張志宏，李 偉*，朱曉秋，李夢瑩，黃明威

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.營口地震臺，遼寧 營口 115100）

0 引言

地震孕育過程中，孕震區(qū)應力可引起地下電性結(jié)構(gòu)、電導率等的變化，使感生的二次磁場發(fā)生變化，磁場變化不僅表現(xiàn)在地磁垂直分量上，也表現(xiàn)在地磁水平分量上?；谏鲜隼碚?，Schmucke[1]引入了轉(zhuǎn)換函數(shù)的概念。馮志生等[2]在地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)理論基礎上提出了地磁諧波振幅比概念。近年來，許多地震研究者[3-9]總結(jié)出了中強地震發(fā)生前后地磁諧波振幅比的趨勢性異常變化特征與地電阻率的趨勢性地震異常特征相似，表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復，持續(xù)時間為1年以上，地震對應震級與異常持續(xù)時間成正比關系。異常形成的機理也得到了一定的探討，李琪等[10]研究認為地磁諧波振幅比的變化與電導率異常帶的分布一致，倪曉寅等[11]推測異常的機理是臺站觀測區(qū)存在高導帶。

遼寧地區(qū)是我國東部重要的地震監(jiān)視區(qū)，做好地球物理場觀測數(shù)據(jù)的深入分析是震情監(jiān)視的重要保障，本文結(jié)合2008年營口地區(qū)300km內(nèi)MS4.0以上地震的時、空、強特征，通過速率累積法[12]分析營口地磁諧波振幅比的變化趨勢，從而探討營口地磁諧波振幅比異常的可靠性和孕震機理。

1 方法原理

根據(jù)電磁感應理論，對于隨時間周期變化的不均勻場源，視地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導體條件下，地磁諧波振幅比的定義為:

式中，YZHx和YZHy分別為南北向和東西向的地磁諧波振幅比。Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁場的垂直分量、南北向水平分量及東西向水平分量的譜值。

地磁諧波振幅比也可以表達為磁測深視電阻率:

式中，ω為圓頻率，μ為磁導率，λ為整數(shù)。依據(jù)地磁測深視電阻率公式（2），地磁諧波振幅比能夠反應介質(zhì)深部電阻率的變化?？梢哉f地磁諧波振幅比算法具有明確的物理意義。

利用《地震地磁數(shù)據(jù)分析預報程序》進行數(shù)據(jù)下載、計算及繪圖工作。在“數(shù)據(jù)下載”菜單欄下載2014年至2020年營口地磁FHD分鐘值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載完成后進行諧波振幅比計算。具體計算步驟如下:（1）計算每天地磁三分量采樣數(shù)據(jù)譜幅度；（2）獲得二個方向5~65分鐘各周期的地磁諧波振幅比；（3）按10分鐘的頻帶寬度計算各頻帶地磁諧波振幅比的頻帶均值，獲得10、20、30、40、50、60分鐘的地磁諧波振幅比；（4）計算10、20、30、40、50、60分鐘的逐日變化序列；（5）采用窗長一年的滑動平均法消除各頻帶地磁諧波比逐日變化序列的年變化。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 營口臺地質(zhì)概況

營口地震臺所在地區(qū)為大石橋市，在地質(zhì)構(gòu)造上屬于郯城—廬江斷裂帶的北延帶附近，臺址附近出露的基巖是晚侏羅世粗?；◢弾r。該地區(qū)最發(fā)育的斷裂是北東向斷裂，由西向東依次是高升張家屯斷裂、臺安—大洼斷裂、大灣—二界溝斷裂、佟二堡—營口斷裂、金州鞍山斷裂、青山懷—八里斷裂。佟二堡—營口斷裂以西幾條斷裂是屬于郯城—廬江斷裂的北延。該區(qū)發(fā)育的另一組構(gòu)造是北西西向構(gòu)造帶，它們分別是虎皮峪背斜，三道嶺—周家堡子東西向擠壓帶，青花峪東西向斷裂帶，這組構(gòu)造的特點是規(guī)模小，斷裂多是隱伏斷裂。營口地震臺附近地區(qū)在歷史上發(fā)生多次中、強地震，1859年9月19營口MS51/4地震、1885年4月7日營口MS51/2地震、1940年8月5日蓋縣熊岳MS53/4地震、1975年2月4日海城MS7.3地震以及1999年11月29日岫巖MS5.4地震。

