上海地磁加卸載響應(yīng)比資料分析與地震研究

李 偉， 龔 耀

(1.上海市地震局，上海 200062;2.崇明地震臺，上海 202164）

0 引言

尹祥礎(chǔ)提出了測震學(xué)的加卸載響應(yīng)比理論[1]，王亶文在地磁學(xué)科中應(yīng)用加卸載響應(yīng)比方法，以太陽日照為加載，地磁垂直分量Z作為加卸載響應(yīng)的方法來探索以地磁方法來預(yù)報(bào)地震[2]；宋治平將其理論用在地震活動(dòng)性預(yù)測地震中，取得了較好結(jié)果，該方法在地形變、地下水位、重力等參量方面的應(yīng)用中也取得了較好的內(nèi)檢效果[3]。曾小蘋提出將磁暴過程作為地磁場對太陽風(fēng)的加卸載響應(yīng)，分析研究了磁暴場的暴時(shí)擾日變化D(z)的響應(yīng)比值P(Z)的變化，發(fā)現(xiàn)P(Z)的高值與北京地震臺550 km范圍內(nèi)MS≥5.5的中強(qiáng)主震有較好的對應(yīng)[4]。其后又將該方法在我國華北和西南2個(gè)地震活動(dòng)較頻繁的地區(qū)進(jìn)行了內(nèi)檢，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)地區(qū)的19個(gè)地震在距震中約50～540 km范圍內(nèi)的地磁臺，MS5.0～7.3地震前約25天至10個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)響應(yīng)比P(Z)值異?，F(xiàn)象[5]。汪江田在1999年利用上海余山地震臺1981～1997年和崇明地震臺1983～1997年地磁場垂直分量日變幅資料，計(jì)算了加卸載響應(yīng)比P(Z)值，并對照80年代以來發(fā)生的對上海有較大影響的3次中強(qiáng)地震前P(Z)變化規(guī)律 (震中距都在300 km內(nèi))，得出異常閾值P0(Z)=3.4，確定P(Z)≥P0(Z)為異常[6]，此后地磁加卸載響應(yīng)比方法在上海及其周邊地區(qū)的中短期地震預(yù)測工作中發(fā)揮著十分重要的作用。

自2011年1月1日，崇明臺停止了57型地磁記錄儀的觀測，為了使地磁加卸載響應(yīng)比方法繼續(xù)在上海中短期地震預(yù)測中發(fā)揮作用，目前改用GM4型磁通門磁力儀觀測資料與佘山臺57型地磁記錄儀觀測資料共同分析。57型地磁記錄儀是模擬觀測，而GM4磁通門磁力儀是數(shù)字化設(shè)備，由兩種設(shè)備得到的地磁加卸載響應(yīng)比值能否適用于原有的異常判定指標(biāo)是本項(xiàng)研究的主要內(nèi)容。

1 資料分析

從目前對兩種數(shù)據(jù)在實(shí)際工作中的對比分析來看，由兩種設(shè)備得到的地磁加卸載響應(yīng)比值變化的同步性較好，但在極值出現(xiàn)后缺乏相應(yīng)的比對依據(jù)及震例分析經(jīng)驗(yàn)，異常難以確定。鑒于以上原因，需要對以往57型地磁記錄儀和GM4磁通門磁力儀同時(shí)期的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)對異常判斷指標(biāo)的適用性。

57型地磁記錄儀是一種連續(xù)記錄地磁場D、H、Z隨時(shí)間變化的相對記錄儀，該設(shè)備是為了適應(yīng)“老八臺”建設(shè)及配合1957年國際地球物理年的觀測需要而研制[7]。截止到2008年全國仍有12臺儀器在地磁臺正常工作。由于臺站改造和設(shè)備更新等原因，崇明臺于2011年1月1日用GM4磁通門磁力儀取代了57型地磁記錄儀。GM4磁通門磁力儀可連續(xù)測量和記錄地磁場D、H、Z隨時(shí)間變化并且同時(shí)監(jiān)測測點(diǎn)溫度變化。本項(xiàng)研究將利用兩種設(shè)備在2008～2010年間觀測到的地磁Z分量幅值進(jìn)行計(jì)算分析，故此將兩組數(shù)據(jù)繪于圖1中，并對兩組數(shù)據(jù)的觀測異常點(diǎn)進(jìn)行對比分析。

