地磁低點(diǎn)位移異常界線交匯現(xiàn)象與地震關(guān)系研究

楊興悅　張飛捷　曾文浩　路曉辰　劉白云

摘要： 利用國家地磁臺網(wǎng)中心產(chǎn)出的觀測資料，研究中國大陸地區(qū)低點(diǎn)位移現(xiàn)象與強(qiáng)震之間的關(guān)系，認(rèn)為地磁低點(diǎn)位移異常與強(qiáng)震之間具有較好的關(guān)聯(lián)性。多次5級以上地震發(fā)生前兩月內(nèi)會出現(xiàn)一次或多次低點(diǎn)位移異常，地震往往發(fā)生在低點(diǎn)位移異常分界線300 km內(nèi)。2022年1月8日青海門源6.9級地震、2016年1月21日青海門源6.4級地震和2019年9月16日甘肅肅南5.0級地震前兩月內(nèi)均出現(xiàn)了3次明顯的地磁低點(diǎn)位移異常。將多次低點(diǎn)位移異常分界線疊加到同一幅圖上，形成了1個(gè)或多個(gè)交匯區(qū)域，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生在低點(diǎn)位移分界線的交匯區(qū)域附近。綜合活動構(gòu)造斷裂分布、歷史大地震發(fā)生情況、中長期預(yù)測的強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)區(qū)及年度全國地震危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)一步判斷可能發(fā)震的區(qū)域，此項(xiàng)研究明顯縮小了用地磁低點(diǎn)位移法預(yù)測地震發(fā)生地點(diǎn)的范圍。

關(guān)鍵詞： 垂直分量; 低點(diǎn)位移; 低點(diǎn)時(shí)間; 異常

中圖分類號： P315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0926-07

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220211003

Relationship between the boundary intersection of geomagnetic

low－point displacement anomalies and earthquakes

YANG Xingyue ZHANG Feijie2， ZENG Wenhao LU Xiaochen3， LIU Baiyun1，4

Abstract：? The relationship between geomagnetic low－point displacement and strong earthquakes in the Chinese Mainland was studied in this paper based on observation data from the national geomagnetic network center. A good correlation exists between the two aspects. One or more low－point displacement anomalies emerged within two months before numerous M>5 earthquakes， and the earthquakes usually occurred within 300 km of the boundary of low－point displacement anomalies. Four geomagnetic low－point displacement anomalies occurred two months before the Menyuan M6.9 earthquake in Qinghai Province on January 8， 2022. Meanwhile， three geomagnetic low－point displacement anomalies occurred two months before the Menyuan M6.4 earthquake in Qinghai Province on January 21， 2016， and the Ganzhou M5.0 earthquake in Gansu Province on September 16， 2019. One or more intersection regions will be formed when the boundaries of multiple low－point displacement anomalies are superimposed on the same graph. Results showed that the earthquakes occurred near the intersection region of low－point displacement boundaries. Possible earthquake regions can be determined by combining the distribution of active tectonic faults， the occurrence of large earthquakes in history， potential risk areas of strong earthquakes predicted in the medium and long term， and annual risk areas of earthquakes in China. This study markedly narrows down the prediction range of earthquake location with the geomagnetic low－point displacement method.

