瓊中地磁Z分量低點(diǎn)時(shí)間變化分布特征分析

葉向頂，顧申宜，張 慧

(海南省地震局，海南 海口 570203）

0 前言

近年來(lái)，利用地磁垂直分量日變化出現(xiàn)的極小值的時(shí)間以及其在空間分布上產(chǎn)生的異常變化，進(jìn)行短期的或臨震的地震預(yù)報(bào)倍受關(guān)注。經(jīng)過(guò)多年的震例和經(jīng)驗(yàn)積累，分析和利用低點(diǎn)異?；螂p低點(diǎn)異常預(yù)測(cè)地震亦取得了一定的進(jìn)展[1～4]。盡管其機(jī)理成因等還需要進(jìn)一步研究，但通過(guò)大量實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析證明，其在地震預(yù)測(cè)上有一定的實(shí)效性。瓊中地磁臺(tái)(地理坐標(biāo)為北緯19°51′，東經(jīng)109°01′，海拔高度為230 m)地處中國(guó)的最南端的海南省，是離赤道最近、緯度最低的地磁臺(tái)，其地磁緯度為7.8°，在全國(guó)地磁測(cè)點(diǎn)中具有地緣性的優(yōu)勢(shì)。為此，詳細(xì)地分析其垂直分量的低點(diǎn)時(shí)間變化特征，有助于我們利用低點(diǎn)異常現(xiàn)象做為震磁前兆異常，提高地震預(yù)測(cè)的成功率。

1 數(shù)據(jù)與資料處理

地磁日變化中，Z分量日變極小值出現(xiàn)的時(shí)間為低點(diǎn)時(shí)間，其在空間的異常特征稱之為 “低點(diǎn)位移”現(xiàn)象，是少見的地磁異?，F(xiàn)象。在地球北半球，地磁Z分量的日變化正常形態(tài)是：總體上呈現(xiàn)周期性變化；每日中午出現(xiàn)極小值，上午、下午各出現(xiàn)一個(gè)極大值。

本文采用了2002至2012瓊中地磁臺(tái)GM3磁通門磁力儀Z分量數(shù)據(jù)，首先統(tǒng)計(jì)了每一年中各個(gè)月的低點(diǎn)時(shí)間的平均值，然后再對(duì)各年的某個(gè)月數(shù)據(jù)作平均，最后得到一年中12個(gè)月低點(diǎn)時(shí)間的分布特征。同時(shí)分別對(duì)各個(gè)季節(jié)低點(diǎn)時(shí)間的分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析，確定其平均值分布區(qū)間。

2 地磁Z分量低點(diǎn)時(shí)間的特征分析

2.1 Z值低點(diǎn)時(shí)間的平均分布狀態(tài)

地磁場(chǎng)“日變化”是地球變化磁場(chǎng)的重要組成部分，是地球物理學(xué)地磁觀測(cè)中的基本規(guī)律之一。它起源于太陽(yáng)輻射在電離層中產(chǎn)生的電流體系的影響，包含著空間和地球內(nèi)部各種電磁過(guò)程豐富的信息。因此其變化也是比較復(fù)雜的，但單臺(tái)低點(diǎn)時(shí)間的平均分布狀態(tài)又是很有規(guī)律的，它集中分布在固定的時(shí)間段內(nèi)，在極大值兩側(cè)出現(xiàn)頻次迅速平緩，符合正態(tài)分布：樣本(低點(diǎn)時(shí)間)x落入任意區(qū)間(a，b)的概率，記作

落在(μ-σ， μ+σ)的概率是68.3% 左右(如圖1)。

圖1 地磁Z值低點(diǎn)時(shí)間正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)圖 （UTC）Fig.1 The normal distribution chart of the low point time of geomagnetic Z-component

2.2 Z值低點(diǎn)時(shí)間月均值和年均值

為了能夠準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出瓊中臺(tái)Z分量低點(diǎn)時(shí)間，我們?cè)O(shè)計(jì)了一些小程序，統(tǒng)計(jì)了2002年至2012年11年的數(shù)據(jù)，繪制地磁各個(gè)季低點(diǎn)時(shí)間分布狀況圖（圖1），并算出一年中各個(gè)月的月均值和年均值，如表1。

