暢國平，王秀敏，王志敏，和少鵬，張明哲，張波尹小兵，胡秀娟，王利兵

(1.河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺，河北 隆堯 055350；2.河北省地震局赤城地震臺，河北 赤城 075000)

0 引 言

地球磁場是隨時間和空間變化的物理量，太陽活動的影響產(chǎn)生變化磁場。變化磁場主要包含太陽靜日變化、磁暴和地磁脈動等。地球磁場按來源劃分為外源場和內(nèi)源場。外源場是來源于外空電流體系產(chǎn)生的地球變化磁場；內(nèi)源場通常指源于固體地球的磁場，主要部分是源于地球外核的主磁場，還有很小一部分是地殼磁性物質(zhì)引起的磁場和外源場的感應(yīng)場。感應(yīng)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。由已知外源場研究內(nèi)源場與地下電導(dǎo)率分布關(guān)系的理論，找出地球磁場變化與地球內(nèi)部電導(dǎo)率的關(guān)系[1]。在地震孕育過程中，孕震區(qū)地下介質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，這其中包括了地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化，圍繞著如何提取這種電性的微弱變化，科研人員開展了大量的工作。通過理論分析和震例分析發(fā)現(xiàn)，地磁場Z分量與地下介質(zhì)的關(guān)系最為密切[2-8]。加卸載響應(yīng)比、垂直分量諧波振幅比等都是提取地下介質(zhì)電導(dǎo)率變化信息很好的方法。

1 紅山基準(zhǔn)臺概況

紅山基準(zhǔn)臺始建于1966年邢臺地震后，由著名地質(zhì)學(xué)家李四光選址，中國科學(xué)院建立，屬于國家基準(zhǔn)臺，是全國建臺較早的地震臺站。該臺站海拔20 m,地處太行山山前斷裂帶—隆堯、束鹿斷裂帶南端，臺基為紅色石英砂巖。臺站位置偏離城鎮(zhèn)和村莊，周圍干擾源很少，為觀測提供了良好的環(huán)境。臺站主要任務(wù)是監(jiān)視邢臺震區(qū)的地震活動情況，研究震情發(fā)展趨勢，探索地震預(yù)報方法和途徑[3]。

自1966年建臺以來，紅山臺地磁觀測一直連續(xù)記錄到現(xiàn)在，積累了50多年的地磁觀測寶貴資料。作為全國地磁觀測的基準(zhǔn)臺，其地磁觀測數(shù)據(jù)還承擔(dān)著對外交換任務(wù)。加拿大、新西蘭、哈薩克斯坦、希臘以及國內(nèi)地震專家曾多次來紅山臺訪問、學(xué)習(xí)和交流。地磁觀測最早采用CB-3型和57型記錄儀，F(xiàn)HD-1型質(zhì)子矢量磁力儀和CJ6-8004地磁絕對觀測儀。經(jīng)“十五”數(shù)字化改造后，紅山臺目前儀器有地磁相對記錄儀GM4磁通門磁力儀、質(zhì)子矢量磁力儀FHD-2B儀、地磁絕對觀測儀Mingeo-DIM和TDJ2E-NM磁通門經(jīng)緯儀以及G856質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀。近年來紅山臺地磁觀測資料在全國和全省評比中都名列前茅，其觀測資料連續(xù)可靠有很高的利用價值[4-5]。

2 資料的選取及計算方法

本文選取2002年1月1日至2015年12月31日紅山臺地磁垂直分量Z的觀測資料，結(jié)合河北省內(nèi)其它地磁臺站，利用地磁加卸載響應(yīng)比、日變幅逐日比和空間相關(guān)分析法，研究分析了紅山臺2002～2015年地磁垂直分量觀測資料與河北省及鄰區(qū)地震之間的關(guān)系，提取了地磁異常變化信息，并給出了適用于紅山臺的映震指標(biāo)參數(shù)。

2.1 地磁加卸載響應(yīng)比

太陽風(fēng)以紫外線輻射和粒子流輻射兩種形式影響地球磁場，形成磁暴、磁擾和磁靜日的變化磁場。加卸載響應(yīng)比理論是參考尹祥礎(chǔ)和尹燦、曾小平等提出的測震學(xué)理論[1]，將此方法運(yùn)用到地磁學(xué)研究中。其理論是：太陽風(fēng)對地球平均5～6天有一次較強(qiáng)的沖擊—暴風(fēng)，并使地球產(chǎn)生強(qiáng)烈振動—磁暴。外空場的變化直接影響到地磁場的日變形態(tài)，構(gòu)成對地磁場的一個加載、卸載過程。以太陽日照為加載，無日照為卸載。由于Z分量較其他地磁分量與地下介質(zhì)的關(guān)系更為密切，因此，在研究過程中以Z分量為主。在正常情況下，加載與卸載之比P(Z)接近一個常數(shù)，若地磁場本身有異常夾在其中，很可能使加載與卸載之比超出正常值變化范圍，產(chǎn)生異常變化。因此，取地球磁場的暴時變化Dst(Z)作為太陽風(fēng)對地球加卸載響應(yīng),從而計算加卸載響應(yīng)比P(Z)[2-3]。在實際操作中取Dst(Z)為每日的Z分量日變幅度：

