利用地磁相關(guān)系數(shù)異常初步判定發(fā)震區(qū)域

孫旭麗 , 鄒本良 , 劉長生

（1.吉林省地震局，吉林 長春130117；2.合隆地震臺，吉林 長春 130219；3.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

震磁效應(yīng)早已被地震預(yù)報研究人員所關(guān)注，如何在地震前撲捉到與地震有關(guān)的前兆異常變化，是預(yù)報研究人員一直探索和努力的方向。一般而言，地震孕育所伴隨的物理化學(xué)過程，有可能通過感應(yīng)磁效應(yīng)、動電磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)等產(chǎn)生地震地磁前兆異常[1]；目前公認(rèn)的分析方法是地磁場日變化，是一種短期變化，主要受 l00 km左右高空中的電離層電流體系控制，而這些電流體系又受太陽照射的控制。因此，地磁場日變化是一種依賴于地方時的周期變化。一般說來，位于同一緯度的地磁臺站的地磁日變化幅度是相似的，只是相位存在差別，這種差別是每一經(jīng)度相差4分鐘，而且在大約400～500 km 范圍內(nèi)的地磁日變化是基本一致的，它們的整點值有明顯的相關(guān)性[2,3]。但這種相關(guān)性與兩臺站經(jīng)緯度有密切關(guān)系。本文通過地磁數(shù)據(jù)空間相關(guān)分析方法對異常幅度和持續(xù)時間、異常臺站與震中位置、異常幅度與發(fā)震強度以及異常時間與未來發(fā)震時間的關(guān)系等進行分析，從而對發(fā)震區(qū)域進行初步判斷。

1 資料選取

資料選取自我國“十五” 數(shù)字化地磁臺網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，主要選取內(nèi)蒙古滿洲里臺、錫林浩特臺，黑龍江望奎臺、通河臺，吉林三崗臺、通化臺，遼寧鐵嶺臺、朝陽臺、營口臺、大連臺（圖1）等的地磁數(shù)據(jù)。所選取數(shù)據(jù)是2013年9月1日至2013年12月31日地磁北京時間21點總場F觀測整點值，數(shù)據(jù)完整可靠。

盡管吉林省中強地震發(fā)生較少，但2013年10月31日發(fā)生5.5、5.0級淺源地震，時隔不到一個月，即11月22日發(fā)生5.3級，次日連續(xù)發(fā)生5.8、5.0級地震。自2013年10月31日到2013年12月31日幾乎在同一地點發(fā)生0級以上地震651次，5.0～5.9級5次，4.0～4.9級6次，3.0～3.9級 12次，2.0～2.9級 13次，1.0～1.9級72次，0.0～0.9級543次，屬震群型地震。本文針對2013年10月31日震群進行分析研究。臺站及震中分布見（圖1）,31日震群信息（表1）。

表1 吉林前郭5.8級震群≥5.0級地震基本參數(shù)

圖1 東北地區(qū)地磁臺站與震中分布圖Fig.1 The distribution map of the northeastern area’s geomagnetic observatories and that of the epicenters

2 相關(guān)分析方法簡介

由于兩個相距不遠(yuǎn)的地磁臺站有共同的外源場。因此，地磁各分量同時刻的值應(yīng)有很好的相關(guān)關(guān)系，地震的孕育可能引起局部磁場發(fā)生不規(guī)則的變化，非線性的變化會降低臺站間磁場的空間相關(guān)關(guān)系，這樣相關(guān)系數(shù)就會下降而出現(xiàn)異常。

相關(guān)分析是一種處理變量間的數(shù)理統(tǒng)計方法，假設(shè)A、B兩個地磁臺每日北京時間21點觀測到的地磁總強度F分別記為FA、FB，它們線性關(guān)系。

（i=1,2,…,N。N為計算相關(guān)系數(shù)窗長）

其中

它們的相關(guān)系數(shù)R和標(biāo)準(zhǔn)偏差δ為:

R 的取值范圍是0≤│R│≤1，│R│越接近0，兩組觀測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)程度越小，反之，│R│大，越接近 1，表示兩組觀測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性就越為密切，線性回歸效果就好。