圖1 2008～2010年崇明臺地磁Z分量幅值變化曲線Fig.1 The amplitude curves of geomagnetic z-component recorded by Chongming seismic station from 2008 to 2010

如圖1中（a）、（b）所示，GM4磁通門磁力儀Z分量幅值與57型地磁記錄儀Z分量幅值在2008～2010年間的變化趨勢整體上基本保持一致，年變趨勢明顯，僅有少數(shù)細(xì)節(jié)處的變化有差異。圖1（c）是57型地磁記錄儀Z分量幅值與GM4磁通門磁力儀Z分量幅值的比值，通過兩者的比值可以分析出兩組數(shù)據(jù)的異常值點(diǎn)。圖1(c)中，兩段資料的比值在單點(diǎn)或是在一段時(shí)間段內(nèi)有超出一倍均方差的異常值，且在7月30日兩者的比值達(dá)到了20倍。通過對異常突跳點(diǎn)和異常時(shí)段的分析，異常值主要出現(xiàn)在2008年1月11日、2月16日、11月22日和12月28日；2009年3月30日、7月30日和9月13日；2010年6月12日、10月11日和11月24日。在這些時(shí)間點(diǎn)上由57型地磁記錄儀觀測引起的異常共7次，由GM4磁通門磁力儀觀測引起的異常共3次。在分析地磁加卸載響應(yīng)比值時(shí)應(yīng)考慮到這些觀測異常值在參與計(jì)算后對其結(jié)果的影響，以保證分析用數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2 地磁加卸載計(jì)算方法

太陽以紫外線輻射和粒子流輻射兩種形式影響地球磁場，形成變化磁場，其中最主要的地磁場變化是太陽靜日變化S和磁暴場D變化：磁暴場D可分為幾個(gè)部分：D=DSi+DS+DP（B）其中Dsi為暴時(shí)變化，Ds為暴時(shí)擾日變化，Dp（B）為極區(qū)亞暴。由于太陽風(fēng)對地球磁場平均每5～6天有一次沖擊，使地球磁場產(chǎn)生擾動(dòng)，而地震在孕育過程中有可能由暴時(shí)擾日變化的加卸載響應(yīng)比值所反映出來。即可用下面公式表示[4]：

其中下角標(biāo)“+”表示加載，“一”表示卸載。在實(shí)際運(yùn)用中可認(rèn)為地磁場垂直分量日變幅ΔZ+和ΔZ-看作是太陽風(fēng)對地磁場的加載和卸載，此時(shí)計(jì)算公式可簡化為：

圖2 2008～2010年崇明臺地磁加卸載響應(yīng)比值曲線Fig.2 The curves of geomagnetic LURR in Chongming seismic station form 2008 to 2010

圖2中，兩條直線分別表示閾值為3.4和2.5的情況。從圖2中可以看出，由GM4磁通門磁力儀觀測值計(jì)算得到的地磁加卸載響應(yīng)比值在2008年1月10日出現(xiàn)最大值5.44，而由57型地磁記錄儀計(jì)算得到的值在2009年3月29日出現(xiàn)了最大值5.59。這兩個(gè)值在各自的觀測序列中出現(xiàn)的時(shí)間并不一致，對于同一個(gè)觀測臺站而言，這很有可能是由于觀測異常導(dǎo)致而并非地磁加卸載異常。

在上海地區(qū)的地磁加卸載響應(yīng)比分析中，P（Z)＞2.5的情況也是用于地震前兆分析的重要參考[6]。以往分析認(rèn)為，在一年中，當(dāng)P（Z)＞2.5的頻次增加的越高，離發(fā)震時(shí)間越近。對P（Z)＞2.5的情況進(jìn)行分析，可以對比兩組觀測數(shù)據(jù)的差異，加強(qiáng)對地震異常的分析。從圖2中可以明顯地看到兩組數(shù)據(jù)中P（Z)＞2.5時(shí)的對應(yīng)情況，考慮到同一臺站觀測數(shù)據(jù)差異性不大，所以表1中只列出了兩種儀器同步變化時(shí)的情況。具體數(shù)值如表1所示。

