營(yíng)口地磁諧波振幅比分析

張志宏，李 偉*，朱曉秋，李夢(mèng)瑩，黃明威

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.營(yíng)口地震臺(tái)，遼寧 營(yíng)口 115100）

0 引言

地震孕育過(guò)程中，孕震區(qū)應(yīng)力可引起地下電性結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率等的變化，使感生的二次磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁場(chǎng)變化不僅表現(xiàn)在地磁垂直分量上，也表現(xiàn)在地磁水平分量上?；谏鲜隼碚摚琒chmucke[1]引入了轉(zhuǎn)換函數(shù)的概念。馮志生等[2]在地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)理論基礎(chǔ)上提出了地磁諧波振幅比概念。近年來(lái)，許多地震研究者[3-9]總結(jié)出了中強(qiáng)地震發(fā)生前后地磁諧波振幅比的趨勢(shì)性異常變化特征與地電阻率的趨勢(shì)性地震異常特征相似，表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)，持續(xù)時(shí)間為1年以上，地震對(duì)應(yīng)震級(jí)與異常持續(xù)時(shí)間成正比關(guān)系。異常形成的機(jī)理也得到了一定的探討，李琪等[10]研究認(rèn)為地磁諧波振幅比的變化與電導(dǎo)率異常帶的分布一致，倪曉寅等[11]推測(cè)異常的機(jī)理是臺(tái)站觀測(cè)區(qū)存在高導(dǎo)帶。

遼寧地區(qū)是我國(guó)東部重要的地震監(jiān)視區(qū)，做好地球物理場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析是震情監(jiān)視的重要保障，本文結(jié)合2008年?duì)I口地區(qū)300km內(nèi)MS4.0以上地震的時(shí)、空、強(qiáng)特征，通過(guò)速率累積法[12]分析營(yíng)口地磁諧波振幅比的變化趨勢(shì)，從而探討營(yíng)口地磁諧波振幅比異常的可靠性和孕震機(jī)理。

1 方法原理

根據(jù)電磁感應(yīng)理論，對(duì)于隨時(shí)間周期變化的不均勻場(chǎng)源，視地球介質(zhì)為均勻各向同性的平面導(dǎo)體條件下，地磁諧波振幅比的定義為:

式中，YZHx和YZHy分別為南北向和東西向的地磁諧波振幅比。Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁場(chǎng)的垂直分量、南北向水平分量及東西向水平分量的譜值。

地磁諧波振幅比也可以表達(dá)為磁測(cè)深視電阻率:

式中，ω為圓頻率，μ為磁導(dǎo)率，λ為整數(shù)。依據(jù)地磁測(cè)深視電阻率公式（2），地磁諧波振幅比能夠反應(yīng)介質(zhì)深部電阻率的變化?？梢哉f(shuō)地磁諧波振幅比算法具有明確的物理意義。

利用《地震地磁數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)程序》進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、計(jì)算及繪圖工作。在“數(shù)據(jù)下載”菜單欄下載2014年至2020年?duì)I口地磁FHD分鐘值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載完成后進(jìn)行諧波振幅比計(jì)算。具體計(jì)算步驟如下:（1）計(jì)算每天地磁三分量采樣數(shù)據(jù)譜幅度；（2）獲得二個(gè)方向5~65分鐘各周期的地磁諧波振幅比；（3）按10分鐘的頻帶寬度計(jì)算各頻帶地磁諧波振幅比的頻帶均值，獲得10、20、30、40、50、60分鐘的地磁諧波振幅比；（4）計(jì)算10、20、30、40、50、60分鐘的逐日變化序列；（5）采用窗長(zhǎng)一年的滑動(dòng)平均法消除各頻帶地磁諧波比逐日變化序列的年變化。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)口臺(tái)地質(zhì)概況

