2017年精河MS 6.6地震前地磁異常特征分析

艾薩·伊斯馬伊力 黃恩賢 高麗娟

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學二街338號 830011

2）河南省地震局，鄭州 450016

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2017年8月9日7時27分，新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內（44.27°N，82.89°E）發(fā)生MS6.6地震，震源深度約20km。此次地震有感范圍較廣，博樂、伊寧、克拉瑪依、石河子、烏魯木齊等地均有明顯的震感，地震對精河縣、尼勒克縣造成較大影響，為新疆北天山地區(qū)2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震后發(fā)生的最大地震（圖 1）。

理論和震例表明，地震孕育過程中地下介質電磁參數(shù)會發(fā)生變化，由此也將引起地磁場的異常變化，包括引起地磁場日變化異常（張國民等，2001）。基于磁測深原理的地磁諧波振幅比可以反映深部地球介質電阻率的變化，并已有較多的研究（馮志生等，2004；蔣延林，2016）；而地磁垂直分量日變化幅度逐日比和加卸載響應比（馮志生等，2000、2001），以及地磁低點位移法是提取地磁垂直分量日變化地震異常的有效方法（丁鑒海等，2009）。本文選取距震中400km范圍內的地震地磁定點觀測資料，運用以上方法對精河地震前的地磁異常信息進行了分析總結。

1 發(fā)震構造與地磁測項概況

精河MS6.6地震震中位于庫松木契克山前斷層東末端，該斷裂為全新世活動斷裂，性質為右旋逆斷。距張量反演結果顯示，此次地震以逆沖型為主，2個節(jié)面均近EW向，震源性質與區(qū)域地質構造背景一致（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275080.shtm l）。歷史上，距震中200km范圍內發(fā)生11次6.0級以上地震，最大震級地震為1944年3月10日MS7.2地震，距此次地震震中94km。

“十五”數(shù)字化觀測以來，已經(jīng)積累了較豐富的新疆地區(qū)地磁觀測資料，且震中周圍地區(qū)地磁觀測點分布比新疆其他地區(qū)相對密集、合理。距震中400km范圍內有烏魯木齊臺、克拉瑪依臺、溫泉臺等 3個地磁觀測點，其中，溫泉臺使用 FGM型磁通門磁力儀（震中距約167km），克拉瑪依臺使用FHD質子矢量磁力儀（震中距約215km），烏魯木齊臺使用自動化地磁臺站系統(tǒng)FHDZ-M15型及FGM型磁通門磁力儀（震中距約292km）。2016年1月至今，3個臺數(shù)據(jù)連續(xù)且質量較好，無大干擾或儀器改造更換等事項（表1）。

圖1 震中區(qū)構造及地磁臺站分布

表1 震中周圍地磁觀測項目概況

2 地磁異常分析

根據(jù)地磁觀測臺站分布，以下分別給出地磁諧波振幅比、地磁垂直分量日變化幅度加卸載響應比、地磁垂直分量日變化幅度逐日比和地磁低點位移等的震前異常分析結果。

2.1 背景性異常

馮志生等（2013）等對喀什臺周圍發(fā)生的幾次MS≥6.0強震前后地磁諧波振幅比變化特征進行分析發(fā)現(xiàn)，對于臺站布設密度較稀的區(qū)域利用諧波振幅比資料進行地震預測具有很好的應用前景。蔣延林等（2016）研究結果表明，地磁諧波振幅比異常變化特征與直流地電阻率的異常變化特征較相似。主要特點表現(xiàn)為下降—轉折—恢復上升的變化過程，地震一般發(fā)生在趨勢性下降之后的轉折點附近或恢復的過程中或長短周期不同步現(xiàn)象的臺站附近300km范圍內；在長期趨勢性上升背景下，若出現(xiàn)下降變化，則可能為中短期信號。

