汶川地震(MS8.0)前的地磁低頻峰值變化①

李秋紅,李　英,陳雙貴

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州觀象臺(tái),甘肅 蘭州 730046)

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汶川地震(MS8.0)前的地磁低頻峰值變化①

李秋紅1,李英1,陳雙貴2

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州觀象臺(tái),甘肅 蘭州 730046)

以2008年5月12日發(fā)生的汶川地震(MS8.0)為研究對(duì)象,選取震前2007年7月—2008年6月成都地磁臺(tái)的觀測數(shù)據(jù)每月計(jì)算一個(gè)低頻段功率譜峰值,并對(duì)2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月兩個(gè)時(shí)間段的資料作同樣的數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明,成都臺(tái)2007年7月—2008年6月的低頻段功率譜峰值震前出現(xiàn)一些幅度較大的變化,而另外兩個(gè)時(shí)段則顯示較為平穩(wěn)的低頻段功率譜峰值。作為對(duì)照,對(duì)西昌臺(tái)同時(shí)段資料也作相同的處理,其結(jié)果顯示震前未出現(xiàn)和成都臺(tái)類似的異常結(jié)果。結(jié)合其他研究結(jié)果,初步認(rèn)為這種現(xiàn)象可能與汶川地震(MS8.0)有關(guān)聯(lián),且這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與震中距有關(guān),但其發(fā)生機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。這一結(jié)果對(duì)于震磁關(guān)系的研究具有參考意義。

汶川地震; 地磁Z分量; 功率譜密度; 成都臺(tái); 西昌臺(tái)

0　引言

國內(nèi)外已有許多對(duì)大地震前地磁異常現(xiàn)象的研究,如1989年美國洛馬普列塔M7.1地震[1]前的低頻電磁波現(xiàn)象;1998年9月3日日本本州島Iwateken Nairku Hokubu M6.1地震前的超低頻地磁現(xiàn)象[2-3];1997年3月26日日本鹿兒島M6.5地震和1997年5月13日M6.3地震前均出現(xiàn)磁力儀記錄異常變化[4]。一些文獻(xiàn)也給出了關(guān)于汶川地震和地磁場關(guān)系方面的研究結(jié)果:許康生等[5-6]在研究地磁譜質(zhì)心變化后發(fā)現(xiàn)臨震前有頻譜中高頻成分逐步升高的現(xiàn)象,成都臺(tái)地磁Z分量近似熵的變化幅度在地震前和正常年份之間有明顯差異,和周邊其他臺(tái)的近似熵變化也有明顯不同;馮麗麗等[7]研究了近年來汶川、通海及瀾滄3個(gè)大地震周圍區(qū)域構(gòu)造背景地磁異常的特征后指出,汶川主震發(fā)生在弱負(fù)異常區(qū),負(fù)異常帶呈東北方向展布,與余震分布帶基本一致;王武星等[8]研究了汶川地震前地磁日變低點(diǎn)位移的變化特征,指出四川及周邊鄰省臺(tái)站地磁Z分量日變的幅度、相位及形態(tài)均有明顯變化。張蓓等[9]采用法國DEMETER衛(wèi)星的ELF頻段的波形數(shù)據(jù)研究了2008年2—9 月的所有數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,在時(shí)間上,從2008年3月下旬起信號(hào)開始增強(qiáng),一直持續(xù)到2008年8 月底; 在空間上,這些增強(qiáng)區(qū)域以震中的地磁緯度為中心,兩邊呈對(duì)稱分布。本項(xiàng)研究旨在研究地磁垂直分量功率譜密度變化與地震的關(guān)系,為震磁關(guān)系的研究提供一個(gè)參考依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)處理與結(jié)果討論

選取2007年7月—2008年6月、2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月三個(gè)時(shí)間段成都地磁臺(tái)垂直分量的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,作為對(duì)比,選取西昌地磁臺(tái)同時(shí)段數(shù)據(jù)。成都地磁臺(tái)距汶川地震震中35 km,而西昌地磁臺(tái)為357 km。均以每分鐘一個(gè)樣點(diǎn)為采樣率,個(gè)別缺值進(jìn)行內(nèi)插。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,以每月數(shù)據(jù)長度為單位進(jìn)行功率譜密度計(jì)算(計(jì)算時(shí)采用的長度為1 024點(diǎn)的漢寧窗),得到一個(gè)相對(duì)峰值。

功率譜估計(jì)(PDF)是利用有限長的數(shù)據(jù)估計(jì)信號(hào)的功率譜,其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本項(xiàng)研究采用的是經(jīng)典譜估計(jì)中的Welch算法,將長度為N的數(shù)據(jù)分成L段,每段長度為M,各段允許交疊,U是歸一化因子,d2(n)為數(shù)據(jù)窗口,其數(shù)學(xué)表達(dá)為:

