山西地磁加卸載響應(yīng)比方法短臨指標研究

劉素珍，秦志民，張亮娥

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省醫(yī)科大學(xué)，山西 太原 030001；3.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；4.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震孕育的物理實質(zhì)就是震源區(qū)內(nèi)介質(zhì)的變形、損傷并導(dǎo)致失穩(wěn)的一個力學(xué)過程。根據(jù)這一思路，提出一個定量的表征地震孕育過程失穩(wěn)的參數(shù)—加卸載響應(yīng)比[1]。受力學(xué)上加卸載響應(yīng)比應(yīng)用的啟發(fā)，曾小平等[2]將這一方法運用于地磁分析中，把擾日太陽風(fēng)視為加卸載量，地磁垂直分量日變化幅度作為響應(yīng)量，視地磁垂直分量日變化幅度極大值為加載響應(yīng)，之后出現(xiàn)的第一個極小值為卸載響應(yīng)，這樣就定義為地磁加卸載響應(yīng)比法P(Z)。通過研究發(fā)現(xiàn)，地磁加卸載響應(yīng)比的高值異常有較好的預(yù)報效能。隨后，國內(nèi)一些學(xué)者[3-8]將地磁加卸載響應(yīng)比法廣泛應(yīng)用于日常預(yù)報工作中，并取得較好效果。其中，馮志生[5]研究江蘇地磁臺網(wǎng)1983—1997年的加卸載響應(yīng)比高值異常與臺站附近Ms4.6以上地震之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，對發(fā)生在陸地或陸地附近海域的地震，震中位置一般均在地磁加卸載響應(yīng)比高值區(qū)附近；地震發(fā)生在異常出現(xiàn)后10個月左右以內(nèi)，但大部分在4個月左右以內(nèi)，此方法提取的異常更具有短臨性質(zhì)；同時還對預(yù)報效能進行評價，提出適用于江蘇地磁臺的短臨指標體系。

山西省地震局各臺站在進行地磁觀測以來，積累了豐富的觀測資料。在電磁學(xué)科日常分析預(yù)報中，有必要建立一套適用于山西的地磁加卸載響應(yīng)比映震指標體系，進而為山西地區(qū)的震情趨勢判定提供參考依據(jù)。

1 山西地磁臺站概況

山西地磁臺網(wǎng)建設(shè)經(jīng)歷3個階段，分別為模擬、“九五”和“十五”時期。目前，山西地磁臺站分布如圖1所示,有5個定點地磁觀測臺站(大同、定襄、昔陽、太原、臨汾)。2014年在山西北部地區(qū)新建一個地磁臺陣，由5個測點組成(代縣、繁峙、懷仁、山陰、應(yīng)縣)。臺網(wǎng)有地磁絕對觀測、相對觀測手段，共有15套觀測儀器，分別為磁通門地磁經(jīng)緯儀、質(zhì)子旋進式磁力儀、GM4型磁通門磁力儀、FHD-2型質(zhì)子矢量磁力儀。

圖1 山西省地磁臺站分布圖Fig.1 Distribution of geomagnetic station in Shanxi Province

2 原理與方法

地磁加卸載響應(yīng)比法(LURR)是指以太陽風(fēng)為加卸載，將磁暴過程作為地磁場對太陽風(fēng)的加卸載響應(yīng)，計算、分析和研究磁暴、場暴時擾日變化的響應(yīng)比值。地震孕震區(qū)地下介質(zhì)電導(dǎo)率的物理性質(zhì)會有相應(yīng)反應(yīng)，因而會使中低緯度地區(qū)地面任一測點記錄到磁暴時擾日場Ds與此測點正常時期不同，并與穩(wěn)定地區(qū)測點的Ds有差別。在地震前，這種差別會在磁暴過程的加卸載響應(yīng)比值上有所反應(yīng)。由于地磁垂直分量Z與地下介質(zhì)及其變化較其他地磁分量的關(guān)系更密切，便取地磁垂直分量Z作為計算Ds的加卸載響應(yīng)參量。

P(Z)=Ds(Z)+/Ds(z)-

，

(1)

式中：+為加載；-為卸載；Ds(Z)為地磁垂直分量Z的地磁擾動場日變幅；在實際應(yīng)用時，Ds(Z)+為地磁垂直分量日變化幅度極大值；Ds(Z)-為Ds(Z)+出現(xiàn)之后的第一個極小值。