P(Z)=Dst(Z)+/Dst(Z)-

(1)

其中，“+”為加載，“-”為卸載。

2.2 日變幅逐日比

地球變化磁場垂直分量日變幅是地球變化磁場的外場及由地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的變化內(nèi)場疊加而成，它的大小不但受外場的控制，同時也受內(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的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。曾小平等分析了地磁場垂直分量日變幅極大值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，我們發(fā)現(xiàn)下面這個簡單比值的高值與其臺站周邊地震也有良好的對應(yīng)效果[2]。

(2)

其中A(t)為地磁垂直分量日變化幅度，t2=t1+1，(t1為觀測日期)，本文將Y取名為地磁垂直分量日變化幅度逐日比值。

2.3 空間相關(guān)分析

地磁正常背景場的分布與變化具有空間上的相關(guān)性和時間上的延拓性。單臺地磁日變幅逐日變化很復(fù)雜，即使變化很大也不能算作地震前的異常，必須消除地磁正常背景場的變化，突出與地震相關(guān)的磁異常。采用空間相關(guān)法分析異常體內(nèi)外同時觀測到的地磁場Z分量資料，可得到異常體的地震磁異常信息。該方法的優(yōu)點是即使兩個臺站距離較大或長期變化不太一致，也能較好地消除正常背景場和長期變化的影響，進(jìn)而反映出微弱的震磁信息。

地磁場Z分量與地下介質(zhì)的關(guān)系最密切。設(shè)A、B兩個臺站地磁Z分量日變化幅度為ZA、ZB，且成線性相關(guān)[3]，即：

ZBi=bZAi+a(i=1，2,……,N，N為計算相關(guān)系數(shù)窗長)

(3)

相關(guān)系數(shù)為

(4)

標(biāo)準(zhǔn)偏差為

(5)

相關(guān)系數(shù)R越接近1，表示相關(guān)性越強(qiáng)。剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差σ是對數(shù)據(jù)離散程度估計量，越小越好。

3 結(jié)果分析

本文以2002～2015年發(fā)生在河北省及鄰近地區(qū)MS≥4.0的中強(qiáng)地震作為研究震例，地震的基本參數(shù)見表1。

表1 2002～2015年河北及鄰區(qū)MS≥4.0地震

圖1 紅山臺地磁Z分量日變化響應(yīng)比曲線

3.1 加卸載響應(yīng)比

地磁加卸載響應(yīng)比方法是利用能較好反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的響應(yīng)比P(Z)作為響應(yīng)函數(shù)，以正常情況下的時間變化和空間分布作為背景，研究地震的孕育過程。本文計算了紅山臺2002～2015年間的P(Z)值(圖1)，并將P(Z)≥3.0定為異常值，結(jié)果顯示14年中共出現(xiàn)異常13組16次(1次異常出現(xiàn)后在3個月內(nèi)出現(xiàn)多次異常的為1組，異常時間以第1次異常時間為準(zhǔn))，其中對應(yīng)地震7次，漏報地震3次，虛報10次，加卸載響應(yīng)比異常與地震對應(yīng)情況(表2)。加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)異常信度較高，可能是地震前紅山臺及周圍地區(qū)的磁場發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致地球介質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生了變化，反映出這種現(xiàn)象在震前是客觀存在的，為紅山臺今后加卸載響應(yīng)比預(yù)報地震提供了依據(jù)。

表2 紅山臺地磁Z分量響應(yīng)比異常及與Ms≥4.0地震對應(yīng)情況統(tǒng)計

3.2 日變幅逐日比

地磁垂直分量日變幅逐日比方法是利用能較好反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的逐日比Y(Z)作為響應(yīng)函數(shù)，以正常情況下的時間變化和空間分布作為背景，研究地震前由于電導(dǎo)率變化引起的磁逐日比異常來預(yù)測地震。本文計算了紅山臺2002～2015年的Y(Z)值(圖2)，并將Y(Z)≥2.6定為異常值，結(jié)果顯示14年中共出現(xiàn)異常7組9次(1次異常出現(xiàn)后在5個月內(nèi)出現(xiàn)多次異常的為1組，異常時間以第1次異常時間為準(zhǔn))，其中對應(yīng)地震5次，虛報地震2次，漏報地震1次(表3)。地磁垂直分量日變幅逐日比出現(xiàn)異常信度較高，可能是地震前在紅山臺及周圍地區(qū)的磁場發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致地球介質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生了變化，反映出這種現(xiàn)象在震前是客觀存在的，為紅山臺今后地磁垂直分量日變幅逐日比預(yù)報地震提供了依據(jù)。

