利用日變幅探索地磁變化與地球電導(dǎo)率的關(guān)系

利用日變幅探索地磁變化與地球電導(dǎo)率的關(guān)系

新疆是中強(qiáng)地震的高發(fā)區(qū)，但地磁觀測站很少。只有烏魯木齊和喀什的兩個(gè)地磁站，距離1200公里。新疆地區(qū)使用多地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析的方法不能應(yīng)用。因此，如何挖掘單臺數(shù)據(jù)中包含的豐富信息尤為重要。烏魯木齊地磁臺連續(xù)觀測20多年,觀測精度高,資料質(zhì)量好。從1980年至今烏魯木齊周圍發(fā)生了多次MS5地震(圖1),因此可將資料與周圍地震做一定的對比分析,探討其地震地磁前兆信息。地球磁場按來源劃分為外源場和內(nèi)源場。外源場是來自外空電流體系產(chǎn)生的地球變化磁場;內(nèi)源場主要部分是地球主磁場,其余部分是外源場的感應(yīng)場。內(nèi)源場的變化不僅與外源場的強(qiáng)度和分布有關(guān),而且還取決于地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布?？捎梢阎庠磮鲅芯績?nèi)源場及其地下電導(dǎo)率的關(guān)系。在地震孕育過程中,孕震區(qū)地下介質(zhì)的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,其中包括地下電導(dǎo)率的變化。地球變化磁場垂直分量日變幅是地球變化磁場的外場及地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的變化內(nèi)場疊加而成的,它的大小不但受外場的控制,同時(shí)也受內(nèi)場的影響。地球內(nèi)部電性介質(zhì)的變化必定影響其感應(yīng)生成的內(nèi)場,因此地球磁場垂直分量日變化幅度可以反應(yīng)地球內(nèi)部介質(zhì)電性性質(zhì)的變化。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),水平分量和磁偏角的日變形態(tài)受太陽擾動(dòng)的影響較大,而垂直分量Z則較小,即使在干擾日,Z也能保持較有規(guī)律的形態(tài),因此本文中利用烏魯木齊垂直分量時(shí)均值計(jì)算日變幅來探索其與地震的相關(guān)關(guān)系。1地面磁場分布烏魯木齊地磁臺(北緯43.8°,東經(jīng)87.7°,海拔970m)位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市東郊,離市區(qū)10km,處于博格達(dá)復(fù)背斜褶皺的西北翼。臺基系三疊系砂巖、泥巖,上覆蓋有4m厚的第四系黃土層,地下水位約22m,臺站周圍磁場均勻,地面磁場梯度每米小于1nT。臺站使用的絕對觀測儀器為Schmidt磁經(jīng)緯儀和分量核子旋進(jìn)式磁力儀,相對觀測先后使用的是CB-3磁力儀和GM3三分量磁通門磁力儀。2日變幅和日變幅麻黃為了研究烏魯木齊地磁垂直分量日變幅及其逐日比在周圍較大地震前的特征,分別對日變幅以及日變幅逐日比法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了較詳細(xì)的分析,并對二者之間進(jìn)行了對比分析。2.1日變幅與高值異常的關(guān)系地磁場日變化是一種短期變化,主要受100km左右高空中的電離層電流體系控制,而這些電流體系又受太陽照射的控制。目前公認(rèn)的看法是,當(dāng)存在某一孕震區(qū)時(shí),由于應(yīng)力的作用,地下介質(zhì)的物理特性如電導(dǎo)率等會(huì)引起改變,尤其在臨震前失穩(wěn)階段。這種電導(dǎo)率的改變可引起變化磁場的改變,從而導(dǎo)致地磁場日變化的日變幅、相位或其形態(tài)的異常變化。因此我們利用烏魯木齊垂直分量日變幅與周圍地震進(jìn)行對比分析,研究其前兆特點(diǎn)。我們將烏魯木齊臺地磁Z分量日變幅結(jié)果繪于圖2,由于1980年9月30日至10月1日的日變幅值太高(270nT),致使其他高值不明顯,因此圖件中將最高值取到136nT,圖中未標(biāo)注地名和震中距的是烏魯木齊周圍270km范圍內(nèi)大于或等于MS5.0地震。通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)日變幅出現(xiàn)高值異常后,周圍地區(qū)常有中、強(qiáng)地震發(fā)生。為了較好地描述異常與周圍地區(qū)地震的關(guān)系,通過總結(jié)多年的震例,將其異常判別標(biāo)準(zhǔn)定為:超過4倍均方差線(61nT)的算作1次異常,如兩次異常間隔不超過40天的,也算作1組異常。在出現(xiàn)異常后的第20天到182天,與烏魯木齊周圍270km范圍內(nèi)大于或等于MS5.0地震對應(yīng)或600km范圍內(nèi)大于或等于MS6.0地震對應(yīng)。