營(yíng)口地震臺(tái)所在地區(qū)為大石橋市，在地質(zhì)構(gòu)造上屬于郯城—廬江斷裂帶的北延帶附近，臺(tái)址附近出露的基巖是晚侏羅世粗?；◢弾r。該地區(qū)最發(fā)育的斷裂是北東向斷裂，由西向東依次是高升張家屯斷裂、臺(tái)安—大洼斷裂、大灣—二界溝斷裂、佟二堡—營(yíng)口斷裂、金州鞍山斷裂、青山懷—八里斷裂。佟二堡—營(yíng)口斷裂以西幾條斷裂是屬于郯城—廬江斷裂的北延。該區(qū)發(fā)育的另一組構(gòu)造是北西西向構(gòu)造帶，它們分別是虎皮峪背斜，三道嶺—周家堡子?xùn)|西向擠壓帶，青花峪東西向斷裂帶，這組構(gòu)造的特點(diǎn)是規(guī)模小，斷裂多是隱伏斷裂。營(yíng)口地震臺(tái)附近地區(qū)在歷史上發(fā)生多次中、強(qiáng)地震，1859年9月19營(yíng)口MS51/4地震、1885年4月7日營(yíng)口MS51/2地震、1940年8月5日蓋縣熊岳MS53/4地震、1975年2月4日海城MS7.3地震以及1999年11月29日岫巖MS5.4地震。

2.2 營(yíng)口臺(tái)地磁諧波振幅比

營(yíng)口臺(tái)地磁諧波振幅比異常起始時(shí)間為

2018年初，截止到2020年3月末，異常仍然持續(xù)。計(jì)算曲線（圖1）顯示，NS向2018年初至2019年初10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為上升，同一時(shí)間段EW向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為下降。2019年初至今NS向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為下降，同一時(shí)間段EW向10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期段表現(xiàn)為上升。速率累加算法[12]結(jié)果顯示，2018年3月以來(lái)10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘周期呈持續(xù)下降趨勢(shì)（表1）。

圖1 營(yíng)口地磁諧波振幅比及其速率累加結(jié)果Fig.1 Amplitude ratio of geomagnetic harmonic and its rate accumulation results in Yingkou

表1 營(yíng)口臺(tái)諧波振幅比異常信息表

2.3 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境及觀測(cè)系統(tǒng)分析

2.3.1 儀器運(yùn)行狀態(tài)

營(yíng)口地震臺(tái)是綜合觀測(cè)臺(tái)站，也是國(guó)家定點(diǎn)地形變觀測(cè)基本臺(tái)站。測(cè)震及地球物理場(chǎng)觀測(cè)手段齊全，地球物理場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目主要包括地傾斜、地應(yīng)變、地磁場(chǎng)及地下流體等地球物理觀測(cè)手段。出現(xiàn)異常信息的儀器為FHD-2B型分量質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，該儀器于2005年嚴(yán)格按照堪選要求新建地磁觀測(cè)室，經(jīng)測(cè)試符合地磁場(chǎng)觀測(cè)要求。2006年安裝，2007年試觀測(cè)，2008年正式觀測(cè)至今。此儀器運(yùn)行穩(wěn)定、工作正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可信精度高。儀器測(cè)量范圍20，000～70，000nT，分辨力0.1nT，觀測(cè)精度F≤0.5nT；H≤0.5nT；D≤0.15′，采樣率1次/分。FHD-2B分量質(zhì)子磁力儀既可以作為絕對(duì)觀測(cè)儀器使用，又可以作為相對(duì)觀測(cè)儀器使用。作為相對(duì)儀器使用時(shí)，可以對(duì)磁場(chǎng)三分量進(jìn)行分鐘值采樣的連續(xù)記錄；作為絕對(duì)儀器使用時(shí)，可以觀測(cè)出地磁總強(qiáng)F和水平分量H的絕對(duì)值，雖然其觀測(cè)的磁偏角是相對(duì)變化量，但因?yàn)榫哂凶晕倚Ｕδ埽虼?，也可以?duì)磁偏角連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期漂移做出自我校正。

