廣西及鄰區(qū)地磁異常與顯著地震關(guān)系探討

閻春恒，李 莎，倪曉寅

（1.廣西壯族自治區(qū)地震局,南寧 530022；2.福建省地震局,福州 350003）

0 引言

地震是應(yīng)力持續(xù)加載并最終導(dǎo)致斷層失穩(wěn)的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力應(yīng)變的持續(xù)積累，巖土介質(zhì)的物性參數(shù)會發(fā)生變化，孕震晚期會產(chǎn)生電磁輻射并引起電磁場的變化[1]。地球變化磁場垂直分量日變幅是由地球變化磁場的外源場及地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的內(nèi)源場疊加而成，因此地球磁場垂直分量日變化可以反映地球內(nèi)部介質(zhì)電性性質(zhì)的變化，并蘊(yùn)含與地震孕育過程相關(guān)的信息[2]。震前地磁場垂直分量日變化異常現(xiàn)象既表現(xiàn)在幅度上的變化，也表現(xiàn)在相位上的變化。地震預(yù)測探索實踐中，發(fā)展了提取垂直分量日變化幅度異常與地震關(guān)系的方法，如地磁垂直分量日變幅逐日比、加卸載響應(yīng)比[2-8]，以及提取垂直分量日變化相位異常與地震關(guān)系的方法，如地磁垂直分量低點位移[8-11]。強(qiáng)震前存在地磁垂直分量日變化異?，F(xiàn)象已被大量強(qiáng)震震例所證實，如1976年唐山7.8級、2008年汶川8.0級、2013年前郭5.8級震群、2013年岷縣-漳縣6.6級、2016年門源6.4級地震，并在南北地震帶、新疆、甘-青、河北、華南等地區(qū)地震預(yù)測中取得很好的應(yīng)用效果[1,4,12-21]。研究認(rèn)為，地磁日變化預(yù)測方法異常的發(fā)生機(jī)理相似，都是地磁垂直分量日變化發(fā)生的畸變，這種畸變可能與感應(yīng)電流集中有關(guān)，各方法的異常分界線位于電流集中分布附近[8,13,21-22]?；诖罅空鹄厮菪匝芯?，初步構(gòu)建了地磁日變化預(yù)測指標(biāo)體系，為地震趨勢研判提供了重要中短期判定依據(jù)[13,21-22]。

廣西地處華南地塊西南部，與中國大陸西部相比，屬于少震地區(qū)。然而，2019年廣西及鄰區(qū)地震活動水平顯著增強(qiáng)。廣西地區(qū)相繼發(fā)生2019年10月12日北流5.2級和11月25日靖西5.2級地震，周邊發(fā)生了5月16日云南永善4.7級、6月17日四川長寧6.0級、8月20日海南三亞4.2級、10月2日貴州沿河4.9級等顯著地震。2018年12月至2019年11月，廣西及其鄰近地區(qū)出現(xiàn)了地磁加卸載響應(yīng)比、逐日比和地磁低點位移等5次大范圍的地磁異常。本文回溯研究5次地磁日變化指標(biāo)異常與顯著地震的關(guān)系，為地磁日變化預(yù)測指標(biāo)在少震區(qū)的應(yīng)用積累經(jīng)驗。

1 資料收集和預(yù)處理

本文研究涉及的地磁異常和顯著震例主要位于華南地塊，因此選取華南地區(qū)及西南地區(qū)部分臺站記錄的地磁垂直分量分鐘采樣資料為研究對象。收集到研究時段內(nèi)有資料記錄的地磁臺站共20個（圖1），觀測設(shè)備包括FHD質(zhì)子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。其中，廣西楊柳地磁臺和潿洲島地磁臺為深井地磁觀測，觀測設(shè)備為TBG-31三分量地磁儀（磁通門磁力儀），潿洲島地磁臺從2018年10月下旬開始產(chǎn)出觀測資料。地磁低點位移異常圖像由中國地震臺網(wǎng)中心姚麗博士提供，地磁低點位移異常分析涉及全國大范圍地磁臺站，文中未全部列出。

圖1 地磁臺站和顯著地震分布圖

地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行如下預(yù)處理[21]：首先將地磁垂直分量世界時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北京時；采用傅氏擬合技術(shù)對地磁垂直分量分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除儀器的高頻噪聲；刪除突跳、臺階等明確的干擾，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

2 地磁日變化預(yù)測方法和預(yù)測指標(biāo)

