震構(gòu)造

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2017-08-09新疆精河縣境內(nèi)(82.89°E，44.27°N)發(fā)生6.6級(jí)地震，震源深度約20 km，震中位于北天山主干斷裂庫(kù)松木契克山前次斷裂東末端，是天山地震帶近5 a發(fā)生的最大地震。矩張量反演結(jié)果顯示，本次地震以逆沖型為主，發(fā)震斷裂為右旋走滑兼逆沖的全新世活動(dòng)斷裂，2個(gè)節(jié)面均近EW向，震源性質(zhì)與區(qū)域地震構(gòu)造背景一致[9-10]。

1.2 資料選取

強(qiáng)震前孕震體環(huán)境由于應(yīng)力變化引起地下介質(zhì)的電導(dǎo)率等電磁性質(zhì)發(fā)生改變，按照索波列夫等[11]對(duì)地震及其最大應(yīng)力應(yīng)變影響范圍進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明，地震震級(jí)越大，地震的應(yīng)力應(yīng)變影響范圍越大，并給出：

R=100.433M

(1)

式中，R為震中距，M為震級(jí)。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到精河6.6級(jí)地震的最大應(yīng)力應(yīng)變影響范圍可達(dá)726 km。因此，本文選取由新疆地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心提供的距震中776 km范圍內(nèi)的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)，儀器類型有磁通門磁力儀(GM4、FGM)和地磁總強(qiáng)度與分量組合觀測(cè)儀(FHDZ-M15)[12]，均為秒采樣，圖1為地磁臺(tái)站分布及主要斷裂構(gòu)造。為盡可能減少人為活動(dòng)對(duì)地磁觀測(cè)的影響，本文只使用震中周圍秒采樣地磁臺(tái)站當(dāng)?shù)貢r(shí)23:00～5:00的數(shù)據(jù)(表1)。

表1 震中周圍地磁觀測(cè)項(xiàng)目概況Tab.1 Information of the geomagnetic station around epicenter

圖1 震中區(qū)構(gòu)造及地磁臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of geomagnetic station and structure around epicenter

2 計(jì)算方法與原理

地磁短周期變化量的水平分量ΔH、垂直分量ΔZ和磁偏角ΔD之間存在線性關(guān)系[3-4]，這種關(guān)系也適用于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為地磁場(chǎng)三分量，A和B為地磁轉(zhuǎn)換系數(shù)。對(duì)地面各測(cè)點(diǎn)記錄到的天然磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)A(f)和B(f)是坐標(biāo)(λ，φ)、深度(h)、頻率(ω)或周期(T)的函數(shù)，如果變化量的垂直分量(Z)有外源場(chǎng)部分，則轉(zhuǎn)換函數(shù)A(f)和B(f)一般為復(fù)數(shù)，稱為復(fù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，則有：

(3)

式中，Ar(f)、Br(f)和Au(f)、Bu(f)分別為轉(zhuǎn)換函數(shù)A(f)和B(f)的實(shí)部和虛部。因此，帕金森矢量的方位角和幅度隨之定義為：

(4)

式中，Pa為帕金森矢量的方向，指示地下電導(dǎo)率高的方向(0°代表正北方向)；Pm為帕金森矢量的大小，反映地下電性的橫向不均勻程度。

分析研究A、B和Pm、Pa隨時(shí)間的變化，可了解和監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)區(qū)域的地下電性結(jié)構(gòu)及環(huán)境變化。圖2為帕金森矢量法的空間示意圖，圖中O表示地磁臺(tái)站，藍(lán)色線(M)表示優(yōu)勢(shì)面，ON表示平面的單位法線向量，其在水平面上的投影OP表示帕金森矢量，其中優(yōu)勢(shì)面的傾向表示地下電導(dǎo)率差異方向，傾角越大表示差異越大。

