2002年9月3日太原叶m50地震前地磁台观测结果分析

2002年9月3日太原叶m50地震前地磁台观测结果分析

太原市地震台地磁资料太原盆地位于山西省地震带的中部。它是继承性下降盆地。盆地内岩石破碎，中等强烈地震活动频繁。从1989年到1994年太原盆地发生ML4～4.5地震5次,1995年至2001年盆地内没有发生4级以上地震。2002年9月3日在太原郝庄发生了ML5.0地震,这次地震共记录到78次余震,最大余震为2.3级,为主余型地震类型,震中烈度为Ⅴ度。震中距太原地震台仅为20km。太原地震台地磁观测资料在此次地震前有明显的异常反映。图1为这次地震的震中位置以及太原地震台相对位置图,表1为这次地震的基本参数。1异常地磁分析1.1地磁加互联网量计算方法地震是一种非线性失稳现象。孕震区地下介质系统由稳态变为非稳态的过程中,介质的物理性质(包括电导率)必然会有相应的反应,因而会使中低纬度地区地面任一测点记录到暴时扰日场Ds与该测点正常时期不同,并与稳定地区测点的Ds有差别。在地震前,这种差别必然会在磁暴过程的加卸载响应比值P(Z)上有所反应。由于地磁垂直分量Z与地下介质及其变化较其他地磁分量的关系更密切,我们取Z分量日变幅作为计算Ds(Z)的加卸载响应参量P(Z)=Ds(Z)+/Ds(Z)_Ρ(Ζ)=Ds(Ζ)+/Ds(Ζ)_其中“+”号表示加载,“-”表示卸载。正常情况下,各台站P(Z)<2.5,一般P(Z)=1.5～2.0(曾小平等,1996)。(1)资料:我们选取了太原地震台2001～2002年的垂直分量日变幅。(2)方法:计算加卸载响应参量P(Z)。(3)异常指标:P(Z)≥3.0;时间1～10个月;地点50～540km;震级5.0～7.3。(4)结果:一般情况下,太原地震台P(Z)<2.5,大多为1.5～2.0。从太原地震台2001～2002年的地磁加卸载响应比值P(Z)来看(图2),从2001年11月开始P(Z)明显加大,11月17日P(Z)=3.5,12月17日P(Z)=3.3,都出现了大于阈值3.0的高值异常,反映了孕震区地下介质电导率在地震前后的变化。上述变化过程的异常指标与其后发生的地震在时间、地点和震级方面相吻合。1.2安全生产的点对点位移特征磁静日北半球地磁垂直分量的日变形态在中午附近有一个极小值,称之为“日变低点”(陈绍明等,1990)。太原地震台垂直分量低值出现的时间在北京时间中午12时00分左右,一般正负偏差为2个小时(图3)。根据低点位移的方法指标,发震异常一般在异常日以后的27天或41天的前后4天,我们选取了太原地震前的这2个时间段,即2002年7月21日～7月29日、8月3日～8月11日的低点时间进行了统计分析,见表2。可以看到,在震前38天,即7月24日低点时间为15时00分,比低点出现的平均时间晚了3个小时。通过有低点位移异常日中垂直分量日变幅的研究表明,低点位移的异常主要是垂直分量日变幅发生了变化,而水平分量的日变幅没有出现相应的变化。图4是垂直分量日变幅图,在每年的年底和年初,日变幅有一个低值。可以看到,在5级地震前后有不同程度的异常变化。震前一个多月垂直分量日变幅一阶差分值有明显的变化,超出2倍均方差。1.3磁异常区的识别引起地磁场变化的因素很多,主要来自磁层、电离层和地下局部异常源,假定一方面可将非地下局部异常源引起的地磁场变化在相距不太远的测点对之间可视为空间均匀;另一方面,许多震例证实了地震是一种局部地区的地球物理现象,地震的磁效应也局限在一个小范围内,我们称之为“磁异常区”。我们选取了山西省以及邻省的一些地磁台资料进行研究(图5)。(1)资料:选取地震前后几天各台Z分量21:00绝对观测值数据,以及K指数数据。(2)方法:求各台Z分量自身的一阶差分值。(3)异常判别指标:短临地磁地震异常唯一标志就是转折。(4)结果:2002年9月2～5日的一阶差分值变化较大,结果见表3,而从K指数数据来看,地震前后两天均小于5,为静日(表4),说明这种变化是非外源场引起的。