圖1為成都臺(tái)地磁Z分量的相對(duì)功率譜密度變化圖。從圖中可見,假定2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月兩個(gè)時(shí)間段的結(jié)果為常態(tài)變化,那么2007年7月—2008年6月成都地磁臺(tái)垂直分量的低頻峰值變化顯示出較大的特異性,從2008年2月開始峰值達(dá)到14E6的數(shù)量級(jí),而2011年7月—2012年6月、2012年7月—2013年6月這兩個(gè)時(shí)間段峰值變化較為穩(wěn)定,數(shù)量級(jí)為2E6以下。假設(shè)3E6為劃定異常的界限(圖1虛線所示),則可以看到2007年7月—2008年1月峰值變化在異常線以下,2011年7月—2012年6月、2012年7月—2013年6月這兩個(gè)時(shí)間段也在異常線以下。作為對(duì)照對(duì)西昌地磁臺(tái)垂直分量作了同樣的處理,結(jié)果表明(圖2),除了在2008年5月顯示異常變化外,在震前沒有與成都臺(tái)類似的異常變化。該臺(tái)5月份的變化可以認(rèn)為是同震效應(yīng)的影響,假設(shè)8E6為劃分異常的界限(圖2虛線所示),則三個(gè)時(shí)段除了2008年5月,其余時(shí)段峰值變化都在異常線以下。參考其他研究成果,對(duì)汶川地震前后成都臺(tái)地磁Z分量譜質(zhì)心變化對(duì)比及地磁資料的近似熵估計(jì)均顯示出成都臺(tái)震前有異常表現(xiàn)[5-6]。而采用法國DEMETER衛(wèi)星的ELF頻段的波形數(shù)據(jù)研究從2008年2月—9月的所有ELF 數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,從2008年3月—2008年8月底下旬信號(hào)出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象[9]。這些不同方法研究結(jié)果的一致性支持了本文提出的成都臺(tái)在震前出現(xiàn)的垂直分量低頻峰值異常變化可能與汶川地震有關(guān)這一基本觀點(diǎn)。

圖1　成都臺(tái)地磁Z分量的相對(duì)功率譜密度Fig.1　Relaticve power spectrum density of geomagnetic Z component at Chengdu station

圖2　西昌臺(tái)地磁Z分量的相對(duì)功率譜密度Fig.2　Relaticve power spectrum density of geomagnetic Z component at Xichang station

2　結(jié)語

基于以上結(jié)果及參考其他文獻(xiàn),本文認(rèn)為汶川地震發(fā)生前成都地磁臺(tái)的垂直向低頻段功率譜峰值顯示出的異常變化可能與汶川地震有關(guān)。但這一現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理尚需更多資料進(jìn)行進(jìn)一步研究。西昌地磁臺(tái)的垂直向低頻段功率譜峰值在震前沒有顯示出與成都臺(tái)類似的異常變化,初步推測認(rèn)為這種異常變化的出現(xiàn)可能具有局域性特征,與震中距有關(guān),這也需進(jìn)一步的研究工作證實(shí)。

References)

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Peak Value Change of Power Spectrum at Low Frequency Before Wenchuan MS8.0 Earthquake

LI Qiu-hong1,LI Ying1,CHEN Shuang-gui2

(1.Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730000,Gansu,China;2.Lanzhou geomagnetic station,Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730046,Gansu,China)

The geomagnetic field is one of the basic geophysical fields,and the seismomagnetic relationship has been laboratory tested.Many studies in China and abroad have reported abnormal geomagnetic variations prior to the occurrence of earthquakes.In this study,with the Wenchuan earthquake as our research object,we selected observation data from the Chengdu geomagnetic station for three periods (July 2007—June 2008 prior to the occurrence of the earthquake,July 2011—June 2012,and July 2012—June 2013 following the occurrence the earthquake).Using the same data processing method for each,we calculated the peak values of their power spectra in the low-frequency band.The results show some abnormal changes in the peak value of the power spectrum at low frequency from July 2007 to June 2008 at the Chengdu station,but no similar changes occurred during the other two periods (July 2011—June 2012 and July 2012—June 2013).To further examine the data,we used the same data processing method for the same periods with data from the Xichang geomagnetic station and observed no abnormal changes.Combined with our other research results,we found the abnormal change to be related to the Wenchuan earthquake,based on its regional characteristics,which was likely related to the epicenter distance.However,determining the generation mechanism of this phenomenon will require more data and further research.These results represent a significant contribution to the study of the seismo-magnetic relationship.

Wenchuan earthquake; geomagnetic Z-compent; power spectrum density; Chengdu station; Xichang station

2015-09-08

地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201208009);地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308011);甘肅省地震局科技發(fā)展基金(2012y02)

李秋紅(1965-),女,甘肅武威人,工程師,從事地震監(jiān)測工作。

P318.2+1

A

1000-0844(2016)04-0606-03

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0606