豫南及鄰區地磁總場F日值相關性異常

陳 賢 黃恩賢 成萬里

（中國鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

20 世紀50 年代，卡拉什尼科夫卡開始進行震磁關系理論研究；六七十年代，Stacey（1964）和Nagata（1972）對該研究理論進行發展，提出“壓磁效應”說，之后，祁貴仲（1978）在震磁關系研究中提出地震的“膨脹磁效應”，李鈞（1979）提出“感應磁效應”。隨著研究的深入，林美等（1982）在分析1976—1979 年云南地磁臺垂直分量整點值空間相關性時發現，其相關系數在地震預報中有一定實際意義。近些年，地磁空間相關法得到推廣，廣泛應用于地磁資料質量評估、觀測臺站缺失數據填補和地震預報（朱兆才，1989）。馮志生等（2000）研究認為，異常臺站分布與該區域構造走向、余震震中和極震區展布有一定相似性。雖然存在地磁臺站分布不均勻的客觀事實，但該現象為研究地磁異常分布與構造之間的聯系提供了素材。地磁空間相關法發展至今，積累了許多研究震例，例如1976 年唐山7.8 級地震（曾小蘋等，1992）、2010 年玉樹7.1 級地震（王必顯等，2013）、2013 年前郭5.7 級地震及2013 年岷縣—漳縣6.6 級地震（李鴻宇等，2017）等。

地磁總強度F每日一值空間相關異常、地磁垂直分量加卸載響應比異常、地磁低點位移以及地磁日變化空間相關異常是捕捉地震地磁前兆異常的重要手段，但地磁場總強度F每日一值一階差分在空間上不同步變化現象，是地震地磁觀測數據異常分析重要手段之一，且及時準確挖掘出F每日一值數據變化異常，也能為地震監測預報提供重要的依據。

自2010 年10 月以來，河南及鄰區地震活動水平較高，相繼發生2013 年湖北恩施ML5.1、2014 年湖北宜昌ML4.1 和ML4.3、安徽六安ML4.3、湖北十堰ML4.0、2015 年安徽阜陽ML4.3、2016 年山西鹽湖MS4.4、2017 年湖北秭歸MS4.3、湖北巴東MS4.1、2018 年河南淅川ML4.3、河南固始ML4.0、湖北秭歸ML4.1 和ML4.5、2019 年河南淅川ML4.1 等顯著地震。文中選取豫南及鄰區6 個地磁臺站地磁總場F日值數據，進行相關分性析，判斷地震前后地磁臺站是否存在空間相關異常，若存在異常，分析其異常特性變化特征。

1 地質構造背景

豫南及鄰區涉及華北斷塊、秦嶺斷褶系和揚子斷塊區3 個大地構造單元。該區域在喜馬拉雅運動以前漫長的地質歷史中，主要處于近NS 向水平擠壓應力場中，區域構造線大致呈NWW 向展布，主要活動構造有華北斷塊區南緣斷裂、欒川—魯山—漯河—太和斷裂、白河—谷城斷裂、青峰斷裂、新安—郟縣斷裂、許昌—鄢陵斷裂、蘭田—朱陽關—南陽—信陽斷裂、封門口—五指嶺斷裂。在區域地震構造環境中，華北斷塊區南緣斷裂、蘭田—朱陽關—南陽—信陽斷裂、欒川—魯山—漯河—太和斷裂、丹鳳—西峽斷裂對豫南及鄰區地震活動具有重要影響。地質構造見圖1。

圖1 豫南及鄰區地質構造示意Fig.1 Geological structure of south Henan and its adjacent area

2 資料選取

在豫南及鄰區周邊300 km 范圍內，信陽、盧氏、金寨、鐘祥、十堰、應城6 個地磁臺站運行率較高，地磁觀測儀器運行較穩定，臺址受外界干擾較小，且整體分布較為均勻，臺站分布見圖2。

圖2 選取的地磁臺站分布示意Fig.2 Distribution of selected geomagnetic stations

2018 年，豫南及鄰區發生2 次4.0 級及以上顯著地震事件，分別為2018 年2 月9 日河南淅川ML4.3 地震、2018 年7 月10 日河南固始ML4.0 地震。因此，以2018 年前后地磁總場強度F作為研究數據，分析研究區各地磁臺相關性異常。為了確保計算結果的準確性和可信性，按照以下原則篩選F值：①在研究時間段內，地磁臺站數據資料在全國地磁臺網月評比中成績優良（60 分以上）；②在數據曲線上，地磁數據變化穩定，不存在多次突跳或臺階變化。據以上原則，信陽、盧氏、金寨、鐘祥、十堰、應城6 個地磁臺站F值數據達到要求，可以進行空間相關性計算。

