地震前紅山臺(tái)地磁變化及異常指標(biāo)分析

暢國(guó)平，王秀敏，王志敏，和少鵬，張明哲，張波尹小兵，胡秀娟，王利兵

(1.河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)，河北 隆堯 055350；2.河北省地震局赤城地震臺(tái)，河北 赤城 075000)

0 引 言

地球磁場(chǎng)是隨時(shí)間和空間變化的物理量，太陽活動(dòng)的影響產(chǎn)生變化磁場(chǎng)。變化磁場(chǎng)主要包含太陽靜日變化、磁暴和地磁脈動(dòng)等。地球磁場(chǎng)按來源劃分為外源場(chǎng)和內(nèi)源場(chǎng)。外源場(chǎng)是來源于外空電流體系產(chǎn)生的地球變化磁場(chǎng)；內(nèi)源場(chǎng)通常指源于固體地球的磁場(chǎng)，主要部分是源于地球外核的主磁場(chǎng)，還有很小一部分是地殼磁性物質(zhì)引起的磁場(chǎng)和外源場(chǎng)的感應(yīng)場(chǎng)。感應(yīng)場(chǎng)的變化不僅與外源場(chǎng)的強(qiáng)度和分布有關(guān)，而且還取決于地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布。由已知外源場(chǎng)研究?jī)?nèi)源場(chǎng)與地下電導(dǎo)率分布關(guān)系的理論，找出地球磁場(chǎng)變化與地球內(nèi)部電導(dǎo)率的關(guān)系[1]。在地震孕育過程中，孕震區(qū)地下介質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，這其中包括了地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化，圍繞著如何提取這種電性的微弱變化，科研人員開展了大量的工作。通過理論分析和震例分析發(fā)現(xiàn)，地磁場(chǎng)Z分量與地下介質(zhì)的關(guān)系最為密切[2-8]。加卸載響應(yīng)比、垂直分量諧波振幅比等都是提取地下介質(zhì)電導(dǎo)率變化信息很好的方法。

1 紅山基準(zhǔn)臺(tái)概況

紅山基準(zhǔn)臺(tái)始建于1966年邢臺(tái)地震后，由著名地質(zhì)學(xué)家李四光選址，中國(guó)科學(xué)院建立，屬于國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)，是全國(guó)建臺(tái)較早的地震臺(tái)站。該臺(tái)站海拔20 m,地處太行山山前斷裂帶—隆堯、束鹿斷裂帶南端，臺(tái)基為紅色石英砂巖。臺(tái)站位置偏離城鎮(zhèn)和村莊，周圍干擾源很少，為觀測(cè)提供了良好的環(huán)境。臺(tái)站主要任務(wù)是監(jiān)視邢臺(tái)震區(qū)的地震活動(dòng)情況，研究震情發(fā)展趨勢(shì)，探索地震預(yù)報(bào)方法和途徑[3]。

自1966年建臺(tái)以來，紅山臺(tái)地磁觀測(cè)一直連續(xù)記錄到現(xiàn)在，積累了50多年的地磁觀測(cè)寶貴資料。作為全國(guó)地磁觀測(cè)的基準(zhǔn)臺(tái)，其地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)還承擔(dān)著對(duì)外交換任務(wù)。加拿大、新西蘭、哈薩克斯坦、希臘以及國(guó)內(nèi)地震專家曾多次來紅山臺(tái)訪問、學(xué)習(xí)和交流。地磁觀測(cè)最早采用CB-3型和57型記錄儀，F(xiàn)HD-1型質(zhì)子矢量磁力儀和CJ6-8004地磁絕對(duì)觀測(cè)儀。經(jīng)“十五”數(shù)字化改造后，紅山臺(tái)目前儀器有地磁相對(duì)記錄儀GM4磁通門磁力儀、質(zhì)子矢量磁力儀FHD-2B儀、地磁絕對(duì)觀測(cè)儀Mingeo-DIM和TDJ2E-NM磁通門經(jīng)緯儀以及G856質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀。近年來紅山臺(tái)地磁觀測(cè)資料在全國(guó)和全省評(píng)比中都名列前茅，其觀測(cè)資料連續(xù)可靠有很高的利用價(jià)值[4-5]。

