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Source current mechanism of the daily ratio of geomagnetism before the ML4.6 earthquake in Huidong, Guangdong province

  • YuXin BAO , 1 ,
  • JingHui LU 1 ,
  • XiaoHui LI 1, 2 ,
  • Xin ZHANG 1, 2 ,
  • DaQing CHEN 1, 2 ,
  • JianGe WANG 1 ,
  • YuFen LUO 1 ,
  • ZhengLei CHEN 1
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Received date: 2023-05-15

  Online published: 2024-09-29

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Abstract

About 50 km away from Dayawan Nuclear Power Station, a ML4.6 earthquake occurred at the Shanwei-Chaozhou fault on 11 March 2022. There was an earthquake as large as M6.0 occurred in same site. In this paper, based on the geomagnetic observation data of 10 geomagnetic stations in coastal areas of South China, the integration effect of the diurnal variation distortion period was used to quantify the distribution of anomalies.we discussed the degree of interference and the decisive factors in the calculation according to the prediction range of the day-to-day ratio threshold, and the internal source ring current is used as the source to explain the source current mechanism related to the geomagnetic day-to-day ratio anomaly. The results show that filtering the geomagnetic station data with large noise interference can effectively remove its noise, improving the credibility of the day-to-day ratio calculation. It is proposed that the diurnal variation amplitude of the geomagnetic vertical component is mainly controlled by the Sq current system, which may be related to the space weather activity of the ionosphere and is obviously dependent on local time. Estimating the skin depth of the current change in the three-layer conductor and combining with the results of other geophysical explorations, we believe that the position where the ring current is generated may be located at the most intense exchange between the asthenosphere hot material upwelling to the lithosphere material, about 100 km underground. Therefore, we calculate the induced magnetic field distribution caused by the ring current superimposed on the surface at a depth of 100 km. The magnetic field generated by this internal source current weakens the vertical geomagnetic field caused by the Sq current. Themagnitudeofthe Z-component changes day by day, which eventually leads to an anomaly in the day-to-day ratio of the geomagnetic field.

Cite this article

YuXin BAO , JingHui LU , XiaoHui LI , Xin ZHANG , DaQing CHEN , JianGe WANG , YuFen LUO , ZhengLei CHEN . Source current mechanism of the daily ratio of geomagnetism before the ML4.6 earthquake in Huidong, Guangdong province[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(4) : 1358 -1368 . DOI: 10.6038/pg2024HH0095

0 引言

在地震孕育过程中,孕震区应力改变会使地下介质的物理性质发生变化,其中包括地下电性结构改变、介质电导率的变化以及地下电流场变化,这可能对地面地磁观测值产生影响.地球变化磁场垂直分量日变幅是地球变化磁场的外源场及由地球内部电性介质感应生成的变化内源场叠加而成,其大小不仅受外源场的控制,同时受内源场的影响.鉴于地球内部电性介质的变化可能影响了内源场,地球磁场垂直分量的日变化幅度可反映地震孕育过程和地球内部介质电性的变化,进一步被尝试应用于地震预测预报中(冯志生等,2001; 张翼等,2007赵旭东等,2010).
地磁垂直分量日变化幅度逐日比(下简称逐日比)是目前国内用于地震地磁前兆观测有效手段之一,能较好地反映地下介质导电性质的改变.目前已有大量的研究方法用于提取地下介质电导率的变化,该方法的预报效果在全国多个地区中等级地震中得到了印证.冯志生等(2001)首先把逐日比方法应用于江苏地磁数据处理和前兆分析中,根据异常高值点确定有效预报范围内发生MS4.6以上地震概率较高.袁桂平等(2018)研究发现该方法在江苏及华东地区的地震前兆判别有一定效果.戴勇等(2015)和艾萨·伊斯马伊力等(2021)利用逐日比方法对甘-青地区、新疆及周边地区开展研究,发现逐日比高值异常有较好的映震效果.张建国等(2008)发现逐日比高值异常与河北省及邻区MS5.0以上地震有较好的对应关系,并评估了其映震能力后认为该方法作为地震预测的中短期预报方法对河北省地震预报有一定指示意义.
地磁逐日比异常的原因是地磁变化场的日变化幅度减弱,针对地磁垂直分量出现突然、无时移、大幅度减小的现象,章鑫等(2020)提出地震前地下可能存在反向环电流,导致地磁幅度变化突然变小、比值增加到阈值以上,因此幅度减弱是导致预测指标出现异常的原因.一种基本猜想是地下某个深度存在电流,其感应磁场与Sq电流引起的磁场相反,进而减弱了地磁日变化的幅度(张学民等,2008冯志生等,2009).其他一些学者的研究也支持内源电流存在的可能性,然而这种电流的大小和空间位置与电性结构、构造情况等相关(袁桂平等,2015陈化然等,2009章鑫等,2020).本文根据趋肤深度响应规律和区域的构造特点、电性结构、地震S波速等先验信息,通过大范围的地磁畸变反演这种电流的空间位置和大小,再由电磁感应定理正演估计环电流在地面产生的磁场大小,进一步探讨环电流的存在对地磁垂直分量日变幅的影响.