表1中列出了P（Z)值異常時(shí)間點(diǎn)，這與儀器所觀測的Z分量幅值異常的時(shí)間點(diǎn)并不吻合，且P（Z)值異常的時(shí)間點(diǎn)在兩種設(shè)備中具有同步性，所以可以排除這些P（Z)值異常點(diǎn)由儀器觀測異常所產(chǎn)生。通過對磁暴、電離層擾動(dòng)和天氣等情況等的調(diào)查，上述時(shí)段并沒有相應(yīng)干擾出現(xiàn)。從表1中可以看出，兩組P（Z)值存在著不同程度的差異，最大差異占原始值的比重可以達(dá)50.81%而最小的只有0.39%。在2010年6月18日由GM4磁通門磁力儀計(jì)算得到的P（Z)值為2.832，且由57型地磁記錄儀得到的P（Z)值為1.393，兩者的差值為1.439，對于同一個(gè)臺站所得到的地磁加卸載響應(yīng)比值出現(xiàn)如此大的差異很有可能不是由地磁異常所造成的，而此時(shí)佘山臺的P（Z)值也未出現(xiàn)同步的異常。通過對原始觀測數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，由于對2010年6月18日GM4磁力儀原始數(shù)據(jù)的處理不當(dāng)，造成數(shù)據(jù)入庫后Z分量幅值較小，而由此得到的加卸載響應(yīng)比值則過大，究其原因?qū)儆诓僮魇д`干擾。如果將該值剔除，那么在2010年1月6日出現(xiàn)的-19.51%的差異比重為該組參考值中占比最重的，而兩者之間P（Z)的差值可以達(dá)到-0.54。這一差異可以對上海及周邊地區(qū)的地震預(yù)測結(jié)果造成較為嚴(yán)重的影響。從兩組P（Z)值的差值可以看出，其值隨時(shí)間的變化并未出現(xiàn)一致變化現(xiàn)象，且變化比較雜亂，無明顯規(guī)律可循。在上述由地磁場變化引起的地磁加卸載值異常的事件中，對該組異常數(shù)據(jù)中同一時(shí)刻的兩個(gè)P（Z)值進(jìn)行比較，如果在GM4磁通門磁力儀的P（Z)值大于57型地磁記錄儀得到的P（Z)值的情況下，該組數(shù)據(jù)中差異比保持在4%以內(nèi)的達(dá)到75%，而反之只有1.6%。這說明，GM4磁通門磁力儀在觀測上有較好的穩(wěn)定性。雖然兩種設(shè)備都是對地磁場Z、H、D三分量進(jìn)行相對觀測，但GM4磁通門磁力儀具有分辨率高、頻響范圍寬和GPS定時(shí)等特點(diǎn)，不宜受到人為操作及外界環(huán)境變化等的影響。相較于GM4磁通門磁力儀，57型地磁記錄儀則易于受到外界和人為操作等的干擾，這可能是造成上述差異的主要原因。

表1 GM4磁通門磁力儀與57型地磁記錄儀P（Z)＞2.5峰值對比Table 1 The peak values obtained from the GM4 type magnetometer and the 57 type magnetometer,respectively,when P（Z)＞2.5.

3 震例運(yùn)用分析

地磁加卸載方法在地震預(yù)測分析中有著廣泛的運(yùn)用[8～11]，對于上海地區(qū)而言，主要是依靠崇明臺與佘山臺的P（Z)值來研究上海及周邊地區(qū)的地震中短期預(yù)測。1982年9月，崇明臺和余山臺的P（Z)值同時(shí)出現(xiàn)異常，其后1983年2月，崇明臺再次出現(xiàn)異常，1984年5月南黃海發(fā)生MS6.2級地震。1989年1月兩臺又同時(shí)出現(xiàn)異常，其后1989年和1990年1月，都連續(xù)出現(xiàn)異常，1990年2月在常熟發(fā)生MS5.1級地震。1995年12月兩臺異常后，1996年9月佘山臺再次出現(xiàn)異常。結(jié)果于1996年11月在長江口以東海域發(fā)生MS6.1級地震[12]。從上述震例來看，在佘山臺和崇明臺的地磁加卸載響應(yīng)比值出現(xiàn)超閾值的異常后的1～15個(gè)月內(nèi)，在距臺站300 km范圍內(nèi)都發(fā)生了MS5.0級以上地震。2009年11月11日崇明臺和佘山臺P（Z)值同時(shí)出現(xiàn)異常，崇明臺異常值為3.71，佘山臺異常值為4.09。在2010年7月9日和7月19日在江蘇南通如東近海先后發(fā)生了MS3.7級和MS4.1級地震，此后在2011年1月12日南黃海地區(qū)發(fā)生了MS4.9級地震，具體震中分布情況如圖3所示。由于該地震事件與現(xiàn)有的觀測資料在一定的時(shí)間內(nèi)重合，故此，對佘山臺和崇明臺2009年10月至2010年12月的地磁加卸載響應(yīng)比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并為今后運(yùn)用GM4磁通門磁力儀觀測數(shù)據(jù)分析地震前兆異常提供依據(jù)。

