甘肅岷縣、漳縣6.6級(jí)地震地磁垂直分量日變化空間相關(guān)特征

戴 勇，高立新，趙 星，格 根

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

北京時(shí)間2013年7月22日7時(shí)45分，甘肅省定西市岷縣、漳縣交界（34.5oN，104.2oE）發(fā)生6.6級(jí)地震，震源深度為20km。這次地震發(fā)生在新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏塊體東北緣的甘肅東南部（簡(jiǎn)稱甘東南）地區(qū)，區(qū)內(nèi)存在多組活動(dòng)斷裂、地震活動(dòng)頻繁，是我國主要的地震區(qū)之一[1-4]。在該地震之前位于南北地震帶（簡(jiǎn)稱研究區(qū)）的地磁臺(tái)站出現(xiàn)較為顯著的異常變化，本文將著重采用地磁垂直分量日變化空間相關(guān)方法提取上述異常變化，并深入研究其時(shí)空特征。

地震地磁異常可導(dǎo)致地磁日變化形態(tài)畸變，這種畸變將導(dǎo)致日變化相關(guān)系數(shù)下降，基于這種思路，地震學(xué)者提出了地磁垂直分量日變化空間相關(guān)方法提取異常[5,6]。林美等[7]對(duì)1976—1979年云南省地磁臺(tái)站的垂直分量每日整點(diǎn)值進(jìn)行相關(guān)分析處理，這是我國地震學(xué)者最早采用地磁日變化空間相關(guān)方法處理地磁數(shù)據(jù)并提取異常的文獻(xiàn)記載。馮志生等[5]應(yīng)用江蘇地磁臺(tái)站垂直分量分量整點(diǎn)值資料，研究了江蘇地區(qū)垂直分量分量整點(diǎn)值的相關(guān)性及在江蘇地區(qū)地震預(yù)報(bào)中的作用，給出了該法在江蘇地區(qū)的異常判據(jù)指標(biāo)，即連續(xù)3日或者3日以上相關(guān)系數(shù)低于，且相鄰臺(tái)站也有類似變化，即視為異常，并應(yīng)用該指標(biāo)提取了1990—1997年的三個(gè)異常，其中兩個(gè)異常有地震對(duì)應(yīng)；另外發(fā)現(xiàn)在中高緯度地區(qū)每年的11月初至次年2月底，地磁垂直分量日變化相關(guān)性低，無法提取該時(shí)段前兆異常。馮志生等[6]應(yīng)用 FHD 磁力儀垂直分量分鐘值觀測(cè)資料，初步分析了地震之前的日變化空間相關(guān)性異常，在該文獻(xiàn)中首次采用延時(shí)技術(shù)消除了臺(tái)站經(jīng)度不一致造成的日變化相位差異對(duì)相關(guān)運(yùn)算的影響，同時(shí)總結(jié)出1995年9月20日山東蒼山5.3級(jí)、1996年11月9日南黃海6.1級(jí)等典型震例。在馮志生研究員針對(duì)地磁數(shù)字化資料特征開發(fā)了相關(guān)程序并在算法上進(jìn)行了開拓性創(chuàng)新之后，張秀霞等[8]、王亞麗等[9]、邱桂蘭等[10]采用地磁數(shù)字化觀測(cè)資料相繼在江蘇、青海、四川等地區(qū)開展了日變化空間相關(guān)研究，在資料運(yùn)用、技術(shù)方法、震例總結(jié)、指標(biāo)建立等方面都取得了一定的成果，并積累了一批可貴的震例資料。地磁垂直分量日變化空間方法在地震預(yù)測(cè)中有較好的應(yīng)用價(jià)值，但震例仍較少，本文主要對(duì)2013年岷縣、漳縣6.6級(jí)地震垂直分量日變化空間相關(guān)變化特征進(jìn)行研究和總結(jié)，這是對(duì)空間方法的有效檢驗(yàn)，同時(shí)所得震例也是對(duì)相關(guān)方法震例庫的有效補(bǔ)充。