2.1 加卸載響應(yīng)比法

尹祥礎(chǔ)等[23]通過對非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的研究提出加卸載響應(yīng)理論，王亶文[4]首次將該理論應(yīng)用到以磁報震的研究中。曾小蘋等[6]在前人工作基礎(chǔ)上，提出以磁暴過程為太陽風(fēng)對地球磁場的加卸載響應(yīng)過程的理論，以磁暴過程中地磁場垂直分量日變幅極大值和極小值為加載和卸載計算地磁加卸載響應(yīng)比。地磁垂直分量日變化幅度加卸載響應(yīng)比的定義：

式中：Rz（max）為加載日地磁場垂直分量日變幅；Rz（min）為卸載日地磁垂直分量日變幅。加載日的日變幅大于前后2天的日變幅，卸載日的日變幅則小于前后2天的日變幅；加載日日變幅除以加載日之后出現(xiàn)的第一個卸載日日變幅即為地磁加卸載響應(yīng)比；卸載日的日期作為加卸載響應(yīng)比的日期。

華南地區(qū)加卸載響應(yīng)比異常判定規(guī)則為[21]：異常閾值為3.0，超過閾值為異常信號；3個和3個以上臺站同步出現(xiàn)超閾值作為異常；異常日的前一日Dst指數(shù)低于-30 nT，不作為異常。

預(yù)測規(guī)則[21]：① 發(fā)震時間：異常出現(xiàn)后9個月內(nèi)；② 發(fā)震地點：發(fā)生在閾值線3.0等值線附近的可能性較大；③ 發(fā)震強(qiáng)度：4.0級以上。

2.2 逐日比法

逐日比是地磁垂直分量某一天和后一天日變化幅度的比值，公式如下：

式中：Rz（t）為某日垂直分量日變化幅度；t2=t1+1，逐日比日期為t2的日期。異常判據(jù)為：當(dāng)多個臺站的Y出現(xiàn)同步超閾值且前一天Dst指數(shù)大于-70 nT時認(rèn)為是異?，F(xiàn)象[12]。

預(yù)測規(guī)則[24]：① 發(fā)震時間：異常出現(xiàn)后9個月內(nèi)，若2個異常間隔在9個月內(nèi)，且異常區(qū)域有交匯或相隔不遠(yuǎn)，則視為一組異常，預(yù)測時效以最后一次異常出現(xiàn)的時間為準(zhǔn)；② 發(fā)震地點：地震發(fā)生在閾值線2.8等值線附近的可能性較大；③ 發(fā)震強(qiáng)度：4.0級以上。

2.3 地磁低點位移法

地磁低點位移法采用的分析資料是地磁垂直分量日變化極小值時間，簡稱低點時間?！暗忘c位移”是指一個大區(qū)域各臺的低點時間明顯與另一個大區(qū)域各臺的低點時間不同，而每個大區(qū)域內(nèi)部低點時間又相對一致，2個區(qū)域之間突變分界線的低點時間相差2 h以上[9,11]。

預(yù)測規(guī)則①姚麗.中國地震局2017年度震情跟蹤定向工作任務(wù)成果[R].2017.：①發(fā)震時間為異常出現(xiàn)后60天內(nèi)；②發(fā)震地點為異常預(yù)測線附近200 km范圍；③發(fā)震強(qiáng)度為5.0級以上。

3 結(jié)果分析

3.1 2018年12月4日地磁加卸載響應(yīng)比異常

2018年12月4日加卸載響應(yīng)比異常涉及的地磁臺站有廣西邕寧臺、河池臺和潿洲島臺，廣東肇慶臺，海南火山臺，云南馬關(guān)臺（圖2），空間分布的異常閾值線呈閉合圓形（圖3）。異常出現(xiàn)后的260～357天，距離閾值線200±30 km的范圍內(nèi)先后發(fā)生2019年8月20日海南三亞4.2級、10月2日貴州沿河4.9級、10月12日廣西北流5.2級和11月25日廣西靖西5.2級地震。其中，三亞4.2級和北流5.2級地震位于閾值線曲率變化最大區(qū)域附近（圖3中藍(lán)色虛線是以拐點為圓心，半徑為300 km的圓）。可見，4個地震均位于加卸載響應(yīng)比異常的閾值線附近，但除海南三亞4.2級地震外，其余地震都未滿足異常出現(xiàn)后9個月內(nèi)發(fā)震的時間預(yù)測規(guī)則（表1）。若預(yù)測時間放寬至12個月，則4個地震均符合條件。