在圖4中，3組P（Z)值在2009年11月11日都出現(xiàn)了超閾值3.4的情況，此后佘山臺的P（Z)值在9月3日和11月29日分別達(dá)到2.58和2.974。從數(shù)據(jù)的異常分析來看，在2010年6月以后，崇明臺由GM4觀測計(jì)算得到的P（Z)值超過2.5的頻次為4次（剔除2010年6月18日的數(shù)據(jù)），且在9月3日與佘山臺同步對應(yīng)較好，而57型地磁記錄儀的P（Z)值超過2.5的頻次只有2次。按經(jīng)驗(yàn)分析P（Z)＞2.5出現(xiàn)的頻次增加的越高，則說明離發(fā)震時(shí)間就越近。GM4觀測計(jì)算得到的P（Z)＞2.5的頻次在2010年6月以后要有明顯增加的趨勢，而這些異常正好應(yīng)證了2011年1月12日南黃海MS4.9級地震，是此次地震預(yù)測的重要判斷依據(jù)。崇明臺P（Z)值超2.5的頻次明顯多于佘山臺，這說明地震震中很有可能是靠近崇明臺一側(cè)，最終震中的位置也表明了這一點(diǎn)。可以得出，由GM4磁通門磁力儀觀測值得到的P（Z)值在反映地震前兆異常的能力上有很好的表現(xiàn)。

圖3 上海地磁臺站及地震震中分布圖Fig.3 Location of geomagnetic station in Shanghai and spatial distribution of epicenter

圖4 2009年10月-2010年12月佘山臺和崇明臺地磁加卸載響應(yīng)比值曲線Fig.4 The curves of geomagnetic LURR in Chongming seismic station and Sheshan seismic station form October 2009 to December 2010

4 結(jié)論

地磁加卸載響應(yīng)比方法是一種體現(xiàn)地磁場細(xì)節(jié)變化差異的方法，也只有能夠表現(xiàn)出地磁場微小差異變化的方法才能對捕捉到地震前兆信息，而觀測資料所有細(xì)小的差異都有可能造成對整個(gè)地震預(yù)測結(jié)果的錯(cuò)誤判斷。從基礎(chǔ)的觀測數(shù)據(jù)出發(fā)，分析觀測數(shù)據(jù)之間的差異，為地震預(yù)測工作人員建立分析指標(biāo)和積累判斷經(jīng)驗(yàn)對實(shí)際工作而言則有著十分重要的意義。本文通過對2008～2010年崇明臺兩臺不同設(shè)備觀測資料的對比以及結(jié)合佘山臺資料對地震震例的分析可以得到以下初步認(rèn)識：

（1)由兩種儀器觀測得到的P（Z)值存在著不同程度的差異，在P（Z)＞2.5的情況下，兩者的差異比重可從-19.51～0.39%，而由崇明臺兩種觀測儀器得到的地磁加卸載響應(yīng)比值的差值無隨時(shí)間變化的明顯規(guī)律。

(2）利用P（Z)＞2.5的頻次分析地震時(shí)，由GM4磁通門磁力儀觀測值得到的P（Z)值在反映地震前兆異常的能力上較強(qiáng)，在關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上與佘山臺資料對應(yīng)較好，在今后的工作中可與佘山臺57型地磁儀資料匹配使用。

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