山西及鄰區中強地震地磁異常綜合特征分析

郭文峰 閆計明 劉素珍 曹志勇

1）中國太原 030021 山西省地震局

2）中國山西 030024 太原理工大學

0 引言

地磁場由穩定磁場和變化磁場組成。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要分為外源場和外源場在地球內部產生的感應場。因此，變化磁場是把與孕震過程相關的諸多因素聯系起來的天然媒介，可以反映孕震區電磁性質以及內外環境因素的變化，并對孕震區起到調制、觸發作用?；谧兓艌龅囊陨咸匦裕瑖鴥韧鈱W者研究了地磁日變化異常與地震間的關系，即地震前可出現地磁垂直分量日變化的畸變，這包括日變化形態、相位和幅度的畸變等。因此，可利用地磁日變化異常進行地震預測研究。

目前，地磁日變化異常提取方法主要有地磁低點位移法（丁鑒海等，1988）、地磁加卸載響應比法（曾小蘋等，1996）、地磁日變化逐日比法（馮志生等，2001）、地磁日變化空間相關法（馮志生等，1998）和地磁每日一值空間相關法（馮志生等，2000）等。近年的震例研究表明，上述地磁異常在中強震前均有一定程度反映。如江蘇地區無磁暴時逐日比異常與預測范圍內地震間相關系數達0.77（袁桂平等，2018）；戴苗等（2017）得到了南北地震帶及鄰區18個顯著地震事件前震中周邊地磁臺站垂直分量加卸載響應比，分析了地震前后地磁加卸載響應比的時空分布特征及產生機理；黃頌等（2020）基于幅相法計算了2008—2018年低點位移異常，較大程度上提高了利用低點位移的異常報準率。但單個方法也存在一定的局限性，如地點預測上存在地點不明確、預測范圍較大等問題。已有研究（李鴻宇等，2018；倪曉寅等，2019）顯示，利用地磁學的多種方法進行綜合分析可顯著縮小地震預測范圍，較好地解決了地點不明確的問題。本文擬利用地磁低點位移、地磁加卸載響應比和地磁日變幅逐日比等多種地磁分析方法，分析數字化觀測以來山西及鄰區4次中強地震前的地磁異常特征，并對這些異常的時空特征進行綜合分析。

1 資料選取及預處理

以山西及鄰區數字化觀測以來MS≥4.5中強地震作為研究對象，選取山西及鄰區 5個?。ㄉ轿魇?、內蒙古自治區中部地區、河北省西部地區、河南省及陜西?。┕?6個地磁臺站觀測數據（圖1），觀測儀器為FHD型質子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。為了保證數據的準確性，對數據進行世界時—北京時轉換以及高階傅式擬合濾波等相關處理，以消除步長（24 h）及儀器噪聲所引起的地磁日變幅偏大現象。

圖1 地磁臺站與地震分布Fig.1 Distribution map of the geomagnetic stations and earthquakes

2 方法

2.1 地磁加卸載響應比法

大量研究表明，太陽風每過一段時間就會對地球進行一次加載和卸載，使地球的磁場產生擾動。地磁日變幅極大值與其后極小值的比值被稱為太陽風對地球磁場的加卸載響應比。

預測規則（馮志生等，2000；戴苗等，2017）：預測時間為異常出現后7個月內；預測地點為異常閾值等值線200 km范圍內；預測強度為震級4.6級以上。

2.2 地磁逐日比法

逐日比為馮志生等（2001）在應用地磁加卸載響應比時發現的新的預測分析方法，為相鄰2天地磁日變幅的比值。預測規則（馮志生等，2001，倪曉寅等，2017）：預測時間為異常出現后7個月內；預測地點為異常閾值等值線200 km范圍內；預測強度為震級4.6級以上。

2.3 地磁低點位移法

地磁低點位移（丁鑒海等，1988）是指一個大區域各臺的低點時間明顯與另一個大區域各臺的低點時間不同，而每個大區域內部低點時間又相對一致，2 個區域之間突變分界線的低點時間相差 2 h以上。