Keywords： vertical component; low－point displacement; low－point time; anomalies

0 引言

地球磁場是地球外部磁場和內(nèi)部磁場所疊加形成的磁場，地球外部磁場具有較廣的空間分布范圍，而地球內(nèi)部磁場具有區(qū)域性和局部性特征［1］。當(dāng)?shù)厍騼?nèi)部或外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，地磁場也會隨之出現(xiàn)異常變化［2］。我國地震電磁觀測已有60多年的歷史，已被認(rèn)為是進(jìn)行地磁短臨預(yù)測研究的重要手段。大量觀測結(jié)果表明地震孕育過程與地球內(nèi)＼，外部環(huán)境有著密切的關(guān)系［2－7］，因此中強(qiáng)地震發(fā)生前會出現(xiàn)一些地震電磁異?，F(xiàn)象。但地震孕育過程極其復(fù)雜，研究人員對地震電磁異?，F(xiàn)象機(jī)理進(jìn)行了定性或定量研究［1－9］，形成了地磁低點(diǎn)位移、加卸載響應(yīng)比、空間相關(guān)法、諧波振幅比等多種地震預(yù)報(bào)和研究方法［9］。研究者認(rèn)為地磁低點(diǎn)位移法是地震短臨預(yù)測的有效方法，并開展了一系列相關(guān)研究［2－16］。如陳紹明［2］提出了“日變低點(diǎn)位移法”及地磁“日變反向”的概念，丁鑒海等［4］提出了“低點(diǎn)位移平面圖”法及低點(diǎn)時(shí)間的“經(jīng)度效應(yīng)”，認(rèn)為震前地磁垂直分量日變化異常主要表現(xiàn)在幅度和相位上。

一些學(xué)者利用地磁低點(diǎn)位移法進(jìn)行中強(qiáng)地震關(guān)系研究時(shí)提出了低點(diǎn)位移異常預(yù)測地震的指標(biāo)，結(jié)果表明低點(diǎn)位移異?，F(xiàn)象與強(qiáng)震的發(fā)生具有較好的相關(guān)性，特別是6級以上強(qiáng)震的效果較好。隨著震例的累積以及對地磁低點(diǎn)位移研究的深入，認(rèn)為低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)后的第27天或41天前后4天為發(fā)震日期，強(qiáng)震往往發(fā)生在低點(diǎn)位移突變分界線附近的地區(qū)［3－4］。低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)后，在發(fā)震時(shí)間預(yù)測方面，郭增建等［17］提出了以丁鑒海等提出的發(fā)震日期為第一方案的主預(yù)測方案，以磁暴倍九法為補(bǔ)充的第二預(yù)測方案。馮志生等［9］提出了低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)后兩月內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震的概率較大，震中還是在低點(diǎn)位移突變分界線附近的地區(qū)，并初步建立了地磁低點(diǎn)位移判定依據(jù)和預(yù)測指標(biāo)。賈昕曄等［16］將傳統(tǒng)的區(qū)域間低點(diǎn)時(shí)間差超過兩小時(shí)的分界線判別標(biāo)準(zhǔn)改為梯度值超過1.0 h/（°），去除經(jīng)度效應(yīng)。馬亮對地磁低點(diǎn)時(shí)間與經(jīng)度做了相關(guān)分析［18］，并通過鄰插值法將地磁臺站低點(diǎn)時(shí)間等值線圖轉(zhuǎn)化為二階等值線圖，提取出低點(diǎn)位移突變界線，消除經(jīng)度效應(yīng)［19－20］。胡久常等［21］在研究汶川8.0級特大地震前地磁垂直分量低點(diǎn)異常時(shí)，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生在地磁垂直分量日變形態(tài)雙低點(diǎn)異常臺站的交匯區(qū)域，這對地震發(fā)生地點(diǎn)的預(yù)測具有指示意義。

上述學(xué)者對地磁低點(diǎn)位移異常與地震的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究，認(rèn)為強(qiáng)震發(fā)生在地磁低點(diǎn)位移異常分界線附近，表明地磁低點(diǎn)位移異常與強(qiáng)震之間具有較好的關(guān)聯(lián)性。上述研究僅對震前某一次異常進(jìn)行了研究，對于中國大陸而言，一條地磁低點(diǎn)位移異常分界線長度可達(dá)幾千km，對于地震預(yù)測預(yù)報(bào)而言，發(fā)震地點(diǎn)范圍較大，判斷強(qiáng)震發(fā)生的地點(diǎn)存在困難。本文研究發(fā)現(xiàn)，一次強(qiáng)震前可能會出現(xiàn)一次以上地磁低點(diǎn)位移異常，將多次低點(diǎn)位移異常分界線疊加在同一圖上會出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)異常線交匯點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究以交匯點(diǎn)為中心一定范圍區(qū)域內(nèi)地磁低點(diǎn)位移異常界線交匯現(xiàn)象與地震的關(guān)系，進(jìn)一步探討地磁低點(diǎn)位移異常分界線交匯區(qū)域?qū)Πl(fā)震地點(diǎn)的指示意義。

