廣西地區地磁異常與地震關系的研究*

閻春恒，孫學軍，齊貴華，韋仕根，黃惠寧，向 巍

(1.廣西壯族自治區地震局，廣西南寧530022;2.廣西壯族自治區地震局邕寧地震臺，廣西南寧530200;3.廣西壯族自治區地震局河池地震臺，廣西河池547000)

0 引言

地震的發生不僅與震源區的孕震過程有關，而且與地體環境及日地空間環境因素密切相關，而變化磁場是把兩者聯系起來的天然媒介 (丁鑒海，1988)。地球變化磁場Z分量日變化幅度，包含了地球變化磁場的外場及地球內部電性介質感應生成的變化內場的信息，因此其可以反映地球內部介質電性性質的變化 (馮志生等，2001)。震例研究表明，地磁場Z分量與地下介質的關系最密切，特別是在中低緯度地區，地震的磁異常主要表現為地磁 Z分量異常 (馮志生等，2000，2006)。基于此，我國學者積極探討有關地磁日變方面的變化與地震的關系，如Z分量日變的低點位移與地震的關系 (丁鑒海，1988)，Z分量靜日變幅月均值與地震的關系 (姚法章，任麗君，1988)，地磁垂直分量日變幅逐日比及其與地震的關系 (馮志生等，2001)。諸多研究表明，中強地震前存在可靠的地磁短臨前兆 (劉心恒，周隕生，1995;魯躍等，1999;李樹華，陳燕，2003;李樹華，趙小艷，2011;丁鑒海等，2004;韓鵬等，2009;王武星等，2009;袁潔浩等，2014)。利用變化磁場特別是Z分量日變幅異常場預報地震，已成為我國日常地震短臨監視預報有效的方法之一 (丁鑒海等，2006)。

廣西邕寧和河池地震臺已連續觀測近30年，期間廣西及鄰區發生了多次中強地震，為本研究積累了寶貴的基礎資料。本文基于廣西邕寧、河池地震臺和海南瓊中地震臺連續的地磁相對觀測資料，采用空間相關法分析3個臺站周邊中強地震前地磁Z分量日變化幅度變化特征，提取可能存在的異常指標，為該地區中強地震的中短期趨勢預測和研究提供參考。

1 臺站概況及資料選取

廣西邕寧地震臺建于1972年5月，地處北西向百色—合浦斷裂帶附近，出露巖石為白云質灰巖，屬國家基準臺。廣西河池地震臺于1986年10月開始正式記錄，位于山字型宜山—柳城斷裂帶附近，出露地層為石灰系薄狀灰巖，屬區域臺。海南瓊中地震臺建于1976年11月，位于五指山隆起巖體的北東距五指山20多千米處，基巖巖性為中生代第二期酸性弱磁性花崗巖，屬國家基準臺。3個臺站均為有人值守臺，不同時段相對觀測使用的儀器基本相同 (表1)，每年開展地磁梯度測量，觀測環境和數據質量均符合要求。瓊中臺 (QZ)距離邕寧臺 (YN)約440 km，距離河池臺 (HC)約660 km(圖1)，3個臺站所處地理位置相近，觀測資料具有較好的同步性，選用這3個臺站的變化記錄對地磁Z分量日變幅數據開展分析，能夠提取局部地磁異常場的信息。選取邕寧臺和瓊中臺資料研究時段為1984-01-01～2013-12-31，河池臺資料研究時段為1993-01-01～2013-12-31。除2005-06～2007-09海南瓊中臺因數字化改造出現部分時段缺數，其余時段3個臺站的資料連續率好，可靠性高 (圖2)。

自1984年有地磁觀測資料以來，挑選這3個臺站周邊一定范圍內的地震作為研究震例，挑選原則是M4.4～4.9、M5.0～5.9、M6.0～6.9地震到臺站的距離分別不超過 200 km、300 km、500 km，獲得7次震例共10個M≥4.4地震，其中1個為雙震，2個為M≥5強余震 (圖1、表2)，震中位于廣西及北部灣海域。

圖1 研究區斷裂、地震和臺站分布圖Fig.1 Distribution map of faults，earthquakes and stations in the study region

圖2 地磁Z分量日變化幅度曲線Fig.2 Daily variation amplitude curve of geomagnetic Z component

表1 河池、邕寧和瓊中臺不同時期相對觀測設備信息表Tab.1 Relative observation equipment information of Hechi，Yongning and Qiongzhong stations in different period

表2 1984～2013年廣西及北部灣海域中強震例Tab.2 The selected moderate and strong earthquakes in Guangxi and Beibu Gulf from 1984 to 2013