本文利用江蘇省地震局馮志生先生編寫研制的地磁空間相關(guān)分析軟件計算和繪圖，鑒于研究的地震震級相對較小，將R值異常閥值進行了調(diào)整，經(jīng)過嘗試在無地震、無磁擾動、儀器工作正常情況下驗證，東北各地磁臺相關(guān)R值趨近1，經(jīng)過嘗試認(rèn)為在東北平原地區(qū)無地震和磁暴情況下，各臺相關(guān)性非常好，R值趨近1。因此，參考標(biāo)準(zhǔn)線取 R = 0.95（即為閥值）較為適合[4]。而作為判定異常的標(biāo)準(zhǔn)，需要至少出現(xiàn)兩個或兩個以上臺站同時滿足低于標(biāo)準(zhǔn)線，并且至少連續(xù)變化 20 天以上的情況[4,5]。本文又對地磁空間相關(guān)曲線的異常幅度和持續(xù)時間等都進行了量化，對于磁場總強度異常臺站與震中位置的關(guān)系、異常幅度與強度的關(guān)系以及異常時間與未來發(fā)震時間的關(guān)系等進行了細(xì)致的分析。

3 前郭5.8級震群前地磁空間相關(guān)異常分析

2013年10月31日14時05分吉林省前郭縣發(fā)生5.8級震群 ( 以下簡稱前郭震群)，歷史上1119年2月在吉林省前郭縣卡拉木地區(qū)發(fā)生6 ?級地震，2006年3月31日前郭—乾安交界處發(fā)生5.0級地震，因此該區(qū)域一直作為吉林省的地震重點監(jiān)視區(qū)域，而該區(qū)域以西地區(qū)地震臺站極少，要捕捉地震前兆異常信息存在較大困難。本文利用較遠(yuǎn)和較近的地磁基準(zhǔn)臺和地磁基本臺的地磁資料，對地磁北京時間21點總強度F整點值空間進行相關(guān)分析（圖2）。

圖2 參考臺與各臺磁場總強度相關(guān)曲線圖Fig.2 The correlation curve diagram between the reference observatories and their total intensities of the geomagnetic field

圖2給出了 2013 年 9 月 1日至2013年12月31日以朝陽、大連、滿洲里、三崗、鐵嶺、通化、錫林浩特、營口臺為參考臺計算得到的各臺磁場總強度相關(guān)性在地震前后的變化曲線圖。

由圖2（a）可見，以朝陽臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎兩個臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù)了23天，下降幅度最大為滿洲里臺，異常持續(xù)了23天，異常結(jié)束時發(fā)震。

由圖2（b）可見，以大連臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎兩個臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù) 了23天，下降幅度最大為滿洲里臺，異常持續(xù)了 23天，異常結(jié)束時發(fā)震。

由圖2（c）可見，以滿洲里臺為參考臺，在前郭震群前，所有臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，所有臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，下降幅度最大為大連、營口臺，其次為朝陽、鐵嶺、通化臺，再其次為三崗臺，異常持續(xù)了 23天，所有臺站結(jié)束異常時發(fā)震。

由圖2（d）可見，以三崗臺為參考臺，在前郭震群前，只有滿洲里臺站的R 值出現(xiàn)了 20天以上低于閥值異常。從空間上來看，滿洲里臺站相關(guān)性曲線在10月8日出現(xiàn)下降異常，在臺站結(jié)束異常時發(fā)震。

由圖2（e）可見，以鐵嶺臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù) 了 23 天，下降幅度最大為滿洲里臺，異常持續(xù)了23 天，異常結(jié)束時發(fā)震。

由圖2（f）可見，以通化臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù) 了 23 天，下降幅度最大為滿洲里臺，異常持續(xù)了23 天，異常結(jié)束時發(fā)震。12月1日通化臺儀器故障，12月23日恢復(fù)。

由圖2（g）可見，以錫林浩特臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù) 了 23 天，下降幅度最大為滿洲里臺，下降幅度并不大，參考臺和異常出現(xiàn)臺站遠(yuǎn)離震中，異常持續(xù) 了23 天，異常結(jié)束時發(fā)震。