地磁日變化強弱用日變化幅度來表示，即日變化極大值與極小值的差，地磁日變化幅度具有不規(guī)則的逐日變化。但是，每月、每季度和每年日變化的均值有明顯的規(guī)律性，表現(xiàn)出以年為周期的季節(jié)變化和以11年為周期的太陽周變化。地磁日變化主要取決于外空電流體系產(chǎn)生的變化磁場(外空變化磁場)及地下介質(zhì)電導(dǎo)率，地殼介質(zhì)電導(dǎo)率變化在地磁垂直分量中表現(xiàn)最為突出。因此，地磁垂直分量日變化幅度前后幾天的差異或者來自外空變化磁場的改變，或者來自地殼介質(zhì)電導(dǎo)率的改變，而后者則可能與地震有關(guān)。因此，地磁垂直分量加卸載響應(yīng)比法能較好地提取出與地震有關(guān)的異常。

3 山西地磁加卸載響應(yīng)比異常判別與地震的對應(yīng)關(guān)系

3.1 地磁加卸載響應(yīng)比異常的預(yù)報規(guī)則和映震效能

綜合分析模擬和數(shù)字化地磁資料，筆者判定加卸載響應(yīng)比異常的判定指標為：異常判定閾值為P0(Z)，若兩個或者兩個以上相鄰臺站在5 d之內(nèi)出現(xiàn)超閾值P0(Z)，可將上述變化視為準同步異常變化，列為一次異常。一次異常出現(xiàn)后，2個月內(nèi)再次出現(xiàn)異常，認定為一組異常。評價地磁加卸載響應(yīng)比異常的映震效能，主要用參數(shù)對應(yīng)率來表述，即異常對應(yīng)地震次數(shù)與全部異常次數(shù)之比。

3.2 地磁模擬觀測資料加卸載響應(yīng)比異常與中強地震關(guān)系分析

收集整理山西地磁臺模擬觀測資料1987-1998共12年的P(Z)值，前人將P(Z)≥3.8的異常值與臺站周圍700 km范圍內(nèi)發(fā)生中強地震的主震進行對比分析(見表1)。

3.3 地磁數(shù)字化資料加卸載響應(yīng)比異常與中等地震關(guān)系分析

筆者從國家地磁臺網(wǎng)中心網(wǎng)站和國際公布地磁指數(shù)網(wǎng)站查詢2008至2016年的Kp和Dst地磁指數(shù)，去掉存在磁暴強磁擾時段內(nèi)的加卸載響應(yīng)比高值異常，此高值異常可能是由磁暴等引起，異常信度降低。經(jīng)過篩選，選取山西地區(qū)閾值P0(Z)為3.0比較合理。

山西地磁臺2008年以來地磁加卸載響應(yīng)比計算結(jié)果如第25頁圖2所示，將高值異常與周圍顯著地震統(tǒng)計的結(jié)果表明，地磁加卸載響應(yīng)比高值異常與山西及周圍地震有一定的對應(yīng)關(guān)系(見第24頁表2)。

表1 山西地磁臺模擬資料地磁加卸載響應(yīng)比異常對應(yīng)地震統(tǒng)計表Table 1 Anomalous loading-unloading response ratio anomalies of data of simulated Shanxi geomagnetic stations corresponding to seismic statistics

表2 山西地磁臺數(shù)字化資料地磁加卸載響應(yīng)比異常對應(yīng)地震統(tǒng)計表Table 2 Anomalous loading-unloading response ratio anomalies of digital data of Shanxi geomagnetic stations corresponding to seismic statistics

3.4 計算結(jié)果及分析

由圖2可見，山西地區(qū)地磁加卸載響應(yīng)比P(Z)值一般在1～2之間波動，高值異常通常分布在震中及其附近區(qū)域內(nèi)，對應(yīng)地磁臺400 km范圍內(nèi)發(fā)生的中等地震，對應(yīng)1 000 km左右的強地震。詳細分析如下:

2008年2月5日大同和太原2個臺站的P(Z)值分別為3.0和3.6，均為高值，當天無強磁擾現(xiàn)象；2月12日太原、定襄和臨汾臺的P(Z)值都超過了閾值，但是當天有強磁暴，所以，2月12日的加卸載響應(yīng)比高值異常信度降低。2月5日地磁加卸載響應(yīng)比高值異常出現(xiàn)97 d后，發(fā)生汶川Ms8.0地震。

2008年12月6日，大同、定襄和太原3個臺站的P(Z)值分別為2.9、2.7和3.2，當天的地磁場平靜；2009年1月1日臨汾臺的P(Z)值為3.1，地磁場平靜；兩次異常相差25 d，認定為一組異常。首次異常出現(xiàn)112 d后發(fā)生2009年3月28日原平Ms4.3地震。

2010年10月1日、11月7日大同、定襄和太原3個臺站的P(Z)值最大分別為3.5、3.6和3.2，均為高值，兩天都無強磁擾。異常相差36 d，將10月1日和11月7日的異常認定為一組異常。首次異常出現(xiàn)114 d后發(fā)生2010年1月24日河津Ms4.8地震。

