袁潔浩，顧左文，陳 斌，王 粲，狄傳芝，高金田

0 引言

美國西部，尤其是圣安德列斯斷層系所展布的地帶，是美國地震活動最強烈的地區(qū) (Kanamori，1983)，其震害也最嚴重，因此也是美國地震預測探索研究的實驗場。圣安德列斯斷層是一條活動斷層，該斷層及其臨近地區(qū)經常發(fā)生地震、蠕動等構造活動，1906年舊金山8.0級大地震就發(fā)生在這條斷層附近。為監(jiān)測該斷層及其臨近地區(qū)的構造活動與探索研究地震預測 (Press et al，1965;Allen，1982)，自1960年起，美國地質調查局 (USGS)與各有關大學的研究單位，在圣安德列斯斷層及其臨近地區(qū)布設了一系列地球物理觀測，其中包括地震、地傾斜、蠕變、大地測量、地磁、地電、重力、地下水位與水氡等，形成了一個比較完整的觀測系統(tǒng)。

本文概述了圣安德列斯斷層的震磁觀測與研究，2004年帕克菲爾德6.0級地震的震磁信息以及火山磁效應，討論了相關的問題，并展望了今后的震磁研究前景。

1 圣安德列斯斷層的震磁觀測與研究

1.1 地磁觀測網

從1973年開始，USGS在包括圣安德烈斯活動斷層在內的美國西部布設了由28個永久臺、61個臨時臺與131個測點組成的地磁觀測網，以測定和監(jiān)視與地下應力變化有關的構造磁效應與震磁效應 (Mueller et al，1981)。

地磁永久臺的間距為7～40 km，使用自動記錄的磁力儀 (靈敏度為0.25 nT，精度為0.5 nT)，每10 min取樣一次 (1980年以前為每1 min取樣一次)。各臺站同步觀測地磁總強度。地磁觀測數據用遙測技術自動傳輸到門洛帕克的USGS，用于計算相鄰兩臺的差值、日均差值及其標準偏差。對于相距小于20 km的兩臺的差值，靜日的標準偏差為0.75 nT，擾日的標準偏差不大于1.5 nT。

地磁臨時臺的間距為5～15 km，每年觀測1～2次。其觀測方法為:每次觀測時，每5個臺站為一組，5套自動記錄的磁力儀 (靈敏度為0.25 nT，精度為0.5 nT)分別安裝于每組中的5個臺，在5～10天內每10 min同步取樣一次地磁場總強度。一組臺站觀測結束后，將其中4套磁力儀移至下一組臺站觀測，而另外一個臺站 (同時屬于此兩組)則繼續(xù)觀測，因而此臺在這兩組臺站觀測時段中均有地磁記錄，可以起到銜接這兩組臺站觀測的作用。進行常規(guī)的數據處理，求出相鄰兩臺的平均差值與標準差值，發(fā)現(xiàn)5～10天相鄰兩臺地磁記錄同步差值的標準偏差約為1.0 nT。

地磁測點的間距為10～20 km，每年測量1～2次，使用一對G-816磁力儀 (靈敏度為1.0 nT，精度為1.0 nT)，在相鄰兩個測點上用人工讀數方法于10 min之內同步取樣75個地磁場總強度的數據。然后，計算每對相鄰測點10 min觀測值的平均差值及其標準偏差，標準偏差通常為0.75 nT，個別測點的標準偏差可達1.5 nT。

由于USGS的工作重點放在帕克菲爾德地震預測試驗場的監(jiān)測工作之上以及經費等原因，上述地磁測網亦作了調整。作為連續(xù)觀測的地磁臺站由28個調整為12個，停止了地磁臨時臺的觀測與地磁測點的測量工作 (Mueller，Johnston，1998)。

1.2 震磁效應的觀測與研究

自1973年以來，圣安德烈斯斷層附近的地磁觀測網，已經獲得了一些較為可靠的震磁效應結果。在1974年6月歐文斯3.8～4.3級地震前后，在離震中約為5 km的測點上，觀測到幅度約為2 nT的地磁異常變化 (Johnston et al，1976)。

