2019年甘肅張掖5.0級、夏河5.7級地震前地磁低點(diǎn)位移時空分布特征

裴東洋 戴勇 王磊 格根

（中國呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

0 引言

地震與地磁場的關(guān)系是地震電磁學(xué)的主要研究方向之一（馮志生等，2019）。地震地磁場異常主要研究方法有地磁日變化、磁擾動、基于磁測深的異常分析方法等等，這些方法已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用（丁鑒海等，2009；艾薩· 伊斯馬伊力等，2020）。其中，地磁低點(diǎn)位移法具有較顯著的地震短期預(yù)測意義?！暗卮诺忘c(diǎn)位移”現(xiàn)象是指一個大區(qū)域的地磁垂直分量日變化極小值出現(xiàn)時間（簡稱低點(diǎn)時間）明顯地與另一個大區(qū)域的低點(diǎn)時間不同，而每個大區(qū)域內(nèi)部低點(diǎn)時間又基本一致，2 個區(qū)域之間有明顯的突變分界線（簡稱低點(diǎn)位移線）,并且2 個區(qū)域之間的低點(diǎn)時間相差2 h 以上（馮志生等，2009）。國內(nèi)在地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象形成機(jī)理及與地震間的關(guān)系的研究中已取得一些進(jìn)展（李軍輝等，2013）。趙潔等（2005）認(rèn)為，地下深部高溫物質(zhì)的對流施加于地殼時，會引起地殼構(gòu)造變動而形成地磁低點(diǎn)位移異常。張學(xué)民等（2008）研究了地磁低點(diǎn)位移的頻譜特征及機(jī)理，認(rèn)為低點(diǎn)位移發(fā)生時，8.5 h、13.7 h 周期的頻譜值增加，地磁低點(diǎn)位移的發(fā)生與空間電子密度的增加間有較好的對應(yīng)性。馮志生等（2009）依據(jù)分布于低點(diǎn)位移線兩側(cè)的臺站觀測到的地磁垂直分量日變化反相位畸變變化，推測在低點(diǎn)位移線下方有外空變化磁場感應(yīng)電流聚集。丁鑒海等（1988，2008）研究了1966—2008 年低點(diǎn)位移異常與地震間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)低點(diǎn)位移法可預(yù)測強(qiáng)震，特別是對6 級以上地震效果較好。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定，2019 年9 月16 日20 時48 分甘肅張掖市甘州區(qū)（38.6°N，100.35°E）發(fā)生5.0 級地震，震源深度11 km。此次地震前29 天，即8 月18 日在甘肅中部地區(qū)有明顯的地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象。10 月28 日1 時56 分，甘肅甘南州夏河縣（35.1°N，102.69°E）發(fā)生5.7 級地震，震源深度12 km。此次地震前42 天，即9 月16 日在甘肅中東部有明顯的地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象。2 次地震震中位于地磁低點(diǎn)位移線明顯轉(zhuǎn)折處附近。本文擬在地磁低點(diǎn)位移法的基礎(chǔ)上，研究低點(diǎn)位移異常日地磁垂直分量低點(diǎn)時間的梯度分布特征，并分析地磁低點(diǎn)位移異常與中強(qiáng)地震間的關(guān)系。

1 原理與資料

1.1 原理

丁鑒海等（1988，2003，2004，2008）通過統(tǒng)計(jì)單臺地磁垂直分量低點(diǎn)時間的平均分布和多臺低點(diǎn)時間的空間變化規(guī)律給出了低點(diǎn)時間的分布規(guī)律及低點(diǎn)位移的判定標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)測規(guī)則，即單臺低點(diǎn)時間集中分布在固定時間段內(nèi)，一般為地方時12 h 左右?？臻g上低點(diǎn)時間主要分布特征為隨經(jīng)度而變化，經(jīng)度相差15°時，低點(diǎn)時間相差1 h。如果偏離此時間過多，則認(rèn)為單臺低點(diǎn)發(fā)生位移。

隨著地震地磁臺網(wǎng)密度增加、震例積累、低點(diǎn)位移形成機(jī)理研究的深入，一些研究者對現(xiàn)有異常判定方法和預(yù)測規(guī)則作了進(jìn)一步完善。戴勇等（2019）提出低點(diǎn)時間變化的梯度值可以大幅縮小預(yù)測區(qū)域，梯度值1.5 h/（°）可以作為判定異常的閾值。本文將基于上述低點(diǎn)位移梯度方法，分析2019 年甘肅張掖5.0 級、夏河5.7 級地震前低點(diǎn)時間變化的梯度分布特征，研究低點(diǎn)時間梯度帶與中強(qiáng)地震震中分布間的關(guān)系，以期給出新的地磁低點(diǎn)位移判定指標(biāo)。

