地磁Z分量日變化空間相關(guān)性與東北地區(qū)中強(qiáng)震關(guān)系分析①

岳 力

(哈爾濱市應(yīng)急救援保障中心通河地震臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150900)

地磁臺(tái)觀測(cè)到的磁場(chǎng)信息包括穩(wěn)定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)，異常磁場(chǎng)變化疊加在地磁穩(wěn)定磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化之上，包括疊加在地磁的日變化上，可由地磁日變化中提?。化B在地磁場(chǎng)的短周期變化之上，可由地磁短周期變化中提取。由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用，應(yīng)力不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致地震區(qū)地下電導(dǎo)率的變化，因此，通過(guò)應(yīng)磁效應(yīng)等途徑產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種變化可能在地磁數(shù)據(jù)觀測(cè)上有所反應(yīng)，使發(fā)生異常變化，有可能獲得臨震前的異常[1]。地震的孕育可能引起局部磁場(chǎng)發(fā)生變化造成臨近臺(tái)站之間磁場(chǎng)的空間相關(guān)性下降[2-4]。地磁日變化主要受約100 km 高空電離層電流體系控制，該電流體系又受太陽(yáng)照射控制，因此，地磁日變化是一種依賴于地方時(shí)的周期變化。地磁Z分量日變化空間相關(guān)法是提取地磁Z分量日變化畸變的方法之一。中國(guó)位于地球中低緯度，在磁靜日地磁垂直分量日變化形態(tài)類似V形，該V形態(tài)幅度夏季大冬季小，隨緯度由南向北逐漸變小，相位上延遲1 h/15°，因此，在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)，磁靜日地磁垂直分量日變化形態(tài)是基本一致的，日變化基本不隨著經(jīng)度改變發(fā)生變化，有明顯的相關(guān)性[5-6]。

1 研究區(qū)域與計(jì)算方法

利用中國(guó)東北地區(qū)(黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū))的哈爾濱臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)等12個(gè)地磁觀測(cè)臺(tái)，其中大連臺(tái)、德都臺(tái)、三崗臺(tái)、滿洲里臺(tái)使用地磁觀測(cè)儀器為FHDZ-M15型；通河臺(tái)、通化臺(tái)、朝陽(yáng)臺(tái)、鐵嶺臺(tái)、營(yíng)口臺(tái)、哈爾濱臺(tái)、望奎臺(tái)、錫林浩特臺(tái)使用地磁觀測(cè)儀器為FHD-2型。上述臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)可靠性較高。

地磁Z分量日變化空間相關(guān)分析采用2個(gè)臺(tái)站地磁垂直分量每天的日變化曲線X和Y的相關(guān)系數(shù)ρXY描述這種相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在概率論的標(biāo)準(zhǔn)定義，

(1)

式中,Cov(X,Y)為X，Y的協(xié)方差，D(X)、D(Y)分別為X、Y的方差。如果ρXY=1說(shuō)明兩者相關(guān)，ρXY=0說(shuō)明兩者不相關(guān)。

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, 即使變化很大也不是地震前的異常，所以必須消除地磁正常背景場(chǎng)的變化。突出與地震有關(guān)的磁異常，最直接、最簡(jiǎn)單區(qū)分正常與異常的方法是與同緯度、同經(jīng)度相比，出現(xiàn)局部或區(qū)域性變化才能做為與強(qiáng)震相關(guān)的異?，F(xiàn)象[7]。選取參考臺(tái)應(yīng)是非震區(qū)和非異常區(qū)同時(shí)滿足，研究區(qū)域內(nèi)2個(gè)及2個(gè)以上臺(tái)站與參考臺(tái)站之間垂直分量相關(guān)窗長(zhǎng)為21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[8]，異常期間，存在完整的“下降一轉(zhuǎn)折一回升”變化[9-11]。異常期間位于研究區(qū)域其他地區(qū)同一時(shí)間段未出現(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[12]。