日常工作中定時(shí)查看儀器的運(yùn)行狀態(tài)，定時(shí)檢查臺(tái)站供電情況，定時(shí)對(duì)儀器時(shí)鐘進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。每天登錄FHD網(wǎng)頁(yè)主頁(yè)查看儀器參數(shù)及運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理。臺(tái)站觀測(cè)人員對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查，儀器工作參數(shù)正常，數(shù)采工作穩(wěn)定，接線無(wú)松動(dòng)；同時(shí)對(duì)儀器探頭部分進(jìn)行了檢查。探頭所在地磁房室內(nèi)環(huán)境良好，房屋頂棚四角有滲雨的痕跡但并不嚴(yán)重；隔震槽內(nèi)無(wú)雜物；探頭墩無(wú)破裂或傾斜；各數(shù)據(jù)線接觸點(diǎn)穩(wěn)固，沒(méi)有虛接或松動(dòng)；儀器底腳螺絲未發(fā)現(xiàn)生銹痕跡及松動(dòng)情況；儀器北南向和東西向水泡居中，水平狀態(tài)正常；數(shù)據(jù)線的走線和布局情況正常（圖2）。

圖2 營(yíng)口質(zhì)子磁力儀（FHD-2B）Fig.2 Yingkou proton magnetometer（FHD-2B）

2.3.2 儀器標(biāo)定

營(yíng)口地震臺(tái)質(zhì)子磁力儀（FHD）是2007年6月開(kāi)始正式運(yùn)行，納入“十五”數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)營(yíng)口地震臺(tái)地磁觀測(cè)場(chǎng)地的環(huán)境噪聲、觀測(cè)儀器運(yùn)行狀況分析認(rèn)為，此儀器觀測(cè)資料連續(xù)可靠，質(zhì)量良好。2019年?duì)I口地震臺(tái)FHD質(zhì)子磁力儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的H/D/F連續(xù)率分別為:99.92%、99.93%、99.63%。2019年?duì)I口臺(tái)連續(xù)率和完整率較好，主要因?yàn)槿陜x器無(wú)重大故障出現(xiàn)。主要斷記原因?yàn)?7月15日受雷電天氣影響，12時(shí)06分至12時(shí)34分，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，缺數(shù)處理；7月28日全天，因數(shù)據(jù)噪聲較大，調(diào)整數(shù)采參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)畸變，缺數(shù)處理；12月29日完整標(biāo)定，標(biāo)定期間數(shù)據(jù)缺記。根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心要求，將每月標(biāo)定改為季度標(biāo)定，并簡(jiǎn)化了標(biāo)定程序，如果年底進(jìn)行方位角調(diào)整，則需要進(jìn)行一次完整標(biāo)定。2018年按照季度進(jìn)行了四次標(biāo)定，結(jié)果均符合要求。2018年12月29日，根據(jù)學(xué)科組要求進(jìn)行了一次完整標(biāo)定，調(diào)整觀測(cè)方位角，使得D值在零分附近變化，將方位角由233°05′調(diào)整為232°55′。2019年按照季度進(jìn)行了四次標(biāo)定，結(jié)果均符合要求。2019年12月29日，根據(jù)學(xué)科組要求進(jìn)行了一次完整標(biāo)定，調(diào)整觀測(cè)方位角，使得D值在零分附近變化，將方位角由232°55′調(diào)整為232°45′。調(diào)整后D分量均值在+3′左右。

2.3.3 儀器噪聲

2019年，營(yíng)口地震臺(tái)FHD各分量平均噪聲值高于臺(tái)網(wǎng)的平均值，年度資料評(píng)比中噪聲扣分問(wèn)題嚴(yán)重，分析原因一是儀器探頭和數(shù)采之間距離過(guò)遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)線過(guò)長(zhǎng)造成；二是觀測(cè)室內(nèi)布局不合理，各種數(shù)據(jù)線及電源線交錯(cuò)復(fù)雜，容易產(chǎn)生相互的干擾。遼寧7月起開(kāi)始進(jìn)入秋季溫度逐漸降低，受溫度影響數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)單點(diǎn)較大尖峰突跳，頻率較高，2019年7月28日臺(tái)站工作人員對(duì)數(shù)采參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并重新歸置通信及電源線路后噪聲明顯減小。