1.2 資料選取及處理過程

選擇中國大陸（15°—55°N，70°—140°E）地磁臺站垂直分量低點(diǎn)時間數(shù)據(jù)作為研究對象，數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.earthquake.cn）。在數(shù)據(jù)處理過程中對于同一臺站有多套儀器的情況，若儀器記錄數(shù)據(jù)真實(shí)有效且無明顯干擾，取各儀器記錄的低點(diǎn)時間的平均值為該臺站的低點(diǎn)時間。對于存在輕微干擾的臺站，采用低通濾波濾除干擾，若濾波后已無明顯干擾則納入研究范圍；否則，不采用此臺站數(shù)據(jù)。若因儀器故障導(dǎo)致當(dāng)日缺數(shù)情況嚴(yán)重或干擾嚴(yán)重，則不采用此臺站數(shù)據(jù)。

全國地震地磁臺站分布極不均勻，其中，華北、東南、南北地震帶地區(qū)臺間距多為幾十千米，而新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、青海省、內(nèi)蒙古自治區(qū)臺間距多為幾百千米（戴勇等，2019），故無法直接采用梯度法進(jìn)行計(jì)算。綜合考慮不同插值方法的效果，在計(jì)算過程中采用克里格方法（吳長祥等，2008；姜金征等，2015）對中國大陸低點(diǎn)時間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理。對于位于地震臺網(wǎng)內(nèi)部的區(qū)域，采用內(nèi)插算法；對于位于臺網(wǎng)外部的區(qū)域，則采用外推算法。在插值處理過程中，對網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件間隔調(diào)試結(jié)果顯示，間隔大小對整體特征影響不大（戴勇等，2019；格根等，2020），最終確定經(jīng)向點(diǎn)數(shù)為1 401 個，緯向點(diǎn)數(shù)為801 個，經(jīng)向、緯向點(diǎn)間距均為0.05°的密度較合適。

低點(diǎn)時間隨經(jīng)度變化的特征稱為經(jīng)度效應(yīng)（丁鑒海等，1988；馮志生等，2009）。梯度計(jì)算過程中，首先將120°E 經(jīng)線作為基準(zhǔn)線以剔除經(jīng)度效應(yīng)；再對研究區(qū)內(nèi)每個網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算經(jīng)度向、緯度向梯度值的矢量和，將其作為該網(wǎng)格點(diǎn)的梯度值；最后繪制中國大陸地磁低點(diǎn)時間梯度空間分布圖。

2 2019 年甘肅2 次5 級以上中強(qiáng)地震震例

2.1 張掖5.0 級地震前地磁低點(diǎn)位移特征

2019 年9 月16 日張掖5.0 級地震前29 天，即8 月18 日中國大陸出現(xiàn)明顯的地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象。低點(diǎn)位移線經(jīng)過內(nèi)蒙古西部、甘肅中部、寧夏南部、山西南部、河北南部，將中國大陸明顯分為2 個區(qū)域，2 個區(qū)域低點(diǎn)時間相差約4 h。通過分析世界地磁中心網(wǎng)站（http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html）提供的磁暴環(huán)電流Dst指數(shù)和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心網(wǎng)站（http://www.sepc.ac.cn/）提供的Kp指數(shù)發(fā)現(xiàn)，8 月18 日前后幾天Dst指數(shù)絕對值均小于20 nT（圖1），Kp指數(shù)均小于5，中國大陸地磁臺站沒有受到明顯磁暴、亞暴現(xiàn)象的影響。因此認(rèn)為，此次低點(diǎn)位移異常真實(shí)存在，符合地磁低點(diǎn)位移法的判別方法。

圖1 2019 年8 月磁暴環(huán)電流Dst 指數(shù)變化Fig.1 Magnetic storm ring current index variation curve in August 2019

對2019 年8 月的低點(diǎn)時間進(jìn)行梯度法計(jì)算。掃描結(jié)果顯示，無地磁低點(diǎn)位移異常時中國大陸大部分區(qū)域梯度值小于1.0 h/（°）。如圖2 所示，以8 月10 日為例，中國大陸地磁臺站低點(diǎn)時間空間分布沒有出現(xiàn)明顯的分區(qū)特征，同時也沒有出現(xiàn)明顯的高梯度帶。8 月18 日出現(xiàn)地磁低點(diǎn)位移異常當(dāng)天，同步出現(xiàn)了大于1.0 h/（°）的高梯度帶，其局部地區(qū)梯度值大于2 h/（°），高梯度帶主要分布在甘肅中部地區(qū)（圖3）。9 月16 日張掖5.0 級地震震中在高梯度帶邊緣1.0 h/（°）等值線附近，該處也是低點(diǎn)位移線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的位置。

