山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震地磁異常綜合特征分析

郭文峰 閆計(jì)明 劉素珍 曹志勇

1）中國(guó)太原 030021 山西省地震局

2）中國(guó)山西 030024 太原理工大學(xué)

0 引言

地磁場(chǎng)由穩(wěn)定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)組成。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要分為外源場(chǎng)和外源場(chǎng)在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)。因此，變化磁場(chǎng)是把與孕震過(guò)程相關(guān)的諸多因素聯(lián)系起來(lái)的天然媒介，可以反映孕震區(qū)電磁性質(zhì)以及內(nèi)外環(huán)境因素的變化，并對(duì)孕震區(qū)起到調(diào)制、觸發(fā)作用?；谧兓艌?chǎng)的以上特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了地磁日變化異常與地震間的關(guān)系，即地震前可出現(xiàn)地磁垂直分量日變化的畸變，這包括日變化形態(tài)、相位和幅度的畸變等。因此，可利用地磁日變化異常進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究。

目前，地磁日變化異常提取方法主要有地磁低點(diǎn)位移法（丁鑒海等，1988）、地磁加卸載響應(yīng)比法（曾小蘋等，1996）、地磁日變化逐日比法（馮志生等，2001）、地磁日變化空間相關(guān)法（馮志生等，1998）和地磁每日一值空間相關(guān)法（馮志生等，2000）等。近年的震例研究表明，上述地磁異常在中強(qiáng)震前均有一定程度反映。如江蘇地區(qū)無(wú)磁暴時(shí)逐日比異常與預(yù)測(cè)范圍內(nèi)地震間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.77（袁桂平等，2018）；戴苗等（2017）得到了南北地震帶及鄰區(qū)18個(gè)顯著地震事件前震中周邊地磁臺(tái)站垂直分量加卸載響應(yīng)比，分析了地震前后地磁加卸載響應(yīng)比的時(shí)空分布特征及產(chǎn)生機(jī)理；黃頌等（2020）基于幅相法計(jì)算了2008—2018年低點(diǎn)位移異常，較大程度上提高了利用低點(diǎn)位移的異常報(bào)準(zhǔn)率。但單個(gè)方法也存在一定的局限性，如地點(diǎn)預(yù)測(cè)上存在地點(diǎn)不明確、預(yù)測(cè)范圍較大等問(wèn)題。已有研究（李鴻宇等，2018；倪曉寅等，2019）顯示，利用地磁學(xué)的多種方法進(jìn)行綜合分析可顯著縮小地震預(yù)測(cè)范圍，較好地解決了地點(diǎn)不明確的問(wèn)題。本文擬利用地磁低點(diǎn)位移、地磁加卸載響應(yīng)比和地磁日變幅逐日比等多種地磁分析方法，分析數(shù)字化觀測(cè)以來(lái)山西及鄰區(qū)4次中強(qiáng)地震前的地磁異常特征，并對(duì)這些異常的時(shí)空特征進(jìn)行綜合分析。

1 資料選取及預(yù)處理

以山西及鄰區(qū)數(shù)字化觀測(cè)以來(lái)MS≥4.5中強(qiáng)地震作為研究對(duì)象，選取山西及鄰區(qū) 5個(gè)?。ㄉ轿魇?、內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)、河北省西部地區(qū)、河南省及陜西?。┕?6個(gè)地磁臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖1），觀測(cè)儀器為FHD型質(zhì)子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行世界時(shí)—北京時(shí)轉(zhuǎn)換以及高階傅式擬合濾波等相關(guān)處理，以消除步長(zhǎng)（24 h）及儀器噪聲所引起的地磁日變幅偏大現(xiàn)象。

圖1 地磁臺(tái)站與地震分布Fig.1 Distribution map of the geomagnetic stations and earthquakes

2 方法

2.1 地磁加卸載響應(yīng)比法

大量研究表明，太陽(yáng)風(fēng)每過(guò)一段時(shí)間就會(huì)對(duì)地球進(jìn)行一次加載和卸載，使地球的磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。地磁日變幅極大值與其后極小值的比值被稱為太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球磁場(chǎng)的加卸載響應(yīng)比。