預測規則（解用明等，2000）：預測時間為異常出現60天內；預測地點為低點位移線附近半徑 200 km的范圍內；預測強度為震級4.5級以上。

3 地磁異常震例

3.1 2010年1月24日河津MS 4.8地震

2010年1月24日河津MS4.8地震發生在山西斷陷帶臨汾盆地與峨嵋臺地隆起區的交界處，震中位于研究區中央，周圍臺站分布較均勻。在該地震發生前共發生1次地磁加卸載響應比異常、3次低點位移異常。加卸載響應比異常日期為2009年9月23日[圖2（a）]，異常臺站包括定襄地震臺、太原地震臺、榆林地震臺、呼和浩特地震臺等4個臺站，河津MS4.8地震發生在異常閾值線200 km范圍內。低點位移異常分別出現在2010年1月16、20、22日[圖2（b）]，1月16日低點位移線呈NS走向，沿呂梁隆起區西緣穿過；1月20日低點位移線呈NW走向，沿山西運城盆地邊緣穿過；1月22日低點位移線呈NS走向，沿太行隆起區穿過。地震震中距低點位移線異常線 100 km之內。

3.2 2010年4月4日大同MS 4.6地震

2010年4月4日大同MS4.6地震發生在山西斷陷帶大同盆地與六棱山隆起區的交界處，震中位于研究區中央，周圍臺站分布較均勻。在該地震發生前共發生2次地磁加卸載響應比異常、1次低點位移異常。加卸載響應比異常日期分別為2009年9月23日及11月10日 [圖2（a），2（c）]，9月23日異常臺站包括定襄地震臺、太原地震臺、榆林地震臺、呼和浩特地震臺等4個臺站，11月10日異常臺站包括呼和浩特地震臺、廣平地震臺、紅山地震臺、涉縣地震臺、豐寧地震臺、大同地震臺、定襄地震臺等7個臺站，地震發生在閾值線以內。低點位移異常出現在2010年2月15日[圖2（d）]，低點位移線呈NE走向，沿山西大同盆地邊緣穿過，異常出現48天后在低點位移線的北側發生了大同MS4.6地震，地震震中距異常線 50 km 范圍之內。

3.3 2010年6月5日陽曲MS 4.6地震

2010年6月5日陽曲MS4.6地震發生在山西斷陷帶太原盆地與石嶺關隆起區的交界處，震中位于研究區中央，周圍臺站分布較均勻。在該地震發生前共發生1次地磁加卸載響應比異常、1次逐日比異常、1次低點位移異常[圖2（c）、2（e）、2（f）]。加卸載響應比異常日期為2009年11月10日，地震發生在閾值線附近。逐日比異常出現在2010年5月6日，異常臺站為呼和浩特地震臺、榆林地震臺、乾陵地震臺、盧氏地震臺、臨汾地震臺、太原地震臺、定襄地震臺、大同地震臺、紅山地震臺、涉縣地震臺、廣平地震臺等11個臺站，異常發生在閾值線以內。低點位移異常出現在2010年5月9日，低點位移線呈EW走向，沿山西太原盆地南段穿過，異常出現27天后在低點位移線的西側發生了陽曲MS4.6地震，地震震中距異常線 100 km 范圍之內。

圖2 震前異常等值線及低點位移線（a）2009年9月23日加卸載響應比異常；（b）2010年1月低點位移異常；（c）2009年11月10日加卸載響應比異常；（d）2010年2月15日低點位移異常；（e）2010年5月6日逐日比異常；（f）2010年5月9日低點位移異常Fig.2 Anomaly contours and low-point displacement before the earthquake

3.4 2010年10月24日太康MS 4.7地震

2010年10月24日太康MS4.7地震震區位于河南地區太康隆起與周口坳陷交界處的遜母口凹陷內，震中位于研究區南部，周圍臺站相對稀疏。在該地震發生前僅發生1次逐日比異常，地震震中距閾值線200 km范圍之內。山西及鄰區中強地震前地磁異常統計結果見表1。