2.3.4 臺(tái)站周邊環(huán)境

如圖3所示營(yíng)口地震臺(tái)地磁房位于半山腰，車輛等大型設(shè)備無(wú)法靠近，山上有農(nóng)戶進(jìn)行耕種，有可能經(jīng)過(guò)地磁房附近，經(jīng)檢查地磁房周圍無(wú)明顯鐵器存在，例如農(nóng)戶使用的鐵鍬、鋤頭等便攜式務(wù)農(nóng)工具。地磁房（探頭）距辦公樓內(nèi)的觀測(cè)室（數(shù)采）51m，地埋數(shù)據(jù)線110m；地磁房距測(cè)震擺房、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)室及GPS天線墩20m，陸態(tài)網(wǎng)項(xiàng)目2012年投入使用；地磁房距極低頻觀測(cè)室36.5m，距極低頻北端電極15m，極低頻項(xiàng)目2013年投入使用。

圖3 營(yíng)口臺(tái)磁房及其他地球物理觀測(cè)場(chǎng)地示意圖Fig.3 Schematic diagram of Yingkou magnetic room and other geophysical observation sites

地磁房周圍及整個(gè)臺(tái)區(qū)近三年沒(méi)有新建建筑物及新手段投入運(yùn)行。分析認(rèn)為臺(tái)區(qū)觀測(cè)環(huán)境未發(fā)現(xiàn)明顯改變，可以排除臺(tái)區(qū)內(nèi)存在干擾源。臺(tái)站周邊主要環(huán)境干擾為礦山開(kāi)采（圖4），距本站南偏東約2.4km有一礦石開(kāi)采區(qū)（A區(qū)），2009年開(kāi)采量較大，為每日3000~4000噸，2010年后日開(kāi)采量約為400~600噸，至2013年后基本停止開(kāi)采，總開(kāi)采面積約2×103m2。在臺(tái)站北偏東方向約3km左右有兩個(gè)礦山開(kāi)采（B區(qū)），自2009年開(kāi)采，日開(kāi)采量約300~600噸，并持續(xù)至今，開(kāi)采面積達(dá)到了2×104m2。

圖4 營(yíng)口地震臺(tái)附近礦山位置示意圖Fig.4 Schematic map of mine location near Yingkou Seismic Station

2.3.5 居民用電及直流輸電干擾調(diào)查

近年來(lái)，營(yíng)口地震臺(tái)所處大石橋市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，按照城市發(fā)展規(guī)劃需要，在營(yíng)口地震臺(tái)所處大石橋官屯鎮(zhèn)新建了一批工廠，其中包括碎石廠和水泥廠等需使用大型設(shè)備及用電量較大的廠礦企業(yè)，這些企業(yè)在進(jìn)行特殊作業(yè)時(shí)有可能對(duì)營(yíng)口地震臺(tái)地磁觀測(cè)造成影響。我們對(duì)附近廠礦企業(yè)進(jìn)行了走訪,未發(fā)現(xiàn)明顯對(duì)地磁觀測(cè)造成干擾的設(shè)備；同時(shí)咨詢了電業(yè)部門，目前營(yíng)口地震臺(tái)供電線路上未外掛其他大型用電設(shè)備，按照與電業(yè)部門簽訂的協(xié)議為專線供電，因此市電影響可以排除。高壓直流輸電查詢網(wǎng)站（http://10.2.201.72:8080/hvdc）查詢結(jié)果