1 分析方法與資料選取

1.1 方法原理及主要算法

（1）地磁日變化空間相關(guān)分析方法[6]：

設(shè)A、B兩臺(tái)地磁場(chǎng)垂直分量為ZA、ZB，它們線性相關(guān)，即：

（2）當(dāng)兩個(gè)臺(tái)站經(jīng)度差相約在10o以內(nèi)時(shí)可直接計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，但當(dāng)經(jīng)度差更大時(shí)，計(jì)算前需將經(jīng)度小的臺(tái)站日變化曲線向后延時(shí)[6]，以便相位的一致，此時(shí)僅能采用分鐘值的日變化曲線，而整點(diǎn)值數(shù)據(jù)因采樣間隔太大無法采用延時(shí)技術(shù)進(jìn)行修正。可用兩種方法確定延時(shí)量，第一個(gè)是根據(jù)兩個(gè)臺(tái)站的經(jīng)度差按每經(jīng)度4分鐘計(jì)算理論上的延時(shí)量；第二個(gè)是通過對(duì)比不同延時(shí)量的相關(guān)性，按相關(guān)性最佳確定延時(shí)量。兩者的結(jié)果不完全相同，一般而言，后一方法確定的延時(shí)量誤差較大，因?yàn)閮蓚€(gè)臺(tái)站的空間相關(guān)性不但與所取觀測(cè)時(shí)段有關(guān)，還與所取觀測(cè)時(shí)段的長(zhǎng)短及觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)場(chǎng)地構(gòu)造有關(guān)，一般來說延時(shí)量應(yīng)與理論值較接近。

（3）地磁日變化空間相關(guān)方法計(jì)算所得結(jié)果噪聲較大，在此采用滑動(dòng)平均方法對(duì)空間相關(guān)系數(shù)結(jié)果進(jìn)行濾波，其中，窗長(zhǎng)為9天，步長(zhǎng)為1天。

1.2 資料選取

我國目前臺(tái)站的磁通門磁力儀、FHD質(zhì)子矢量磁力儀、dIdD懸掛式磁力儀（Suspended dIdD）等儀器的地磁垂直分量日變化曲線都可用于分析，為方便延時(shí)處理一般應(yīng)采用分鐘值進(jìn)行分析，因有世界時(shí)與北京時(shí)區(qū)別，準(zhǔn)備資料時(shí)需注意時(shí)間統(tǒng)一。雖然地磁觀測(cè)有絕對(duì)觀測(cè)與相對(duì)觀測(cè)之分，但無論是絕對(duì)觀測(cè)還是相對(duì)觀測(cè)都可用于該方法分析。

本研究首先處理了位于南北地震帶（22o～42oN，94o～115oE）73個(gè)臺(tái)站地磁垂直分量數(shù)據(jù)。南北地震帶內(nèi)有19個(gè)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量欠佳或者長(zhǎng)期缺數(shù)等，具體為臨汾、盧氏、當(dāng)陽、韶關(guān)、天水、黃羊、紅沙、松山、古豐、蘆陽、西寧、大武、西昌、衛(wèi)城、石門坎、會(huì)理、永勝、楚雄、德令哈，另外紅山臺(tái)作為參考臺(tái)，上述臺(tái)站不參與分析。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果連續(xù)性、穩(wěn)定性等，最終選取了51個(gè)臺(tái)站作為地磁日變化空間相關(guān)時(shí)空分析的計(jì)算臺(tái)站（圖1）。

圖1 南北地震帶地磁臺(tái)站分布及岷縣、漳縣6.6級(jí)地震震中分布圖Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in northsouth seismic zone and the epicenter of Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake

2 地磁垂直分量日變化空間相關(guān)異常特征

2.1 時(shí)序特征

（1）為確定該地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列曲線變化的背景值和異常判定的閾值，計(jì)算了沒有異常且其間研究區(qū)內(nèi)未發(fā)生顯著地震的時(shí)間段內(nèi)的相關(guān)系數(shù)平均值和R-2δ，本震例中，均值、閾值計(jì)算時(shí)間段為2013年5月1日至6月20日，主要結(jié)果見表1。

表1 南北地震帶地磁垂直分量日變化空間相關(guān)異常參數(shù)

曲線名稱（計(jì)算臺(tái)-參考臺(tái)）臺(tái)間距（km）震中距（km） 背景值 閾值 異常時(shí)段超閾值天數(shù)（天） 變化幅度（%）石柱-新沂 1048 617 0.95 0.94 13 -2.90238通海-新沂 1896 1169 0.91 0.88 15 -13.279太原-新沂 644 822 0.95 0.92 9 -5.47698桃源-新沂 900 933 0.95 0.92 6 -4.41428巫山-新沂 884 655 0.96 0.95 11 -3.18392烏加河-新沂 1187 764 0.92 0.87 2 -6.49843萬州-新沂 1015 579 0.94 0.88 0 -1.83398仙女山-新沂 1138 650 0.95 0.93 11 -3.43506?？h-新沂 388 925 0.97 0.95 7 -3.29789信陽-新沂 479 949 0.97 0.96 4 -1.68012銀川-新沂 1172 478 0.92 0.89 4 -4.07429英鴿-新沂 1385 280 0.92 0.87 6 -9.31752榆林-新沂 892 643 0.93 0.89 0 -3.40442邕寧-新沂 1614 1373 0.94 0.91 14 -8.16323肇慶-新沂 1395 1514 0.94 0.92 14 -6.74609中衛(wèi)-新沂 1226 355 0.92 0.87 0 -4.76522鐘祥-新沂 640 879 0.96 0.94 0 -1.5055邵陽-新沂 1039 1068 0.95 0.93 9 -4.28789成都-紅山 1237 406 0.93 0.90 10 -8.31162察隅-紅山 1872 913 0.88 0.81 10 -23.6886道孚-紅山 1436 489 0.92 0.89 12 -10.9614丹江-紅山 615 711 0.95 0.92 0 -1.40817都蘭-紅山 1481 587 0.91 0.87 8 -7.30938定襄-紅山 164 876 0.99 0.98 0 -0.53644大同-紅山 323 1009 0.97 0.95 0 -0.69383恩施-紅山 925 686 0.94 0.90 0 -2.80963奉節(jié)-紅山 879 650 0.94 0.90 0 -2.76347涪陵-紅山 1085 615 0.93 0.90 5 -4.72353廣平-紅山 107 999 0.99 0.99 0 0.10452格爾木-紅山 1763 870 0.92 0.88 10 -11.6793固原-紅山 777 238 0.95 0.93 1 -2.14858貴陽-紅山 1409 912 0.89 0.84 8 -12.3777河池-紅山 1550 1157 0.91 0.87 11 -22.4985橫梁-紅山 1037 294 0.93 0.89 1 -3.98996呼和浩特-紅山 453 910 0.97 0.95 7 -2.65767湟源-紅山 1201 360 0.92 0.88 4 -4.86708漢中-紅山 784 270 0.95 0.92 0 -0.5921乾陵-紅山 662 368 0.96 0.94 5 -2.57229周至-紅山 703 358 0.94 0.92 9 -5.43623涇陽-紅山 613 416 0.96 0.94 2 -2.13512九峰-紅山 767 1063 0.94 0.90 0 -3.03567嘉峪關(guān)-紅山 1455 790 0.90 0.86 8 -9.53749洛陽-紅山 375 756 0.96 0.92 0 0.5232臨夏-紅山 1041 149 0.93 0.90 8 -5.42678蘭州-紅山 981 177 0.93 0.90 7 -4.77382木里-紅山 1636 786 0.91 0.88 13 -14.4451南山-紅山 1718 921 0.88 0.84 10 -14.4608山丹-紅山 1204 549 0.93 0.90 8 -5.57893寺灘-紅山 958 300 0.93 0.90 8 -5.27355涉縣-紅山 132 884 0.99 0.99 9 -0.47172十堰-紅山 645 640 0.95 0.92 0 -1.76178石柱-紅山 987 617 0.94 0.90 0 -3.67377通海-紅山 1864 1169 0.89 0.84 12 -15.9738太原-紅山 198 822 0.99 0.98 9 -5.79944桃源-紅山 998 933 0.92 0.87 0 -4.14432巫山-紅山 838 655 0.94 0.90 0 -3.29868烏加河-紅山 721 764 0.95 0.93 3 -3.15813