由圖2（h）可見，以營口臺為參考臺，在前郭震群前，有滿洲里和望奎臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于閥值異常。從空間上來看，兩個臺站相關(guān)性曲線同時在10月8日出現(xiàn)下降異常，望奎臺剛剛小于閥值，持續(xù) 了 23 天，下降幅度最大為滿洲里臺，異常持續(xù)了23 天，異常結(jié)束時發(fā)震。

由圖2（d）可見，在前郭震群前，只有滿洲里臺站的R 值出現(xiàn)了 20 天以上低于標(biāo)準(zhǔn)線0.95 的情況。丁鑒海等[6]認(rèn)為，除了異常主要集中分布在震中區(qū)外，震中區(qū)外圍還有部分異常點，遠(yuǎn)場地區(qū)的異常臺站與非異常臺站的比例遠(yuǎn)小于異常集中區(qū)。根據(jù)朝陽為參考臺（圖2（a））出現(xiàn)異常臺站的方向，分析判定的異常區(qū)域見圖3（b）。

前郭震群的震中位于為松遼盆地內(nèi)部，地貌上為廣闊的平原區(qū)，在構(gòu)造位置上則位于北東向松原－肇東斷裂和北西向查干泡—道字井?dāng)嗔训慕粎R部位。從空間上來看，三崗臺是距震中最近的臺站，距震中88km（圖4），但與較遠(yuǎn)的大連、錫林浩特、朝陽、營口、鐵嶺、通化、通河、望奎臺站相關(guān)性非常好，R值趨近1。地震電磁輻射異常的特點受震級大小、震中距、觀測環(huán)境、臺站下方地殼介質(zhì)及構(gòu)造、觀測儀器、觀測頻段以及地震類型等因素的影響[7]。

圖3 以參考臺判定異常區(qū)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the abnormal areas judged by the reference observatories

4 初步判定發(fā)震區(qū)域

通過進行地磁北京時間21點總強度F觀測整點值空間相關(guān)分析（圖2）。找出相互之間相關(guān)性非常好的臺站，從圖2中可見大連、營口、通化、鐵嶺臺相互之間相關(guān)性非常好（R值趨近1），選定其中為參考臺與出現(xiàn)兩個下降

圖4 震中、斷裂及臺站分布圖Fig.4 The Distribution maps of the epiceneters fractures and the observatories

5 討論

通過對前郭5.8級震群發(fā)生前地磁空間相關(guān)異常分析，本文提出的地磁北京時間21點總強度F觀測整點值空間相關(guān)分析判定異常區(qū)方法與實際發(fā)震區(qū)域一致，但由于東北地區(qū)地磁臺站相對較少，吉林省1個，遼寧省3個，黑龍江省4個，而且東北西部地區(qū)更是缺少地磁臺站，在空間分布上呈現(xiàn)不均勻特征，從而通過地磁學(xué)科進行地震預(yù)測存在一定局限，并且有效的分析預(yù)測方法也不多。本文通過地磁空間相關(guān)法對發(fā)震區(qū)域進行初步判定，為地震預(yù)報提供一種思路，但由于研究的震例較少，雖然只是一種嘗試，結(jié)果也只是初步的，但如果把所得到的認(rèn)識與前郭震群前其它前兆學(xué)科的異常特征進行對比分析，不斷深入分析，也可為地震預(yù)測工作提供一種新的思路，使地磁空間相關(guān)分析在地震短臨預(yù)報上發(fā)揮一定作用。異常的臺站連線，形成三角形，三角形內(nèi)切圓，圓的區(qū)域為判定的異常區(qū)（圖3）。四個參考臺異常區(qū)域圓相交區(qū)域，同時參考以三崗臺為參考臺的相關(guān)曲線見圖2（d），只有滿洲里臺出現(xiàn)下降異常，說明三崗臺與滿洲里臺方向為異常區(qū)，三崗臺與滿洲里臺連線，四圓一線交匯區(qū)域選定異常區(qū)（圖5）。

圖5 綜合判定異常區(qū)示意圖Fig.5 Schematic map of the abnormal area by comprehensive judgment

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