圖2 帕金森矢量空間上投影示意圖Fig.2 Projection diagram of Parkinson’s vector space

本文以3 h為滑動(dòng)窗口、1 min為步長(zhǎng)計(jì)算矢量方位角分布，1 d總共得到180組A、B，前后每2組A、B計(jì)算得到1組Pa，總共計(jì)算得到179組矢量方位角。將平面360°分成36個(gè)等角度區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)角度區(qū)間的矢量分布數(shù)量。將2017～2018年的矢量分布?xì)w一化，即各角度區(qū)間矢量數(shù)量除以總矢量數(shù)量作為背景值，以了解臺(tái)站當(dāng)?shù)氐牡叵码娦越Y(jié)構(gòu)差異。以15 d為滑動(dòng)窗口計(jì)算矢量歸一化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，并將監(jiān)測(cè)值扣除背景值再除以背景值作為窗口內(nèi)最后1 d的方位角異常值，范圍限制在0～100，總共計(jì)算地震前后45 d的異常值。本文將大于80的異常定義為高異常。

Chen等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在震前帕金森矢量會(huì)指向震中或是背離震中，這是由震前應(yīng)力變化(增加或減小)導(dǎo)致，因此本文同時(shí)分析指向或背離震中方向的異常。

3 結(jié)果與討論

對(duì)震中周圍的烏魯木齊臺(tái)、溫泉臺(tái)、喀什臺(tái)及且末臺(tái)2017～2018年秒采樣資料進(jìn)行計(jì)算，選取當(dāng)?shù)貢r(shí)23:00～05:00的數(shù)據(jù)，以15 d為移動(dòng)窗長(zhǎng)、1 d為步長(zhǎng)，計(jì)算窗口內(nèi)帕金森矢量方位角的分布比例，再扣除背景值消除長(zhǎng)期變化。作為窗口內(nèi)最后1 d的方位角異常，計(jì)算地震前后(共45 d)各臺(tái)站在0.005～0.01 Hz帕金森矢量方位角異常的日變化。磁場(chǎng)由外源場(chǎng)和內(nèi)源場(chǎng)兩部分組成，在討論震磁效應(yīng)時(shí)著重研究的是內(nèi)源場(chǎng)及其變化，需要消除外源場(chǎng)的影響，而外源場(chǎng)最明顯的特征即為周期變化，本文利用傅里葉擬合方法扣除長(zhǎng)周期變化，以達(dá)到消除外源場(chǎng)變化的目的。圖3為研究區(qū)地磁臺(tái)站的帕金森矢量背景分布，反映了研究區(qū)4個(gè)臺(tái)站的帕金森矢量對(duì)電性不均勻結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，圖中五角星表示震中，紅線表示2017～2018年以臺(tái)站為中心矢量在各個(gè)方向的分布比例，半徑表示分布比例的大小。由圖可見，各臺(tái)站的分布具有明顯的方向性，溫泉臺(tái)、烏魯木齊臺(tái)、喀什臺(tái)和且末臺(tái)帕金森矢量的背景方向分別主要集中在80°、68°、70°和55°左右。

圖3 研究區(qū)地磁臺(tái)站帕金森矢量背景值Fig.3 Background values of Parkinson vector at geomagnetic stations in the studied area

圖4為研究區(qū)4個(gè)地磁臺(tái)站在精河6.6級(jí)地震前后方位角異常的逐日演化，圖中縱軸表示方位角，范圍為0°～360°，精度為10°，橫軸表示時(shí)間(震前30 d到震后15 d)，五角星表示地震發(fā)生的時(shí)間和相對(duì)臺(tái)站的方位角，紅色虛線表示指向震中和背離震中兩個(gè)方向。由圖可知，研究區(qū)地磁臺(tái)站在180°和0°方向具有較強(qiáng)的背景噪聲，給異常的識(shí)別造成一定的難度，因此在讀取異常時(shí)，180°和0°方向的高頻信號(hào)不作為異常。由圖4(a)可知，溫泉臺(tái)震前4 d開始在115°左右方向顯示出較明顯的短臨前兆異常，而震前更長(zhǎng)時(shí)間或震后在該方向沒有類似變化，且異常方向與該臺(tái)的帕金森矢量方向基本一致，異常的可信度較高；類似的，由圖4(b)～4(d)可知，烏魯木齊臺(tái)震前15 d開始在260°左右方向顯示出較明顯的短臨前兆異常，喀什臺(tái)震前14 d開始在40°～50°的方向顯示出較明顯的短臨前兆異常，且末臺(tái)震前7 d開始在340°左右方向顯示出較明顯的短臨前兆異常，且持續(xù)2 d。綜合分析發(fā)現(xiàn)，異常最早出現(xiàn)在喀什臺(tái)，最后出現(xiàn)在溫泉臺(tái)，表明震前地磁異常從震中較遠(yuǎn)的地方向震中附近遷移，這對(duì)震中估計(jì)有一定的指示意義，但從單臺(tái)異常很難圈定震中位置，因此以臺(tái)站為中心繪制研究區(qū)4個(gè)臺(tái)站每天的帕金森矢量方向異常空間分布。