圖2 紅山臺地磁Z分量日變幅逐日比變化曲線

表3 紅山臺地磁Z分量日變幅逐日比異常及與Ms≥4.0地震對應(yīng)情況統(tǒng)計

3.3 空間相關(guān)分析方法

應(yīng)用磁電異常分析軟件，選取窗長為21天，計算了2009～2015年河北省6個臺站地磁Z分量日變化幅度相對紅山臺Z分量日變化幅度空間相關(guān)系數(shù)，其中承德臺在2009年12月31日～2011年12月6日和新樂臺在2009年1月1日～2011年12月7日缺數(shù)，不參與計算。

圖3 河北省各臺站相對紅山臺地磁Z分量日變化幅度空間相關(guān)曲線(橫線為閾值R=0.90)

由圖3可以看出，在2009年3月4日至16日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在承德臺為0.839，異常結(jié)束12天后，3月28日發(fā)生山西原平Ms4.3級地震；2009年11月24日至12月21日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在豐寧臺為0.688，異常結(jié)束4個月后，2010年4月4日山西大同發(fā)生了Ms4.2級地震；2011年1月22日至2月1日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在豐寧臺為0.821，異常結(jié)束1年3個月后，2012年5月28日河北唐山發(fā)生了Ms4.8級地震；2015年3月24日至4月4日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在涉縣臺為0.727，異常結(jié)束5個月后，2015年9月14日河北昌黎發(fā)生了Ms4.2級地震。河北各地磁臺相對紅山臺Z分量日變幅空間相關(guān)系數(shù)曲線出現(xiàn)不同程度的同步低值異常，且異常結(jié)束12天至15個月后發(fā)生地震4次，異常幅值都低于0.90，所以將R≤0.90設(shè)定為異常值，該定量指標(biāo)可供研究河北地區(qū)震情跟蹤提供參考。

4 結(jié)論與討論

(1)紅山臺地處太行山山前斷裂帶，隆堯—束鹿斷裂帶交匯處，是構(gòu)造敏感地區(qū)。研究分析表明，對于400 km左右的中強(qiáng)地震，震前紅山臺地磁場出現(xiàn)異常變化，地磁異常對應(yīng)中強(qiáng)震的時間一般為1～14個月，為紅山臺地震預(yù)報提供依據(jù)。

(2)通過加卸載響應(yīng)比分析，發(fā)現(xiàn)紅山臺地磁加卸載響應(yīng)比P(Z)異常與中強(qiáng)地震有較好的映震關(guān)系，在正常情況下P(Z)值在1.0～2.0左右，當(dāng)P(Z)≥3.0時，在1～14個月內(nèi)，在距離紅山臺400 km范圍內(nèi)將可能發(fā)生Ms≥4.0級地震，震例統(tǒng)計顯示發(fā)震概率為70%。

(3)紅山臺地磁日變幅在正常情況下Y(Z)值在0.5～1.5左右，當(dāng)Y(Z)≥2.6時，在3～13個月內(nèi)，在距離紅山臺400 km范圍內(nèi)可能將發(fā)生Ms≥4.0地震，震例統(tǒng)計顯示發(fā)震概率為50%。

(4)通過2009～2015年河北省各臺站相對紅山臺空間相關(guān)分析，共出現(xiàn)8次異常，其中對應(yīng)地震4次，應(yīng)報地震4次，無漏報，虛報4次，說明地磁空間相關(guān)異常與地震有較高的對應(yīng)關(guān)系，該方法在地震預(yù)報中有較高的利用價值。

(5)本文所使用的幾種分析方法是地磁學(xué)預(yù)報地震常用的分析方法，地磁加卸載響應(yīng)比、日變幅逐日比及相關(guān)分析可作為紅山臺區(qū)域地震研究預(yù)報方法，同時也給出了響應(yīng)的異常指標(biāo)參數(shù)。紅山臺地磁加卸載響應(yīng)比預(yù)報地震最佳，預(yù)報地震高達(dá)70%；日變幅逐日比和空間相關(guān)可信度也在50%及以上。

致謝：本文研究采用江蘇局馮志生研究員編寫的磁電異常分析軟件，在此表示衷心感謝！