拜城MS5.4地震前地磁逐日比異常及其預(yù)報(bào)效能分析①

錢 才， 陳魯剛， 張治廣

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局 ，新疆 烏魯木齊 830011)

地面觀測(cè)地磁場(chǎng)包含許多不同成分的磁場(chǎng)，按照來源和變化規(guī)律不同，觀測(cè)地磁場(chǎng)可分為2部分，一是來源固體地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)；二是起源于固體地球外部的變化磁場(chǎng)，其中起源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)占穩(wěn)定磁場(chǎng)總量的99% 以上[1]。地震是一個(gè)復(fù)雜地球內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)，在其孕育過程中，震源及附近區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變處于積累階段，按照壓磁理論，應(yīng)力變化將引起地下巖石磁性變化，從而出現(xiàn)地磁異常[2-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究地震地磁前兆異常時(shí)，積累了許多理論認(rèn)識(shí)和震例資料。Fraser-Smith A C等人在1989年美國(guó)Loma PrietaMS7.1地震3小時(shí)前觀測(cè)到磁噪聲活動(dòng)水平異常升高[4]，Ohta Kenji等人在研究2004年日本新潟縣中部地區(qū)MS6.8地震和2007年能登半島MS6.9地震時(shí)，發(fā)現(xiàn)Schumann諧振幅度和頻率電磁異常[5]。王毅等人模擬地震期間地磁波傳播的異?，F(xiàn)象[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究新疆地區(qū)地磁前兆異常時(shí)也取得許多成果。張敏等在分析2016～2017年10月垂直分量極化異常時(shí)，在許多地震前識(shí)別出極化高值異常[7]；張翼、艾薩·伊斯馬伊力、沙木哈爾·葉爾肯等在研究新疆部分地震前兆異常時(shí)，在震前識(shí)別出如地磁垂直分量日變幅逐日比等地磁異常[8-11]。2021年3月24日拜城MS5.4地震之前，烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁出現(xiàn)超閾值的高值異常。針對(duì)地震預(yù)測(cè)結(jié)果，我國(guó)部分學(xué)者使用不同方法進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)分，R值評(píng)分是其中一種檢驗(yàn)方法，廣泛地應(yīng)用于年度地震預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)之中[12-14]。本文中針對(duì)新疆烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比超閾值異常，梳理其震例情況，考慮閾值、預(yù)測(cè)期選取不同時(shí)對(duì)R值檢驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 拜城MS5.4地震前地磁異常

地磁逐日比是地磁垂直分量前后2天日變化幅度的比值，有學(xué)者認(rèn)為該方法受儀器、環(huán)境等干擾影響較小[11]。根據(jù)張翼等人的研究，新疆地區(qū)地磁垂直分量逐日比異常一般要求至少2個(gè)臺(tái)站同時(shí)超閾值才能做為異常，2次異常時(shí)間間隔較短時(shí)可劃定為同組異常[8]。在本次地震前，烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比閾值選為2.6，預(yù)測(cè)期為90 d。2020年12月15日、12月29日烏什臺(tái)和喀什臺(tái)2個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)一組逐日比超閾值異常(表1、圖1)，現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)沒有發(fā)現(xiàn)明顯干擾，儀器工作狀態(tài)正常，異常真實(shí)可靠(1)孫昭杰，阿里木江，桂榮，等．異常核實(shí)—2020年12月23日新疆喀什、烏什臺(tái)磁場(chǎng)日變化地磁逐日比，2020年．，其后預(yù)測(cè)期內(nèi)發(fā)生塔吉克斯坦MS6.1地震、拜城MS5.4地震。2次地震符合對(duì)應(yīng)規(guī)則，可以對(duì)應(yīng)2020年12月烏什臺(tái)和喀什臺(tái)逐日比異常。

圖1 烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常等值線圖(a) 2020年12月15日 (b) 2020年12月29日Fig.1 Contour map of daily ratio anomaly of vertical component of geomagnetic fieldat Wushi station and Kashi station