顯示（表4），呼遼高壓直流供電線路對(duì)營(yíng)口臺(tái)觀測(cè)產(chǎn)生影響。呼遼線路干擾時(shí)間與此次異常出現(xiàn)時(shí)間不吻合，且上述干擾一般持續(xù)時(shí)間很短。因此認(rèn)為高壓直流輸電不是產(chǎn)生此次異常的原因。

表4 營(yíng)口臺(tái)高壓直流干擾信息（201801—202003）

3 討論

根據(jù)臺(tái)站及周邊觀測(cè)環(huán)境的調(diào)查可以看出:營(yíng)口臺(tái)周邊礦山開(kāi)采是唯一較大的人為干擾。營(yíng)口諧波振幅比法是基于天然源磁場(chǎng)信號(hào)的磁測(cè)深原理，F(xiàn)HD質(zhì)子矢量磁力儀分鐘值采樣資料對(duì)應(yīng)的深度較深，在數(shù)十公里到數(shù)百公里[2-4]。因此，距離臺(tái)站3km的礦區(qū)B持續(xù)開(kāi)采對(duì)營(yíng)口臺(tái)地下介質(zhì)電導(dǎo)率的影響有限。同臺(tái)地球物理場(chǎng)異常通常具有同步性，營(yíng)口臺(tái)有形變SQ-70模擬水平擺傾斜儀觀測(cè)，翟麗娜等[13]在對(duì)比營(yíng)口臺(tái)周邊地表集中荷載模型和二維有限載荷模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合營(yíng)口臺(tái)SQ-70模擬水平擺傾斜儀2009—2016年異常變化時(shí)段受礦山開(kāi)采影響的實(shí)例，采用二維有限不規(guī)則荷載模型定量計(jì)算了礦山開(kāi)采的不同階段對(duì)石英擺傾斜量的影響程度。結(jié)果表明了2013年以后營(yíng)口石英擺觀測(cè)值與礦山開(kāi)采引起地表傾斜的理論值相差較大。因此，營(yíng)口臺(tái)周邊礦山開(kāi)采干擾對(duì)營(yíng)口地磁諧波振幅比的計(jì)算結(jié)果影響程度有限。

圖5 可以看出，2008—2018年?duì)I口諧波振幅比NS和EW向的除10min周期的其他周期一致性較高，異常主要是NS和EW的10min周期的不同步，并且10min周期兩個(gè)方向不一致。從速率累加可以看出:2018年前的不一致異常持續(xù)時(shí)間短（表5），異常期發(fā)生在周邊300km的MS4.0以上地震11次，其中7次能夠?qū)?yīng)10min周期不一致的窗口期，4次地震屬于對(duì)應(yīng)不明顯（表5-6）。

表5 2008—2020年?duì)I口地磁諧波振幅比異常及對(duì)應(yīng)300km范圍內(nèi)M S≥4.0地震統(tǒng)計(jì)

圖5 2008—2014年?duì)I口地磁諧波振幅比Fig.5 The geomagnetic harmonic amplitude ratio in Yingkou from 2008 to 2014

綜合以上結(jié)果可以看出，如果營(yíng)口地磁諧波振幅比2011—2014的10min周期不一致的異常對(duì)應(yīng)燈塔MS5.1地震和通遼MS5.3地震，那么此次異常持續(xù)的時(shí)間更久，對(duì)應(yīng)地震的震級(jí)可能更高。

表6 2008—2020年?duì)I口地磁臺(tái)300km范圍內(nèi)M S≥4.0地震統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

根據(jù)營(yíng)口地磁諧波振幅比計(jì)算結(jié)果，結(jié)合臺(tái)站周邊環(huán)境干擾、儀器觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性分析可以看出，營(yíng)口地磁諧波振幅比異?？煽啃暂^高。結(jié)合臺(tái)站周邊300km范圍內(nèi)的地震可以得出，異常較多的對(duì)應(yīng)了營(yíng)口地區(qū)的MS4.0地震，異常持續(xù)階段發(fā)震概率大于異常恢復(fù)階段。