1 区域构造背景

广东东南部是菲律宾板块向下俯冲的远端,菲律宾俯冲带造成了陆地一侧地壳和上地幔结构具有特殊的分层方式,地质历史上经历过多期次大量侵入岩发育.通过多道地震勘探,确认了其Moho面深度为30 km左右,岩石圈软流圈分界面(LAB)深度约为70 km( Dong et al., 2020).通过大地电磁对电性结构的约束表明,浅层存在较大横向差异(刘营等,2013),在广东云浮下方岩石圈导电性平均电阻率小于60 Ω · m、上地壳电阻率远高于下地壳,LAB以下电阻率中等(20~50 Ω · m);在广东揭阳下方主要电性特征为岩石圈导电性中等(平均电阻率处于400~1200 Ω · m之间)、中下地壳高导层不发育、电性结构差异在Moho不明显而LAB清晰,岩石圈厚度偏大且LAB以下电阻率高(均值大于100 Ω · m).在靠近海洋的一侧,由于对海底下方深度的探测方法有限,对深部各个速度分界面的约束存在较大不确定性.
研究区的褶皱构造和断裂构造较为发育,基底褶皱以轴线呈北东向的白石凹背斜为代表,盖层褶皱构造线方向以北东向构造为主,东西、北西、南北向为次;断裂构造以北东向为主,次为北西向.区域性大型走滑断裂都切割了深部燕山期花岗岩体,表明这些区域性的深、大断裂形成时代晚于燕山晚期花岗岩体侵入时代,即活动时代晚于135 Ma.莲花山断裂带在广东境内延长约500 km,宽20~40 km,局部可达60 km,具有多旋回活动的基本特征,是重要的二级构造单元分界线.
震源机制结果表明惠东ML4.6地震为高倾角(82° ~88°)的走滑型地震,CAP反演机制解随深度变化的拟合分布表明该地震最佳拟合质心深度为28.4 km.图 1a中展示了本文中选取的9个台站和地震分布,图 1c为1999年以来小地震在深度上的分布,震源深度基本在20 km深度以上.距惠东ML4.6级地震的震中约50 km处建有大亚湾核电站(图 1b).张鹏等(2016)模拟了大亚湾核电站受到马尼拉海沟强震诱发海啸的影响,认为应加强灾害应对策略的研究;模拟结果还考虑了珠江口和粤东南澳等海域强震的影响,但是惠东海域本身就发生过6级以上的强震,具有近场的强震动破坏性.因此,惠东地区近场断裂的地震活跃性是否会影响到核电安全应引起关注.
图1 地磁台站分布和地震信息

(a)区域地磁台站分布;(b)惠东及其近海小震分布和震源机制解;(c)1999—2022年小震的震源深度分布.

Fig 1 Distribution of epicenter and geomagnetic stations

(a) Distribution of regional geomagnetic stations; (b) Distribution and focal mechanism solution of small earthquakes near Huidong; (c) Focal depth distribution of small earthquakes from 1999 to 2022.