圖2 華南地區(qū)地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比變化曲線

圖3 2018年12月4日華南地區(qū)地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比空間分布

表1 地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比異常與顯著地震關(guān)系

4個地震均發(fā)生在2015年貴州劍河5.5級地震后華南開啟新一輪5級地活躍幕的背景下。GPS觀測結(jié)果顯示，4個地震的發(fā)生都具有相近的動力學(xué)背景，即主要受華南地塊西部邊界動力作用的影響[25]。馮志生等[22]地震地磁日變化預(yù)測指標(biāo)體系建設(shè)成果認(rèn)為，地震震級預(yù)測規(guī)則一般為東部地區(qū)5級、西部地區(qū)6級。華南地區(qū)地磁預(yù)測指標(biāo)構(gòu)建過程采用的震例為MS≥4.0地震，因此指標(biāo)的強(qiáng)度預(yù)測規(guī)則為MS≥4.0[21]。然而，當(dāng)前華南地區(qū)地磁臺網(wǎng)密度還難以有效捕抓4級左右地震孕育過程中可能伴隨的電磁異常信息。分析認(rèn)為，海南三亞4.2級地震震級較小不宜作為此次地磁加卸載響應(yīng)比異常預(yù)測的目標(biāo)震級。貴州沿河4.9級、廣西北流5.2級和靖西5.2級地震震級和孕震背景都相近，發(fā)震時間間隔不到2個月，地震強(qiáng)度均符合最新的震級預(yù)測規(guī)則，均為此次異常的目標(biāo)地震。艾薩·伊斯馬伊力等[17]研究發(fā)現(xiàn)，新疆南天山西段地區(qū)地磁加卸載響應(yīng)比異常也普遍存在一次異常對應(yīng)多次地震的情況。對于這種特殊情況，依據(jù)單項異常很難對后續(xù)目標(biāo)地震進(jìn)行預(yù)測，需要結(jié)合多學(xué)科資料綜合研判。地震實際發(fā)生時間與預(yù)測時間的偏差問題，可能與震中位于少震弱震區(qū)有關(guān)，后文將進(jìn)一步探討。

3.2 2019年2月26日地磁逐日比異常

2018—2019年的華南地區(qū)地磁垂直分量日變幅逐日比變化曲線顯示（圖4），2019年2月26日，多個地磁臺同步出現(xiàn)逐日比異常，包括廣西邕寧臺、河池臺、楊柳臺和潿洲島臺，福建泉州臺、漳州臺、龍巖臺和永安臺，江西會昌臺，廣東肇慶臺和河源臺，海南瓊中臺和火山臺，云南通海臺和馬關(guān)臺。逐日比異常2.8閾值線空間展布呈EW走向，穿過貴州、湖南、江西和福建等地。閾值線附近發(fā)生2019年6月17日四川長寧6.0級地震（位于閾值線端部附近）和10月2日貴州沿河4.9級地震，發(fā)生時間分別為異常出現(xiàn)后112天和219天，均滿足異常出現(xiàn)后9個月內(nèi)發(fā)震的時間預(yù)測規(guī)則（圖5，表2）。

圖4 華南地區(qū)地磁垂直分量日變幅逐日比變化曲線

圖5 2019年2月26日華南地區(qū)地磁垂直分量日變幅逐日比空間分布

表2 地磁垂直分量日變幅逐日比異常與顯著地震關(guān)系

3.3 2019年2月26日地磁加卸載響應(yīng)比異常

2019年2月26日加卸載響應(yīng)比異常涉及的地磁臺站有廣西邕寧臺、河池臺、楊柳臺和潿洲島臺，福建泉州臺、漳州臺、龍巖臺和永安臺，江西會昌臺，廣東肇慶臺，海南瓊中臺和火山臺，云南馬關(guān)臺（表1，圖2）。該異常與逐日比異常同步出現(xiàn)，兩者空間異常形態(tài)相似（圖5）。鑒于篇幅，未單獨給出異?？臻g分布圖。此次異常與2018年12月4日的加卸載響應(yīng)比異常相隔2個多月，閾值線之間的最近距離約70 km，出現(xiàn)異常的臺站和閾值線形態(tài)差別較大，因此是2次獨立的異常。2019年6月17日四川長寧發(fā)生6.0級地震，發(fā)生時間為異常出現(xiàn)后112天，震中距離閾值線275 km。2019年10月2日貴州沿河4.9級地震距離閾值線158 km，發(fā)生時間為異常出現(xiàn)后219天，均滿足異常出現(xiàn)后9個月內(nèi)發(fā)震的時間預(yù)測規(guī)則。