2.2 營口臺地磁諧波振幅比

營口臺地磁諧波振幅比異常起始時間為

2018年初，截止到2020年3月末，異常仍然持續(xù)。計算曲線（圖1）顯示，NS向2018年初至2019年初10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為上升，同一時間段EW向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為下降。2019年初至今NS向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為下降，同一時間段EW向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為上升。速率累加算法[12]結(jié)果顯示，2018年3月以來10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期呈持續(xù)下降趨勢（表1）。

圖1 營口地磁諧波振幅比及其速率累加結(jié)果Fig.1 Amplitude ratio of geomagnetic harmonic and its rate accumulation results in Yingkou

表1 營口臺諧波振幅比異常信息表

2.3 臺站觀測環(huán)境及觀測系統(tǒng)分析

2.3.1 儀器運行狀態(tài)

營口地震臺是綜合觀測臺站，也是國家定點地形變觀測基本臺站。測震及地球物理場觀測手段齊全，地球物理場觀測項目主要包括地傾斜、地應變、地磁場及地下流體等地球物理觀測手段。出現(xiàn)異常信息的儀器為FHD-2B型分量質(zhì)子旋進式磁力儀，該儀器于2005年嚴格按照堪選要求新建地磁觀測室，經(jīng)測試符合地磁場觀測要求。2006年安裝，2007年試觀測，2008年正式觀測至今。此儀器運行穩(wěn)定、工作正常，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可信精度高。儀器測量范圍20，000～70，000nT，分辨力0.1nT，觀測精度F≤0.5nT；H≤0.5nT；D≤0.15′，采樣率1次/分。FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀既可以作為絕對觀測儀器使用，又可以作為相對觀測儀器使用。作為相對儀器使用時，可以對磁場三分量進行分鐘值采樣的連續(xù)記錄；作為絕對儀器使用時，可以觀測出地磁總強F和水平分量H的絕對值，雖然其觀測的磁偏角是相對變化量，但因為具有自我校正功能，因此，也可以對磁偏角連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的長期漂移做出自我校正。

日常工作中定時查看儀器的運行狀態(tài)，定時檢查臺站供電情況，定時對儀器時鐘進行檢查和校準。每天登錄FHD網(wǎng)頁主頁查看儀器參數(shù)及運行情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。臺站觀測人員對儀器系統(tǒng)進行了全面檢查，儀器工作參數(shù)正常，數(shù)采工作穩(wěn)定，接線無松動；同時對儀器探頭部分進行了檢查。探頭所在地磁房室內(nèi)環(huán)境良好，房屋頂棚四角有滲雨的痕跡但并不嚴重；隔震槽內(nèi)無雜物；探頭墩無破裂或傾斜；各數(shù)據(jù)線接觸點穩(wěn)固，沒有虛接或松動；儀器底腳螺絲未發(fā)現(xiàn)生銹痕跡及松動情況；儀器北南向和東西向水泡居中，水平狀態(tài)正常；數(shù)據(jù)線的走線和布局情況正常（圖2）。