2 结果

2.1 逐日比计算结果

对于华南沿海地震带,强地震的频度不高且地磁观测站点稀疏,故其他地磁手段如加卸载响应比、谐波振幅比、垂直强度极化、地磁转换函数等方法均很少发现异常.在2022年3月14日发生的惠东ML4.6级地震之前,多个地磁台站都记录到了地磁垂直分量变小的现象,最终只有逐日比划定的区域与地震震中分布对应,震级预测的结果也满足预期.
逐日比定义为当天的地磁垂直分量和其后一天的日变幅比值,其中日变幅指的是一天中的分钟值数据最高值与最低值之差.逐日比计算方式为:
式中A(t)为地磁垂直分量日变化幅度,t2=t1+1, 其中t为观测日期,即计算前一天日变幅和当天日变幅的比值,Y称为地磁垂直分量日变化幅度逐日比.逐日比计算过程简单、可操作性强,在实际震情跟踪分析中能够快速识别出异常.图 2中展示了肇庆台逐日比的异常计算过程,首先通过地磁原始垂直分量获得日变化幅度,然后取前后两天日变化幅度的比值;当前一天的日变化幅度超过当天的2.8倍时,认为可能是深部电性结构的突变引起,作为可能的异常开展核实.
图2 逐日比计算顺序示意图

以肇庆台垂直分量Bz为例.

Fig 2 Schematic diagram of the calculation sequence of the day-to-day ratio

Taking the vertical component Bz of Zhaoqing Station as an example.

在实际观测中地磁易受到周边电磁噪声的污染,本文所选台站中有3个台受干扰严重,会昌台和永安台受到周边杂散电流的严重干扰,原始曲线中毛刺较多;邕宁台受到地铁杂散电流的干扰,在地铁运行期间毛刺较多.在直接采用上述3个台站的原始数据计算其日变化幅度时,明显存在较大的误差.以会昌台为例,未做处理时计算的逐日比为1.91左右(图 3),采用24阶FIR低通滤波器对原始日变化曲线开展滤波,其逐日比计算值为2.94,表明噪声干扰已经严重影响到逐日比的计算准确性.
图3 噪声干扰大地磁台的计算实例(会昌台)

Fig 3 The calculation example of noise interference with geomagnetic stations (Huichang station)

同样地,永安台距离会昌台较近,且也存在严重的噪声叠加,其原始曲线的幅度差为2 nT左右.采用多种滤波器开展低通滤波处理后,其结果仍然显示出低于华南区域经验阈值(2.8倍),即没有出现异常(图 4c).这说明即使是相距较近的两个台站间(会昌台和永安台),日变化畸变的幅度差别也可能很大,引起这种畸变的源对不同台站有不均匀的削弱或加强作用.另外,世界时和地方时的选取也会影响计算结果,图 4b中世界时的结果明显小于地方时(LT);针对其他8个台站使用世界时(UT)的逐日比计算结果也偏小.这可能说明地磁垂直分量日变化幅度主要受控于Sq电流体系,该电流体系明显依赖于地方时.
图4 噪声干扰大地磁台的逐日比计算实例

(a)低通滤波后的曲线;(b)会昌台逐日比;(c)永安台逐日比计算结果.

Fig 4 A calculating day-to-day ratio example of noisy magnetic stations

(a) The curve after low-pass filtering; (b) The day-to-day ratio of Huichang station; (c) The day-to-day ratio of Yong'an station.

按照上述思路,我们计算了华南地区9个地磁台站2021年10月21日的逐日比值,使用邻近域插值方式得到图 5中的结果,显示出逐日比分布与惠东ML4.6级地震的对应关系很明显.图 5a中地方时的逐日比结果,地震发生在三个超阈值台站的中心偏下的位置;图 5b中世界时的逐日比结果,异常位置与地震发生的位置也比较对应.由于世界时日变化幅度较地方时变化幅度偏小,导致其逐日比阈值异常的范围相对较小.在使用世界时的日变幅度计算逐日比时,可以适当调整经验阈值的范围,如本次事件的阈值调整为2.6或更低时,其异常的范围能够与地方时的计算结果相当,而异常中心更为集中,阈值预测范围变小.
图5 地方时LT(a)和世界时UT(b)计算的逐日比插值结果

Fig 5 Plane of day-to-day ratio calculated by local time LT(a) and universal time UT(b)