2 資料的選取及計(jì)算方法

本文選取2002年1月1日至2015年12月31日紅山臺(tái)地磁垂直分量Z的觀測(cè)資料，結(jié)合河北省內(nèi)其它地磁臺(tái)站，利用地磁加卸載響應(yīng)比、日變幅逐日比和空間相關(guān)分析法，研究分析了紅山臺(tái)2002～2015年地磁垂直分量觀測(cè)資料與河北省及鄰區(qū)地震之間的關(guān)系，提取了地磁異常變化信息，并給出了適用于紅山臺(tái)的映震指標(biāo)參數(shù)。

2.1 地磁加卸載響應(yīng)比

太陽風(fēng)以紫外線輻射和粒子流輻射兩種形式影響地球磁場(chǎng)，形成磁暴、磁擾和磁靜日的變化磁場(chǎng)。加卸載響應(yīng)比理論是參考尹祥礎(chǔ)和尹燦、曾小平等提出的測(cè)震學(xué)理論[1]，將此方法運(yùn)用到地磁學(xué)研究中。其理論是：太陽風(fēng)對(duì)地球平均5～6天有一次較強(qiáng)的沖擊—暴風(fēng)，并使地球產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)—磁暴。外空?qǐng)龅淖兓苯佑绊懙降卮艌?chǎng)的日變形態(tài)，構(gòu)成對(duì)地磁場(chǎng)的一個(gè)加載、卸載過程。以太陽日照為加載，無日照為卸載。由于Z分量較其他地磁分量與地下介質(zhì)的關(guān)系更為密切，因此，在研究過程中以Z分量為主。在正常情況下，加載與卸載之比P(Z)接近一個(gè)常數(shù)，若地磁場(chǎng)本身有異常夾在其中，很可能使加載與卸載之比超出正常值變化范圍，產(chǎn)生異常變化。因此，取地球磁場(chǎng)的暴時(shí)變化Dst(Z)作為太陽風(fēng)對(duì)地球加卸載響應(yīng),從而計(jì)算加卸載響應(yīng)比P(Z)[2-3]。在實(shí)際操作中取Dst(Z)為每日的Z分量日變幅度：

P(Z)=Dst(Z)+/Dst(Z)-

(1)

其中，“+”為加載，“-”為卸載。

2.2 日變幅逐日比

地球變化磁場(chǎng)垂直分量日變幅是地球變化磁場(chǎng)的外場(chǎng)及由地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的變化內(nèi)場(chǎng)疊加而成，它的大小不但受外場(chǎng)的控制，同時(shí)也受內(nèi)場(chǎng)的影響。地球內(nèi)部電性介質(zhì)的變化必定影響其感應(yīng)生成的內(nèi)場(chǎng)，因此地球磁場(chǎng)垂直分量的日變化幅度可以反應(yīng)地球內(nèi)部介質(zhì)電性性質(zhì)的變化。曾小平等分析了地磁場(chǎng)垂直分量日變幅極大值及其后極小值之比值與地震的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高比值與臺(tái)站周邊地震有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用該法的過程中，我們發(fā)現(xiàn)下面這個(gè)簡(jiǎn)單比值的高值與其臺(tái)站周邊地震也有良好的對(duì)應(yīng)效果[2]。

(2)

其中A(t)為地磁垂直分量日變化幅度，t2=t1+1，(t1為觀測(cè)日期)，本文將Y取名為地磁垂直分量日變化幅度逐日比值。

2.3 空間相關(guān)分析

地磁正常背景場(chǎng)的分布與變化具有空間上的相關(guān)性和時(shí)間上的延拓性。單臺(tái)地磁日變幅逐日變化很復(fù)雜，即使變化很大也不能算作地震前的異常，必須消除地磁正常背景場(chǎng)的變化，突出與地震相關(guān)的磁異常。采用空間相關(guān)法分析異常體內(nèi)外同時(shí)觀測(cè)到的地磁場(chǎng)Z分量資料，可得到異常體的地震磁異常信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)是即使兩個(gè)臺(tái)站距離較大或長(zhǎng)期變化不太一致，也能較好地消除正常背景場(chǎng)和長(zhǎng)期變化的影響，進(jìn)而反映出微弱的震磁信息。