圖4 研究區(qū)地磁臺(tái)站震前30 d和震后15 d異常變化Fig.4 Abnormal changes of geomagnetic stations 30 days before and 15 days after earthquakes in the studied area

帕金森矢量在震前會(huì)指向或背離震中方向[10]，因此將每一個(gè)角度區(qū)間及其反方向區(qū)間中的異常較大值作為二者的異常，選取1 000 km內(nèi)的范圍進(jìn)行疊加，即各臺(tái)站的異常值相加再除以臺(tái)站數(shù)，最終只保留3個(gè)以上臺(tái)站疊加的異常區(qū)域，以減少其他干擾異常。再分析隨時(shí)間的增加是否有高異常從無到有再到無的現(xiàn)象出現(xiàn)，以進(jìn)行震中位置的估計(jì)，結(jié)果見圖5，圖中色標(biāo)表示矢量方位角異常值的大小。由圖可見，震前16 d高異常區(qū)零星分布或幾乎不可見，但震前15 d開始零星分布的異常在震中附近匯聚，呈現(xiàn)明顯的高異常集中區(qū)，隨后高異常區(qū)逐漸擴(kuò)散，并持續(xù)到震前6 d，但之后震中附近的高異常區(qū)在震前5 d基本消失，精河6.6級(jí)地震就發(fā)生在高異常集中區(qū)內(nèi)。研究表明[13]，地震的孕震范圍不僅限于斷層附近，在臨近地震時(shí)電導(dǎo)率異常會(huì)大面積增加，造成矢量方位角異常。本文結(jié)果顯示，震前8 d和6 d地理跨度較大的高異常區(qū)出現(xiàn)時(shí)間很短，而與地震相關(guān)的異常是連續(xù)多天持續(xù)出現(xiàn)(震前16～8 d)，因此在估計(jì)震中時(shí)可考慮在大面積異常出現(xiàn)前連續(xù)出現(xiàn)異常的區(qū)域。

圖5 精河地震前30 d和震后15 d異常疊加綜合示意圖Fig.5 Composite map of Jinghe earthquake 30 days before and 15 days after the earthquake

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用帕金森矢量計(jì)算了2017-08-09精河6.6級(jí)地震前后地磁異常的演化特征，分析發(fā)現(xiàn)，震前震中附近地磁臺(tái)站顯示出明顯的高異常現(xiàn)象，各臺(tái)站異常發(fā)生的時(shí)間分別為：喀什臺(tái)震前16 d、烏魯木齊臺(tái)震前14 d、且末臺(tái)震前7 d、溫泉臺(tái)震前4 d，異常約從震前15 d開始，均屬短臨異常，且基本呈由遠(yuǎn)處往震中附近遷移的現(xiàn)象。由此可知，精河6.6級(jí)地震的地磁前兆異常能通過帕金森矢量方法提取出來，且符合異常判定依據(jù)。

由于地下構(gòu)造活動(dòng)具有復(fù)雜性及地表環(huán)境干擾等因素的影響，并不是所有地震在震前都會(huì)發(fā)生前兆異常，也并不是所有異常之后都會(huì)發(fā)生地震[14-15]。但不管在空間還是時(shí)間上，帕金森矢量法在提取地震前兆信號(hào)中的作用是值得肯定的。目前短臨預(yù)報(bào)仍是世界性難題，未來會(huì)在增加地磁臺(tái)站密度的基礎(chǔ)上增加更多震例，并結(jié)合本文方法以證明基于數(shù)據(jù)處理與圖像分析得到的震前地磁異常現(xiàn)象。

致謝：新疆地磁臺(tái)站同志們?cè)谂懦龜?shù)據(jù)干擾等方面提供了幫助，本文使用GMT和MATLAB軟件作圖，在此一并表示感謝。