地磁z分量日变多点位移异常的成因分析

地磁z分量日变多点位移异常的成因分析

“点对点位移”异常与地震活动的关系1968年邢台地震发生后，利用地磁断裂带的异常地震记录方法建立了40多年。经过长期的地震预报实践和不断的完善,该方法已成为我国日常地震短临预报较有实效的方法之一。至今,国内已有许多学者对地磁Z分量日变“低点位移”异常的成因作过研究,并取得一些成果。这主要体现在两个方面,一是“低点位移”异常的形成成因,二是“低点位移”异常与地震活动的关系成因。丁鉴海等认为造成地磁“低点位移”异常的周期成分为1～3小时周期;张学民等则发现地磁“低点位移”日8.5小时和13.7小时周期的频谱值增加,且“低点位移”的发生与赤道附近空间电子密度Ne的增加有很好的对应性;冯志生等依据Biot-Savart定律推测,在“低点位移”异常期间,在“低点位移”下方有一个引起地磁垂直分量日变化畸变的电流通过;陈化然等利用地磁内外源场分离的方法,反演地震前地下和空间等效涡旋电流体系的演化图像,分析认为内、外场等效涡旋电流体系的变化可能是地磁“低点位移”异常现象产生的原因之一。关于“低点位移”异常与地震活动的关系,目前普遍认同丁鉴海等提出的“探测—感应—触发”机理。本文立足于已有的研究成果,通过对地磁Z分量日变“低点位移”异常和太阳静日变化内外源场等效涡旋电流体系时空演化特征的分析,借鉴电磁炉工作原理对“低点位移”异常的形成原因及其与地震活动的关系成因提出了新的解释。1形成“正常的地磁z分量日变“点对点位移”异常在地球北半球中低纬度地区,地磁Z分量日变形态在地方时中午12时前后有一个极小值,称为“日变低点”。如果某观测地点在某一天“日变低点”出现时间偏离地方时12时前后2小时以上,则认为该观测点该天地磁Z分量日变形态出现了“低点位移”。地磁Z分量日变低点在空间上是随地理经度变化的。以北京时为统一时间,由东向西,经度每隔15°,日变低点出现的时间延后1小时。我国现已建成的地磁观测台站,自东向西,地磁Z分量日变低点时间大致由11时45分逐渐后延到15时,相差约3小时。如果在某一天,全国范围内出现两个及以上有明显日变低点时间突变分界线的区域,各区域内日变低点时间大致相同(相差不超过2小时),而相邻两个区域日变低点时间相差两个小时以上(一般为3至5小时),则认为该天出现了地磁Z分量日变“低点位移”异常。这种地磁Z分量日变“低点位移”异常的出现与区域地震的发生有较好的相关性。丁鉴海等统计了发生在我国及邻区的167次4.8级以上地震,其中约80%的地震发生在异常日过后27天前后4天或41天前后4天时间内,地震发生的地点则在低点时间突变分界线附近。“低点位移”异常是地磁Z分量日变所特有的现象,地磁水平分量和偏角基本无相应变化,仍保持正常的日变形态。地磁日变化由静日变化和扰日变化组成,各种扰日变化通常会引起地磁偏角、水平和垂直分量的同步变化。地磁静日变化则包括太阳静日变化Sq和太阴静日变化,其中太阴静日变化相对太阳静日变化非常微弱。由此推知,“低点位移”异常很可能是由地磁Z分量太阳静日变化Sq的异常引起的。从“低点位移”异常的定义可以看出,其最明显的空间分布特征是出现了明确的日变低点时间突变分界线。陈绍明、胡久常等通过进一步的分析,发现在一些“低点位移”异常日,处于日变低点时间突变分界线附近的台站所观测到的日变形态呈现前后相差2个小时以上的“双低点”特征(见图1),随着与分界线距离的增加,所观测到的日变形态逐渐过渡到单低点形态,其中一侧向前一低点过渡,而另一侧则向后一低点过渡。