預(yù)測(cè)規(guī)則（馮志生等，2000；戴苗等，2017）：預(yù)測(cè)時(shí)間為異常出現(xiàn)后7個(gè)月內(nèi)；預(yù)測(cè)地點(diǎn)為異常閾值等值線200 km范圍內(nèi)；預(yù)測(cè)強(qiáng)度為震級(jí)4.6級(jí)以上。

2.2 地磁逐日比法

逐日比為馮志生等（2001）在應(yīng)用地磁加卸載響應(yīng)比時(shí)發(fā)現(xiàn)的新的預(yù)測(cè)分析方法，為相鄰2天地磁日變幅的比值。預(yù)測(cè)規(guī)則（馮志生等，2001，倪曉寅等，2017）：預(yù)測(cè)時(shí)間為異常出現(xiàn)后7個(gè)月內(nèi)；預(yù)測(cè)地點(diǎn)為異常閾值等值線200 km范圍內(nèi)；預(yù)測(cè)強(qiáng)度為震級(jí)4.6級(jí)以上。

2.3 地磁低點(diǎn)位移法

地磁低點(diǎn)位移（丁鑒海等，1988）是指一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間明顯與另一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間不同，而每個(gè)大區(qū)域內(nèi)部低點(diǎn)時(shí)間又相對(duì)一致，2 個(gè)區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時(shí)間相差 2 h以上。

預(yù)測(cè)規(guī)則（解用明等，2000）：預(yù)測(cè)時(shí)間為異常出現(xiàn)60天內(nèi)；預(yù)測(cè)地點(diǎn)為低點(diǎn)位移線附近半徑 200 km的范圍內(nèi)；預(yù)測(cè)強(qiáng)度為震級(jí)4.5級(jí)以上。

3 地磁異常震例

3.1 2010年1月24日河津MS 4.8地震

2010年1月24日河津MS4.8地震發(fā)生在山西斷陷帶臨汾盆地與峨嵋臺(tái)地隆起區(qū)的交界處，震中位于研究區(qū)中央，周圍臺(tái)站分布較均勻。在該地震發(fā)生前共發(fā)生1次地磁加卸載響應(yīng)比異常、3次低點(diǎn)位移異常。加卸載響應(yīng)比異常日期為2009年9月23日[圖2（a）]，異常臺(tái)站包括定襄地震臺(tái)、太原地震臺(tái)、榆林地震臺(tái)、呼和浩特地震臺(tái)等4個(gè)臺(tái)站，河津MS4.8地震發(fā)生在異常閾值線200 km范圍內(nèi)。低點(diǎn)位移異常分別出現(xiàn)在2010年1月16、20、22日[圖2（b）]，1月16日低點(diǎn)位移線呈NS走向，沿呂梁隆起區(qū)西緣穿過(guò)；1月20日低點(diǎn)位移線呈NW走向，沿山西運(yùn)城盆地邊緣穿過(guò)；1月22日低點(diǎn)位移線呈NS走向，沿太行隆起區(qū)穿過(guò)。地震震中距低點(diǎn)位移線異常線 100 km之內(nèi)。

3.2 2010年4月4日大同MS 4.6地震

2010年4月4日大同MS4.6地震發(fā)生在山西斷陷帶大同盆地與六棱山隆起區(qū)的交界處，震中位于研究區(qū)中央，周圍臺(tái)站分布較均勻。在該地震發(fā)生前共發(fā)生2次地磁加卸載響應(yīng)比異常、1次低點(diǎn)位移異常。加卸載響應(yīng)比異常日期分別為2009年9月23日及11月10日 [圖2（a），2（c）]，9月23日異常臺(tái)站包括定襄地震臺(tái)、太原地震臺(tái)、榆林地震臺(tái)、呼和浩特地震臺(tái)等4個(gè)臺(tái)站，11月10日異常臺(tái)站包括呼和浩特地震臺(tái)、廣平地震臺(tái)、紅山地震臺(tái)、涉縣地震臺(tái)、豐寧地震臺(tái)、大同地震臺(tái)、定襄地震臺(tái)等7個(gè)臺(tái)站，地震發(fā)生在閾值線以內(nèi)。低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)在2010年2月15日[圖2（d）]，低點(diǎn)位移線呈NE走向，沿山西大同盆地邊緣穿過(guò)，異常出現(xiàn)48天后在低點(diǎn)位移線的北側(cè)發(fā)生了大同MS4.6地震，地震震中距異常線 50 km 范圍之內(nèi)。

