翁 騁,戴 苗,王弘宇,王秋良

(1.中國地震局地震研究所大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;2.湖北省地震局,湖北 武漢 430071)

0 引言

2017年11月23日17時(shí)43分在重慶武隆(29.40°N,107.94°E)發(fā)生M5.0地震,震源深度10 km。震中距離武隆區(qū)滄溝鄉(xiāng)約5 km,當(dāng)?shù)鼐用穹从痴鸶蟹浅Ｃ黠@,沒有人員傷亡。有歷史地震記錄以來,距離震中100 km范圍內(nèi)只記錄到一次M5.0以上地震,為2004年11月21日發(fā)生在重慶市忠縣的M5.1地震。孕震過程往往伴隨著電磁場的變化[1-2],近些年來,國內(nèi)外學(xué)者試圖通過研究地震地磁的基本原理及前兆現(xiàn)象,并結(jié)合特殊的異常變化趨勢對地震進(jìn)行預(yù)測,以期降低地震帶來的人員和經(jīng)濟(jì)損失。前人研究表明,在電磁感應(yīng)理論中,地表的磁場感應(yīng)成分會(huì)受到地下介質(zhì)電導(dǎo)率的影響[3]。孕震過程中,地下的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致地下電導(dǎo)率及電性結(jié)構(gòu)的變化,從而導(dǎo)致相應(yīng)的磁場發(fā)生變化[4]。馮志生等提出,地磁諧波振幅比異常變化特征與低電阻率變化特征具有較好的相關(guān)性,其長期的變化特征可以表現(xiàn)為“下降-轉(zhuǎn)折-上升”的過程[5]。另外,前人還將加卸載響應(yīng)比方法應(yīng)用到地磁資料中,結(jié)合歷史地震資料,取得一定研究成果[6-7]。

近年來,武隆地區(qū)小震較多,但是較大地震幾乎沒有,有記錄以來只有2004年11月21日發(fā)生在距武隆地震震中80 km處的重慶忠縣M5.1地震。這種孤立型地震事件有利于觀察地震前后的異常特征。重慶武隆地震震中附近臺(tái)站分布較密集,距離最近的武隆仙女山地磁臺(tái)只有約22.3 km。該地震發(fā)生之后,震中附近沒有再記錄到較大地震,震后分析為主余型或孤立型地震。這為我們觀測地震前后地磁異常變化提供了良好的條件。利用加卸載響應(yīng)比和諧波振幅比法進(jìn)行分析研究,旨在初步解釋地震前后地磁異常變化特征與地震相關(guān)性。

1 震中附近地質(zhì)構(gòu)造背景

武隆地區(qū)以山地地貌為主,震中附近構(gòu)造變形比較強(qiáng)烈,大部分?jǐn)鄬幼呦驗(yàn)镹E向。武隆M5.0地震震中位于齊岳山—金佛山斷裂帶附近,該斷裂帶北端位于湖北省竹興縣西部馬家山一帶,經(jīng)金佛山、齊岳山,南至貴州轎子山,是四川盆地與齊岳山—金佛山隆起區(qū)的新構(gòu)造分界線,是為數(shù)不多的穿越三峽庫區(qū)的斷裂帶之一(圖1)。該斷裂帶在地質(zhì)歷史時(shí)期運(yùn)動(dòng)較頻繁,形成于晉寧運(yùn)動(dòng)時(shí)期,控制著西北側(cè)結(jié)晶基底的隆起[8]。燕山期,該基底較為活躍,喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期該斷裂帶表現(xiàn)出新的活動(dòng)性,褶皺變形進(jìn)一步增強(qiáng)。王贊軍等在武隆土坎發(fā)現(xiàn)了齊岳山—金佛山斷裂帶的第四紀(jì)活動(dòng)剖面,認(rèn)為該斷裂帶最新的活動(dòng)時(shí)期是中更新世,部分段落為晚更新世[8]。