表1是將地磁Z分量日變幅與烏魯木齊周圍270km范圍內(nèi)MS5.0以上地震或600km范圍內(nèi)MS6.0以上地震對應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明,從1980~2004年共出現(xiàn)13次異常,其中有9次異常與地震對應(yīng),占69.2%;虛報(bào)4次,虛報(bào)率為30.8%。18次地震中的9次之前有明顯異常,報(bào)準(zhǔn)率為50.0%;漏報(bào)9次,漏報(bào)率50.0%。異常后進(jìn)入預(yù)報(bào)時(shí)間段的,其中等待時(shí)間最短的為0天,等待時(shí)間最長的為182天,其R值評分為0.241,略高于具有97.5%置信水平的R值0.240,通過了R值評分檢驗(yàn)。因此利用日變幅的高值異常來做半年預(yù)報(bào)有一定的預(yù)報(bào)效能。值得指出的是,利用地磁Z分量日變幅預(yù)報(bào)地震漏報(bào)多(9次)。但是漏報(bào)的9次地震中有7次都是地磁Z分量的日變幅長期變化中11年周期的谷底,這一時(shí)段的日變幅年均值較小,異常變化也隨之減小,因而達(dá)不到4倍均方差線。表中第9行和第20行兩組出現(xiàn)在震后33天內(nèi)的異常之后都沒有地震對應(yīng),這可能是震后效應(yīng)引起的。在8.1級和7.9級地震日變幅沒有明顯的反應(yīng),只有齋桑7.3級地震前日變幅在1990年6月14日出現(xiàn)了高值異常,但是齋桑地震距離烏魯木齊僅520km。我們認(rèn)為日變幅高值異常反映的是較近的中、強(qiáng)地震,對震級大、震中距遠(yuǎn)的地震反應(yīng)不好。1980年11月6日石河子5.7級地震是1980年至今在烏魯木齊臺200km范圍內(nèi)發(fā)生的最大的地震,且距離烏魯木齊臺僅94km,地震之前的異常幅度達(dá)到270nT。這說明異常幅度和震級、震中距可能有關(guān)。2.2關(guān)于地磁z分量日變幅用時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題曾小蘋等分析了地磁場垂直分量日變幅及其后極小值之比值與地震的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)高比值與臺站周邊地震有良好的對應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用該法的過程中,馮志生等發(fā)現(xiàn)(1)式中這個(gè)簡單比值的高值與臺站周邊的地震也有良好的對應(yīng)效果。Y=A(t1)A(t2).(1)Y=A(t1)A(t2).(1)式中,A(t)為地磁垂直分量日變化幅度,t2=t1+1,t1為觀測日期,本文中將Y取名為地磁垂直分量日變化幅度逐日比值。由于地磁場Z分量日變幅度A值是地磁場Z分量日變化各次諧波的疊加,并且以1~4諧波為主,因此,地磁場Z分量日變化幅度逐日比值受外場及其內(nèi)場的影響與單一諧波項(xiàng)幅度逐日比相類似,即當(dāng)其地下介質(zhì)電阻率發(fā)生下降變化時(shí),其比值將升高。而深部電阻率的下降變化可能是地震孕育過程中的一種伴生現(xiàn)象,因此,地磁Z分量日變化幅度的逐日比的上升有可能是地震發(fā)生的前兆。當(dāng)然,地磁場Z分量日變化幅度逐日比值的升高也有可能僅僅是外場變化的結(jié)果。由于磁暴對Z分量日變化幅度的影響一般是突然增大,其后相對較緩慢的減少過程。因此,上述算法可以減小磁暴的影響。并且逐日比值通過前一天與后一天日變幅值比也可突出由于在長期變化中處于谷底被掩蓋的異常。通過分析烏魯木齊臺地磁Z分量日變幅逐日比值結(jié)果(圖3,圖中標(biāo)注情況同圖2),發(fā)現(xiàn)當(dāng)日變幅逐日比值高值后,烏魯木齊周圍常有較大地震發(fā)生。為了較好地描述異常與周圍地震的關(guān)系,通過總結(jié)多年的震例,將其異常判別標(biāo)準(zhǔn)定為超過5倍均方差線(4.1)的算作1次異常,如兩次異常間隔不超過60天的,也算作1組(次)異常。在出現(xiàn)異常后的第12天到202天,與烏魯木齊周圍270km范圍內(nèi)MS5.0以上地震或600km范圍內(nèi)MS6.0以上地震對應(yīng)。表2是將地磁Z分量日變幅逐日比值與烏魯木齊周圍270km范圍內(nèi)≥MS5.0以上地震或者600km范圍內(nèi)的6.0級以上地震對應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明,從1980~2004年的25年內(nèi)共出現(xiàn)17次異常,其中有11組異常與地震對應(yīng),占64.7%;虛報(bào)6次,虛報(bào)率為35.3%。18次地震中的13次之前有明顯異常,報(bào)準(zhǔn)率為72.2%;漏報(bào)5次,漏報(bào)率27.8%。