在參考臺(tái)的選擇上，計(jì)算分析東北地區(qū)12個(gè)地磁臺(tái)站所處緯度，滿洲里臺(tái)所在位置為49.57°N，錫林浩特臺(tái)所在位置為43.89°N，大連臺(tái)所在位置為38.90°N，上述3個(gè)地磁臺(tái)做為參考臺(tái)分別與區(qū)域內(nèi)其他地磁臺(tái)進(jìn)行地磁Z分量日變化空間相關(guān)分析，計(jì)算日變化相關(guān)曲線基本一致。選用錫林浩特臺(tái)為參考臺(tái)進(jìn)行分析，錫林浩特臺(tái)位于東北地區(qū)12個(gè)地磁臺(tái)站所處緯度中間位置，能更好地分析地磁Z分量日變化空間相關(guān)性。另外，在每年1月、2月、11月、12月期間出現(xiàn)的地磁日變化空間相關(guān)性下降變化不列為異常[13]。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[14]。

2 震例選取與分析結(jié)果

分析Z分量日變化異常參考相關(guān)系數(shù)擬設(shè)定為ρXY=0.850，應(yīng)用東北地區(qū)地磁數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)計(jì)算分析，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出在閾值選擇為0.850時(shí)有較好映震效果。地磁Z分量空間相關(guān)系數(shù)ρXY一般在0.850均值線以上波動(dòng)，而低于 0.850 屬于震前短、臨震異常。分析空間相關(guān)法震前異常指標(biāo)，與地震是否有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[15]。本文中采用中國(guó)地震局MAPSIS2.7.7軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及畫圖分析。

計(jì)算東北地區(qū)2008～2017年地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)，結(jié)合同期東北地區(qū)19次MS≥4.5淺源地震震例進(jìn)行分組映震分析。其中2013年10月31日～11月23日在吉林省前郭爾羅斯蒙古族自治縣共發(fā)生6次MS≥4.5地震，其中最大震級(jí)為11月23日發(fā)生的MS5.8地震，本文中將該震群設(shè)為一組，共分13組進(jìn)行映震分析(表1)。

表1 2008～2017年?yáng)|北地區(qū)MS≥4.5地震目錄

2.1 第1組、第2組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2008年6月10日內(nèi)蒙古自治區(qū)阿榮旗發(fā)生MS5.2地震，2008年7月7日黑龍江省龍江縣發(fā)生MS4.6地震，兩次震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，分別為2008年4月2～13日鐵嶺臺(tái)、通化臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)、望奎臺(tái)、德都臺(tái)、滿洲里臺(tái)7個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為12 d；2008年5月17～31日通化臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)、望奎臺(tái)、德都臺(tái)5個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為15 d。第1次異常結(jié)束至2次發(fā)震分別為58 d、85 d； 第2次異常結(jié)束至2次發(fā)震分別為10 d、37 d。上述2次地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。3月地磁日變化空間相關(guān)性呈下降變化，是否為地震前異常變化，需進(jìn)一步分析(圖1～2)。

2.2 第3組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

圖1 第1組 、第2組地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖 (a) 大連 (b) 營(yíng)口 (c) 朝陽(yáng) (d) 鐵嶺 (e) 通化(f) 三崗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 滿洲里Fig.1 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 1 and 2圖2 第1組 、第2組震中分布圖Fig.2 Epicenter distribution map of group 1 and 2

2009年5月10日黑龍江省安達(dá)市發(fā)生MS4.5地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2009年4月7日～5月10日大連臺(tái)、營(yíng)口臺(tái)、朝陽(yáng)臺(tái)、鐵嶺臺(tái)、通化臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)、望奎臺(tái)、德都臺(tái)、滿洲里臺(tái)10個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為33 d，異常結(jié)束至發(fā)震為0 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)(圖3～4)。