注：①臺(tái)間距指的是計(jì)算臺(tái)與參考臺(tái)之間距離；②震中距指的是甘肅岷縣6.6級(jí)地震震中與地磁臺(tái)站距離

（2）圖2、圖3顯示的是2013年1月開始至10月31日南北地震帶部分地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線。6月23日至7月19日位于南北地震帶的成都、察隅、道孚、都蘭、格爾木、貴陽、河池、周至、臨夏、蘭州、木里、南山、通海、太原、浚縣、英鴿、邕寧、肇慶等地磁臺(tái)站與新沂、紅山之間相關(guān)系數(shù)曲線出現(xiàn)準(zhǔn)同步的下降變化。異常期間，存在一個(gè)完整的“下降—轉(zhuǎn)折—回升”變化，其起始時(shí)間為6月23日，結(jié)束時(shí)間為7月19日，轉(zhuǎn)折時(shí)間為7月5日，具體異常參數(shù)如表1所示。距上述異常結(jié)束1個(gè)月內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生岷縣、漳縣6.6級(jí)地震。

（3）以新沂、紅山作為參考臺(tái)的地磁垂直分量日變化空間相關(guān)異常超閾值天數(shù)均在2天至15天，6天以上的比例分別為76%、83%。

（4）由于每年11月至次年2月（圖2、圖3），中低緯度地區(qū)地磁垂直分量日變形態(tài)較弱、信噪比低等，其空間相關(guān)系數(shù)較差，相關(guān)系數(shù)曲線波動(dòng)變化往往淹沒了異常變化，因此在采用地磁日變化空間相關(guān)方法時(shí)，將每年11月至次年2月列為無效時(shí)間段，不進(jìn)行分析。

2.2 空間分布特征

（1）2013年5月1日至6月20日，南北地震帶內(nèi)計(jì)算臺(tái)與參考臺(tái)之間地磁垂直分量空間相關(guān)系數(shù)曲線無異常，其間無顯著地震發(fā)生。該段期間的相關(guān)系數(shù)平均值等值線圖顯示的是南北地震帶地磁垂直分量空間相關(guān)空間分布背景特征（圖4a、圖5a）。無異常期間，空間相關(guān)系數(shù)等值線分布總體是依賴于參考臺(tái)位置，距離參考臺(tái)越遠(yuǎn)，系數(shù)越小。

圖2 甘肅岷縣、漳縣6.6級(jí)地震前地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線（參考臺(tái)及其數(shù)據(jù)：新沂FHD-2垂直分量）Fig.2 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of FHD-2 at Xinyi Station）

圖3 甘肅岷縣、漳縣6.6級(jí)地震前地磁垂直分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線（參考臺(tái)及其數(shù)據(jù)：紅山GM4垂直分量）Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of GM4 at Hongshan Station）

（2）經(jīng)過去背景和歸一化后的2017年7月5日南北地震帶空間相關(guān)系數(shù)等值線圖顯示，兩個(gè)參考臺(tái)的等值線圖中在異常期間均存在高梯度帶，且梯度帶走向一致，不受參考臺(tái)位置的影響。另外要說明的是，此梯度帶同時(shí)也是異常臺(tái)站集中區(qū)域邊緣。岷縣6.6級(jí)地震震中位于高梯度帶附近。