圖2 營口質(zhì)子磁力儀（FHD-2B）Fig.2 Yingkou proton magnetometer（FHD-2B）

2.3.2 儀器標定

營口地震臺質(zhì)子磁力儀（FHD）是2007年6月開始正式運行，納入“十五”數(shù)據(jù)庫。根據(jù)營口地震臺地磁觀測場地的環(huán)境噪聲、觀測儀器運行狀況分析認為，此儀器觀測資料連續(xù)可靠，質(zhì)量良好。2019年營口地震臺FHD質(zhì)子磁力儀原始觀測數(shù)據(jù)的H/D/F連續(xù)率分別為:99.92%、99.93%、99.63%。2019年營口臺連續(xù)率和完整率較好，主要因為全年儀器無重大故障出現(xiàn)。主要斷記原因為:7月15日受雷電天氣影響，12時06分至12時34分，錯誤數(shù)據(jù)，缺數(shù)處理；7月28日全天，因數(shù)據(jù)噪聲較大，調(diào)整數(shù)采參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)畸變，缺數(shù)處理；12月29日完整標定，標定期間數(shù)據(jù)缺記。根據(jù)國家地磁臺網(wǎng)中心要求，將每月標定改為季度標定，并簡化了標定程序，如果年底進行方位角調(diào)整，則需要進行一次完整標定。2018年按照季度進行了四次標定，結(jié)果均符合要求。2018年12月29日，根據(jù)學科組要求進行了一次完整標定，調(diào)整觀測方位角，使得D值在零分附近變化，將方位角由233°05′調(diào)整為232°55′。2019年按照季度進行了四次標定，結(jié)果均符合要求。2019年12月29日，根據(jù)學科組要求進行了一次完整標定，調(diào)整觀測方位角，使得D值在零分附近變化，將方位角由232°55′調(diào)整為232°45′。調(diào)整后D分量均值在+3′左右。

2.3.3 儀器噪聲

2019年，營口地震臺FHD各分量平均噪聲值高于臺網(wǎng)的平均值，年度資料評比中噪聲扣分問題嚴重，分析原因一是儀器探頭和數(shù)采之間距離過遠，數(shù)據(jù)線過長造成；二是觀測室內(nèi)布局不合理，各種數(shù)據(jù)線及電源線交錯復雜，容易產(chǎn)生相互的干擾。遼寧7月起開始進入秋季溫度逐漸降低，受溫度影響數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)單點較大尖峰突跳，頻率較高，2019年7月28日臺站工作人員對數(shù)采參數(shù)進行校準，并重新歸置通信及電源線路后噪聲明顯減小。

2.3.4 臺站周邊環(huán)境

如圖3所示營口地震臺地磁房位于半山腰，車輛等大型設備無法靠近，山上有農(nóng)戶進行耕種，有可能經(jīng)過地磁房附近，經(jīng)檢查地磁房周圍無明顯鐵器存在，例如農(nóng)戶使用的鐵鍬、鋤頭等便攜式務農(nóng)工具。地磁房（探頭）距辦公樓內(nèi)的觀測室（數(shù)采）51m，地埋數(shù)據(jù)線110m；地磁房距測震擺房、陸態(tài)網(wǎng)絡觀測室及GPS天線墩20m，陸態(tài)網(wǎng)項目2012年投入使用；地磁房距極低頻觀測室36.5m，距極低頻北端電極15m，極低頻項目2013年投入使用。

圖3 營口臺磁房及其他地球物理觀測場地示意圖Fig.3 Schematic diagram of Yingkou magnetic room and other geophysical observation sites

地磁房周圍及整個臺區(qū)近三年沒有新建建筑物及新手段投入運行。分析認為臺區(qū)觀測環(huán)境未發(fā)現(xiàn)明顯改變，可以排除臺區(qū)內(nèi)存在干擾源。臺站周邊主要環(huán)境干擾為礦山開采（圖4），距本站南偏東約2.4km有一礦石開采區(qū)（A區(qū)），2009年開采量較大，為每日3000~4000噸，2010年后日開采量約為400~600噸，至2013年后基本停止開采，總開采面積約2×103m2。在臺站北偏東方向約3km左右有兩個礦山開采（B區(qū)），自2009年開采，日開采量約300~600噸，并持續(xù)至今，開采面積達到了2×104m2。

圖4 營口地震臺附近礦山位置示意圖Fig.4 Schematic map of mine location near Yingkou Seismic Station