圖2 正常日中國大陸地磁低點(diǎn)時間、梯度分布（以2019 年8 月10 日為例）Fig.2 Distribution of low-point time and gradient of geomagnetism in Chinese mainland at nonanomalous date (on 10 August 2019)

圖3 2019 年8 月18 日中國大陸地磁低點(diǎn)位移線分布及低點(diǎn)時間梯度分布特征Fig.3 Distribution characteristics of low-point displacement line and low-point time’s gradient in Chinese mainland on 18 August 2019

2.2 夏河5.7 級地震前地磁低點(diǎn)位移特征

2019 年10 月28 日甘肅夏河5.7 級地震前42 天，即9 月16 日中國大陸出現(xiàn)明顯的地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象，低點(diǎn)位移線經(jīng)過西藏自治區(qū)、青海省、穿過甘肅省東南、經(jīng)過寧夏回族自治區(qū)、陜西省，在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部結(jié)束，將中國大陸明顯分為2 個區(qū)域，2 個區(qū)域低點(diǎn)時間相差約2 h。通過分析磁暴環(huán)電流Dst指數(shù)和Kp指數(shù)發(fā)現(xiàn)，9 月16 日前后幾天，Dst指數(shù)絕對值均小于20 nT（圖4），Kp指數(shù)均小于5，中國大陸地磁臺站沒有受到明顯磁暴、亞暴現(xiàn)象的影響。因此認(rèn)為，此次低點(diǎn)位移異常真實(shí)存在，符合地磁低點(diǎn)位移法的判別方法。

圖4 2019 年9 月1—29 日磁暴環(huán)電流Dst 指數(shù)變化Fig.4 Magnetic storm ring current index variation curve in September 2019

對2019 年9 月的低點(diǎn)時間進(jìn)行梯度法計(jì)算。掃描結(jié)果顯示，無地磁低點(diǎn)位移異常時中國大陸沒有出現(xiàn)梯度值大于1.0 h/（°）的區(qū)域。如圖5 所示，以9 月20 日為例，中國大陸地磁臺站低點(diǎn)時間空間分布沒有出現(xiàn)明顯的分區(qū)特征，同時也沒有出現(xiàn)明顯的高梯度帶。9 月16 日出現(xiàn)地磁低點(diǎn)位移異常當(dāng)天，同步出現(xiàn)了梯度值大于1.0 h/（°）的高梯度帶，其主要分布在甘肅中東部地區(qū)（圖6）。10 月28 日夏河5.7 級地震震中在高梯度帶邊緣1.0 h/（°）等值線附近，該處也是低點(diǎn)位移線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的位置。

圖5 正常日中國大陸地磁低點(diǎn)時間分布和梯度分布特征（以2019 年9 月20 日為例）Fig.5 Distribution of low-point time and gradient of geomagnetism in Chinese mainland on nonanomalous date (20 September 2019)

圖6 2019 年9 月16 日中國大陸地磁低點(diǎn)位移線分布及低點(diǎn)時間梯度分布Fig.6 Distribution of low-point displacement line and low-point time’s gradient in Chinese mainland on 16 September 2019

2.3 異常日地磁垂直分量日變化特征

根據(jù)低點(diǎn)位移形成機(jī)理認(rèn)為，異常日臺站地磁垂直分量日變化形態(tài)畸變是由于感應(yīng)電流重新分布而造成的（馮志生等，2009；戴勇等，2019）。異常日在低點(diǎn)位移線下方短時間形成高導(dǎo)通道，感應(yīng)電流在高導(dǎo)通道內(nèi)聚集產(chǎn)生的磁場造成低點(diǎn)位移線兩側(cè)臺站地磁垂直分量日變化形態(tài)畸變和低點(diǎn)時間偏移。

以2019 年8 月18 日低點(diǎn)位移異常為例，低點(diǎn)位移線兩側(cè)200 km 范圍內(nèi)，山丹地震臺、湟源地震臺、固原地震臺、中衛(wèi)黑山嘴地震臺等的垂直分量明顯出現(xiàn)日變化形態(tài)畸變和低點(diǎn)時間偏移的現(xiàn)象，具體結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可見，低點(diǎn)位移線兩側(cè)臺站地磁垂直分量日變化形態(tài)均由無異常日的“V”字型轉(zhuǎn)為“W”型，低點(diǎn)位移線上方固原地震臺、中衛(wèi)地震臺、大同地震臺等低點(diǎn)時間出現(xiàn)明顯滯后（偏移），低點(diǎn)位移線下方低點(diǎn)時間基本在地方時12 時左右，未出現(xiàn)明顯偏移。