圖3 第3組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖(a) 大連 (b) 營(yíng)口 (c) 朝陽(yáng) (d) 鐵嶺 (e) 通化(f) 三崗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 滿洲里Fig.3 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 3圖4 第3組 震中分布圖Fig.4 Epicenter distribution map of group 3

2.3 第4組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2009年12月21日內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁旗發(fā)生MS4.7地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，由于在每年1月、2月、11月、12月期間內(nèi)出現(xiàn)的地磁日變化空間相關(guān)性下降變化不列為異常。該現(xiàn)象發(fā)生在11月、12月，因此此次空間相關(guān)性下降變化不為該次地震震前異常變化(圖5)。

圖5 第4組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖

2.4 第5組、第6組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2010年3月10日黑龍江省友誼縣發(fā)生MS4.6地震，2011年1月15日黑龍江德都市發(fā)生MS4.7地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)均出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，由于在每年1月、2月、11月、12月期間內(nèi)出現(xiàn)的地磁日變化空間相關(guān)性下降變化不列為異常。該現(xiàn)象發(fā)生在11月、12月、次年1月、2月，因此這兩組空間相關(guān)性下降變化不屬于震前異常變化(圖6～7)。

2.5 第7組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2012年6月18日黑龍江省蘿北縣發(fā)生MS4.8地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2012年4月19日～5月1日大連臺(tái)、營(yíng)口臺(tái)、朝陽(yáng)臺(tái)、鐵嶺臺(tái)、通化臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)7個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為12 d，異常結(jié)束至發(fā)震為57 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。3月地磁日變化空間相關(guān)性下降變化，是否為地震前異常變化需進(jìn)一步分析(圖8～9)。

圖8 第7組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖(a) 大連 (b) 營(yíng)口 (c) 朝陽(yáng) (d) 鐵嶺 (e) 通化(f) 三崗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 滿洲里Fig.8 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 7圖9 第7組 震中分布圖Fig.9 Epicenter distribution map of group 7

2.6 第8組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2013年1月23日遼寧省燈塔縣發(fā)生MS5.1地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，由于在每年1月、2月、11月、12月期間內(nèi)出現(xiàn)的地磁日變化空間相關(guān)性下降變化不列為異常。該現(xiàn)象發(fā)生在11月、12月，因此此次空間相關(guān)性下降變化不為該次地震震前異常變化(圖10)。

圖10 第8組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖

2.7 第9組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2013年6月20日內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗發(fā)生MS5.0地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2013年5月1～14日通河臺(tái)、望奎臺(tái)、德都臺(tái)3個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為14 d，異常結(jié)束至發(fā)震為36 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。3月地磁日變化空間相關(guān)性下降變化，是否為地震前異常變化需進(jìn)一步分析(圖11～12)。

2.8 第10組、第11組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2013年11月20日黑龍江省樺南縣發(fā)生MS5.1地震，2013年11月23日吉林省前郭爾羅斯自治縣發(fā)生MS5.8地震，兩次震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2013年8月19日～9月11日通河臺(tái)、望奎臺(tái)、德都臺(tái)3個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為23 d，異常結(jié)束至發(fā)震為70 d和73 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。由于在每年1月、2月、11月、12月期間內(nèi)出現(xiàn)的地磁日變化空間相關(guān)性下降變化不列為異常。該現(xiàn)象發(fā)生在11月，因此此次空間相關(guān)性下降變化不為該次地震震前異常變化(圖13～14)。

圖11 第9組地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖 (a) 大連 (b) 營(yíng)口 (c) 朝陽(yáng) (d) 鐵嶺 (e) 通化(f) 三崗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 滿洲里Fig.11 Curves of spatial correlation coefficient of daily variationof geomagnetic Z component in group 9圖12 第9組震中分布圖Fig.12 Epicenter distribution map of group 9

圖13 第10組、第11組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖 Fig.13 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 10 and 11圖14 第10組、第11組震中分布圖Fig.14 Epicenter distribution map of group 10 and 11