3.3 2010年6月5日陽(yáng)曲MS 4.6地震

2010年6月5日陽(yáng)曲MS4.6地震發(fā)生在山西斷陷帶太原盆地與石嶺關(guān)隆起區(qū)的交界處，震中位于研究區(qū)中央，周圍臺(tái)站分布較均勻。在該地震發(fā)生前共發(fā)生1次地磁加卸載響應(yīng)比異常、1次逐日比異常、1次低點(diǎn)位移異常[圖2（c）、2（e）、2（f）]。加卸載響應(yīng)比異常日期為2009年11月10日，地震發(fā)生在閾值線附近。逐日比異常出現(xiàn)在2010年5月6日，異常臺(tái)站為呼和浩特地震臺(tái)、榆林地震臺(tái)、乾陵地震臺(tái)、盧氏地震臺(tái)、臨汾地震臺(tái)、太原地震臺(tái)、定襄地震臺(tái)、大同地震臺(tái)、紅山地震臺(tái)、涉縣地震臺(tái)、廣平地震臺(tái)等11個(gè)臺(tái)站，異常發(fā)生在閾值線以內(nèi)。低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)在2010年5月9日，低點(diǎn)位移線呈EW走向，沿山西太原盆地南段穿過(guò)，異常出現(xiàn)27天后在低點(diǎn)位移線的西側(cè)發(fā)生了陽(yáng)曲MS4.6地震，地震震中距異常線 100 km 范圍之內(nèi)。

圖2 震前異常等值線及低點(diǎn)位移線（a）2009年9月23日加卸載響應(yīng)比異常；（b）2010年1月低點(diǎn)位移異常；（c）2009年11月10日加卸載響應(yīng)比異常；（d）2010年2月15日低點(diǎn)位移異常；（e）2010年5月6日逐日比異常；（f）2010年5月9日低點(diǎn)位移異常Fig.2 Anomaly contours and low-point displacement before the earthquake

3.4 2010年10月24日太康MS 4.7地震

2010年10月24日太康MS4.7地震震區(qū)位于河南地區(qū)太康隆起與周口坳陷交界處的遜母口凹陷內(nèi)，震中位于研究區(qū)南部，周圍臺(tái)站相對(duì)稀疏。在該地震發(fā)生前僅發(fā)生1次逐日比異常，地震震中距閾值線200 km范圍之內(nèi)。山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁異常統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁異常統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of geomagnetic anomalies before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

4 綜合預(yù)測(cè)分析

利用單一異常進(jìn)行地震預(yù)測(cè)時(shí)存在預(yù)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、預(yù)測(cè)范圍較大和預(yù)測(cè)震級(jí)較寬泛等問(wèn)題。在時(shí)間預(yù)測(cè)上，低點(diǎn)位移的預(yù)測(cè)時(shí)效為2個(gè)月，加卸載響應(yīng)比、逐日比的均為 7個(gè)月，這會(huì)產(chǎn)生對(duì)發(fā)震時(shí)間把握不準(zhǔn)等問(wèn)題；在地點(diǎn)預(yù)測(cè)上，以距閾值線、低點(diǎn)位移線200 km范圍內(nèi)為主要發(fā)震位置，會(huì)產(chǎn)生預(yù)測(cè)范圍較大等問(wèn)題；在震級(jí)上幾種方法都缺乏精確的震級(jí)指標(biāo)，預(yù)測(cè)震級(jí)相對(duì)寬泛。圖3為山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁所有異常的預(yù)測(cè)時(shí)間進(jìn)程圖，每條線代表1條異常，線條長(zhǎng)度代表異常的預(yù)測(cè)有效期。從圖3可知，河津MS4.8地震前共出現(xiàn)4次地磁異常。首先，2009年9月出現(xiàn)1次加卸載響應(yīng)比異常，隨后2010年1月陸續(xù)出現(xiàn)3次低點(diǎn)位移異常。大同MS4.6地震、陽(yáng)曲MS4.6地震震前也陸續(xù)出現(xiàn)了加卸載響應(yīng)比、逐日比、低點(diǎn)位移等異常。隨著發(fā)震日期的臨近，處于有效預(yù)測(cè)期限內(nèi)的異常數(shù)量逐漸增多，異常逐漸增加也預(yù)示著發(fā)震概率在逐步增加。