表1 山西及鄰區中強地震前地磁異常統計Table 1 Statistics of geomagnetic anomalies before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

4 綜合預測分析

利用單一異常進行地震預測時存在預測時間較長、預測范圍較大和預測震級較寬泛等問題。在時間預測上，低點位移的預測時效為2個月，加卸載響應比、逐日比的均為 7個月，這會產生對發震時間把握不準等問題；在地點預測上，以距閾值線、低點位移線200 km范圍內為主要發震位置，會產生預測范圍較大等問題；在震級上幾種方法都缺乏精確的震級指標，預測震級相對寬泛。圖3為山西及鄰區中強地震前地磁所有異常的預測時間進程圖，每條線代表1條異常，線條長度代表異常的預測有效期。從圖3可知，河津MS4.8地震前共出現4次地磁異常。首先，2009年9月出現1次加卸載響應比異常，隨后2010年1月陸續出現3次低點位移異常。大同MS4.6地震、陽曲MS4.6地震震前也陸續出現了加卸載響應比、逐日比、低點位移等異常。隨著發震日期的臨近，處于有效預測期限內的異常數量逐漸增多，異常逐漸增加也預示著發震概率在逐步增加。

圖3 2009—2011年山西及鄰區中強地震前地磁異常預測進程Fig.3 Time prediction process of geomagnetism anomaly from 2009 to 2011

圖4為中強地震前地磁異常的空間分布疊加。從疊加效果來看，河津MS4.8地震前疊加區域主要集中在呂梁隆起區南段的臨汾盆地（黑色橢圓），河津地震恰發生在臨汾盆地的河津—侯馬洼陷內[圖4（a）]；大同MS4.6地震前疊加區域主要集中在忻定盆地北段恒山斷裂兩端（黑色橢圓），而大同地震發生在恒山北麓斷裂的大同盆地內[圖4（b）]；陽曲MS4.6地震前疊加區域主要集中山西中部太原盆地東部區域（黑色橢圓），而陽曲地震發生太原盆地內[圖4（c）]。相對于單一異常，利用前述3種異常進行地震預測時，異常集中地區發震的可信度更高，預測范圍也明顯縮小。

圖4 山西及鄰區中強地震前地磁異常預測線空間分布（a）河津地震；（b）大同地震；（c）陽曲地震Fig.4 Spatial distribution map of anomaly prediction lines before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

5 討論及結論

從利用單一異常的地震預測區域來看，其范圍較大，可信度不高；從預測時間來看，加卸載響應比、逐日比屬于中期預測指標，低點位移屬于短期預測指標。通過綜合分析地磁異常的預測時間及預測地點，得出如下結論。

當3個以上臺站地磁加卸載響應、逐日比、地磁低點位移同時超過閥值時，則地磁加卸載響應、逐日比異?？赡転檎鹎爱惓＃覟橹衅陬A測指標，有效預測期為7個月左右；地磁低點位移異常為短期預測指標，有效期為2個月左右。

隨著發震日期臨近，異常數量會明顯增多，這提高了地磁單一方法的可信度，也預示著該區域發震概率增加。

從發震地點來看，地震易發生在異常預測線集中交匯地區，這縮小了預測范圍，且更加精確可信。

山西及鄰區中強地震前出現了多項地磁異常，這表明該區域地殼深部電性狀況可能發生改變。變化磁場的感應場反映到地磁日變化上，從而使震前出現多項地磁異常。

利用地磁異常綜合分析方法后對地震發震時間、地點的預測有了一些改進。但研究中也有一些不足，如太康MS4.7地震前僅出現1次逐日比異常，推測這可能與周圍臺站稀疏以及地下介質的復雜性有關，需進一步開展研究；同時，地磁加卸載響應比和逐日比均是基于Z分量日變幅比值得到的，還需利用諧波振幅比、空間相關法等地磁方法進行綜合分析。

江蘇省地震局馮志生研究員、上海市地震局朱培育工程師為本研究提供了計算程序，在此一并表示感謝。