2.9 第12組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

第12組，2015年10月21日吉林省松原市發(fā)生MS4.5地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2015年9月8日～10月16日大連臺(tái)、營(yíng)口臺(tái)、鐵嶺臺(tái)、通化臺(tái)、通河臺(tái)、滿洲里臺(tái)6個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為38 d，異常結(jié)束至發(fā)震為5 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)(圖15～16)。

2.10 第13組震例震前地磁Z分量日變化異常變化分析

2017年7月23日吉林省松原市發(fā)生MS4.9地震，震前計(jì)算地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)低于0.850現(xiàn)象，2015年4月27日～5月7日營(yíng)口臺(tái)、朝陽(yáng)臺(tái)、鐵嶺臺(tái)、通化臺(tái)、三崗臺(tái)、通河臺(tái)、德都臺(tái)6個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，異常持續(xù)時(shí)間為10 d，異常結(jié)束至發(fā)震為77 d。該地震震中位置位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。3月地磁日變化空間相關(guān)性下降變化，是否為地震前異常變化需進(jìn)一步分析(圖17和18)。

圖15 第12組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖Fig.15 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 12圖16 第12組 震中分布圖Fig.16 Epicenter distribution map of group 12

圖17 第13組 地磁Z分量日變化空間相關(guān)系數(shù)曲線圖Fig.17 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 3圖18 第13組 震中分布圖Fig.18 Epicenter distribution map of group 13

通過(guò)有映震關(guān)系共8組數(shù)據(jù)分析，分別統(tǒng)計(jì)出映震前的異常臺(tái)站個(gè)數(shù)、異常持維時(shí)間、異常結(jié)束至發(fā)震時(shí)間(表2)，分析地磁Z分量日變化異常與映震的關(guān)系。

表2 分析統(tǒng)計(jì)表

地磁Z分量日變化空間相關(guān)分析對(duì)4～11月發(fā)生的MS≥4.5地震映震效果較好，在13個(gè)組別中映震率為69.2%。11月至次年4月發(fā)生的MS≥4.5地震映震效果較差，在13個(gè)組別中漏報(bào)率為30.8%。3月相關(guān)性下降是否為地震前異常變化需進(jìn)一步分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

東北地區(qū)中強(qiáng)地震震前地磁場(chǎng)有異常波動(dòng)，說(shuō)明震前地磁臺(tái)站及周圍地區(qū)的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而反映地磁異?，F(xiàn)象是客觀存在的。通過(guò)上述13個(gè)組別進(jìn)行分析，本文中分析結(jié)論認(rèn)為：(1) 將分析Z分量日變化異常參考相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0.850，對(duì)東北地區(qū)MS≥4.5地震映震效果較好，映震率為69.2%、漏報(bào)率為30.8%。(2) 由于東北地區(qū)處于高緯度地區(qū)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)每年3月地磁日變化空間相關(guān)性由低緯度向高緯度逐漸升高，造成低緯度臺(tái)站出現(xiàn)較低的相關(guān)性變化。(3) 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)中強(qiáng)地震震前有3個(gè)及以上臺(tái)站Z分量日變化相關(guān)性出現(xiàn)完整的“下降一轉(zhuǎn)折一回升”變化，在異常變化結(jié)束后發(fā)生地震。(4) 東北地區(qū)中強(qiáng)地震震前Z分量日變化相關(guān)性異常變化持續(xù)時(shí)間為10～38 d。(5) 結(jié)合異常臺(tái)站與震中位置空間分析得出中強(qiáng)地震震中位于異常臺(tái)站合圍區(qū)域及合圍區(qū)邊緣200 km范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)東北地區(qū)各臺(tái)站地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，在東北地區(qū)中強(qiáng)震震前有明顯地磁異常變化，結(jié)合東北地區(qū)前兆資料分析，綜合分析異常信息，以便得到更充分、全面的結(jié)果。