通过加密地磁观测台站,将会有更多的台站观测到地震前地磁Z分量日变“低点位移”异常日中的“双低点”异常形态,从而划分出“双低点”异常分布带,地震则发生在该分布带内。图2为2008年5月12日汶川8.0级地震前的5月9日所出现的地磁Z分量日变“低点位移”异常分界线和“双低点”异常分布条带,地震震中就位于“低点位移”异常分界线附近和“双低点”异常分布条带的交汇部位。汶川地震前地磁Z分量日变同时出现三个“双低点”异常分布带,而地震就发生在这三个异常分布带的交汇部位,实属少见,因通常只出现一个异常分布带。2地磁z分量日变的等效潮旋电流体系地磁Z分量太阳静日变化Sq由外源变化场和内源变化场两部分组成。其中外源变化场起源于太阳辐射在地球外空电离层中所产生的涡旋电流体系,内源变化场则是外源变化场在地球深部感应所产生的反向涡旋电流体系。陈化然等通过对中国地区地磁Z太阳静日变化Sq进行内、外源场分离,反演计算得到了1997年11月8日西藏玛尼地震和1998年1月10日河北张北地震前地下和空间Sq等效涡旋电流体系的演化图像。本文对这些演化图像做了进一步的分析。为便于分析,我们依据地理经度与时间的关系将图中的横坐标分别表示时间和相应的地理经度(1小时相当于地理经度15°),并将上述两次地震地下和空间Sq等效涡旋电流体系的演化图像作了水平反转,并将地震震中标于图上(见图3至图6)。图中等效涡旋电流体系呈南北长、东西短的椭圆形密集带,是因为横坐标经度单位相对纵坐标纬度单位缩小的缘故,实际上是南北和东西两轴大致相等的近似圆形涡旋电流。Sq外源场和内源场等效涡旋电流体系的中心在地表上的投影区分别位于日本列岛及其东南海域和台湾岛及其东南海域。图3和图4分别是1997年11月8日玛尼7.5级地震前“低点位移”异常日及其前后地磁Z分量日变Sq外源变化场和内源变化场等效涡旋电流体系演化图。图3显示外源场等效涡旋电流中心位于北京时11时前后,也即东经130°至140°之间;在纵坐标上位于北纬20°至30°之间;在“低点位移”异常日(1997年10月11日),等效涡旋电流体系在中纬度区分解出一个次生涡旋电流,中心大致位于北纬48°,东经135°,分解后的低纬度涡旋电流中心坐标大致位于北纬21°,东经137°;“低点位移”异常日后,中纬度涡旋电流与低纬度涡旋电流聚合,恢复成正常的单个涡旋电流。图4显示内源场等效涡旋电流在“低点位移”异常日前先于外源场等效涡旋电流体系在中纬度分解出一个逐步增强的次生涡旋电流,该涡旋电流在“低点位移”异常日达到最强(中心大致位于北纬48°,东经150°),并超过了低纬度涡旋电流强度,随后逐渐衰减,而低纬度涡旋电流又迅速增强。图5和图6分别是1998年1月10日河北张北6.2级地震前“低点位移”异常日及其前后地磁Z分量Sq外源变化场和内源变化场等效涡旋电流体系演化图。图5显示外源场等效涡旋电流中心位于北京时11时前后,也即东经130°至140°;在纵坐标上则位于北纬20°至30°之间;在“低点位移”异常日(1997年12月18日)前一日,等效涡旋电流体系在中纬度区开始分解出两个次生涡旋电流,其中心呈现出在“低点位移”异常日及前后沿经度来回移动的迹象。以上分析说明,地磁Z分量日变Sq等效涡旋电流体系由单个涡旋电流分解为两个或多个涡旋电流,尤其是内源场等效涡旋电流体系所分解出的新生涡旋电流迅速增强达到最大值,可能是地磁Z分量日变形态出现“低点位移”异常或“双低点”异常的原因。地磁Z分量单个Sq等效涡旋电流体系形成Z分量单低点日变形态,两个或多个Sq等效涡旋电流体系则沿其分界线形成Z分量“双低点”异常日变分布带,并可划分出“低点位移”分界线。