圖2 地磁垂直分量日變幅逐日比曲線圖(a) 烏什 (b) 喀什M15 (c) 喀什M4Fig.2 Daily ratio of vertical component of geomagnetic field

表1 烏什—喀什臺(tái)逐日比異常與MS5.0地震對(duì)應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)表

2 異常震例梳理

為進(jìn)一步驗(yàn)證烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常映震效果，本文中選取同樣的閾值2.6、預(yù)測(cè)期90 d，分析2011年1月1日～2021年4月11日地磁垂直分量逐日比數(shù)據(jù)?？紤]到資料完整性，選取地震目錄資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)地震局地震臺(tái)網(wǎng)目錄，地震空間對(duì)應(yīng)規(guī)則如表2所示，符合規(guī)則地震分布如圖3所示。部分較強(qiáng)地震通常伴隨前震、余震，為合理檢驗(yàn)地磁垂直分量逐日比異常的映震效果，在統(tǒng)計(jì)過程中刪除前震、余震。自2011年以來，排除地磁擾動(dòng)干擾后[15]，烏什臺(tái)和喀什臺(tái)同時(shí)出現(xiàn)超閾值異常共15次(圖2、表1)。在伽師MS5.5地震、阿圖什MS5.1地震、吉爾吉斯MS5.0地震、拜城MS5.0地震、烏恰MS5.0地震、柯坪MS5.2地震、塔吉克斯坦MS6.1地震、拜城MS5.4地震等前均出現(xiàn)逐日比超閾值異常，異常共對(duì)應(yīng)地震6次，虛報(bào)9次。

圖3 符合表2規(guī)則的地震分布圖Fig.3 Earthquake Distribution that match rules in Table 2

表2 選取地震規(guī)則表

3 R值檢驗(yàn)

R值評(píng)分方法由許紹燮提出[14]，該方法被廣泛應(yīng)用于年度地震預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)。R值越大，預(yù)測(cè)效能越好[16]。R值>0代表有預(yù)測(cè)意義，R0是保證97.5%置信水平的最低R值，R0值大小與報(bào)對(duì)地震數(shù)量、漏報(bào)地震數(shù)量有關(guān)(圖4)，R≥R0代表通過顯著性檢驗(yàn)，也即是該R值至少有97.5%的置信水平[17],

圖4 R0值與報(bào)對(duì)地震數(shù)目、漏報(bào)地震數(shù)目之間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between R0 value and number of reported earthquakes，missed earthquakes

(1)

通過公式(1)計(jì)算得到R值為0.055 8，對(duì)應(yīng)R0值為0.178 5，未通過顯著性檢驗(yàn)，虛報(bào)率為0.529，漏報(bào)率為0.586。圖5為閾值為2.6時(shí)，R值、R0值、虛報(bào)率和漏報(bào)率隨預(yù)測(cè)期的變化。在當(dāng)前閾值下，R值、R0值隨預(yù)測(cè)期先增長(zhǎng)而變大，而后趨于穩(wěn)定，預(yù)測(cè)期在5～180 d范圍內(nèi)，R值均小于R0值，R值檢驗(yàn)均未通過；虛報(bào)率、漏報(bào)率隨預(yù)測(cè)期增長(zhǎng)而減小。

圖5 R、R0值、漏報(bào)率和虛報(bào)率與預(yù)測(cè)期關(guān)系Fig.5 Relationship between forecast period and R value, R0 value, missing report rate, false report rate