圖3 2009—2011年山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁異常預(yù)測(cè)進(jìn)程Fig.3 Time prediction process of geomagnetism anomaly from 2009 to 2011

圖4為中強(qiáng)地震前地磁異常的空間分布疊加。從疊加效果來(lái)看，河津MS4.8地震前疊加區(qū)域主要集中在呂梁隆起區(qū)南段的臨汾盆地（黑色橢圓），河津地震恰發(fā)生在臨汾盆地的河津—侯馬洼陷內(nèi)[圖4（a）]；大同MS4.6地震前疊加區(qū)域主要集中在忻定盆地北段恒山斷裂兩端（黑色橢圓），而大同地震發(fā)生在恒山北麓斷裂的大同盆地內(nèi)[圖4（b）]；陽(yáng)曲MS4.6地震前疊加區(qū)域主要集中山西中部太原盆地東部區(qū)域（黑色橢圓），而陽(yáng)曲地震發(fā)生太原盆地內(nèi)[圖4（c）]。相對(duì)于單一異常，利用前述3種異常進(jìn)行地震預(yù)測(cè)時(shí)，異常集中地區(qū)發(fā)震的可信度更高，預(yù)測(cè)范圍也明顯縮小。

圖4 山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁異常預(yù)測(cè)線空間分布（a）河津地震；（b）大同地震；（c）陽(yáng)曲地震Fig.4 Spatial distribution map of anomaly prediction lines before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

5 討論及結(jié)論

從利用單一異常的地震預(yù)測(cè)區(qū)域來(lái)看，其范圍較大，可信度不高；從預(yù)測(cè)時(shí)間來(lái)看，加卸載響應(yīng)比、逐日比屬于中期預(yù)測(cè)指標(biāo)，低點(diǎn)位移屬于短期預(yù)測(cè)指標(biāo)。通過(guò)綜合分析地磁異常的預(yù)測(cè)時(shí)間及預(yù)測(cè)地點(diǎn)，得出如下結(jié)論。

當(dāng)3個(gè)以上臺(tái)站地磁加卸載響應(yīng)、逐日比、地磁低點(diǎn)位移同時(shí)超過(guò)閥值時(shí)，則地磁加卸載響應(yīng)、逐日比異常可能為震前異常，且為中期預(yù)測(cè)指標(biāo)，有效預(yù)測(cè)期為7個(gè)月左右；地磁低點(diǎn)位移異常為短期預(yù)測(cè)指標(biāo)，有效期為2個(gè)月左右。

隨著發(fā)震日期臨近，異常數(shù)量會(huì)明顯增多，這提高了地磁單一方法的可信度，也預(yù)示著該區(qū)域發(fā)震概率增加。

從發(fā)震地點(diǎn)來(lái)看，地震易發(fā)生在異常預(yù)測(cè)線集中交匯地區(qū)，這縮小了預(yù)測(cè)范圍，且更加精確可信。

山西及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前出現(xiàn)了多項(xiàng)地磁異常，這表明該區(qū)域地殼深部電性狀況可能發(fā)生改變。變化磁場(chǎng)的感應(yīng)場(chǎng)反映到地磁日變化上，從而使震前出現(xiàn)多項(xiàng)地磁異常。

利用地磁異常綜合分析方法后對(duì)地震發(fā)震時(shí)間、地點(diǎn)的預(yù)測(cè)有了一些改進(jìn)。但研究中也有一些不足，如太康MS4.7地震前僅出現(xiàn)1次逐日比異常，推測(cè)這可能與周圍臺(tái)站稀疏以及地下介質(zhì)的復(fù)雜性有關(guān)，需進(jìn)一步開(kāi)展研究；同時(shí)，地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比均是基于Z分量日變幅比值得到的，還需利用諧波振幅比、空間相關(guān)法等地磁方法進(jìn)行綜合分析。

江蘇省地震局馮志生研究員、上海市地震局朱培育工程師為本研究提供了計(jì)算程序，在此一并表示感謝。