1 地磁低點(diǎn)位移異常定義與預(yù)測規(guī)則

地磁垂直分量（Z分量）日變化信息常用地磁臺站記錄的日變化極大值、極小值及其出現(xiàn)的時(shí)間和幅度大小來表達(dá)，即常用極大值和極小值＼，極大值時(shí)間和極小值時(shí)間以及其差來描述Z分量的變化情況。其中極小值時(shí)間稱為地磁低點(diǎn)時(shí)間。我國處于中低緯度地區(qū)，在地磁靜日地磁Z分量日化形態(tài)類似“Ｖ”字形，其日變化極小值時(shí)間隨經(jīng)度變化，但不隨緯度變化。一般情況下出現(xiàn)在地方時(shí)間12 h左右，并且隨經(jīng)度由東向西延遲15 °/h，即隨經(jīng)度由東向西延遲4 min/（°）。低點(diǎn)時(shí)間受經(jīng)度效應(yīng)的影響，地磁臺站記錄的低點(diǎn)時(shí)間從整體上來看在空間上呈現(xiàn)為緩變過程［8］。地磁低點(diǎn)位移是指在一個(gè)大區(qū)域內(nèi)臺站記錄的低點(diǎn)時(shí)間與另一個(gè)大區(qū)域內(nèi)的低點(diǎn)位移時(shí)間有明顯差別，且兩個(gè)大區(qū)域之間的低點(diǎn)時(shí)間消除經(jīng)度效應(yīng)后相差2 h以上，而每個(gè)大區(qū)域內(nèi)的低點(diǎn)時(shí)間差別不明顯，呈緩慢變化。上述描述的異?，F(xiàn)象稱為地磁低點(diǎn)位移異常，兩個(gè)大區(qū)域之間低點(diǎn)位移突變分界線稱為低點(diǎn)位移異常分界線，正常低點(diǎn)臺站與突變低點(diǎn)臺站的中點(diǎn)之間的連線并進(jìn)行平滑得出異常分界線。

在上述規(guī)則的基礎(chǔ)上，我們研究了中國大陸地區(qū)地磁低點(diǎn)位移異常與強(qiáng)震的關(guān)系，且在發(fā)震時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度方面進(jìn)一步細(xì)化了低點(diǎn)位移異常與強(qiáng)震關(guān)系的對應(yīng)規(guī)則。在時(shí)間上，低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)后兩月內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)震視為對應(yīng)地震，超出兩個(gè)月視為不對應(yīng)。在地點(diǎn)上，6級以下強(qiáng)震震中距低點(diǎn)位移異常分界線300 km視為對應(yīng)地震，6級以上強(qiáng)震震中距低點(diǎn)位移異常分界線不超過350 km視為對應(yīng)地震，否則視為不對應(yīng)，在強(qiáng)度上選擇中國大陸發(fā)生的5級以上強(qiáng)震作為研究對象。

2 3次地震前地磁低點(diǎn)位移異常

2.1 2022年1月8日青海門源6.9級地震

本文對2022年1月8日青海門源6.9級地震前兩個(gè)月內(nèi)的地磁垂直分量觀測資料進(jìn)行了分析，認(rèn)為在此次地震前出現(xiàn)了3次明顯的地磁低點(diǎn)位移異常，出現(xiàn)時(shí)間分別為2021年11月29日、2021年12月28日及2021年12月30日（圖1）。最早出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間為40 d，最晚出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間為9 d。青海門源6.9級地震發(fā)生在低點(diǎn)位移異常分界線附近，此次地震距3次異常分界線的震中距分別為64 km、300 km及66 km。將這3次異常分界線疊加到同一幅圖上，青海門源6.9級地震震中落在異常分界線的交匯區(qū)域附近（圖1）。