筆者應用馮志生研究員編制的地磁分析軟件，對克拉瑪依臺FHD質子矢量磁力儀采集2008～2017年9月分鐘采樣觀測資料進行地磁諧波振幅比計算（圖2）（烏魯木齊臺2013年底搬遷，溫泉臺2015年底更換儀器，所以僅對克拉瑪依臺進行異常分析）。數(shù)據(jù)計算具體步驟為：①將每日Z、H、D轉換為Z、Hх、Hу（世界時轉為北京時）；②格式轉換（“十五”格式轉為“九五”格式）；③去噪聲（將噪聲較大、缺數(shù)較多等資料段進行數(shù)據(jù)剔除）；④按周期等間隔計算5～60min的每分鐘的三分量Z（ω）、Hх（ω）和Hу（ω）；⑤計算諧波振幅比，獲得參與計算的臺站諧波振幅比結果。其中，步驟⑤又包括虛實諧波振幅比每日一逐頻值—帶均值逐日值—月滑動—年滑動平均計算等步驟。圖2給出了克拉瑪依臺的計算結果。由圖2可見，2014～2015年為克拉瑪依臺諧波振幅比下降階段，2015年底開始出現(xiàn)轉折或長短周期不同步現(xiàn)象，2016年底開始YZHx（NS）向長周期與YZHy（EW）向開始恢復上升。其中，YZHx（NS）向20、30min等中周期變化形態(tài)與其他周期變化明顯不一致。精河MS6.6地震即發(fā)生于趨勢性下降后的轉折期和中、短周期不同步期。

圖2 克拉瑪依臺地磁諧波振幅比變化與對應地震

2.2 短期異常

2.2.1 地磁垂直分量日變幅加卸載響應比

地磁加卸載響應比是曾小平等（1996）由尹祥礎等（1994）提出的加卸載響應比理論向地震地磁學的延拓（馮志生等，2000）。將磁擾過程作為地球磁場對太陽風加載和、卸載響應的過程。以垂直分量Z為例，取Z分量的日變幅度作為計算加卸載響應比的參量，定義響應比為

其中，下角標“＋”號表示加載，“-”表示卸載。該方法提取的異常為短期異常，地震一般在異常出現(xiàn)后半年內發(fā)生。應用該方法判定異常時，閾值選取是關鍵。馮志生等（2000）、朱燕等（2001）、戴勇等（2016）等對華東、新疆、甘青地區(qū)利用加卸載響應比法研究映震效果，結果表明，加卸載響應比高值與鄰區(qū)中強震間有一定對應關系。上述研究結果表明，根據(jù)不同地區(qū)測點的加卸載響應比P（Z）值時序曲線，由其附近的震例找出震前P（Z）異常的最低值即閾值P0（Z）。當P（Z）＜P0（Z）時正常；當P（Z）≥P0（Z）為異常，即有可能與其后發(fā)生的中強地震相對應。艾薩·伊斯馬伊力等（2017）研究認為，正常情況下，烏魯木齊臺、克拉瑪依臺、溫泉臺地磁垂直分量日變幅加卸載響應比值P（Z）一般為1.0～2.0。因此，本文將地磁響應比P（Z）≥3.3并且震中區(qū)至少有2個或2個以上臺站的地磁垂直分量加卸載響應比閾值P0（Z）大于最低異常值作為判據(jù)。

2016年7月18日烏魯木齊臺（2套儀器）、克拉瑪依臺、溫泉臺Z分量日變幅加卸載響應比同時出現(xiàn)超限高值異常，異常值分別為3.65、3.68、4.16、4.92；從異常出現(xiàn)到發(fā)震計 21天，該時段無人為或自然環(huán)境干擾；結合震例，可判定為此次地震的前兆異常，精河地震震中即位于異常最高值臺站附近的斷裂上（圖3）。對比2016年呼圖壁MS6.2地震異常發(fā)現(xiàn)，呼圖壁MS6.2地震前只有2個臺同步出現(xiàn)超限高值，這可能與震級和震中位置有一定關聯(lián)。

圖3 Z分量日變幅加卸載響應比

2.2.2 地磁日變幅逐日比

曾小平等（1996）分析了地磁垂直分量日變化幅度極大值與其后極小值之比與地震間的關系，發(fā)現(xiàn)高比值與臺站周邊地震間有良好的對應關系。在應用該方法的過程中，馮志生等（2001）發(fā)現(xiàn)下式中簡單比值的高值與臺站周邊的地震間也有良好的對應效果。

其中，A（t1）為地磁垂直分量日變化幅度；t2=t1＋1（t1為觀測日期）；Y為地磁垂直分量日變化幅度逐日比值。以往震例顯示，地磁逐日比異常為短期異常，地震一般在異常出現(xiàn)后半年內發(fā)生。