由表1可知，瓊中臺(tái)地磁Z分量全部資料年平均低點(diǎn)時(shí)間為地方時(shí)12.87時(shí)即12點(diǎn)52分，由式（1）可計(jì)算出其主要的低點(diǎn)時(shí)間分布區(qū)域在地方時(shí)12點(diǎn)10分至13點(diǎn)34分（UTC 04：10～05：34）；各個(gè)月平均低點(diǎn)時(shí)間分布如圖2，一年中各個(gè)月的低點(diǎn)時(shí)間近似于一個(gè)字母“W”形狀，均值線恰好地把一年切成上下六個(gè)月，其中首尾均處在最高值，顯示一年中有半年的時(shí)間低點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間是滯后的，分別為1、2、3月和10、11、12月，而另半年則為4月至9月份，即Z值低點(diǎn)時(shí)間的出現(xiàn)具有半年為周期的分布特征?！癢”形的兩個(gè)低值時(shí)間分別是5月份和九月份，最早的低點(diǎn)時(shí)間（趨前）出現(xiàn)在5月份，最晚出現(xiàn)則是11月份，正好也相隔半年時(shí)間，也是具有半年周期特征。5月份的平均低點(diǎn)時(shí)間比年平均低點(diǎn)時(shí)間提前了差不多一個(gè)小時(shí)（地方時(shí)12點(diǎn)02分），11月份最晚則延遲至地方時(shí)13點(diǎn)45分，年平均低點(diǎn)時(shí)間也延時(shí)了幾乎1個(gè)小時(shí)，即最早和最晚之間兩者相差幾乎有兩個(gè)小時(shí)。然而，應(yīng)該指出的是，這僅僅是平均低點(diǎn)時(shí)間分布狀況，且它也只是與概率上的68.3%，少量資料即使連續(xù)的靜日低點(diǎn)時(shí)間的出現(xiàn)也可能有更大的差異，可能更為分散，相差有可能達(dá)好幾個(gè)小時(shí)。因此，我們?cè)诮y(tǒng)計(jì)低點(diǎn)時(shí)間，判別低點(diǎn)位移異常時(shí)，應(yīng)該充分考慮不同月份的低點(diǎn)出現(xiàn)情況，同時(shí)也更要考慮個(gè)別情況的特殊性。因此，區(qū)域性的低點(diǎn)位移是必須要考慮的，以便更準(zhǔn)確提出異常地震前兆信息。

表1 瓊中臺(tái)歷年地磁Z分量低點(diǎn)時(shí)間月均值 （北京時(shí)）Table 1 The monthly average of the low point time of geomagnetic Z-component over the years in Qiongzhong station

圖2 瓊中臺(tái)地磁Z分量低點(diǎn)時(shí)間月均值分布圖Fig.2 The monthly average of the low point time of the geomagnetic Z-component of Qiongzhong station

2.3 低點(diǎn)時(shí)間與低點(diǎn)位移異常的季節(jié)性分布

由圖2也可看出，低點(diǎn)時(shí)間的出現(xiàn)是具有季節(jié)性的：在1、2月和11、12月在均值之上，按地磁季節(jié)性來(lái)分，正好處在冬季，即冬季低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)延遲（滯后）；春秋季（3、4、9、10月）則處在均值點(diǎn)，最接近年平均低點(diǎn)時(shí)間；夏季5～8月則處在均值線之下，即低點(diǎn)時(shí)間趨前。各個(gè)季節(jié)低點(diǎn)時(shí)間出現(xiàn)的頻次亦有所不同。表2資料表明，瓊中臺(tái)低點(diǎn)平均時(shí)間分布的離差σ大概在半小時(shí)內(nèi)，相對(duì)比較集中。但μ值相差較大，以夏季(12:19)和冬季(13:31)最為明顯，差值達(dá)一個(gè)多小時(shí)。對(duì)應(yīng)的表3白家疃地磁臺(tái)[1]，其季節(jié)性的分布則明顯不同，白家疃臺(tái)整個(gè)數(shù)據(jù)的平均低點(diǎn)時(shí)間分布離差σ較大，近1 h，顯然其分布時(shí)間上較為離散；與瓊中臺(tái)不同的是，μ值的差別最大的是春秋季和夏季，也達(dá)到1 h，夏季與冬季之差只在半小時(shí)以內(nèi)。相對(duì)瓊中臺(tái)，其各個(gè)季節(jié)之間分布的差別很小。日變低點(diǎn)時(shí)間顯然主要是受經(jīng)度影響，經(jīng)度每變化15°，則低點(diǎn)時(shí)間（北京時(shí)）相差1 h。出現(xiàn)這種季節(jié)上明顯不同的原因可能是緯度的差異和地理位置不同所造成。

