2013年前郭5.8級震群的地磁多方法異常分析

李鴻宇 朱培育 王維 馮志生

摘要：收集2013年東北地區地磁分鐘值觀測數據，運用地磁總場絕對值北京時02點值空間相關法、地磁垂直分量日變化空間相關法、地磁垂直分量日變幅逐日比法和地磁諧波振幅比法進行計算分析，結果顯示2013年11月23日前郭5.8級震群前均有異常現象出現。綜合單方法的發震時間預測結果和發震地點預測表明：地震發生前，存在多種地磁分析方法異常的現象，異常數量的增多提高了各地磁分析方法異常的可信度；距離發震時間越近，異常數量有明顯的增加，預示著該地區的發震概率的增大；多方法預測發震地點的綜合分析，相對于單方法而言，可以縮小預測范圍。

關鍵詞：前郭震群；地磁異常；空間相關；逐日比；地磁諧波振幅比

中圖分類號：P315.721 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）01-0111-07

0 引言

地震地磁學主要是研究地震孕育和發生過程中地磁場和地球介質電磁參數變化特征及產生機理。地震地磁場異常的研究主要包括地震地磁場日變化異常、地震磁擾動異常（幾百s～幾百Hz）、地震電磁波磁異常（幾百Hz以上）；地震地球內部電性參數研究主要包括地殼磁化率和地球介質電阻率研究，地震地殼磁化率異常研究主要是基于流動地磁觀測的巖石圈磁異常研究，地震電阻率異常研究主要包括淺表電阻率和深部電阻率研究，其中淺表電阻率研究主要是直流電阻率研究，深部電阻率研究主要包括地磁轉換函數（龔紹京等，1997，2001）和地磁諧波振幅比（馮志生等，2004；倪曉寅，陳瑩，2017）。

本文主要分析了前郭震群前地震地磁場日變化異常和反應深部電阻率的地磁諧波振幅比異常。2013年10月31日至11月23日，吉林省前郭縣發生了5.8級震群，最大地震發生在11月23日，主要發震構造為NNW向的查干泡—道字井斷裂（張洪艷等，2015），該地震是吉林省自1972年建立地震臺網以來最強的地震活動（孫旭麗等，2015），研究該震群的地震前兆異常對該地區的地震預測研究具有重要意義。

目前，地震地磁場日變化異常分析方法主要有地磁低點位移法（丁鑒海等，1988）、地磁垂直分量加卸載響應比法（曾小平，1996）、地磁垂直分量日變化幅度逐日比法（馮志生等，2001）、地磁垂直分量日變化空間相關法（馮志生等，1998）和地磁每日一值空間相關法（馮志生等，2000）。近些年的震例研究表明以上震磁異常分析方法提取的地磁場變化在中強地震前均有一定的異常反映，例如：2008年汶川8.0級地震前出現地磁低點位移異常（袁桂平等，2015）、2009年海西6.6級地震前出現地磁垂直分量逐日比異常（戴勇等，20巧）、2010年青海玉樹7.1級地震前存在地磁加卸載響應比異常（戴苗等，2017）、2013年岷縣一漳縣6.6級地震前有地磁轉換函數異常（倪曉寅等，2016）和地磁萌日一值空間相關異常（李鴻宇等，2017）、2014年云南盈江 6.1級地震和魯甸6.5級地震前存在地磁垂直分量日變化空間相關異常（戴勇等，2017）。

基于磁測深的地震異常分析方法主要有地磁轉換函數和地磁諧波振幅比，近年來地磁諧波振幅比發展較多，李琪等（2016）發現2013年云南洱源5.5級地震前存在異常，蔣延林等（2016）發現2012年江蘇高郵4.9級地震發生前出現異常，戴勇等（2016）認為地磁諧波振幅比異常在甘青地區有較好的對應關系，賈立峰等（2017）發現2013年遼寧燈塔5.1級地震前出現異常。

但單一的震磁異常提取方法在地震三要素的預測上具有一定的局限性，尤其是發震時間的預測基本是中長期的，對發震概率隨時間的變化缺少明確的指示，同時發震地點的預測范圍都比較大。本文通過收集東北地區地磁臺站數據，使用地磁總場絕對值北京時02點值空間相關法、地磁垂直分量日變化空間相關法、地磁垂直分量日變幅逐日比法和地磁諧波振幅比法研究2013年前郭5.8級震群前地磁異常現象。

1 計算方法

1.1 地磁每日一值空間相關法

假設A、B兩個臺站地磁總場F分別記為FA、FB，它們線性相關，即：

FBi=BFAi+a i=1，2……n（1）式中：FAi和FBi分別是2個臺站地磁總場的時間序列。

定義相關系數r來衡量FA、FB兩個量的相關度：式中：式中：0≤|r|≤1，|r|越接近0，說明2組觀測數據之間的相關度越小；|r|越接近1，表示2組觀測數據之間的相關度越大。