與加卸載響應比一樣，不同地區(qū)的逐日比閾值并不完全相同，所以，在將逐日比運用于區(qū)域震情判定之前確定閾值很重要，閾值設定不合理可導致虛報或者漏報。張翼等（2007）等利用烏魯木齊臺地磁垂直分量1980～2004年25年間的時均值資料計算日變幅及其逐日比，并對烏魯木齊臺地磁日變幅逐日比的映震效果進行了分析。其結果表明，日變幅逐日比異常與臺站周圍地震間有較好的對應效果，且通過了97.5%置信水平的R值評分檢驗，具有較好的預測效能。筆者將地磁逐日比應用于研究區(qū)的數(shù)字地磁資料，通過依次嘗試選取不同的閾值進行對比分析認為，新疆地區(qū)的逐日比方法閾值選取2.7比較合理（艾薩·伊斯馬伊力等，2017）。2017年5月16日、8月5日烏魯木齊臺（2套儀器）、克拉瑪依臺、溫泉地磁臺（2套儀器）Z分量日變幅逐日比出現(xiàn)超閾值的高值異常，異常值分別為2.75、2.80、2.97、2.80；從第1次異常出現(xiàn)到發(fā)震共83天，該時段無人為或自然環(huán)境干擾，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震前也出現(xiàn)類似變化。結合震例，上述異?？膳卸榫覯S6.6地震的前兆異常，其特征為短期異常（圖3）。

2.2.3 地磁低點位移

丁鑒海等（2009）利用中國地磁臺網(wǎng)多年的資料，研究了地磁垂直分量日變極小值出現(xiàn)的時間（低點時間）在空間分布的異常特征，即“低點位移”現(xiàn)象。這種少見的地磁異?，F(xiàn)象與地震的發(fā)生間有較好的相關性，發(fā)震時間絕大多數(shù)為異常出現(xiàn)后1～2個月內，發(fā)震地區(qū)在低點位移突變分界線附近。2017年7月5日中國大陸地磁場出現(xiàn)低點位移異常，2017年8月9日精河MS6.6地震即發(fā)生在低點位移突變分界線附近，低點位移預測時間8月1日或8月 15日前后 4天（圖 4、5）。

3 結論與討論

通過以上分析可以得出，2017年8月9日精河MS6.6地震前周邊地磁場存在異常變化，其主要特征如下。

（1）時間與空間上，沿斷裂帶及其附近臺站震前83天地磁逐日比和震前21天地磁加卸載響應比均出現(xiàn)超限的高值，且異常高值的空間分布都相對集中于震中區(qū)附近（最小震中距167km，最大震中距292km）。此外，2017年7月5日出現(xiàn)低點位移異常，其穿過震中附近地區(qū)，表現(xiàn)出一定的時空分布。

（2）精河MS6.6地震震中位于異常高值集中帶（異常最大值區(qū)距震中167km），即逐日比和加卸載響應比異常最高值與震中位置間有一定關聯(lián)。但是，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震前，只有烏魯木齊臺和克拉瑪依臺出現(xiàn)地磁加卸載響應比異常，這可能與震中位置、震級等之間有一定關聯(lián)。

圖4 Z分量日變幅逐日比

圖5 2017年7月5日地磁低點位移異常

（3）克拉瑪依臺諧波振幅比中周期與其他周期變化趨勢不同步，即20、30m in周期與40min周期變化不同步，這與震中位置間有一定的關聯(lián)（克拉瑪依臺距震中215km）。

（4）精河MS6.6地震前溫泉臺、克拉瑪依臺、烏魯木齊臺地磁前兆異常確實存在，從地磁資料長時間變化形態(tài)和異常時間、異常臺站等特征來看這不是偶然的。震中區(qū)多臺同步出現(xiàn)的地磁異常更多地反映了北天山地區(qū)整體區(qū)域構造應力的情況。

綜上所述，在此次精河MS6.6地震前，地磁前兆在短臨階段的確有一定的反應，且時空演化特征明顯。通過本文的地磁處理分析方法，可為未來該區(qū)域震情判定提供一定的參考依據(jù)。

致謝：在本文撰寫過程中，馮志生研究員給予了無私的幫助和指導，匿名審稿專家提出了寶貴意見，在此一并致謝。