表2 瓊中臺(tái)正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差 （北京時(shí)）Table 2 The average and standard deviation of the normal distribution of Qiongzhong station(cst)

表3 白家疃臺(tái)正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差 （北京時(shí)）Table 3 The average and standard deviation of the normal distribution of Baijiatong station(cst)

以上所示是為Z值低點(diǎn)時(shí)間的平均分布狀況，以此為基礎(chǔ)，我們分別又統(tǒng)計(jì)了全年的低點(diǎn)位移異常情況。表4是在充分考慮到不同月份、季節(jié)之后，統(tǒng)計(jì)出的2002～2012年11年間的低點(diǎn)位移異常。從表4和圖3上看，低點(diǎn)位移異常的出現(xiàn)以2月和11月最多，而9月份異常的出現(xiàn)為零；即，冬季低點(diǎn)異常頻度最大、春秋季最小，11年間的數(shù)據(jù)季節(jié)性變化十分明顯，其中春秋季與夏季兩個(gè)季節(jié)加起來(lái)還沒(méi)有冬季異常頻度高，充分顯示了低點(diǎn)異常在冬季高度集中，占全年的60%。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)低點(diǎn)位移異常主要出現(xiàn)在低點(diǎn)時(shí)間的滯后區(qū)，即1、2、3月和10、11、12月，占全年的74%。因此，冬季出現(xiàn)的低點(diǎn)位移異常，虛報(bào)的概率相對(duì)較高。

3 瓊中臺(tái)地磁低點(diǎn)位移異常震例

海南島陸及鄰區(qū)中強(qiáng)地震較少，據(jù)歷史記載最大地震為1605年7月13日海南省瓊山市71/2級(jí)地震。現(xiàn)就近十幾年來(lái)其所發(fā)生的少量的中強(qiáng)地震中，就其地磁低點(diǎn)位移狀況作一些簡(jiǎn)單的探討。

表4 瓊中臺(tái)低點(diǎn)異常季節(jié)分布Fig 4 The seasonal distribution of abnormal low point of Qiongzhong station

圖3 瓊中地磁低點(diǎn)位移異常季節(jié)分布曲線Fig.3 The seasonal distribution of geomagnetic abnormal low point displacement of Qiongzhong station

表5 海南及其鄰近地區(qū)地震目錄表Table 5 The earthquake catalog table of Hainan and its adjacent areas

海南及其鄰區(qū)十幾年間所發(fā)生的MS4～5級(jí)的地震也有好幾次，對(duì)本島近海地震如1992～1995年?yáng)|方近海震群 （最大震級(jí)MS4.8）、1999年萬(wàn)寧近海MS4.8和2004年廣東陽(yáng)江MS4.9級(jí)地震，其地磁低點(diǎn)無(wú)異常反應(yīng)，即漏報(bào)。然而對(duì)最近廣東東源縣發(fā)生的三次地震，震前瓊中臺(tái)地磁低點(diǎn)似乎有異常與之對(duì)應(yīng)，且低點(diǎn)位移異常的出現(xiàn)大多也是連續(xù)性出現(xiàn)。對(duì)此，我們有所疑惑：地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象是否存在著“盲點(diǎn)”或“敏感”區(qū)域？因資料有限，這里也只是針對(duì)瓊中臺(tái)資料簡(jiǎn)要提點(diǎn)，以資討論。

（1）海南島陸及鄰區(qū)地震在以上11年間6級(jí)以上的中強(qiáng)地震僅有兩次，即1994年12月31日和1995年1月10日北部灣6.1、6.2級(jí)雙震，震前1994年11月18、20、25日(圖4（a）、（b）、（c）)連續(xù)三天均有低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)，低點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間均在UTC時(shí)間08點(diǎn)左右（北京時(shí)16點(diǎn)）。

圖4 北部灣6.1、6.2級(jí)地震瓊中低點(diǎn)位移異常時(shí)均值圖Fig.4 The average curve of geomagnetic abnormal low point displacement of Qiongzhong station in M6.1、M6.2 earthquake in the North Bay

（2）見圖5廣東河源三次地震瓊中地磁低點(diǎn)位移異常情況：2012年2月16日MS4.8級(jí)地震，震前瓊中臺(tái)2011年11月22和2012年1月18日均出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常（圖5a、5b）；2012年8月31日MS4.2級(jí)，震前8月10日瓊中地磁也出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常（圖5c）；2013年2月22日MS4.8級(jí)，1月25日、2月9日瓊中地磁連續(xù)出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常（圖5d、5e）。