地磁場(chǎng)Z分量與地下介質(zhì)的關(guān)系最密切。設(shè)A、B兩個(gè)臺(tái)站地磁Z分量日變化幅度為ZA、ZB，且成線性相關(guān)[3]，即：

ZBi=bZAi+a(i=1，2,……,N，N為計(jì)算相關(guān)系數(shù)窗長(zhǎng))

(3)

相關(guān)系數(shù)為

(4)

標(biāo)準(zhǔn)偏差為

(5)

相關(guān)系數(shù)R越接近1，表示相關(guān)性越強(qiáng)。剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差σ是對(duì)數(shù)據(jù)離散程度估計(jì)量，越小越好。

3 結(jié)果分析

本文以2002～2015年發(fā)生在河北省及鄰近地區(qū)MS≥4.0的中強(qiáng)地震作為研究震例，地震的基本參數(shù)見表1。

表1 2002～2015年河北及鄰區(qū)MS≥4.0地震

圖1 紅山臺(tái)地磁Z分量日變化響應(yīng)比曲線

3.1 加卸載響應(yīng)比

地磁加卸載響應(yīng)比方法是利用能較好反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的響應(yīng)比P(Z)作為響應(yīng)函數(shù)，以正常情況下的時(shí)間變化和空間分布作為背景，研究地震的孕育過程。本文計(jì)算了紅山臺(tái)2002～2015年間的P(Z)值(圖1)，并將P(Z)≥3.0定為異常值，結(jié)果顯示14年中共出現(xiàn)異常13組16次(1次異常出現(xiàn)后在3個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)多次異常的為1組，異常時(shí)間以第1次異常時(shí)間為準(zhǔn))，其中對(duì)應(yīng)地震7次，漏報(bào)地震3次，虛報(bào)10次，加卸載響應(yīng)比異常與地震對(duì)應(yīng)情況(表2)。加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)異常信度較高，可能是地震前紅山臺(tái)及周圍地區(qū)的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致地球介質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生了變化，反映出這種現(xiàn)象在震前是客觀存在的，為紅山臺(tái)今后加卸載響應(yīng)比預(yù)報(bào)地震提供了依據(jù)。

表2 紅山臺(tái)地磁Z分量響應(yīng)比異常及與Ms≥4.0地震對(duì)應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)

3.2 日變幅逐日比

地磁垂直分量日變幅逐日比方法是利用能較好反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的逐日比Y(Z)作為響應(yīng)函數(shù)，以正常情況下的時(shí)間變化和空間分布作為背景，研究地震前由于電導(dǎo)率變化引起的磁逐日比異常來預(yù)測(cè)地震。本文計(jì)算了紅山臺(tái)2002～2015年的Y(Z)值(圖2)，并將Y(Z)≥2.6定為異常值，結(jié)果顯示14年中共出現(xiàn)異常7組9次(1次異常出現(xiàn)后在5個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)多次異常的為1組，異常時(shí)間以第1次異常時(shí)間為準(zhǔn))，其中對(duì)應(yīng)地震5次，虛報(bào)地震2次，漏報(bào)地震1次(表3)。地磁垂直分量日變幅逐日比出現(xiàn)異常信度較高，可能是地震前在紅山臺(tái)及周圍地區(qū)的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致地球介質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生了變化，反映出這種現(xiàn)象在震前是客觀存在的，為紅山臺(tái)今后地磁垂直分量日變幅逐日比預(yù)報(bào)地震提供了依據(jù)。

圖2 紅山臺(tái)地磁Z分量日變幅逐日比變化曲線

表3 紅山臺(tái)地磁Z分量日變幅逐日比異常及與Ms≥4.0地震對(duì)應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)

3.3 空間相關(guān)分析方法

應(yīng)用磁電異常分析軟件，選取窗長(zhǎng)為21天，計(jì)算了2009～2015年河北省6個(gè)臺(tái)站地磁Z分量日變化幅度相對(duì)紅山臺(tái)Z分量日變化幅度空間相關(guān)系數(shù)，其中承德臺(tái)在2009年12月31日～2011年12月6日和新樂臺(tái)在2009年1月1日～2011年12月7日缺數(shù)，不參與計(jì)算。