圖1中3次地磁低點(diǎn)位移異常分界線疊加到同一幅圖上形成了3個(gè)交匯區(qū)域，區(qū)域①位于冷龍嶺斷裂、武威—天祝斷裂附近;區(qū)域②位于雅布賴斷裂附近，該斷裂為不活動斷裂，歷史上未發(fā)生過5級以上地震;區(qū)域③位于鄂爾多斯塊體內(nèi)，該塊體內(nèi)歷史上未發(fā)生過5級以上地震。綜上所述，區(qū)域①所在區(qū)域位于青藏高原北緣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷史上強(qiáng)震頻發(fā)［22］，地磁異常出現(xiàn)后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域。

2.2 2016年1月21日青海門源6.4級地震

2016年1月21日在青海門源發(fā)生了MS6.4地震，此次地震前出現(xiàn)了3次明顯的地磁低點(diǎn)位移異常，分別是2015年12月19日、2015年12月23日及2016年1月1日（圖2）。最早出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間是33 d，最晚出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間是20 d。青海門源6.4級地震發(fā)生在低點(diǎn)位移異常分界線附近，此次地震距3次異常分界線的震中距分別為154 km、264 km及240 km。將這3次異常分界線疊加到同一幅圖上，青海門源6.4級地震震中落在異常分界線的交匯區(qū)域附近（圖2）。

圖2中3次地磁低點(diǎn)位移異常分界線疊加到同一幅圖上形成了2個(gè)交匯區(qū)域，區(qū)域①位于哈拉湖南山斷裂、哈拉湖盆地北緣斷裂、木里—江倉斷裂附近，距門源地震震中約320 km，該區(qū)域位于青藏高原北緣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷史上強(qiáng)震頻發(fā);區(qū)域②位于鄂爾多斯塊體東側(cè)＼，太谷斷裂附近，1900年以來該區(qū)域100 km范圍內(nèi)發(fā)生了5次5級以上地震。因此，地磁異常出現(xiàn)后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域①。

2.3 2019年9月16日甘肅肅南5.0級地震

2019年9月16日在甘肅肅南發(fā)生了MS5.0地震，此次地震前出現(xiàn)了3次明顯的地磁低點(diǎn)位移異常，分別是2019年7月25日、2019年8月18日及2019年8月21日，如圖3所示。最早出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間為55 d，最晚出現(xiàn)異常時(shí)間距發(fā)震時(shí)間為26 d。甘肅肅南5.0級地震發(fā)生在低點(diǎn)位移異常分界線附近，此次地震距3次異常分界線的震中距分別為155 km、192 km及97 km。將這3次異常分界線疊加到同一幅圖上，甘肅肅南5.0級地震震中落在異常分界線的交匯區(qū)域附近（圖3）。

圖3中3次地磁低點(diǎn)位移異常分界線疊加到同一幅圖上主要形成了2個(gè)交匯區(qū)域，區(qū)域①位于托萊山斷裂、冷龍嶺斷裂及達(dá)坂山斷裂附近，距肅南地震震中約190 km，該區(qū)域位于青藏高原北緣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷史上強(qiáng)震頻發(fā);區(qū)域②位于明化鎮(zhèn)斷裂、新河斷裂一帶，1900年以來在明化鎮(zhèn)斷裂發(fā)生過1次5級以上地震，在新河斷裂上發(fā)生了多次5級以上地震，而其附近斷裂無強(qiáng)震發(fā)生。

