倪曉寅 賴見深 朱培育

1)福建省地震局，福州 350003 2)東山地震臺，福建漳州 363400 3)崇明地震臺，上海 202164

0 引言

地磁場由穩(wěn)定磁場和變化磁場組成。變化磁場包括了地磁場的各種短期變化，主要分為起源于地球電離層電流體系的外源場和外源場在地球內部生成的感應電流產生的感應場。因此，變化磁場不但反映了太陽活動、外層空間磁層、電離層的活動，還反映了地球內部介質電磁性質的變化。基于變化磁場的以上特性，國內外不少學者研究了地磁日變化異常與地震的關系，發(fā)現(xiàn)變化磁場地震異常可引起地磁垂直分量(Z分量)日變化的畸變，包括日變化形態(tài)、相位和幅度的畸變，利用地磁Z分量日變化異常預測地震，已成為我國日常短臨預測預報地震的有效方法之一(丁鑒海等，2006)。

目前，國內用于提取地磁Z分量地震前兆異常的方法主要有：地磁低點位移法(丁鑒海等，1988)、地磁每日一值空間相關法(馮志生等，2000b)、地磁Z分量日變化空間相關法(馮志生，2005)、地磁Z分量日變幅加卸載響應比法(曾小蘋等，1996；馮志生等，2000a；)、地磁Z分量日變幅逐日比法(馮志生等，2001；袁桂平等，2018)。近些年的研究表明，運用以上幾種方法，在中國大陸一些顯著中強地震前均有一定程度的異常出現(xiàn)，例如：2017年精河6.6級地震前出現(xiàn)了加卸載響應比異常和逐日比異常(艾薩·伊斯馬伊力等，2017)、2013年岷縣-漳縣6.6級地震前出現(xiàn)了每日一值空間相關異常(李鴻宇等，2017)和加卸載響應比異常(戴苗等，2017)、2014年魯?shù)?.5級地震前出現(xiàn)了日變化空間相關異常(戴勇等，2017)、2001年昆侖山8.1級地震前出現(xiàn)低點位移異常(丁鑒海等，2003)。

這些方法均是通過計算地磁場日變化相關參數(shù)——形態(tài)、相位和幅度變化提取地磁場日變化畸變異常的，在國內的應用范圍較廣，但這些方法的預測范圍較大。根據(jù)近年來的研究結果，一些強震前是存在多種地磁方法異常的，但主要以單方法的研究和應用分析為主，對于多方法綜合分析的研究偏少。前郭5.8級地震前的地磁異常綜合分析研究成果顯示(李鴻宇等，2018)，多方法綜合分析可以顯著縮小地震預測范圍，這是多方法綜合分析的優(yōu)勢所在。本文將利用地磁低點位移法、地磁加卸載響應比和地磁逐日比法，對2008年南北帶地磁資料進行分析，研究汶川8.0級地震前出現(xiàn)的地磁異常特征，對這些異常的時空特征進行綜合分析。

1 資料選取和初步計算結果

2008年5月12日汶川8.0級地震(31.01°N，103.42°E，深度14km)位于南北地震帶上，因此研究中我們取南北帶(22°～42°N，94°～115°E)范圍內的地磁臺站產出的地磁垂直分量分鐘采樣資料作為研究對象，汶川地震前在該范圍內運行的地磁臺站共有42個(圖1，表1)，這些觀測資料分別來自FHD質子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。為了確保計算結果的準確性和可信性，對地磁臺站數(shù)據(jù)進行了篩選，由于FHD質子矢量磁力儀噪聲高，計算極小時間和日變化幅度前，采用傅氏擬合技術對其分鐘采樣數(shù)據(jù)濾波，濾除半小時以下的變化，刪除突跳臺階等明確為干擾的變化。

圖 1 汶川地震震中和研究采用的地磁臺站

表1南北帶地磁臺站參數(shù)

臺站儀器型號北緯/(°)東經/(°)震中距/km臺站儀器型號北緯/(°)東經/(°)震中距/km肇慶臺GM423.0112.51260嘉峪關臺FHDZ-M1539.898.21090河源臺FHD-2B23.7114.71375山丹臺FHD-2B38.8101.0896邕寧臺FHDZ-M1522.8108.51039大武臺FHD-2B34.5100.3490河池臺GM424.7108.0832格爾木臺FHDZ-M1536.494.9996邵陽臺GM427.2111.5886湟源臺FHD-2B36.7101.2665成都臺GM430.9103.835西寧臺FHD-2B36.6101.7641道孚臺FHD-2B30.0101.0253都蘭臺FHD-2B36.398.1770西昌臺GM427.9102.3362銀川臺GM438.5106.3880石門坎臺GM426.9102.8460中衛(wèi)臺FHD-2B37.6105.3760木里臺GM427.9101.3394固原臺FHD-2B36.0106.2618衛(wèi)城臺GM427.5101.7424定襄臺FHD-2B38.0113.01176南山臺GM426.54101.7518大同臺FHD-2B40.1113.31354通海臺GM424.1102.8764臨汾臺FHD-2B36.1111.4932寧南臺GM427.2102.6422信陽臺FHD-2B32.1114.01014美姑臺GM428.3103.1293浚縣臺FHD-2B35.7114.51157昭覺臺GM428.0102.8331恩施臺FHDZ-M1530.3109.5588烏加河臺GM440.9107.61165丹江臺FHD-2B32.5111.5785乾陵臺GM434.8108.2618鐘祥臺FHD-2B31.2112.7888漢中臺FHD-2B34.0107.1485谷城臺FHD-2B32.3111.6792蘭州臺FHDZ-M1536.1103.8573重慶臺GM429.4106.6349天水臺GM434.5105.9457貴陽臺GM426.6106.8581