圖1 震中和臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of the earthquake epicenter and stations

2 計(jì)算原理與地磁資料選擇

2.1 諧波振幅比計(jì)算原理

對于隨時(shí)間周期變化的不均勻場源,在地球介質(zhì)為均勻各向同性平面導(dǎo)體的條件下,有以下公式[7]:

(1)

式中:Z(ω)為地磁場的垂向分量;Hx(ω)為北南向的水平分量;Hy(ω)為東西向的水平分量;σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率;ω指圓頻率;k為變化磁場的波數(shù)。

地磁諧波振幅比計(jì)算公式為[9]:

(2)

2.2 加卸載響應(yīng)比計(jì)算原理

太陽風(fēng)對地球磁場每5～6天為一個(gè)周期進(jìn)行一次沖擊,這是一個(gè)周期性的加載與卸載過程。由于地磁場Z分量比其他分量與地下介質(zhì)的關(guān)系更加密切,因此可選取太陽風(fēng)卸載與加載時(shí)的Z分量日變幅的比值為其加卸載響應(yīng)比值[7]。有以下公式:

(3)

式中:“-”為卸載;“+”為加載;A為地磁Z分量日變幅度?？山普J(rèn)為當(dāng)太陽風(fēng)對地磁場處于卸載時(shí),A為極小值;而當(dāng)太陽風(fēng)對地磁場處于加載時(shí),A為極大值。

2.3 地磁數(shù)據(jù)處理方法

本文選取震中距由小到大四個(gè)臺(tái)站,分別為武隆仙女山臺(tái)、涪陵江東臺(tái)、石柱黃水臺(tái)及恩施臺(tái),以下簡稱(武隆仙女山臺(tái)、涪陵臺(tái)、石柱臺(tái)及恩施臺(tái))見表1所列。均選取2012年1月至2017年11月地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行異常分析,震中分布及臺(tái)站分布情況見圖1所示。五個(gè)臺(tái)站均為GM4型磁通門磁力儀秒采樣相對數(shù)據(jù)。磁通門磁力儀傳感器由易飽和磁芯、圍繞磁芯的激勵(lì)線圈、高導(dǎo)磁系數(shù)和感應(yīng)線圈組成,該磁力儀已經(jīng)成為全國許多地磁觀測臺(tái)站用于記錄地磁數(shù)據(jù)的典型設(shè)備[8]。這為本文分析地震前后地磁前兆數(shù)據(jù)異常提供了良好的前提條件。數(shù)據(jù)要求必須具有較高可靠性及連續(xù)率,接下來通過計(jì)算得到各個(gè)臺(tái)站的地磁諧波振幅比和加卸載響應(yīng)比結(jié)果,并結(jié)合2017年11月23日重慶武隆M5.0地震研究分析地震前后地磁異?，F(xiàn)象。

表1 地磁臺(tái)站名稱、臺(tái)站代碼及震中距Table 1 The name of the geomagnetic station,station code and epicentral distance

3 地磁異常分析

3.1 諧波振幅比異常分析

圖2(a)為武隆仙女山臺(tái)諧波振幅比曲線。從圖中可以看出,各周期均經(jīng)歷了下降-轉(zhuǎn)折-上升的過程,但是該過程的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間有一定區(qū)別。其中ZHx10 min、ZHx20 min、ZHy10 min、ZHy30 min 、ZHy40 min及ZHy50 min大致都在2012—2013年之間出現(xiàn)下降趨勢,于2015年左右開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升,變化幅度較小,維持在0.01～0.07之間。而ZHy20 min較為特殊,自2014年7月以來一直處于下降趨勢。另外,ZHx30 min、ZHx40 min變化十分頻繁,找不到明顯的規(guī)律,ZHy方向轉(zhuǎn)折上升時(shí)期有明顯的隨周期變大順延的趨勢(黑色虛線所示),ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢沒有明顯規(guī)律(虛線箭頭所示)。劉長生等認(rèn)為地磁諧波振幅比同向不同周期或者同方向之間存在差異,可能預(yù)示著臺(tái)站周邊存在引起異常的因素[11],該異常是否代表臺(tái)站周邊存在M5.0以上地震的背景,需要更深入的研究。