2 空間相關法

地磁正常背景場的分布與變化具有空間上的相關性和時間上的延拓性。單臺地磁日變幅逐日變化很復雜，即使變化很大也不能算作地震前的異常，必須消除地磁正常背景場的變化，突出與地震相關的磁異常 (丁鑒海等，2004)。采用空間相關法分析異常體內外同時觀測到的地磁場Z分量資料，可得到異常體的地震磁異常信息 (馮志生等，2005;蔣延林等，2005)。該方法的優點是即使兩個臺站距離較大或長期變化不太一致，也能較好地消除正常背景場和長期變化的影響，進而反映出微弱的震磁信息。

設A、B兩個臺站地磁垂直分量日變化幅度為ZA、ZB，且成線性相關 (馮志生等，2000)，即

3 結果分析

采用磁電異常分析軟件，選取窗長N為21 d(馮志生等，2000)，計算了邕寧臺和河池臺Z分量日變化幅度相對海南瓊中臺Z分量日變化幅度的空間相關系數 (圖3)。統計每次中強震例前后空間相關系數是否存在顯著異常、異常持續時間及其變化與地震活動的相關性，所選取的7次震例前地磁空間相關曲線異常特征及其映震信息見表3，表中Δ表示震中距，To為發震時間，Tb為異常開始時間，Te為異常結束時間，(Te-Tb)為異常持續時間，(To-Tb)為出現異常至發震的時間間隔，Rm為空間相關異常的最小值，Ro為發震時刻的空間相關系數。最后分析地震異常與中強地震的關系，并對空間相關法預報效能進行評估。

3.1 中強地震前地磁空間相關曲線變化特征

(1)1988年11月10日北部灣5.0級地震前約1個月邕寧臺空間相關曲線迅速下降至0.87，此后緩慢恢復，低值異常持續近2個月，在異常回升過程中發生5.0級地震，發震時刻相關系數為0.93，震后近半年內曲線出現較大幅度的波動。

(2)1993年2月10日大化4.5級地震前兩個多月，邕寧臺空間相關曲線出現持續近1個月的低值異常，異常最低幅值為0.9，異常結束后45 d，在大化水庫庫區發生4.5級地震，震后空間相關曲線出現小幅波動并很快恢復正常。此次地震發生時河池臺只積累了2個多月的觀測資料，從震前該臺的空間相關曲線來看，與邕寧臺存在同步性很好的低值異常變化過程。

(3)1994年12月31日和1995年1月10日，北部灣先后發生了6.1、6.2級地震，并分別在3月23日和5月7日發生5.1級和5.2級強余震。4次地震前，河池臺和邕寧臺空間相關系數均出現不同程度的異常變化。6.1級地震前26 d，河池臺和邕寧臺同步出現低值異常，持續時間為1個月，最低異常值分別為0.83和0.89，在低值異常轉折回升過程中，發生了北部灣6.1、6.2級雙震。震后較長時間內空間相關曲線出現波動，3月7日至5月17日出現了兩次同步性較好、幅值低于0.9的異常變化過程，在低值異常轉折回升過程中，分別發生了5.1和5.2級強余震。

(4)1998年3月4日起，河池臺和邕寧臺空間相關曲線同步出現快速的大幅下降，最低值分別降至0.8和0.76，此后緩慢恢復，4月25日回歸正常狀態，整個過程持續近兩個月。在曲線恢復過程中，發生環江4.9級地震。

(5)2005年10月27日平果4.4級地震前6 d，河池和邕寧臺空間相關曲線出現趨勢下降，降至0.96時，發生了4.4級地震，震后空間相關曲線仍持續近1個多月的下降，分別降至最低值0.77、0.88。2個月后，空間相關曲線逐漸恢復正常。

(6)2010年9月18日龍灘庫區4.4級地震前5個月，河池臺空間相關曲線出現明顯低值異常，持續時間近2個月，出現0.89、0.88兩次低值異常過程;邕寧臺空間相關系數也出現了相同形態的下降過程，兩次下降過程的最低值分別為0.92和0.94，異常幅度較河池臺的略小。異常結束后100 d，龍灘庫區發生4.4級地震。

(7)2012年10月10日起，河池臺和邕寧臺同步出現空間相關系數低值異常，異常持續時間近3個月，初期波動性緩慢下降，至12月上旬分別達到最低值0.86和0.87，此后緩慢回升至背景值。異常結束后45 d，平果地區發生4.5級地震。

3.2 地磁空間相關異常與中強地震關系分析

表3統計信息顯示，研究震例震中距Δ介于50～505 km。當Δ＜270 km時，空間相關異常最小值在 0.76～0.90之間，平均為 0.84。當Δ＞270 km時，空間相關異常最小值在0.83～0.92之間，平均0.88。即異常幅度與震中距呈負相關性，當震中距相對較小時，觀測到的異常幅度相對較大。