外源场等效涡旋电流体系所分解出的新生涡旋电流较弱,可能是由内源场新生涡旋电流在电离层中的感应所产生。然而,地震震中并不在涡旋电流中心区域,而是位于各个涡旋电流的分界线附近的某处。究其原因,可能是内源场涡旋电流的分布取决于地球内部电导率的分布,由于地震前震中区地壳深部电导率的快速(1天或稍长时间内)变化,改变了内源场涡旋电流的分布,使原来单一的涡旋电流分解成两个或多个涡旋电流,引起地磁Z分量日变出现“低点位移”异常或“双低点”异常。一旦震中区地壳深部电导率变化趋于稳定,原来分解成的两个或多个涡旋电流又重新聚合成单个涡旋电流,地磁Z分量日变又恢复到正常的单低点形态。3地表内、外源场等效扫码设计地磁Z分量日变“低点位移”异常的形成原因是震中区地壳深部电导率的快速变化使太阳静日变化内源场等效涡旋电流体系分解成两个或多个涡旋电流体系。为了进一步明确引起震中区地壳深部电导率变化的原因,以及地磁Z分量日变“低点位移”异常与地震活动的关系,我们借鉴电磁炉的工作原理进行分析。电磁炉的工作原理是,采用磁场感应涡流的加热原理,通过电子线路板(环形交流线圈)组成部分(见图5)产生交变磁场(磁力线),当把含铁质锅具放置炉面时,锅具底部即切割交变磁力线而产生交变的涡流,涡流使锅具铁分子高速无规则运动,引起分子互相碰撞、摩擦而产生热能,使锅具本身自行高速发热,用来加热和烹饪食物。大量的地球物理深部探测成果表明许多强震及大震的震源区下方存在高导低速层。此外,许多中强地震前震中及其邻近地区会出现大面积卫星红外辐射增温异常现象(异常区内温度一般比周围高2～6℃)。基于此,我们认为震源区下方的高导低速层相当于锅具底部的金属部分,而太阳静日变化内、外源场等效涡旋电流体系相当于电磁炉环形交流线圈部分。这样,地壳深部震源区下方的高导低速层切割由太阳静日变化内、外源场等效涡旋电流体系所形成的交变磁场,产生涡流,使高导低速层内的分子做无规则运动,引起分子相互碰撞、摩擦而产生热能。我们将这个过程称之为“电磁炉效应”。高导低速层受热升温并对上方刚性围岩产生膨胀压力,而刚性围岩对高导层又形成反作用力。高导低速层不断升温和增压,最终突破临界状态而使高导低速层产生局部相变(由一种物质转变为另一种物质),其电导率随之发生快速变化,又使区域电导率的分布状态改变,并引起Sq内源场等效涡旋电流体系分解成两个或多个涡旋电流体系,反映到地磁Z分量日变形态上就是出现“低点位移”异常现象。地壳深部物质相变是一个突变过程,其持续时间可能只有数天或数小时。这个过程结束后,区域地壳深部电导率分布状态会很快趋于稳定,原来分解成的两个或多个涡旋电流体系又会重新聚合成单个涡旋电流体系,地磁Z分量日变则又恢复到正常的单低点形态。高导低速层发生局部相变的结果,则可能使组成高导低速层的低密度物质迅速转变成高密度物质,与此同时其体积也快速缩小,并在刚性围岩下方形成“空区”,进而使高导低速层施加于刚性围岩的膨胀压力突然消失,周围强大的地应力则快速向此处集中,直至刚性围岩发生破裂和块体错动,产生地震。如果高导低速层不断增温的结果是使其物质由固态迅速转变成液态(如岩浆),则可能导致猛烈的体积膨胀,并突破围岩形成火山喷发。如果围岩的热传导性良好,则可能形成局部地热区,进而加热地下水形成温泉,并逐步释放热能。4地震活动地区成因本文基于对地磁Z分量日变“低点位移”异常和太阳静日变化内外源场等效涡旋电流体系时空演化特征的分析,提出“电磁炉效应”假说,较好地解释了地磁Z分量日变“低点位移”异常的形成原因以及