圖7 2019 年8 月18 日地磁低點(diǎn)位移線兩側(cè)200 km 范圍內(nèi)臺站地磁垂直分量日變化Fig.7 Daily variation pattern of geomagnetic vertical component of stations within 200 km on both sides of low-point displacement line on 18 August 2019

綜上所述，低點(diǎn)位移異常日在低點(diǎn)位移線附近臺站地磁垂直分量日變化形態(tài)出現(xiàn)明顯畸變，低點(diǎn)時間相較無異常日明顯偏移。低點(diǎn)位移線下方感應(yīng)電流形成的磁場在臺站本身地磁垂直分量上疊加，造成垂直分量日變化形態(tài)由“V”字型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢” 字型。低點(diǎn)位移線轉(zhuǎn)折較明顯的位置有利于感應(yīng)電流形成的磁場互相疊加，容易形成高梯度帶，該處也是中強(qiáng)地震容易發(fā)生的位置。

3 結(jié)論與討論

（1）2019 年8 月18 日中國大陸地區(qū)出現(xiàn)明顯地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象，在甘肅中部地區(qū)存在明顯地磁低點(diǎn)時間高梯度帶。此次低點(diǎn)位移發(fā)生后29 天，即9 月16 日發(fā)生張掖5.0 級地震，地震震中在低點(diǎn)位移線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折處及低點(diǎn)時間高梯度帶1.0 h/（°）等值線邊緣；9 月16 日中國大陸地區(qū)再次出現(xiàn)明顯地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象，在甘肅東南部地區(qū)存在明顯地磁低點(diǎn)時間高梯度帶。此次低點(diǎn)位移發(fā)生后42 天，即10 月18 日甘肅夏河發(fā)生5.7 級地震，地震震中同樣在低點(diǎn)位移線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折處及低點(diǎn)時間高梯度帶1.0 h/（°）等值線邊緣。通過以上2 次震例的分析認(rèn)為，在甘肅中東部地區(qū)，出現(xiàn)低點(diǎn)位移的情況下對低點(diǎn)時間進(jìn)行梯度分析能夠有效縮小發(fā)震地點(diǎn)預(yù)測范圍，高梯度帶邊緣可能是易發(fā)生中強(qiáng)地震的位置。

（2）低點(diǎn)位移異常日低點(diǎn)位移線200 km 范圍內(nèi)臺站地磁垂直分量日變化形態(tài)、日變化幅度、低點(diǎn)時間等相較無異常日都有明顯變化。低點(diǎn)位移線下方感應(yīng)電流形成的磁場在臺站地磁垂直分量上疊加，當(dāng)二者方向相同時，造成垂直分量日變化形態(tài)“V”字型幅度變大，當(dāng)二者方向相反時，造成垂直分量日變化形態(tài)由“V”字型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢”字型；日變化幅度由于感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場疊加相較無異常日呈現(xiàn)明顯的偏大或偏小；低點(diǎn)位移線兩側(cè)低點(diǎn)時間變化不一致，其中，某一側(cè)相較無異常日出現(xiàn)明顯偏移，而另外一側(cè)低點(diǎn)時間未發(fā)生明顯變化。2 個震例中低點(diǎn)位移線上方的臺站低點(diǎn)時間明顯滯后于當(dāng)?shù)貢r間12 h，而低點(diǎn)位移線下方臺站低點(diǎn)時間變化不大。低點(diǎn)位移線轉(zhuǎn)折較明顯的位置有利于感應(yīng)電流形成的磁場互相疊加，容易形成高梯度帶，該處也是中強(qiáng)地震容易發(fā)生的位置。

（3）每年8—9 月中國大陸地磁低點(diǎn)時間分布掃描結(jié)果顯示，存在多次低點(diǎn)位移線經(jīng)過甘肅中東部地區(qū)的異常。其中，僅有2019 年8 月18 日、9 月16 日的低點(diǎn)位移異常同時伴有低點(diǎn)時間高梯度帶存在，而眾多低點(diǎn)位移異常中僅有這2 次異常分別對應(yīng)了張掖5.0 級、夏河5.7 級地震。因此，對低點(diǎn)時間進(jìn)行梯度分析能夠改進(jìn)地磁低點(diǎn)位移方法在地震預(yù)測中的應(yīng)用，有利于減少虛報(bào)率。