圖2(b)為涪陵臺(tái)諧波振幅比曲線。其中大部分周期均有下降-轉(zhuǎn)折-上升的過程,只是出現(xiàn)異常時(shí)間以及變化的幅度不一致,ZHx40 min、ZHx50 min及ZHx60 min變化幅度范圍為0.02～0.04,而ZHy20 min、ZHy30 min、ZHy40 min、ZHy50 min及ZHy60 min變化幅度較大,變化范圍為0.11～0.18。其中ZHy40 min、ZHy50 min經(jīng)過轉(zhuǎn)折上升之后在2017年初又出現(xiàn)小幅下降,下降幅度約0.02。另外,ZHy方向下降開始時(shí)間具有明顯的隨周期順延的趨勢(黑色虛線所示)。ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢大部分保持一致向下,只有ZHy20 min、ZHy60 min趨勢向上(虛線箭頭所示)。

圖2(c)為石柱臺(tái)諧波振幅比曲線。變化規(guī)律幾乎保持一致,其中ZHx方向的異常持續(xù)時(shí)間較ZHy的異常持續(xù)時(shí)間短,短周期的異常持續(xù)時(shí)間也相對較短。ZHx10 min、ZHx20 min、ZHx30 min及ZHy10 min從2012年到發(fā)震前有兩個(gè)下降-轉(zhuǎn)折-上升的異常階段,ZHy20 min、ZHy30 min、ZHy40 min、ZHy50 min及ZHy60 min變化規(guī)律非常一致,幾乎都是從2014年2月開始出現(xiàn)下降(黑色虛線所示),異常變化幅度在0.01～0.12之間。另外,值得注意的是ZHx、ZHy方向及長短周期的諧波振幅比變化趨勢均向上(虛線箭頭所示)。

圖2(d)為恩施臺(tái)諧波振幅比曲線。從圖中可以看出,武隆M5.0地震發(fā)生之前ZHx10 min、ZHx20 min及ZHy10 min從2015年11月開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降,但之后并沒有出現(xiàn)上升的趨勢。ZHx30 min可以大致分為兩個(gè)階段,第一階段為2012年至2015年2月呈下降趨勢,從2015年2月至2016年初轉(zhuǎn)折上升,第二階段從2016年初至2017年表現(xiàn)為完整的下降-轉(zhuǎn)折-上升過程。其他變化趨勢類似,均從2014年中上旬開始至發(fā)震前呈現(xiàn)下降-轉(zhuǎn)折-上升的過程(黑色虛線所示)。另外,從長短周期的諧波振幅比變化趨勢可以看出短周期基本朝下,而長周期基本朝上(虛線箭頭所示)。變化幅度較小,在0.007～0.036之間。

圖2 地磁諧波振幅比曲線(黑色箭頭為地震發(fā)生位置,紅色箭頭為變化趨勢,綠色虛線為均值)Fig.2 Curve of the amplitude ratio of geomagnetic harmonic wave (Black arrow indicates seismic location,red arrow indicates variation trend,green imaginary line indicates mean value)

3.2 加卸載響應(yīng)比異常分析

將加卸載響應(yīng)比方法應(yīng)用于研究區(qū)的地磁資料上,閾值的選取在判別地磁加卸載響應(yīng)比異常上顯得尤為關(guān)鍵。通過嘗試不同閾值進(jìn)行對比分析,認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)選取3.0作為地磁加卸載響應(yīng)比異常的閾值比較合理(圖3)。

圖3 武隆地震前地磁加卸載響應(yīng)比異?？臻g分布特征(2017年7月4日)Fig.3 Spatial distribution of load/unload response ratio anomalies before Wulong earthquake (July 4,2017)