圖4 地磁垂直分量空間相關(guān)等值線圖（背景）Fig.4 Correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation

圖5 2013年7月5日地磁垂直分量空間相關(guān)等值線圖（去背景且歸一化）Fig.5 Normalized correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation with background values removed（20130705）

3 結(jié)論與討論

（1）在2013年岷縣、漳縣6.6級(jí)地震前，參與分析的51個(gè)地磁臺(tái)站中，成都、察隅、道孚、都蘭、格爾木、貴陽、河池、周至、臨夏、蘭州、木里、南山、通海、太原、?？h、英鴿、邕寧、肇慶等地磁臺(tái)站與新沂、紅山兩個(gè)參考臺(tái)之間垂直分量日變化相關(guān)系數(shù)在同時(shí)段內(nèi)均出現(xiàn)形態(tài)一致性好且超閾值的下降變化。對(duì)異常期間南北地震帶相關(guān)性空間掃描發(fā)現(xiàn)，經(jīng)去除背景值和歸一化之后的相關(guān)系數(shù)等值線圖中出現(xiàn)了有別于背景分布的高梯度帶，岷縣、漳縣6.6級(jí)地震震中位于異常臺(tái)站集中的區(qū)域邊緣。

（2）研究人員在總結(jié)了南北地震帶岷縣、漳縣6.6級(jí)地震等震例基礎(chǔ)之上，得到南北地震帶地磁垂直分量日變化空間相關(guān)異常判定依據(jù)，即為：選取研究區(qū)外2個(gè)或2個(gè)以上數(shù)據(jù)質(zhì)量好的臺(tái)站作為參考臺(tái)站，研究區(qū)內(nèi)3個(gè)及3個(gè)以上臺(tái)站與上述參考臺(tái)站之間垂直分量相關(guān)系數(shù)九日滑動(dòng)值在同時(shí)間段內(nèi)若出現(xiàn)形態(tài)一致性好的下降變化，下降幅度超過2倍均方差，異常持續(xù)時(shí)間達(dá)到6天以上，同期位于研究區(qū)外的地區(qū)未出現(xiàn)類似顯著變化，即可認(rèn)為此變化為地磁日變化空間相關(guān)異常。

（3）馮志生等[6]通過對(duì)江蘇地區(qū)的觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)在中高緯度地區(qū)每年的11月初至次年的2月底之前，地磁Z分量日變化較弱，信噪比低，相關(guān)性低，本研究對(duì)全國大部分地磁臺(tái)站2008年以來地磁垂直分量和總場(chǎng)（限北方地區(qū)）數(shù)據(jù)進(jìn)行了日變化空間相關(guān)計(jì)算，所得結(jié)論與馮志生等[6]結(jié)論一致，該方法是無法提取每年的11月初至次年的2月底地磁異常。

（4）磁暴雖然是全球性劇烈變化，但同步性很好，因此磁暴不會(huì)引起相關(guān)系數(shù)下降。但鉤擾是中低緯度地區(qū)的局部性變化，與地震地磁異常等局部性變化一樣，將導(dǎo)致地磁垂直分量日變化相關(guān)系數(shù)的下降，這可能是相關(guān)曲線上時(shí)常出現(xiàn)單獨(dú)一日相關(guān)系數(shù)下降現(xiàn)象的原因，分析人員需注意區(qū)別。

（5）地磁低點(diǎn)位移[11-12]、加卸載響應(yīng)比[13]、逐日比[14]、每日一值空間相關(guān)[15]與地磁日變化變化空間相關(guān)方法等，都是用于提取日變畸變[16-17]，上述四種方法異常特征產(chǎn)生機(jī)理是相近的。