2.2 幅度畸变补偿

幅度逐日比需要一天之内的地磁场垂直分量幅度差值数据,这体现的是一天之内两个时间点的磁场差异性,通过UT和LT的比较可知幅度比差异的来源是日变曲线下降阶段.下面我们对一段时间内磁场差值做积分,即对两个曲线之间的差值求面积,使用面积补偿法来体现幅度的差异.首先对异常日前后3天的幅度比较,基于异常日前后两天的数据取平均对异常日的弱日变化幅度作补偿,得到接近正常的日变化幅度;然后相对于异常的曲线对幅度作面积差和幅度差;最后依据幅度差分离出地磁内外源的贡献,其中内源约占1/3,外源约占2/3(张建国等,2009).使用2021年10月21日的九个地磁台站数据计算内外源分离结果见表 1表 2表 1中后两列面积差表示的是时间跨度不同时的结果;计算示意图见图 6ab,面积补偿后的异常结果见图 6cd.
表1 由邻近两天作幅度补偿的结果

Table 1 Results of the amplitude compensation from adjacent two days

台站 原始/nT 补偿后/nT 幅度差/nT 面积差/nT (2050~2450 min) 面积差/nT (1600~2500 min)
会昌 8.883 21.338 12.455 1906.307 2300.007
邵武 12.044 21.707 9.663 1551.184 1883.454
永安 12.687 23.684 10.997 2216.585 1545.666
泉州 12.223 21.985 9.762 1450.091 1824.369
河池 13.842 24.888 11.046 1434.406 1296.980
邕宁 13.189 22.759 9.569 984.637 1128.077
邵阳 12.150 21.930 9.780 1768.702 2203.850
新丰江 9.595 21.126 11.531 1521.337 2792.092
肇庆 10.157 21.974 11.817 1446.939 1776.124
琼中 18.003 22.682 4.680 72.990 758.107
表2 幅度补偿后内外源场分离的结果

Table 2 Results of separation of internal and external source fields after amplitude compensation

台站 幅度差/nT 外源场/nT 内源场/nT 面积差/nT 外源场/nT 内源场/nT
会昌 12.455 8.304 4.152 2300.007 1533.338 766.669
邵武 9.663 6.442 3.221 1883.454 1255.636 627.818
永安台 10.997 7.331 3.666 1545.666 1030.444 515.222
泉州 9.762 6.508 3.254 1824.369 1216.246 608.123
河池 11.046 7.364 3.682 1296.980 864.653 432.327
邕宁 9.569 6.380 3.190 1128.077 752.051 376.026
邵阳 9.780 6.520 3.260 2203.850 1469.233 734.617
新丰江 11.531 7.687 3.844 2792.092 1861.395 930.697
肇庆 11.817 7.878 3.939 1776.124 1184.083 592.041
琼中 4.680 3.120 1.560 758.107 505.404 252.702
图6 幅度补偿改正及其幅度示意图

(a)中黑线和蓝线表示日变幅度异常日的幅度远小于补偿后的幅度;(b)中展示了400 min跨度内的幅度补偿值;(c)(d)分别为地磁日变化面积和补偿幅度差的平面分布.

Fig 6 Schematic diagram of amplitude compensation correction and its amplitude

The black line and blue line in(a)indicate that the amplitude of the abnormal day of the daily variation amplitude is much smaller than the amplitude after compensation; (b)Shows the amplitude compensation value within the span of 400 min; (c)(d)are the distribution of diurnal variation of geomagnetism (a) and the compensation amplitude difference (b), respectively.

图 6中显示出日变幅度异常日的幅度远小于补偿后的幅度(图 6a中黑线和蓝线),在图 6b中我们展示了400 min跨度内的幅度补偿值,用深蓝色表示.幅度的补偿旨在显示日变幅度异常造成的差异,而这种差异的来源需要从地下内源畸变中寻求.不以简单的日变化幅度差来表示这种差异的主要原因是幅度差仅能代表一天时间尺度内最大值的差,这与幅度补偿后的面积差的积分效应不一样.若这种日变化曲线差异是内外源的共同作用,面积差异更能表达差异的全过程,而幅度差仅能代表其全过程中最大的一个时刻点.
我们把幅度差和面积差的结果显示在平面上,面积差在平面上的分布也能较好地反映出异常中心与惠东ML4.6级地震震中位置的密切关系(图 6c).而幅度差的插值结果表现不算理想(图 6d),其异常的中心偏东,这可能也是前人对逐日幅度取比值而不取差值的原因.地磁逐日比异常的本质是地磁垂直分量日变化幅度突然变小,使前一日与后一日的幅度比值变大.这种地磁日变化幅度畸变经常区域性地出现,其幅度突然、无时移减小的机制仍然不清楚.倪晓寅和洪旭瑜(2022)章鑫等(2020)认为地下出现反向电流源,其感应磁场对日变化幅度产生反向叠加,造成日变化幅度较小.通过电磁感应定理能够估计出内源电流的空间位置,但电流存在的物质基础和地质条件难以确定.因此还需要解决两个主要问题:一是电流短时存在的其他证据,为何这种电流只影响一到两天的日变化幅度,存在时间短但影响范围大;二是这种电流存在的地质基础,在何种地质条件下能够允许短时间大尺度的电流出现甚至重复出现.为了阐述这种异常的可能来源,下面将重点探讨地下电流场源的可能物理机制和需要的构造条件.