從圖3可以看出,最大高值區(qū)與震中位置非常吻合,具有較高的時(shí)空同步性。高值區(qū)域位于重慶、貴州及四川的交界處。此外,有兩個(gè)距離震中較遠(yuǎn)的次高值區(qū),分別位于四川、西藏交界處和山西境內(nèi)。其中,部分臺(tái)站異常現(xiàn)象較顯著,而有些臺(tái)站反應(yīng)不顯著甚至沒有反應(yīng),該現(xiàn)象可能與臺(tái)站的地理位置及震中區(qū)域的地下電性結(jié)構(gòu)分布不同有關(guān)[14]。前人研究表明,該加卸載響應(yīng)比異?，F(xiàn)象可能是由于中下地殼流體上涌,流體在微裂隙填充過程中產(chǎn)生的臨時(shí)感應(yīng)電流導(dǎo)致日變形態(tài)畸變所致[14]。

4 討論

馮志生等研究認(rèn)為,地磁諧波振幅比異常與低電阻率變化對應(yīng)關(guān)系非常好,在較大地震發(fā)生之前幾年內(nèi)均有“下降-轉(zhuǎn)折-上升”的過程,通過大量震例統(tǒng)計(jì)表明主震往往發(fā)生在上升之初[5]。從本文中各地磁臺(tái)的諧波振幅比變化趨勢來看,武隆M5.0地震也大致發(fā)生在上升的初期階段。其中震中距較大的石柱、恩施地磁臺(tái)變化趨勢比較同步,尤其表現(xiàn)在ZHy方向上,而震中距較小的涪陵、武隆仙女山地磁臺(tái)的變化趨勢不同步,尤其在ZHy方向下降期或者轉(zhuǎn)折上升期表現(xiàn)為隨周期變大順延的趨勢。其中,武隆仙女山、石柱及涪陵地磁臺(tái)變化幅度比較一致,大致分布在0.01～0.18區(qū)間范圍內(nèi),震中距較遠(yuǎn)的恩施臺(tái)變化幅度較小,變化范圍為0.007～0.036。龔紹京和蔣延林等認(rèn)為地磁諧波振幅比ZHx和ZHy的不同步現(xiàn)象與臺(tái)站位于高導(dǎo)異常體邊界附近有關(guān),利用地磁諧波振幅比不同步現(xiàn)象可以大致判斷高導(dǎo)異常體的邊界位置[12-13]。對比震中與震前四個(gè)月地磁加卸載響應(yīng)比異常高值的相對位置表明,加卸載響應(yīng)比異常高值區(qū)域大致位于震中附近,即二者具有一定的關(guān)聯(lián)性和時(shí)空同步性。

5 結(jié)語

分析武隆M5.0地震震中附近的地質(zhì)構(gòu)造情況以及地磁異常變化,結(jié)果認(rèn)為武隆地震前大部分地磁諧波振幅比變化特征類似于地電阻率的變化特征,表現(xiàn)為“下降-轉(zhuǎn)折-上升”過程。本次地震大致發(fā)生在轉(zhuǎn)折上升的初期階段,震中距較小的臺(tái)站地磁諧波振幅比變化趨勢不同步,但變化幅度大致相同,而震中距較大的臺(tái)站地磁諧波振幅比變化趨勢較為同步,但變化幅度較大。此外,分析表明武隆地震前地磁加卸載響應(yīng)比在時(shí)空分布上與震中位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系。綜上所述,諧波振幅比和加卸載響應(yīng)比異常表明,重慶武隆地震在孕震過程中,中下地殼存在介質(zhì)電性變化,這可能與受到區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整有關(guān),因此該地震應(yīng)為構(gòu)造地震。分析認(rèn)為,震前地磁的異常變化及相關(guān)計(jì)算手段的預(yù)報(bào)效能還是比較好的,可以為今后的地震地磁研究提供新的參考。