2.3.5 居民用電及直流輸電干擾調(diào)查

近年來，營口地震臺所處大石橋市經(jīng)濟發(fā)展迅猛，按照城市發(fā)展規(guī)劃需要，在營口地震臺所處大石橋官屯鎮(zhèn)新建了一批工廠，其中包括碎石廠和水泥廠等需使用大型設備及用電量較大的廠礦企業(yè)，這些企業(yè)在進行特殊作業(yè)時有可能對營口地震臺地磁觀測造成影響。我們對附近廠礦企業(yè)進行了走訪,未發(fā)現(xiàn)明顯對地磁觀測造成干擾的設備；同時咨詢了電業(yè)部門，目前營口地震臺供電線路上未外掛其他大型用電設備，按照與電業(yè)部門簽訂的協(xié)議為專線供電，因此市電影響可以排除。高壓直流輸電查詢網(wǎng)站（http://10.2.201.72:8080/hvdc）查詢結(jié)果

顯示（表4），呼遼高壓直流供電線路對營口臺觀測產(chǎn)生影響。呼遼線路干擾時間與此次異常出現(xiàn)時間不吻合，且上述干擾一般持續(xù)時間很短。因此認為高壓直流輸電不是產(chǎn)生此次異常的原因。

表4 營口臺高壓直流干擾信息（201801—202003）

3 討論

根據(jù)臺站及周邊觀測環(huán)境的調(diào)查可以看出:營口臺周邊礦山開采是唯一較大的人為干擾。營口諧波振幅比法是基于天然源磁場信號的磁測深原理，F(xiàn)HD質(zhì)子矢量磁力儀分鐘值采樣資料對應的深度較深，在數(shù)十公里到數(shù)百公里[2-4]。因此，距離臺站3km的礦區(qū)B持續(xù)開采對營口臺地下介質(zhì)電導率的影響有限。同臺地球物理場異常通常具有同步性，營口臺有形變SQ-70模擬水平擺傾斜儀觀測，翟麗娜等[13]在對比營口臺周邊地表集中荷載模型和二維有限載荷模型的基礎上，結(jié)合營口臺SQ-70模擬水平擺傾斜儀2009—2016年異常變化時段受礦山開采影響的實例，采用二維有限不規(guī)則荷載模型定量計算了礦山開采的不同階段對石英擺傾斜量的影響程度。結(jié)果表明了2013年以后營口石英擺觀測值與礦山開采引起地表傾斜的理論值相差較大。因此，營口臺周邊礦山開采干擾對營口地磁諧波振幅比的計算結(jié)果影響程度有限。

圖5 可以看出，2008—2018年營口諧波振幅比NS和EW向的除10min周期的其他周期一致性較高，異常主要是NS和EW的10min周期的不同步，并且10min周期兩個方向不一致。從速率累加可以看出:2018年前的不一致異常持續(xù)時間短（表5），異常期發(fā)生在周邊300km的MS4.0以上地震11次，其中7次能夠?qū)?0min周期不一致的窗口期，4次地震屬于對應不明顯（表5-6）。

表5 2008—2020年營口地磁諧波振幅比異常及對應300km范圍內(nèi)M S≥4.0地震統(tǒng)計

圖5 2008—2014年營口地磁諧波振幅比Fig.5 The geomagnetic harmonic amplitude ratio in Yingkou from 2008 to 2014

綜合以上結(jié)果可以看出，如果營口地磁諧波振幅比2011—2014的10min周期不一致的異常對應燈塔MS5.1地震和通遼MS5.3地震，那么此次異常持續(xù)的時間更久，對應地震的震級可能更高。

表6 2008—2020年營口地磁臺300km范圍內(nèi)M S≥4.0地震統(tǒng)計

4 結(jié)論

根據(jù)營口地磁諧波振幅比計算結(jié)果，結(jié)合臺站周邊環(huán)境干擾、儀器觀測系統(tǒng)的可靠性分析可以看出，營口地磁諧波振幅比異?？煽啃暂^高。結(jié)合臺站周邊300km范圍內(nèi)的地震可以得出，異常較多的對應了營口地區(qū)的MS4.0地震，異常持續(xù)階段發(fā)震概率大于異?；謴碗A段。