為進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)報(bào)效能，計(jì)算閾值在2～3之間，預(yù)測(cè)期5～180 d范圍內(nèi)時(shí)，R值和R0值的變化情況(圖6)。R在閾值、預(yù)測(cè)期雙向搜索區(qū)間內(nèi)存在2個(gè)較高值區(qū)域，第1個(gè)高值區(qū)域的閾值為2～2.4、預(yù)測(cè)期為10～60 d，第2個(gè)高值區(qū)域的閾值為2.6～2.8、預(yù)測(cè)期為140～170 d。當(dāng)閾值為2.0、預(yù)測(cè)期為20 d時(shí)，R值最大，為0.243 8，對(duì)應(yīng)R0為0.195 4，此時(shí)通過檢驗(yàn)。圖5中部分區(qū)域R值<0，此時(shí)沒有預(yù)測(cè)意義。

圖6 R值(a)、R0值(b)與預(yù)測(cè)期、閾值之間的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between R value(a), R0 value(b) and forecast period, threshold

部分學(xué)者認(rèn)為地磁垂直分量逐日比的高值異常與臺(tái)站周邊地震對(duì)應(yīng)效果較好[18]，本次統(tǒng)計(jì)地磁垂直分量逐日比異常中高值、低值和地震對(duì)應(yīng)情況。為了不失一般意義，本次統(tǒng)計(jì)中成組異常視為多次異常。地震出現(xiàn)在異常中高值側(cè)、低值側(cè)的次數(shù)隨著預(yù)測(cè)期增加而增加，預(yù)測(cè)期<110 d時(shí)，地震出現(xiàn)在異常高值側(cè)和低值側(cè)的次數(shù)相當(dāng)；預(yù)測(cè)期>110 d時(shí)，地震出現(xiàn)在高值側(cè)的次數(shù)多余低值側(cè)，但兩者的差異并不顯著(圖7)。

圖7 異常中高值、低值與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correspondence between high value, low value in anomaly and earthquake

4 結(jié) 語

塔吉克斯坦MS6.1和拜城MS5.4地震發(fā)生前，烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比出現(xiàn)超閾值異常，但R值未通過顯著性檢驗(yàn)，虛報(bào)率和漏報(bào)率均在0.5左右。如果以烏什臺(tái)和喀什地磁垂直分量逐日比出現(xiàn)成組異常情形統(tǒng)計(jì)，2011年以來只出現(xiàn)過2次，異常間隔時(shí)間均<30 d，分別為2011年12月28日、2012年1月23日一組高值異常和2020年12月15日、12月29日一組高值異常。2次成組異常均對(duì)應(yīng)地震，效果較好。R值、R0值、虛報(bào)率和漏報(bào)率均隨預(yù)測(cè)期時(shí)長(zhǎng)變化，閾值選取不同也極大影響R值檢驗(yàn)結(jié)果。烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常R值檢驗(yàn)結(jié)果存在2個(gè)高值區(qū)域，第1個(gè)高值區(qū)域閾值較低導(dǎo)致總異常次數(shù)急劇增多，虛報(bào)率過高而失去實(shí)際意義；第2個(gè)高值區(qū)域閾值較為合理，但R值小于對(duì)應(yīng)R0值，未通過顯著性檢驗(yàn)。如果以R值通過檢驗(yàn)為唯一指標(biāo)，在第1個(gè)高值區(qū)域中部分點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，但閾值過低而失去預(yù)測(cè)意義。綜合R值評(píng)分、虛報(bào)率和漏報(bào)率的結(jié)果，烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比合理閾值應(yīng)在2.6～2.8之間、預(yù)測(cè)期為140～170 d，R值為0.1左右，未通過顯著性檢驗(yàn)，表明烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常預(yù)測(cè)水平偏低，但仍具有預(yù)測(cè)意義。在烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常中高值、低值與地震對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，地震出現(xiàn)的位置與異常中高值的關(guān)系并不顯著。目前，地震預(yù)測(cè)仍在探索過程中，本文中單一地討論了烏什臺(tái)和喀什臺(tái)地磁垂直分量逐日比異常及其R值檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果存在一定片面性，預(yù)測(cè)應(yīng)以綜合分析多方法和多手段異常為主。