表3 邕寧和河池臺空間相關系數異常信息統計Tab.3 Abnormal information statistics of spatial correlation index of Yongning and Hechi stations

圖3 邕寧臺 (黑色線)、河池臺 (紅色線)相對瓊中臺的地磁Z分量日變化幅度空間相關曲線Fig.3 Spatail correlation curve of daily variation amplitude of geomagnetic Z components of Yongning Station(black line)，Hechi Station(red line)relative to that of Qiongzhong Station

M≤5地震的空間相關系數低值異常持續時間為24～88 d，平均2個月;空間相關異常最小值為0.76～0.92，平均為0.85。M＞5地震空間相關系數低值異常持續時間為23～48 d，平均37 d;空間相關異常最小值為0.83～0.90，平均0.87。進一步對比發現，M≤5地震均位于陸區 (其中大化4.5級和龍灘4.4級地震位于水庫地區)，而M＞5地震均位于北部灣海域。以上統計結果可能反映，不同震例前地磁空間相關曲線變化特征，不僅與震級及震中距有關，可能還與地震孕育環境有關。

綜上所述，廣西及北部灣海域發生顯著地震前，廣西河池臺和邕寧臺地磁Z分量日變幅空間相關曲線均出現了不同程度的低值異常變化，異常持續時間通常為1～3個月，異常最低幅值為0.76～0.92，發震時刻的空間相關系數在0.91～0.98之間。7次震例對應的空間相關曲線異常形態存在差異，1次在異常下降過程中、3次在異常恢復過程中及3次在異常結束后3個月內發震，即廣西及北部灣海域中強地震通常發生在邕寧臺和河池臺的空間相關曲線同步出現低值異常持續過程中或異常結束后3個月內，且低值異常持續時間超過1個月、異常最小幅值≤0.9。該定量指標可供研究區震情跟蹤參考。

3.3 地磁空間相關法在廣西及鄰區的預報效能評估

為了衡量地震預測水平和檢驗地震短期預報效能，目前多使用R評分的辦法 (許紹燮，1989):

式中，R值為扣除了隨機概率的預報成功率。R值越大，預報效果越好。1993～2013年3個臺站均有資料記錄，研究區內應預報震例6次，報對6次;預報研究的總時間為19.5年 (扣除2006-07-01～2007-12-31臺站數字化改造時段)，期間邕寧臺和河池臺出現了14次空間相關系數小于0.9、持續時間1～3個月的同步異常，考慮異常跟蹤過程的持續性，按平均每次異常持續過程為4個月進行統計，則空間相關法對廣西地區M≥4.4地震的預報效能檢驗R值為0.76，表明該方法對廣西地區中強地震具有較好的映震效果。

4 討論與結論

本文采用空間相關法計算了1987～2013年廣西邕寧臺和河池臺的地磁Z分量日變化幅度相對海南瓊中臺的空間相關系數，分析了空間相關曲線異常變化特征與廣西及北部灣海域中強地震的關系，在此基礎上對地磁空間相關法在廣西及鄰區的預報效能開展了評估。研究結果表明:

(1)廣西邕寧臺、河池臺和海南瓊中臺的地質構造條件和地理位置相近，這3個臺站進行空間相關結果，能夠靈敏地反映局部地區地磁場的微弱變化，發現潛在的震磁信息。統計結果顯示，廣西及北部灣海域發生顯著地震前，廣西邕寧臺和河池臺地磁Z分量日變幅空間相關曲線均出現了不同程度的低值異常，異常變化特征與震級、震中距、孕震環境等因素相關。鑒于本研究區分震級和震中距的地震樣本量偏少，此方面更深入的分析研究有待進一步開展。

(2)本文獲取的量化指標對廣西及北部灣海域中強地震的預報效能評分為0.76，具有較好的映震效果。需要指出的是，有7次同步的低值異常出現后研究區未發生中強地震。通常孕震區的分布范圍、地球物理場異常持續時間與未來主震震級相關。因此，這些未對應廣西及北部灣海域中強地震活動的顯著低值異常，可能反映了震中位于研究區外的強震的磁異常信息。

(3)本文對研究區內地磁Z分量日變幅空間相關曲線異常特征與地震活動之間可能存在的內在關系開展初步研究，并對獲取的量化指標開展了預報效能分析評估，然而利用日變化異常預測地震的機理仍是一個復雜的科學問題，需要長期不懈的探索和科學資料的積累。

江蘇省地震局馮志生研究員為本研究提供了空間互相關計算程序及相關指導，海南省地震局葉向頂高級工程師提供了海南瓊中臺地磁觀測資料，審稿專家提出了中肯的修改意見和建議，在此表示衷心感謝!

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