2.3 内源电流模拟

以内源电流作为基本假设解释地磁垂直分量幅度变化,将某一时刻的幅度差异分离得到内外源场后,仅考虑内源场电流的深度和大小.根据电磁感应定理,一定量的地面磁扰动的地下源电流,其深度和大小相互依赖.本文采用水平分布的面状环电流(与空间电流涡对应)来估计地表磁场的大小,基于空间一点的P为(Px, Py, Pz),把电流I划分为N段电流元dI
根据郭智勇和刘得军(2013)的推导,感应磁场垂直分量表达式为:
式中 R表示环电流的半径,z为环电流所在的深度,I为电流的强度,μ0为真空中磁导率.
通过趋肤深度公式预估式中a值的大致范围,然后根据外源场的大小预估地球内部电流的范围,最后结合区域深部构造条件,得到内源电流的深度和大小值.日变化幅度消失后的脉冲宽度为20~60 min,可近似认为其震荡周期约为20~60 min,即1200~1800 s.结合文献推断华南沿海的电阻率为50~500 Ω · m(刘营等,2013),根据多层介质的趋肤深度响应规律(肖调杰等,2015),得出其最大可能深度约为182~525 km,处于岩石圈上地幔内部.基于出现异常的台站间距约为200~300 km,故环电流的半径至少为200 km左右,才能产生这么大范围的地磁日变化幅度亏损异常.相对于高频电磁波,环电流随时间的变化状态为近直流状态.环电流越深,其感应磁场的影响范围越大;电流越强,感应磁场越强.
基于前人对研究区域电性结构(刘营等,2013李帅等,2022)和速度结构的研究(Dong et al., 2020; Deng et al., 2019), LAB深度约为70 km,对流变成分较敏感的S波速度在LAB下方也趋于均一,其电阻率也较小,可能在空间变化电流体系加载下出现涡旋感应电流.综合以上信息并主要考虑区域构造特点,我们认为环电流的半径与其最大深度200 km基本相当,且环电流最可能产生于地下100 km左右.满足三个条件:S波速度均匀,可以判断为物质均匀;电导率相对差异不大且电阻较低,适合在周围物质中作为高导体存在;作为菲律宾俯冲板片上方,板片后撤带来的热物质丰富,是热能量交换的重要场所,满足突变的可能性.
图 7是数值模拟的综合模式图,图 7a为环电流深度与S波速度结构模式,图 7b为三个环状面电流的叠加引起的内源感应地面磁场垂直分量结果,图 7c为环电流的位置及其深部构造背景.感应磁场的来源中外源占比2/3,内源占比1/3,两者在观测点处合成垂直分量的感应磁场,叠加在正常日变化上形成地磁垂直分量日变化异常.图 7a中背景的S波速度结构来源于Deng等(2019),S波速度结构在LAB下方趋于均一,红色箭头表示热流上升形成了岩石圈地幔内部的高速异常体.图 7b中是100 km深度处三个环电流叠加在地表引起的感应磁场,其半径和电流强度分别为:650 km, 2500 A; 450 km, 650 A; 250 km, 450 A.在地面产生的磁场最大值为4.15 nT,与表 2中内源场最高值相当,削弱了日变化幅度,最高值出现在惠东地震震中附近;最小磁场为-0.8 nT,出现在环外围.说明在环电流外围对日变化幅度的贡献是加强,距离很近的两个台站间畸变量可能出现反转,如前述会昌台和永安台.图 7c中是大区域的构造背景和内源环电流位置关系,左侧数值表示电性分层的厚度和电阻率,右侧模式图表示俯冲带上方物质上升具备引发了内源电流理想的物质条件,环电流的可能位置为LAB下方20~30 km左右,此处物质热物质上涌,与岩石圈的交换最为剧烈,对空间电流体系扰动产生了最大程度的响应.
图7 处于地幔顶部深度内源环电流引起的垂向磁场Bz