選取以上6 個地磁臺2017 年10 月1 日—2018 年10 月8 日地磁總場F日值，以紅山、涇陽、高郵、會昌地磁臺為參考臺（圖2）（4 個參考臺站近幾年在全國地磁臺站觀測資料評比中較為優秀，觀測數據較為穩定，可信度較高），通過空間相關性分析，提取各臺站地磁相關性異常。

3 方法原理

選用地磁日值空間相關分析法，提取6 個地磁臺地磁總場異常。

設2 個地磁臺站，記為A、B，其記錄的地磁總場F分別記為Fx、Fy，其線性相關關系為

式中，i為序號，a、b為常數。

利用相關系數r，可衡量Fx、Fy兩個量的相關程度，關系式如下

其中

r滿足0 ≤|r|≤1。|r|越接近0，Fxi與Fyi之間的相關性越小；|r|越接近1，Fxi與Fyi之間的相關性越大。

4 異常提取

按照以下步驟提取異常：①選用世界時18 時（北京時間02 時）的預處理數據作為日值原始計算數據。此時地磁觀測環境較為平靜，所受外部干擾較少；②選取東、西、南、北4 個方位的鄰省臺站（江蘇高郵臺、陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺）作為參考臺；③閾值設定為相關系數r低于2 倍均方差；④異常成立標準為，使用不同參考臺，2 個及以上參與計算的臺站相關系數在同一時段出現連續低于閾值的現象，持續10 天以上，且異常出現在最近3 個月以內，臺站位于豫南邊界300 km 范圍內。

據以上步驟，采用公式（2），計算信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應城臺6個地磁臺與陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺4個參考臺的相關系數，篩選異常臺站，篩選條件為：在豫南邊界300 km 范圍內，臺站地磁總場F日值在最近3個月以內，出現同步相關性異常現象，且持續10 天以上。分別以陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺為參考臺，對6 個地磁臺進行相關性異常統計，結果見表1—表4 和圖3。

表1 以涇陽臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關性異常統計Table 1 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Jingyang station as the reference station

表2 以會昌臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關性異常統計Table 2 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Huichang station as the reference station

表3 以紅山臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關性異常統計Table 3 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Hongshan station as the reference station

表4 以高郵臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關性異常統計Table 4 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Gaoyou station as the reference station

由表1—表4 可見，以4 個地磁臺為參考臺，信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應城臺均出現日值相關系數低于閾值的現象，且異常集中出現在2018 年7 月5 日—23 日（圖3）。

圖3 地磁總場F 值在02 時刻的空間相關系數(a)涇陽與其他地震臺；(b)會昌與其他地震臺；(c)紅山與其他地震臺；(d)高郵與其他地震臺Fig.3 The spatial correlation coefficient of the total geomagnetic field F-value at 02 o’clock

結合研究區2016 年1 月1 日—2018 年10 月8 日地震活動性做進一步分析。豫南及鄰區地震活動集中分布在研究區東南的金寨—霍山地區和研究區西南的三峽庫區，南襄盆地周邊地震活動也較為頻繁。統計發現，研究區ML4.0 以上地震均發生在上述3 個區域。通過對豫南及鄰區02 時F值空間相關性分析，發現震前確實存在相關系數低值異常。由圖3 可見，橙色低值區域為異常時段，2016 年1 月1 日—2018 年10 月8 日各地磁臺的相關系數較平穩，尤其是震前，空間相關系數處于穩定時期。2018 年7 月5 日—23 日，各地磁臺相關系數同步降低，7 月中旬前后出現極值，且達到異常判據指標，8 月出現“恢復—降低”的過程，并在此過程發震，后空間相關系數出現短期同步變化，9 月后基本恢復各自變化形態，并出現單臺非地球物理異常的低值變化（部分臺站變化疑為干擾）。異常演化過程可以理解為在震源影響下的趨同效應。地震發生后，應力得到釋放，震源影響降低，各臺站不再出現較為強烈的同步變化。

5 結論

以陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺為參考臺，對信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應城臺6 個臺站2017 年10 月1 日至2018 年10 月8 日地磁總場F日值相關性異常進行分析，結果顯示：①在地震發生前，6 個地磁臺站存在空間相關系數低值異常，且異常平均持續23天；②異常幅度在一定程度上隨著震中距的增大而減小；③在異常持續過程中，異常最低值時間基本統一，異常時間平均持續約55 天，從異常結束至發震平均間隔約34 天，該異常具有短期物理效應。

感謝中國地震局臺網中心葉青老師和中國地震局地球物理研究所張素琴老師對本文創作的指導與幫助。