3.4 2019年5月12日和11月23日地磁低點位移異常

2019年5月以來，廣西及鄰區(qū)出現(xiàn)2次顯著的地磁低點位移異常。2019年5月12日地磁低點位移異常閾值線經(jīng)過云南、四川、貴州和廣西地區(qū)。2019年5月16日云南永善4.7級和6月17日四川長寧6.0級2次地震均位于閾值線拐彎處，距離分別為127 km和42 km，地震“時空強(qiáng)”三要素都較好地對應(yīng)了此次異常（圖6，表3）。地磁低點位移異常預(yù)測震級為5級以上，西部地區(qū)預(yù)測震級為6級以上。異常閾值線拐彎處為川滇強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)，認(rèn)為云南永善4.7級地震震級偏小，四川長寧6.0級地震為此次異常對應(yīng)的目標(biāo)地震。

圖6 2019年5月12日西南地區(qū)地磁低點位移異常（中國地震臺網(wǎng)中心姚麗提供）

表3 地磁低點位移異常與顯著地震關(guān)系

2019年11月23日地磁低點位移異常閾值線經(jīng)過云南、四川和廣西地區(qū)。異常出現(xiàn)后第3天，在距離閾值線端部約120 km處發(fā)生2019年11月25日廣西靖西5.2級地震，較好地對應(yīng)了此次異常（圖 7，表 3）。

圖7 2019年11月23日西南地區(qū)地磁低點位移異常（中國地震臺網(wǎng)中心姚麗提供）

4 討論

4.1 地磁異常與地震發(fā)生時間的關(guān)系探討

地磁低點位移預(yù)測時效為60天，2次地磁低點位移異常共對應(yīng)2個有效地震，提前預(yù)測時間為3～37天，在預(yù)測有效期內(nèi)。地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比預(yù)測時效為9個月，3次異常共對應(yīng)7個地震。其中，與2019年2月26日加卸載響應(yīng)比和逐日比異常對應(yīng)的震例均滿足時間預(yù)測規(guī)則，2018年12月4日的加卸載響應(yīng)比異常雖然對應(yīng)了3個符合震級條件的地震，但發(fā)震時間均超出了異常指標(biāo)的預(yù)測時效。構(gòu)造上，四川長寧6.0級、貴州沿河4.9級、廣西靖西5.2級和北流5.2級地震均位于華南地塊西南部。GPS觀測結(jié)果顯示[25]，該區(qū)域主要受西部川滇菱形地塊順時針旋扭作用，距離地塊邊界越近，旋扭作用越強(qiáng)烈，地震發(fā)生的動力學(xué)背景和地質(zhì)構(gòu)造條件、地震活動性亦較強(qiáng)。與四川地區(qū)相比，貴州和廣西地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動變形和地震活動性相對較弱，地震孕育過程可能相對較長。此外，研究顯示廣西地區(qū)不存在殼內(nèi)高導(dǎo)層，上地幔高導(dǎo)層頂部埋深約120 km，地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)與相鄰的川滇地區(qū)存在較大差異[26-27]。綜上，貴州沿河4.9級、北流5.2級、靖西5.2級地震發(fā)震時間滯后可能與所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。

中國大陸不同地區(qū)的震例回溯性研究亦顯示，地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比方法異常與地震“時空強(qiáng)”的對應(yīng)存在差別[18-20,28-32]。不同地區(qū)地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比方法預(yù)測時間為1～13個月不等，預(yù)測范圍和預(yù)測震級下限也不完全一致。陳兆明等[7]研究指出，低點位移分界線與地質(zhì)構(gòu)造帶、地震活動帶密切相關(guān)。以上認(rèn)識反映地震孕育過程及其伴隨前兆異?，F(xiàn)象的復(fù)雜性。因此，地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比指標(biāo)異常在廣西及鄰區(qū)預(yù)測的優(yōu)勢時間為9個月內(nèi)，若無地震對應(yīng)，應(yīng)繼續(xù)跟蹤至12個月左右。