我们将这一过程做成动态图像,在这一地震发生过程中,先期“磁异常区”位于太原地震台与昔阳地震台之间,范围较大(图6),之后,“磁异常区”缩小(图7),仅昔阳地震台存在反向变化,9月5日后“磁异常区”消失,图像也趋于一致。在此过程中,“磁异常区”出现的时间、范围,异常幅度的大小,与这一地震的三要素基本吻合。1.4地下电导率变化的表现短周期地磁变化是指磁暴急始、湾扰和一些持续时间短的地磁扰动等,地磁短周期变化的垂直分量ΔZ,水平分量ΔH和磁偏角ΔD之间具有以下稳定的线性关系:ΔZ=AΔH+BΔD,式中参数A和B被称为转换函数。对某一观测点而言,A、B是时间和周期的函数,在消除源场效应后,转换函数的时空变化特征应视为地下电导率变化变化的表征(曾小平等,1995)。笔者曾对山西省1989年以来发生在山西及周边地区的5次MS5.0以上地震前后太原台地磁转换函数的变化情况(闫计明等,2001),和1988年以来发生在临汾地震台及周边地区的3次MS4.0以上地震前后临汾地震台地磁转换函数的变化情况,进行了研究(闫计明等,2002)。结果表明:不同周期的转换函数A、B以及总方差σZ在震前均有明显变化,异常存在的信度较高。1.4.1地震数据处理为更加完整地研究地震发生前后地磁短周期转换函数的变化情况,一般选取地震发生前后各一年的资料,故选取2001年1月至2002年12月共2年的资料,每月选取地磁扰动比较剧烈的10天的资料数据进行分析。1.4.2处理方法用最小二乘法求得转换函数B、A及帕金森矢量等参数。1.4.3异常曲线的周期按以上方法分别计算出各给定周期的|A|、|B|及σZ的逐月变化值,然后从每个参量9～200min的13个周期时序图中选出4个在地震前有明显变化的周期值图。图8～图10为所选结果图。在这3幅图的12条曲线中,除σZ存在150min周期的异常外,其余11条异常曲线的周期集中于9～75min等周期上,说明在较短周期或者说在浅层(几十千米)附近的地下介质在太原5.0级地震前,受到了明显扰动。同时,利用计算结果,还分别做出了|A|、|B|及σZ频率响应变化曲线(图11～图13)。每月作1条曲线,6条(或5条)曲线放在1幅图上,研究比较各个频率半年左右随时间的变化情况。从这3幅图中可以看出,2002年与2001年相比,|A|的频率响应变化曲线在小周期部分都有不同程度的增大,尤其是9min的周期上从2001年2月的0.019上升到2002年4月的0.084;|B|的频率响应变化曲线也有同样的变化,只是没有|A|那么明显;而转换函数总方差σZ则除了在小周期上有显著增加外,其他周期上在2002年的变化幅度明显减小,趋于一致。2空间大异常与局部异常2002年9月3日太原地震前10个月到12个月,地磁加卸载响应比值P(Z)存在明显的整体升高现象[正常各台站P(Z)小于2.5,一般为1.5～2.0],其中2001年11月17日和12月17日的P(Z)值分别达到3.5和3.3,出现2次超过阈值3.0的高值异常,异常出现的时间和变化量值上与华北地区其他震例异常相类似。垂直分量日变幅一阶差分值在震前一到两个月出现异常,超出2倍均方差。地磁低点时间出现在震前第38天,即第2个有利时间段41±4天之中,没有出现在第1个有利的时间段内,存在滞后现象,可能与震级偏小有一定的关系。太原及其邻近区域地磁场垂直分量一阶差分在地震前后出现的异常,在时间、幅度和异常区域上的变化,反映了地磁场垂直分量的“局部异常”可以作为未来判定地震三要素的良好指标。此次地震之前,出现了中期(一年到一年半)地磁加卸载响应比异常;短期异常(几个月到半年)包括地磁低点时间、转换函数;短临异常(几天到几小时)包括地磁一阶差分。对这些中短期和短临异常及其异常指标,进行了总结(表5)。3低频和垂直分量的日变化在地震前后,磁异常区域开始在太原和昔阳之间,范围较大,而后逐渐缩小,仅昔阳存在,震后恢复正常。这种异常区域的动态变化是否意味着与这次地震震源机制有直接的关系,或与台站所处构造位置有关。低点位移的判别指标为