九寨溝7.0級地震前四川地區(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. 四川商務職業(yè)學院，四川 成都 611131)

地震與地磁的關系從19世紀末開始為人們所注目，至今已有百余年的歷史，而有目的地進行震磁前兆觀測與地震預報實踐則開始于20世紀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)，在震磁效應理論研究和地震預報方面取得了很大的進展(丁鑒海等，1994)。地震地磁學主要研究內(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及其機理。震磁研究需要從強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，也要解決識別正常背景場和排除其他干擾等問題。地磁預報地震的方法主要針對兩個方面：基本磁場預報地震方法研究與變化磁場預報地震方法的研究。而變化磁場在震前多表現(xiàn)為中短期異常，這是需要重點關注的。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間域分析方法兩大類。頻率域分析方法利用頻譜分析技術獲取地磁三分量(Z、H、D)的譜值進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)與地磁垂直強度極化方法(李琪等，2015；何暢等，2017b)；時間域分析方法重點研究地磁垂直分量(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位移法(丁鑒海等，2004)、地磁加卸載響應比法(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 四川地磁臺站分布

1 觀測數(shù)據(jù)

2017年8月8日21時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)固定地磁觀測臺站及震中位置如圖1所示，各臺站與九寨溝地震震中距如表1所示。本文重點分析震前出現(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 計算方法

地磁垂直分量日變幅逐日比是對地磁加卸載響應比的一種簡化，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 臺站與九寨溝地震震中距統(tǒng)計

(1)

其中，A為垂直分量(Z)日變幅，t1為時間，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，而日變幅度的準確性直接影響逐日比結(jié)果的可靠性，因此在計算各臺站日變幅之前，需先對分鐘值數(shù)據(jù)進行去噪處理。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)將世界時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京時，再進行日變幅與逐日比的計算。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，當臺站的逐日比值超過該閾值，且當3個及以上臺站同步出現(xiàn)超過閾值的情況時，判定為有效異常。地磁逐日比異常在時間上具有多臺同步的特點，相比于單臺異常，多個臺站同時出現(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個地磁臺站的垂直分量數(shù)據(jù)進行日變幅逐日比計算，發(fā)現(xiàn)2017年2月7日成都、松潘、江油和崇州4個臺站出現(xiàn)了同步的逐日比超閾值現(xiàn)象(見圖2)，臺站數(shù)量滿足異常判據(jù)指標，因此判定此次多臺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個臺站垂直分量的預處理分鐘值數(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，這是導致日變幅逐日比出現(xiàn)高值的直接原因。

圖2 成都市臺(a)、松潘臺(b)、江油臺(c)、崇州臺(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，為了進一步排除外空場活動對數(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(a)、崇州臺(b)、江油臺(c)、松潘臺(d)2017年2月5～8日垂直分量預處理分鐘值曲線

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日計算范圍內(nèi)臺站的逐日比值進行空間插值，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個臺站在震前6個月出現(xiàn)了同步逐日比高值異常，異常臺站集中于四川北部，震中位于異常閾值線上；此次異常的時空特征與倪曉寅等(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，通過異常時段的外空場活動調(diào)查，排除了空間環(huán)境對計算結(jié)果的影響。在地震孕育過程中，應力的積累會引起地下介質(zhì)電導率等電磁性質(zhì)的改變，從而使得感應磁場在局部出現(xiàn)異常變化(丁鑒海等，2004)，因此此次多臺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間上同步、空間上分布廣的特征，對發(fā)震地點及震級指示不夠明確，因此僅利用單一方法進行地震預報具有較大不確定性，在以后的工作中應注重多方法綜合分析研究。