另外，筆者研究了2013—2021年地磁低點(diǎn)位移異常與近160次5級以上地震的關(guān)系，初步研究結(jié)果認(rèn)為地磁低點(diǎn)位移異常與5級以上地震對應(yīng)率約為32%，漏報(bào)率約為48%，虛報(bào)率約為67%。由于新疆、西藏、內(nèi)蒙和東北地區(qū)地磁臺站稀疏，導(dǎo)致地震對應(yīng)率偏低、虛報(bào)率偏高。上述研究僅為初步結(jié)果，還需要進(jìn)一步分析核實(shí)。在低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)后的兩月內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震在時(shí)間上無特殊規(guī)律，強(qiáng)震發(fā)生前出現(xiàn)2次及以上低點(diǎn)位移異常占比接48%，強(qiáng)震均發(fā)生在低點(diǎn)位移異常分界線的交匯區(qū)域及附近。

3 結(jié)論與討論

（1） 本文利用國家地磁臺網(wǎng)中心產(chǎn)出的觀測資料，研究了2022年1月8日青海門源MS6.9、2016年1月21日青海門源MS6.4和2019年9月16日甘肅肅南MS5.0地震與地磁低點(diǎn)位移異常的關(guān)系，認(rèn)為3次地震前兩個(gè)月內(nèi)均出現(xiàn)了3次明顯的地磁低點(diǎn)位移異常，3次異常線距震中均在300 km內(nèi)，將多次低點(diǎn)位移異常分界線疊加投影到同一底圖上，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生在低點(diǎn)位移分界線的交匯區(qū)域附近，說明此方法具有可信性，利用地磁低點(diǎn)位移異常分界線交匯現(xiàn)象可大幅縮小地震預(yù)測地點(diǎn)范圍，對于地震預(yù)測預(yù)報(bào)有實(shí)際應(yīng)用意義。

（2） 通過本文研究，認(rèn)為強(qiáng)震一般發(fā)生在多條低點(diǎn)位移異常分界線疊加的交匯區(qū)域附近。一次強(qiáng)震發(fā)生前如果出現(xiàn)多次低點(diǎn)位移異常，不可避免地可能會出現(xiàn)2個(gè)及以上的異常分界線疊加的交匯區(qū)域，這對強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測增加了難度。強(qiáng)震往往發(fā)生在活動斷裂上或及其附近，如果出現(xiàn)2個(gè)以上的低點(diǎn)位移異常分界線疊加的交匯區(qū)域，可綜合活動斷裂分布、歷史大地震發(fā)生情況、中長期預(yù)測的強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)區(qū)及年度全國地震危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)一步排除及優(yōu)化異常分界線疊加的交匯區(qū)域發(fā)生強(qiáng)震的可能性。由于地磁低點(diǎn)位移異常預(yù)測地震發(fā)震時(shí)間為2月內(nèi)，因此還可以參考其他地震監(jiān)測手段出現(xiàn)的異常進(jìn)一步優(yōu)化縮小預(yù)測地震發(fā)生地點(diǎn)范圍。

（3） 在研究地磁低點(diǎn)位移異常時(shí)未充分考慮天氣對其影響。但是我們仔細(xì)分析了本文中3次地震前出現(xiàn)的地磁低點(diǎn)分界線異常與全國降水量預(yù)報(bào)圖之間的關(guān)聯(lián)性，認(rèn)為二者關(guān)聯(lián)性差，說明降水量對地磁低點(diǎn)位移異常影響不明顯。在后續(xù)研究中我們會充分考慮降雨、降雪等天氣原因?qū)Φ卮诺忘c(diǎn)位移異常的影響。

致謝：文中使用的地磁數(shù)據(jù)來自于中國地震局地球物理研究所國家地磁臺網(wǎng)中心;兩位審稿人為本文提出了寶貴意見，尤其是建議考慮降雨對地磁低點(diǎn)位移異常的影響，為作者后續(xù)研究開拓了思路，在此一并表示感謝！

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：2022-02-11

基金項(xiàng)目：甘肅省地震局地震科技發(fā)展基金（2018Y01）;甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心開放基金（GDW2021YB13）

第一作者簡介：楊興悅，男，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測工作。E－mail：yxy_wy@163.com。

通信作者：曾文浩，男，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測、觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用、設(shè)備運(yùn)維等工作。E－mail：zengwh@gsdzj.com.gov.cn。