2010年3月27日，定襄、太原和臨汾3個臺站的P(Z)值分別為3.1、3.8和3.2，2010年5月4日大同、定襄、太原和臨汾4個臺站的P(Z)值分別為4.3、3.1、4.0和4.2，都超過了閾值。2010年3月27日和5月4日地磁場平靜。首次異常出現(xiàn)8 d后發(fā)生2010年4月4日大同Ms4.5地震，69 d后發(fā)生6月5日陽曲Ms4.6地震。

2011年6月8日定襄臺的P(Z)值為4.3，2011年8月2日臨汾臺的P(Z)值為4.1，這兩日都無磁暴干擾，雖然只有單臺異常，但因異常日在兩月之內(nèi)，臨汾臺距離2011年10月13日的河南范縣Ms4.0地震只有40 km，所以，將2011年6月8日和8月2日的P(Z)值異常認定為一組異常。

2012年10月11日大同和定襄臺的P(Z)值分別為3.8和3.3，2012年12月19日大同、定襄和太原臺的P(Z)值分別為2.6、3.5和3.7，地磁場平靜，將這兩次異常認為是一組異常。異常出現(xiàn)190 d后發(fā)生2013年4月20日蘆山Ms7.0地震。

2014年8月28日大同、定襄、太原、臨汾和昔陽5個臺站的P(Z)值分別為3.3、4.3、4.2、3.5和3.3，但是當天有強磁暴，所以，8月28日的加卸載響應(yīng)比高值異常信度降低。2014年9月1日，只有臨汾臺的P(Z)值為高值，9 d后發(fā)生2014年9月6日河北涿鹿Ms4.3地震，由于震中距較遠，且是單臺加卸載響應(yīng)比高值，故不作為地震前兆異常。

2015年12月27日定襄、太原和臨汾3個臺站的P(Z)值分別為4.0、3.5和3.7，2016年1月1日大同和昔陽的P(Z)值分別為3.9和3.4，1月1日山西地磁臺陣的代縣、繁峙、懷仁、山陰和應(yīng)縣5個子臺都出現(xiàn)超閾值異常如第25頁圖3所示，其后相繼發(fā)生2016年3月12日運城Ms4.4和2016年4月7日原平Ms4.2地震。但在2015年12月27日和2016年1月1日有磁擾現(xiàn)象，這兩日加卸載響應(yīng)比高值異常信度降低。

圖2 山西定點地磁臺加卸載響應(yīng)比曲線Fig.2 The loading-unloading response ratio curve of the geomagnetic station in Shanxi Province

圖3 山西地磁臺陣加卸載響應(yīng)比曲線Fig.3 The loading-unloading response ratio curve of the geomagnetic array in Shanxi Province

4 結(jié)論與討論

(1) 通過分析計算山西地磁加卸載響應(yīng)比，得出異常與其對應(yīng)地震的概率為75%。說明加卸載響應(yīng)比在山西地區(qū)可以作為一種有效的預(yù)測方法。經(jīng)過多年樣本數(shù)據(jù)分析，選出山西的異常判據(jù)閾值P0(Z)為3.0。同時給出異常判據(jù)，若兩個或者兩個以上相鄰臺站在5 d之內(nèi)出現(xiàn)超閾值3.0，可將上述變化視為準同步異常變化，列為一次異常。一次異常出現(xiàn)后，若兩個月內(nèi)再次出現(xiàn)異常，認定為一組異常。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)，在每一組地磁加卸載響應(yīng)比高值異常中，必有大同地磁臺高值異常出現(xiàn)。這可能與大同臺所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)[9]，它處在六棱山北麓斷裂、團堡斷裂和大王村斷裂交匯部位附近，臺站周圍發(fā)生多次大同-陽高中強震群，震區(qū)介質(zhì)比較破碎敏感，對于區(qū)域應(yīng)力變化反應(yīng)靈敏[10-11]。

(3) 分析表明，地磁加卸載響應(yīng)比異常一般為中短期異常，預(yù)測發(fā)震時間在7個月之內(nèi)。山西地磁加卸載響應(yīng)比高值異常通常分布在震中及其附近區(qū)域內(nèi)，對應(yīng)地磁臺400 km范圍內(nèi)發(fā)生的中等地震，對于震級較大的汶川Ms8.0和蘆山Ms7.0地震，其分布空間范圍也較大，達到1 000 km左右。表明震前由于地球介質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化引起地磁臺站及其周圍地區(qū)的地磁場變化，反映出震磁異常現(xiàn)象是存在的[12-14]。