當不同參考臺的計算結果中，均有4個以上臺站相關系數在同一時段出現連續10d以上低于閾值（2倍均方差）的現象，則視為異常。

異常出現后其預測規則為：（1）發震時間：異常開始時間為起算時間，4個月內發震：（2）發震地點：異常中心地區多個（3個）異常幅度較大臺站300km范圍內：（3）發震強度：5級以上地震。

1.2 地磁垂直分量日變化空間相關法

該方法計算原理與地磁每日一值空間相關法原理一樣，均是求得2個臺站的相關系數。區別在于每日一值空間相關法是計算窗長為21d（21個數據），步長1d的滑動計算結果，垂直分量日變化空間相關法計算的是1d內分鐘值的相關系數，相當于窗長為1d（1440個數據），不做滑動平均，且在計算每日相關系數時，需要做延時計算（馮志生等，2005）。該方法冬季為無效區間（馮志生，1998），因此每年11月初至次年2月底計算結果不可用。每年3～10月，多個參考臺計算結果中，有3個以上計算臺相關系數曲線（滑動）在同時段出現下降幅度超過2倍均方差，且持續時間達到6d以上的變化認為存在日變化空間相關異常。

異常出現后其預測規則為：（1）發震時間：異常出現之后4個月內發生地震：（2）發震地點：在空間相關等值線圖中，異常臺站集中區域邊界（邊界附近等值線作為參考的邊界線）附近為未來發震地點：（3）發震強度：5級以上強震②。

1.3 地磁垂直分量日變幅逐日比法

地磁垂直分量日變幅逐日比的計算公式如下：式中：Y為地磁垂直分量日變幅逐日比值；A（t1）為t1天的地磁垂直分量日變化幅度；A（t2）為t2天的地磁垂直分量日變化幅度。

當計算結果中有3個（或3個以上）臺站同步出現超閾值（3.0）現象，認為存在異常。

異常出現后其預測規則為：（1）發震時間：異常出現后6個月內，若2個異常間隔在6個月內，且異常區域有交匯或者相隔不遠，則視為同一組異常，預報時效以最后一組異常時間為準：（2）發震地點：地震發生在閾值線3.0等值線附近；（3）發震強度：5.0級以上地震。

1.4 地磁諧波振幅比法

地磁諧波振幅比YZHx和YZHy的定義為（馮志生等，2013）：式中：Z（ω），Hx（ω），H（ω）分別為地磁垂直分量、水平分量北向和東向的頻譜值。隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質為均勻各向同性平面導體的條件下，滿足下式

θ2=σμω·i+k2式中：μ為磁導率；σ為電導率；ω為圓周率；k為變化磁場的波數，為常量。由（8）式可知，YZHx和YZHy與介質的電阻率呈正比，即當地球介質電阻率下降時，YZHx和YZHy也隨之下降。地磁諧波振幅比異常反映的主要是深部地電阻率異常，不受地表、氣象等因素的影響。已有的震例研究表明，在5～6級地震前后，諧波振幅比異常變化特征與直流地電阻率的變化特征類似，且異常持續時間與震級大小之間存在正相關性（馮志生等，2004，2009，2013）。

當計算結果中YZHx和YZHy2個方向各周期呈現“下降-轉折-恢復”的形態，且在恢復過程中各周期變化不一致，且不一致現象持續半年以上，認為存在異常。該異常出現后1年內，臺站300 km范圍內有發生5級以上地震的可能（馮志生等，2013）。

2 資料處理及結果分析

東北地區可供分析的地磁臺站主要有黑龍江省德都臺、望奎臺和通河臺，吉林省三崗臺和通化臺，遼寧省鐵嶺臺、朝陽臺、營口臺和大連臺，內蒙古自治區錫林浩特臺和滿洲里臺，共計11個地磁臺站，因為地磁異常多為區域性異常，為了進一步明確前郭5.8級震群前異常區域的大小以及異常分布特征，在各方法分析計算時使用了一部分東北地區以外的地磁臺站數據，臺站分布如圖1所示，本文所使用的地磁數據均來自國家地磁臺網中心。

2.1 地磁總場絕對值北京時02點值空間相關計算

選取研究區域內地磁總場北京時02點的時刻值作為計算數據，計算窗長為21d，步長為1d，計算結果（圖2a）為每日一個相關系數的連續曲線（數據結果前后各缺數時間）。本文選用北京時02點值作為計算原始數據，是為了規避白天地鐵運行等電磁干擾，02點值以外的夜間值計算結果均比較穩定且結果基本一致。

從圖2a中可以看出，在2013年6月7日至22日、8月27日至9月12日分別出現一次空間相關系數低值異常現象（圖中黑色填充部分），2次異常可以看作為是一組異常。異常表現為多臺同步變化，且變化形態一致，符合該方法的異常判據指標。圖中個別超閾值現象不符合異常判據指標。