異常后進(jìn)入預(yù)報(bào)時(shí)間段的,其中等待時(shí)間最短的為0天,等待時(shí)間最長的為190天,其R值評分為0.368,大于具有97.5%置信水平的R值0.241,通過了R值評分檢驗(yàn)。因此利用日變幅逐日比的高值異常來做半年預(yù)報(bào)有較好的預(yù)報(bào)效能。從表2中的第9行可以看出1990年齋桑地震前在1989年10月21日出現(xiàn)了高值異常,但是超出預(yù)報(bào)時(shí)間30天,因此在表中該條異常算虛報(bào),齋桑地震也算漏報(bào)。2001年8.1級大震前41天時(shí)烏魯木齊Z分量日變幅逐日比出現(xiàn)高值異常,但是此次8.1級地震未在統(tǒng)計(jì)的空間范圍內(nèi),因此第20行也算作虛報(bào),但是這次8級地震距離烏魯木齊僅860km,之前出現(xiàn)異常也是可以理解的,對于8級地震能引起多大范圍、多大量級的異常還有待于今后進(jìn)一步研究。2003年昭蘇6.1級地震前在8月18日出現(xiàn)了高值(4.0),但未達(dá)到異常判別標(biāo)準(zhǔn)。2.3z分量日變幅異常與地震判據(jù)對比該臺Z分量日變幅和日變幅逐日比與周圍的中強(qiáng)地震的對應(yīng)關(guān)系,可以看出從1980年到2004年日變幅共出現(xiàn)13次異常中有9次異常與地震對應(yīng),占69.2%,略高于日變幅逐日比異常后64.7%的對應(yīng)率。但是地震前出現(xiàn)Z分量日變幅異常僅有50.0%,低于地震前出現(xiàn)Z分量日變幅逐日比異常的72.2%,相應(yīng)其漏報(bào)率也較高。對比二者對應(yīng)地震的時(shí)間發(fā)現(xiàn)(表3),出現(xiàn)重疊的預(yù)報(bào)時(shí)間的有8次,其中6次后有5級以上地震發(fā)生,占75%,發(fā)震時(shí)間都在二者共同的預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)。表中第8項(xiàng)中雖然二者均出現(xiàn)異常,但是在其共同的預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)未發(fā)生較大地震,但是異常出現(xiàn)時(shí)間在8.1級大震的前后,不能排除8.1級大震的影響。從表3的統(tǒng)計(jì)中也可看出,利用二者的重疊的預(yù)報(bào)時(shí)段,可以縮小預(yù)報(bào)地震的時(shí)間段,并且可以減少虛報(bào)。3日變幅東南角的對比1)總結(jié)出適合烏魯木齊地磁臺日變幅逐日比法的定量化判定標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)報(bào)規(guī)則,分析后發(fā)現(xiàn),其地震前兆特征比較明顯,高值后與周圍270km范圍內(nèi)的5級以上和600km范圍內(nèi)的6級以上地震對應(yīng)較好,出現(xiàn)的17組異常中有11組異常后有地震對應(yīng),18次地震中的13次之前有明顯異常,該方法的預(yù)報(bào)效果通過了具有97.5%置信水平的R值評分檢驗(yàn),表明具有較高的預(yù)報(bào)效能。日變幅逐日比法受人為因素、儀器因素和周邊環(huán)境影響較小,異常判據(jù)(>4.1)長期固定,有利于今后工作中繼續(xù)使用。2)從日變幅逐日比的結(jié)果來看,漏報(bào)的地震有5次,270km內(nèi)的有3次地震漏報(bào),均為5.0級地震,震級較小,但是和靜及新源的5.0級地震前卻有較明顯的異常顯示,這也許說明地震前兆的復(fù)雜性,某種前兆在某些地震前存在,而在其他一些地震之前沒有。另外漏報(bào)的2次是昭蘇6.1級地震和齋桑7.3級地震,這兩次地震前有一定的異常顯示,但沒有達(dá)到判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。表2中的第5、19行都是在60天內(nèi)由2次異常組成的1組異常,但是這2組異常后均無地震對應(yīng),連續(xù)出現(xiàn)異常后又無地震對應(yīng),這個(gè)問題還有待于今后進(jìn)一步探索。3)利用烏魯木齊臺地磁Z分量日變幅來預(yù)報(bào)地震,其預(yù)報(bào)效果雖然通過了具有97.5%置信水平的R值評分檢驗(yàn),但是漏報(bào)較多(50%),但是漏報(bào)中2/3的地震發(fā)生時(shí)間都處于地磁垂直分量的日變幅較小時(shí)段,異常幅度也相應(yīng)不大,如果分析多年資料,這種小幅度的異常變化就會(huì)被日變幅較大時(shí)段的高值所掩蓋,無法提取異常。日變幅逐日比一定程度上彌補(bǔ)了這一不足,因而效果較好。4)對比烏魯木齊臺地磁Z分量日變幅及其逐日比值結(jié)果發(fā)現(xiàn),二者出現(xiàn)異常的時(shí)間并不完全一致,而且Z分量日變幅逐日比結(jié)果對應(yīng)地震的效果明