從以上的震例中我們也看到，其大部分地震多發(fā)生在冬季。而上面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，冬季地磁低點(diǎn)位移異常最為頻繁和集中、虛報(bào)率最高。因此，這些震例中所出現(xiàn)的低點(diǎn)位移異常也極有可能是氣候、季節(jié)原因所產(chǎn)生的地磁異常而非地震地磁異常。因本區(qū)域地震震例相當(dāng)少，這里只能以之作為地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象來(lái)探討，是否為地震地磁前兆異常還有待進(jìn)一步研究和更多的震例來(lái)說(shuō)明。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 海南及其鄰區(qū)MS4.0級(jí)以上地震低點(diǎn)位移異常圖Fig.5 The abnormal low point displacement of earthquakes with MS≥4 in Hainan and its adjacent areas

4.1 主要認(rèn)識(shí)

（1）瓊中臺(tái)地磁Z分量平均低點(diǎn)時(shí)間出現(xiàn)在北京時(shí)12點(diǎn)52分，其平均分布狀態(tài)符合正態(tài)分布特征，主要分布區(qū)域?yàn)楸本r(shí)12:10～13:34。

（2）瓊中臺(tái)地磁Z分量平均低點(diǎn)時(shí)間具有明顯的季節(jié)性：一般春秋季出現(xiàn)時(shí)間與年均值點(diǎn)最接近，夏季則處在均值點(diǎn)之下，即低點(diǎn)時(shí)間相對(duì)提前，冬季平均低點(diǎn)時(shí)間處在年均值點(diǎn)之上，即低點(diǎn)時(shí)間相對(duì)滯后。

（3）相對(duì)表3白家疃等臺(tái)站，瓊中臺(tái)地磁Z分量平均低點(diǎn)時(shí)間分布特征較為明顯，區(qū)間分布基本在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，顯然更為集中。

（4）瓊中臺(tái)地磁Z分量低點(diǎn)位移異常的出現(xiàn)也具有季節(jié)性，冬季出現(xiàn)的頻率最高，占全年的60%，異常的出現(xiàn)主要在平均低點(diǎn)時(shí)間的滯后區(qū)，因此，虛報(bào)率也是最高的。

4.2 討論

地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象是否存在“盲點(diǎn)”或“敏感”區(qū)域：瓊中臺(tái)地磁Z分量低點(diǎn)位移異常與本區(qū)域中強(qiáng)地震（MS6.0以上）有一定的對(duì)應(yīng)性，但因震例較少，只能作為參考；而對(duì)本島近海MS4.5級(jí)左右的地震無(wú)異常反應(yīng)和對(duì)鄰區(qū)MS4.2級(jí)以上的地震如廣東河源地震似乎有所對(duì)應(yīng)。對(duì)此，我們有所疑惑：這是否存在所謂的“盲點(diǎn)”或“敏感”現(xiàn)象？因本區(qū)域地震震例相對(duì)較少，這里也只是針對(duì)瓊中臺(tái)單臺(tái)資料簡(jiǎn)要提點(diǎn)，是否為地震地磁前兆異常還有待進(jìn)一步研究和更多的震例來(lái)說(shuō)明。

[1]丁鑒海，黃雪香.地磁垂直分量日變“低點(diǎn)位移”預(yù)報(bào)地震方法實(shí)用化研究[C]//國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司編.地震預(yù)報(bào)方法實(shí)用化研究文集地磁地電專輯.北京：學(xué)術(shù)書刊出版社，1990.

[2]馮志生，李琪，李鴻宇，等.地磁低點(diǎn)位移線兩側(cè)異常變化的反相位現(xiàn)象及其解釋[J].中國(guó)地震，2009， 25 （2）： 206-213.

[3]陳紹明，謝美娟.地磁垂直日變低點(diǎn)位移預(yù)報(bào)方法研究[C]//國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司編.地震預(yù)報(bào)方法實(shí)用化研究文集地磁地電專輯.北京：學(xué)術(shù)書刊出版社，1990.

[4]李明光，梁秀蘭.利用地磁Z分量日變低點(diǎn)預(yù)報(bào)地震的新探索[C]//國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司編.地震預(yù)報(bào)方法實(shí)用化研究文集地磁地電專輯.北京：學(xué)術(shù)書刊出版社，1990.