異常臺站分布（圖2b）顯示，地震發生在異常臺站包裹的異常區中心，距離異常高值臺站很近，該方法對發震地點的預測有較好效果。

2.2 地磁垂直分量日變化空間相關計算

本文選取垂直分量分鐘值作為計算數據，每日求得一個相關系數，計算結果（圖3a）為每日相關系數的連續曲線。

從圖3a中可以看出，在2013年10月9-21日出現相關系數低值異常（圖3a中黑色框內）。該方法冬季為無效區域（圖3a中灰色陰影部分），因此該時段的變化是全年最為突出的相關系數低值現象，這種現象在多個臺站同步出現，符合該方法的異常判據指標。

地磁垂直分量日變化空間相關異常等值線圖（圖3b）顯示，地震發生在異常區域邊界附近（圖3b中紅線），該方法預測的發震地點范圍較大。

2.3 地磁垂直分量日變幅逐日比計算

選取研究區內地磁垂直分量日變幅作為計算數據，從計算結果（圖4a）中看，2017年10月3日承德、朝陽、營口和鐵嶺出現了超閾值（3.0）異常，其它計算臺站有明顯同步變化，該異常同樣符合異常判據指標。

地磁垂直分量日變幅逐日比異常等值線（圖4b）顯示，地震并未發生在異常閾值線（圖4b中紅線）上，而是發生在2.8一2.9的等值線之間，發震地點的預測有一定偏差，這一偏差與閾值選取有一定關系。

2.4 地磁諧波振幅比計算

選取2009-2014年三崗臺地磁Z、H、D三分量分鐘值數據做為計算數據。計算結果（圖5）顯示三崗臺各周期地磁諧波振幅比曲線從2009年上半年開始下降（不同周期下降起始時間略有不同），之后在2012年前后各周期曲線開始轉折恢復，恢復過程中（2012年至發震前）YZHx方向10和20min周期變化紊亂，30、50和60min周期持續恢復上升，40min周期恢復上升后再次出現下降；YZHy方向10和20min周期持續恢復上升，30、50和60min周期基本保持平穩波動，40min周期有緩慢上升變化。而在前郭5.8級震群發生后，地磁諧波各周期振幅比又恢復至同步下降變化中。這一下降-轉折-恢復，且在恢復過程中各周期變化不一致的現象，符合該方法的異常判據。本文計算的分鐘值地磁諧波振幅比與劉長生（2017）計算的秒值地磁諧波振幅比結果相比，異常現象類似。

3 異常綜合分析

就單個方法而言，時間軸上的異常均為一段時間的持續變化（逐日比除外），而臨近地震發生的時段內并沒有明顯的短期異常變化，因此時間預測上發震的危險性隨時間的變化不明顯；同時，發震地點的預測上均是較大范圍預測，明確性不夠。

而多方法的綜合分析顯示，在時間預測上地震與異常的對應情況較好（圖6），首先出現三崗臺地磁諧波振幅比異常，該異常屬于背景異常（持續時間貫穿2013年末在圖中標注），預示著臺站附近1年內300km范圍有發生5.0級以上地震的可能；其次在2013年6月開始東北地區出現大范圍的地磁總場絕對值北京時02點值空間相關異常，預示著東北地區地震發生概率在增加，發震時間預測進程上進入中短期；最后在2013年10月地磁垂直分量日變化空間相關和日變幅逐日比同時出現異常，預示著發震概率的進一步增加，發震時間預測進程進入短臨階段。而后在10月31日—11月23日發生了前郭5.8級震群，這一時間上的漸進式變化現象，體現了多方法綜合預測的優勢。

從發震地點上的綜合預測來看（圖7），將4個方法預測的可能發震地點標注出來，以多方法重疊來判斷發震地點（圖中紅色三角陰影區），其結果相對單方法的預測范圍有所減小，且更為可信。

4 結論

從單方法的異常曲線和異常分布圖上，可以看出前郭5.8級震群前確實存在地磁異常，其中地磁諧波振幅比方法屬于長期預測指標，地磁總場絕對值北京時02點值空間相關法、地磁垂直分量日變化空間相關法和地磁垂直分量日變幅逐日比法屬于中短期預測指標。

通過綜合分析4個地磁異常分析方法的發震時間預測和地點預測，獲得以下結論：

（1）地震發生前，多種地磁分析方法均發現異常，異常數量的增多提高了各地磁分析方法異常的可信度。

（2）距離發震時間越近，異常數量有明顯的增加，預示著該地區的發震概率的增大。

（3）多方法預測發震地點的綜合分析，相對于單方法而言，可以縮小預測范圍。

通過本文的分析，地磁多方法綜合預測在發震時間和發震地點上有了一定的進步，但對于震級預測在綜合方面卻缺乏有力的證據。同時，綜合多方法預測的震例較少的客觀事實也不能回避，需要進一步的研究和分析，而單個方法的預測標準的準確性在其中的重要性也不容忽視。

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