2 方法介紹

2.1 地磁低點位移法

地磁低點位移法采用的分析資料是地磁Z分量日變化極小值時間，簡稱低點時間。“低點位移”是指一個大區(qū)域各臺的低點時間明顯地與另一個大區(qū)域各臺的低點時間不同，而每個大區(qū)域內部低點時間又相對一致，2個區(qū)域之間突變分界線的低點時間相差2hr以上(丁鑒海等，1988)。

預測規(guī)則[注]姚麗，2017，中國地震局2017年度震情跟蹤定向工作任務成果。：①發(fā)震時間：異常出現(xiàn)后60天內；②發(fā)震地點：異常預測線附近200km范圍；③發(fā)震強度：5.0級以上地震。

2.2 地磁加卸載響應比法

加卸載響應比的定義為

(1)

式中，RZ(max)為地磁垂直分量日變幅極大值，該方法原始定義中稱為加載響應，日期為加載日；RZ(min)為地磁垂直分量日變幅極大值之后第1個極小值，該方法原始定義中稱為卸載響應，日期為卸載日，卸載日視為加卸載響應比異常日期。該方法的異常判據(jù)為：當多個臺站的P出現(xiàn)同步超閾值(3.1)且加載日未發(fā)生磁暴時認為是異?，F(xiàn)象(戴苗等，2017)。

預測規(guī)則[注]戴苗，2016，中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務成果。：①發(fā)震時間：異常出現(xiàn)后6個月內。若2個異常間隔在2個月內，且異常區(qū)域有交匯或相隔不遠，則視為一組異常，預測時效以后一次異常出現(xiàn)的時間為準。②發(fā)震地點：地震發(fā)生在異常閾值等值線(異常預測線)附近。③發(fā)震強度：5.0級以上。

2.3 地磁Z分量日變幅逐日比法

逐日比的定義如下

Y=A(t1)/A(t2)

(2)

式中，A(t)為Z分量日變幅；t為時間，t2=t1+1。逐日比異常日期為t2(后一天)的日期。異常判據(jù)為當多個臺站的Y出現(xiàn)同步超閾值(3.0)且前一天Dst指數(shù)大于-70nT時認為是異?，F(xiàn)象(倪曉寅等，2017)。

預測規(guī)則[注]倪曉寅，2016，中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務成果。：①發(fā)震時間：異常出現(xiàn)后6個月內。若2個異常間隔在6個月內，且異常區(qū)域有交匯或相隔不遠，則視為一組異常，預測時效以最后一次異常出現(xiàn)的時間為準。②發(fā)震地點：地震發(fā)生在閾值等值線附近；③發(fā)震強度：5.0級以上。

3 震前異常分析

3.1 地磁低點位移方法異常

圖 2 2008年4月24日、5月9日地磁低點位移異常(據(jù)王武星等(2009))

(2)2008年5月9日，中國大陸地磁場也出現(xiàn)了低點位移異常，異常線同樣由北向南穿過整個南北地震帶，異常出現(xiàn)后3天在異常線的東側50km左右地區(qū)發(fā)生了汶川8.0級地震。

3.2 地磁加卸載響應比方法異常

圖 3 2008年2月5日、12日地磁Z分量日變幅度加卸載響應比異常曲線

圖 4 2008年2月5日地磁Z分量日變幅度加卸載響應比異?？臻g分布

圖 5 2008年2月12日地磁Z分量日變幅度加卸載響應比異常空間分布

圖 6 2008年2月5日、12日地磁Z分量日變幅逐日比異?？臻g分布

圖 7 2008年2月5日地磁Z分量日變幅逐日比異?？臻g分布

以3.1為閾值，3個以上臺站加卸載響應比值≥3.1時視為異常，在汶川地震前共出現(xiàn)2次異常，異常日期分別為2008年2月5日、12日，圖4 中紅框為2次異常。2月5日異常共有12個臺站出現(xiàn)異常，分別為烏加河臺、定襄臺、大同臺、臨汾臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、蘭州臺、天水臺、重慶臺、涉縣臺、?？h臺；2月12日異常共有18個臺站出現(xiàn)異常，分別為格爾木臺、嘉峪關臺、山丹臺、蘭州臺、天水臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、成都臺、道孚臺、木里臺、衛(wèi)城臺、西昌臺、寧南臺、昭覺臺、通海臺、邕寧臺、河池臺。汶川地震發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近(圖4、5)。此外，在汶川地震之前發(fā)生的2008年3月30日甘肅肅南5.0級地震也發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近。