4.2 地磁異常與地震發(fā)生地點的關(guān)系探討

5次地磁異常閾值線附近均發(fā)生了顯著地震，且地震發(fā)生在閾值線端部、拐彎處或曲率最大處的情況較多。最近為四川長寧6.0級地震到2019年5月12日地磁低點位移閾值線距離，約42 km；最遠(yuǎn)為四川長寧6.0級地震到2019年2月26日加卸載響應(yīng)比閾值線距離，約275 km，地震到閾值線的優(yōu)勢距離為200±50 km。丁鑒海等[10]研究發(fā)現(xiàn)90%地震的震中與地磁低點位移分界線的距離不超過分界線兩側(cè)距震中最近的2個臺站的距離，反映地磁臺網(wǎng)密度是影響地點預(yù)測精度的因素。華南地塊內(nèi)地磁臺站距離最近約100 km，最遠(yuǎn)約490 km，優(yōu)勢間距200～250 km。通常，地震的孕震范圍與震級強(qiáng)度成正比，地磁預(yù)測方法對5～6級地震的控制距離約為300～350 km[33]。綜合地震震級和臺站密度等因素，認(rèn)為本文研究的顯著地震到地磁異常閾值線的距離均符合預(yù)測指標(biāo)的空間預(yù)測規(guī)則。地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比指標(biāo)異常重點關(guān)注閾值線附近200±50 km的區(qū)域。

需要注意的是，地磁方法單項異常預(yù)測的范圍通常較大。地震預(yù)測實踐中，可依據(jù)多次地磁異常閾值線集中交匯區(qū)域[14,34]、短期重現(xiàn)性地磁日變化感應(yīng)電流集中分布[35]，并綜合其他學(xué)科異常時空演化[15]等方式縮小和鎖定重點跟蹤區(qū)域。

5 結(jié)論

2018年12月至2019年11月廣西及鄰區(qū)出現(xiàn)的地磁加卸載響應(yīng)比、逐日比和地磁低點位移異常與發(fā)生在異常閾值線附近的4.9級以上地震存在較好的對應(yīng)關(guān)系。其中2018年12月4日地磁加卸載響應(yīng)比異常對應(yīng)了貴州沿河4.9級、廣西北流5.2級和靖西5.2級地震，2019年2月26日地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比異常對應(yīng)四川長寧6.0級和貴州沿河4.9級地震，2019年5月12日地磁低點位移異常對應(yīng)四川長寧6.0級地震，2019年11月23日地磁低點位移異常對應(yīng)廣西靖西5.2級地震。存在一次地磁異常對應(yīng)多個地震的現(xiàn)象，也存在一個顯著地震前出現(xiàn)多次地磁異常的情況。該認(rèn)識可為今后地磁日變化預(yù)測指標(biāo)在類似廣西及鄰區(qū)、新疆南天山西段等地區(qū)的應(yīng)用提供借鑒。因觀測資料及能力所限，本文未能對該現(xiàn)象開展進(jìn)一步研究。

現(xiàn)行地磁預(yù)測指標(biāo)由地震科技工作者依據(jù)當(dāng)前的認(rèn)知水平和資料積累在震例回溯研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建，受地磁和地震資料積累時間短、震例樣本數(shù)量有限且空間分布不均勻、經(jīng)驗和認(rèn)知等因素制約，可能存在一些不確定性。預(yù)測指標(biāo)實際應(yīng)用過程中，應(yīng)適當(dāng)考慮各種潛在因素對預(yù)測規(guī)則的影響。如北流5.2級和靖西5.2級地震所處構(gòu)造區(qū)的地震孕育過程相對較慢，可能會導(dǎo)致地震實際發(fā)生時間滯后于指標(biāo)預(yù)測時間。廣西及鄰區(qū)地磁臺站相對稀疏，則會影響異常閾值線對應(yīng)地下感應(yīng)電流位置或構(gòu)造活動部位的精度。因此，文中部分地震的發(fā)生時間稍超出現(xiàn)行預(yù)測指標(biāo)的時間預(yù)測規(guī)則，個別地震距離異常閾值線的距離稍遠(yuǎn)。鑒于地磁觀測臺站密度和構(gòu)造背景差異，地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比指標(biāo)在廣西及鄰區(qū)的預(yù)測時間為12個月內(nèi)，預(yù)測地點重點關(guān)注閾值線附近200±50 km的區(qū)域。

致謝全國電磁學(xué)科技術(shù)管理組、江蘇省地震局和上海市地震局為本研究提供了地震地磁數(shù)據(jù)分析預(yù)報軟件及相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)；本文用到的數(shù)據(jù)來自中國地震局地球物理研究所國家地磁臺網(wǎng)中心；中國地震臺網(wǎng)中心姚麗博士提供了地磁低點位移矢量圖及資料解譯成果；評審專家提出了建設(shè)性的修改意見和建議，在此一并表示衷心感謝！