圖3 河北省各臺(tái)站相對(duì)紅山臺(tái)地磁Z分量日變化幅度空間相關(guān)曲線(橫線為閾值R=0.90)

由圖3可以看出，在2009年3月4日至16日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在承德臺(tái)為0.839，異常結(jié)束12天后，3月28日發(fā)生山西原平Ms4.3級(jí)地震；2009年11月24日至12月21日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在豐寧臺(tái)為0.688，異常結(jié)束4個(gè)月后，2010年4月4日山西大同發(fā)生了Ms4.2級(jí)地震；2011年1月22日至2月1日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在豐寧臺(tái)為0.821，異常結(jié)束1年3個(gè)月后，2012年5月28日河北唐山發(fā)生了Ms4.8級(jí)地震；2015年3月24日至4月4日有1組異常，最低相關(guān)系數(shù)在涉縣臺(tái)為0.727，異常結(jié)束5個(gè)月后，2015年9月14日河北昌黎發(fā)生了Ms4.2級(jí)地震。河北各地磁臺(tái)相對(duì)紅山臺(tái)Z分量日變幅空間相關(guān)系數(shù)曲線出現(xiàn)不同程度的同步低值異常，且異常結(jié)束12天至15個(gè)月后發(fā)生地震4次，異常幅值都低于0.90，所以將R≤0.90設(shè)定為異常值，該定量指標(biāo)可供研究河北地區(qū)震情跟蹤提供參考。

4 結(jié)論與討論

(1)紅山臺(tái)地處太行山山前斷裂帶，隆堯—束鹿斷裂帶交匯處，是構(gòu)造敏感地區(qū)。研究分析表明，對(duì)于400 km左右的中強(qiáng)地震，震前紅山臺(tái)地磁場(chǎng)出現(xiàn)異常變化，地磁異常對(duì)應(yīng)中強(qiáng)震的時(shí)間一般為1～14個(gè)月，為紅山臺(tái)地震預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

(2)通過加卸載響應(yīng)比分析，發(fā)現(xiàn)紅山臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比P(Z)異常與中強(qiáng)地震有較好的映震關(guān)系，在正常情況下P(Z)值在1.0～2.0左右，當(dāng)P(Z)≥3.0時(shí)，在1～14個(gè)月內(nèi)，在距離紅山臺(tái)400 km范圍內(nèi)將可能發(fā)生Ms≥4.0級(jí)地震，震例統(tǒng)計(jì)顯示發(fā)震概率為70%。

(3)紅山臺(tái)地磁日變幅在正常情況下Y(Z)值在0.5～1.5左右，當(dāng)Y(Z)≥2.6時(shí)，在3～13個(gè)月內(nèi)，在距離紅山臺(tái)400 km范圍內(nèi)可能將發(fā)生Ms≥4.0地震，震例統(tǒng)計(jì)顯示發(fā)震概率為50%。

(4)通過2009～2015年河北省各臺(tái)站相對(duì)紅山臺(tái)空間相關(guān)分析，共出現(xiàn)8次異常，其中對(duì)應(yīng)地震4次，應(yīng)報(bào)地震4次，無漏報(bào)，虛報(bào)4次，說明地磁空間相關(guān)異常與地震有較高的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該方法在地震預(yù)報(bào)中有較高的利用價(jià)值。

(5)本文所使用的幾種分析方法是地磁學(xué)預(yù)報(bào)地震常用的分析方法，地磁加卸載響應(yīng)比、日變幅逐日比及相關(guān)分析可作為紅山臺(tái)區(qū)域地震研究預(yù)報(bào)方法，同時(shí)也給出了響應(yīng)的異常指標(biāo)參數(shù)。紅山臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比預(yù)報(bào)地震最佳，預(yù)報(bào)地震高達(dá)70%；日變幅逐日比和空間相關(guān)可信度也在50%及以上。

致謝：本文研究采用江蘇局馮志生研究員編寫的磁電異常分析軟件，在此表示衷心感謝！