(a) 环电流产生地面垂向磁场的示意图,Vs速度剖面改绘自Deng等(2019);(b)内源环电流产生地面垂向磁场的二维分布, R表示环电流的半径,z为环所在的深度;(c)内源环电流与惠东ML4.6级地震、区域构造环境的关系,底图剖面改绘自Dong等(2020).

Fig 7 The vertical magnetic field Bz value caused by the source current at the top of the mantle

(a) Schematic diagram of the vertical magnetic field generated by the ring current, and the Vs velocity profile is adapted from Deng et al. (2019); (b) The two-dimensional distribution of the vertical magnetic field on the ground generated by the endogenous ring current; R represents the radius of the ring current, and the z is the depth of the ring; (c) The relationship between the endogenous ring current and the ML4.6 earthquake and the regional tectonic environment, the bottom map section is redrawn from Dong et al. (2020).

3 讨论和结论

地磁垂直分量出现畸变时,水平分量变化不显著,因此有关地磁日变化畸变的来源,不少学者对内源场和外源场做出讨论(丁鉴海等,2004张学民等,2008).本文使用了内源的环电流来模拟在一个区域出现的异常,能够达到不错的拟合效果.但内源电流模拟的只是畸变量的1/3,并且并未考虑深部电流长期存在的可能性.也就是说这种方法能够解释区域性的异常出现的来源问题,但也存在一些问题,如逐日比经验阈值取值所限定的异常区域通常偏小或偏大,这就会造成使用规则电流来模拟地面观测畸变量存在一定的不精确性;其次是电流存在的动力来源,地下板块俯冲等动力过程是非常缓慢的变化,如何跟1天或数天的地磁日变化畸变建立物理联系.另外,地磁观测本身会受到地面电磁环境的干扰叠加,会导致用日变幅度差来量化深部电流时存在较大的不确定性(王喜珍等,2021).
前人对逐日比的计算都是基于日最大幅度之间的比值进行的,类似于其他现有地震地磁预测方法(加卸载响应比,谐波振幅比,垂直强度极化等)(李霞等,2022),它们大多数也是通过量取幅度来实现.本文尝试了使用日变化畸变时段的积分效果来量化异常的分布,在华南沿海地区取得了与其他地磁预测方法相当的效果(倪晓寅等,2022).以广东惠州ML4.6地震为例,探索地磁垂向分量日变化畸变的可能来源,估算内源环电流对空间电流体系产生的的干扰和影响,也是对地震预测实践中某种磁异常源的解释尝试.地磁观测具有严格的规范,并且在一定区域内具有相对一致性,多台站相互验证说明地磁日变化畸变客观存在.大亚湾核电站等重要的能源设施距离震中较近,在“碳达峰碳中和”新的能源格局下,作为清洁的能源核电安全显得尤为重要;在距离核电站很近的惠东海域发生了ML4.6地震,为核电地震安全评估方面提出了警示.
本文得出以下结论:
(1) 使用日变化畸变时段的积分效果来量化异常的分布,异常最显著的区域与地震震中的位置对应,体现了地磁垂直分量日变化畸变是一个有时间尺度的过程.
(2) 使用面积补偿法来体现幅度的差异,基于异常日前后两天的数据取平均对异常日的弱日变化幅度作补偿,得到接近正常的日变化幅度,面积差在平面上的分布也较好地反映异常中心与惠东ML4.6级地震震中位置的密切关系.
(3) 基于地磁日变化畸变的内源电流模拟结果与大区域的构造背景相联系,地震活跃区域的深部物质异常行为可能与地磁日变化异常有关,研究区域的俯冲带上方物质上升具备引发了内源电流异常的物质条件,异常源电流的可能位置为LAB下方20~30 km左右.

数据来源于中国地震台网中心(国家地震科学数据中心) (http://data.earthquake.cn),感谢审稿专家提出的修改意见.

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