3.3 地磁逐日比方法異常

以3.0為閾值，3個以上臺站逐日比值≥3.0時視為異常，在汶川地震前共出現(xiàn)2次異常，異常日期與加卸載響應比相同，為2008年2月5日、12日，圖7 中紅框為2次異常。2月5日共有9個臺站出現(xiàn)異常，分別為西寧臺、銀川臺、中衛(wèi)臺、固原臺、蘭州臺、天水臺、漢中臺、重慶臺、昭覺臺；2月12日共有6個臺站出現(xiàn)異常，分別為格爾木臺、西寧臺、蘭州臺、銀川臺、道孚臺、南山臺。汶川地震發(fā)生在2次異常的閾值等值線附近(圖7、8)。2008年2月5日的異常閾值等值線北側附近還發(fā)生了2008年3月30日甘肅肅南5.0級地震。

圖 8 2008年2月12日地磁Z分量日變幅逐日比異?？臻g分布

圖 9 2008年1～5月異常預測進程

4 綜合預測分析

圖9給出了地震前所有異常的預測時間進程圖，每條線代表1 次異常，線條長度代表異常開始時間加上異常預測有效期限，從圖9 可以看出，汶川地震發(fā)生在6個異常的預測有效期內。時間軸上，2008年2月首先出現(xiàn)了2次逐日比異常和加卸載響應比異常，接著在4月份出現(xiàn)了低點位移異常，之后是汶川地震前3天又出現(xiàn)了低點位移異常。隨著地震發(fā)生的臨近，處于有效預測期限內的異常數(shù)量是逐漸增多的。出現(xiàn)異常的3種方法均屬于中短期預測方法，可以認為，中短期異常的逐漸增加，發(fā)生地震的概率也在逐步增大，出現(xiàn)的短期異常越多，距離地震發(fā)生的時間越短。

圖10給出了所有異常預測線的空間分布疊加，從圖10 可以看到，3種方法的異常集中交匯地區(qū)位于四川中東部地區(qū)，而汶川地震發(fā)生在該區(qū)域內部。相對于單方法，預測范圍明顯縮小，且異常集中地區(qū)發(fā)震的可信度更高。

圖 10 汶川地震前異常預測線空間分布

5 結論和討論

加卸載響應比和逐日比結果均是基于Z分量日變幅計算得到的，2種方法的本質屬于識別并提取Z分量日變幅畸變異常。2種方法出現(xiàn)異常的直接原因是Z分量日變幅異常增大或減小。本文計算得到的加卸載響應比和逐日比的異常日期相同，說明2種比值法的分母相同，兩者空間分布上的差異是由于計算公式的分子不同引起的，2種異?？臻g分布上的共有和交匯部位可能才是真正的異常區(qū)域。

從發(fā)震地點預測方面來看，僅就單個方法異常而言，單個異常的預測范圍較大，精確度不高。但我們將汶川地震的地磁異常預測線綜合繪圖后可以發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生在多個方法異常預測線的集中交匯地區(qū)。因此，以多方法空間交匯地區(qū)作為預測發(fā)震地點，相比單方法的預測范圍要小的多，且更加精確可信。如果單個方法出現(xiàn)多次異常時，其預測線集中交匯的地區(qū)發(fā)生地震的可能性也較大。

馮志生等(2009)認為在低點位移線下方存在引起地磁場日變化畸變的感應電流經過，其對電流兩側的感應磁場是反相位的，使得疊加了感應電流磁場的Z分量日變化形態(tài)發(fā)生了不同的變化，形成了低點位移異常。加卸載響應比和逐日比的研究成果也顯示，2種方法形成機制與低點位移類似(戴苗等，2017；倪曉寅等，2017)。一般情況下，感應電流的存在是常態(tài)的，當?shù)刭|構造塊體發(fā)生短期微動態(tài)活動，包括發(fā)生整體運動時，一些斷層及其交匯區(qū)的電導性質將會發(fā)生變化，在電性方面一些平時并不貫通的斷層發(fā)生貫通，從而有可能形成短期高導(低阻)通道，造成感應電流短期內在高導(低阻)通道內的集中，當這種集中電流的分布形成閉合圈或有EW方向分量時，電流產生的力矩對地震的發(fā)生可能有觸發(fā)作用(馮志生等，2009)。

汶川地震前，2008年1～5月的地磁Z分量日變化畸變異常覆蓋了南北帶的大部分地區(qū)，南北帶大范圍出現(xiàn)的地磁日變化畸變異常表明，汶川地震前南北帶區(qū)域可能的構造運動引起了大范圍地下介質電磁性質的改變。