1974年11月霍利斯特5.2級地震，在離震中約15 km的SJN臺上，于震前1個多月記錄到幅度約為1.8 nT的地磁異常變化 (Smith，Johnston，1976)。應用多道預測濾波方法，分析了地磁數據，降低了地磁噪聲水平，結果顯示，該地震前有2個臺站 (SNJ與ANZ)存在地磁異常變化(Davis et al，1980)。研究表明，該震磁異?？蓺w因于地殼內應力變化引起的壓磁效應 (Johnston，1978)。

為了研究1979年8月6日凱奧蒂湖5.9級地震的構造磁效應，Davis和Johnston(1983)應用多道預測濾波方法，分析了1974～1980年的地磁觀測資料，結果表明，1978～1979年地磁場總強度變化較大，其中在該震中南邊約30 km的AN臺與50 km的HA臺觀測到幅度約為3 nT的異常變化，然而，離該震中僅幾公里的CO臺卻無明顯的地磁異常變化。

1986年7月8日北棕櫚泉5.9級地震期間，記錄到同震震磁效應 (Johnston，Mueller，1987)，在距該地震震中分別為3 km的OC臺與9 km的LS臺，其局部磁場分別降低了1.3 nT與0.3 nT。

1992年6月28日發(fā)生了蘭德斯ML7.5地震。該地震前后的地磁觀測資料顯示，在震中距分別為17.1 km與24.2 km的兩個臺站，其局部磁場分別下降1.2 nT與0.7 nT。這個結果與該地震的簡化震磁模式相一致 (Johnston et al，1994)。

2 2004年帕克菲爾德6.0級地震的震磁信息

2.1 帕克菲爾德地震預測研究試驗場

帕克菲爾德位于舊金山與洛杉磯的中部，是圣安德列斯斷層系的地震與構造活動區(qū)之一。1857～1966年，在帕克菲爾德地區(qū)發(fā)生了6次6級以上的地震。美國地震學家在深入研究之后認為，該地區(qū)在1993年之前將發(fā)生一個6級地震，其概率高達95%。為預測這個6級地震，1985年USGS在帕克菲爾德建立了地震預測試驗場。在靠近所預測的帕克菲爾德6級地震未來震中的地方 (約60 km×60 km)，布設了由80多套各種類型的地震儀、10個蠕動臺、14個應變臺、4個傾斜臺、7個地磁臺、17個地下水井、18條邊的激光測距網、80條邊的大地測距網、35條邊三角測距網的大地測量等前兆儀器，進行了長期、連續(xù)、精確的觀測與測量。

在帕克菲爾德地震預測試驗場，USGS有7個地磁臺，應用自動記錄的磁力儀 (靈敏度為0.25 nT，精度為 0.5 nT)，每10 min取樣一次，各臺站同步觀測地磁總強度。磁力儀的探頭放置于深埋地下的木樁并離地2 m高處，探頭處的磁場梯度小于1 nT/m。地磁數據通過GOES衛(wèi)星的數字傳輸技術傳輸到門洛帕克的USGS，用于計算處理 (Johnston et al，2006)。

直到1993年年底，預測中的帕克菲爾德6.0級地震還沒有發(fā)生，USGS宣布“關閉”了這個地震預測的“窗口”。但其監(jiān)測工作并沒有“關閉”，設置在帕克菲爾德地震預測試驗場的臺網繼續(xù)堅持地震前兆的監(jiān)測工作 (Lindh，2003)。2004年9月28日，USGS在帕克菲爾德地震預測研究試驗場守候多年的6.0級地震終于發(fā)生 (Fletcher et al，2006;Langbein et al，2005)。由上述多種儀器設備構成的前兆臺網記錄下了一次6.0級地震從發(fā)震前至發(fā)震時乃至發(fā)震后最為翔實的全過程，取得了地震活動性、地應力、地磁場、地電場、地下水和地震引起的強烈地面運動等的完整記錄(Bakun et al，2005;Lindh，2005)。

2.2 帕克菲爾德地震的震磁信息

深入分析了設置在帕克菲爾德地震預測研究試驗場7個地磁臺站記錄的帕克菲爾德6.0級地震前后的地磁數據，結果表明，該地震的同震震磁效應為－0.4 nT，而該地震較長時間的震磁異常為－5.0 nT(Johnston et al，2006)。

表1列出了這7個地磁臺站的同震震磁效應。從表可見，這7個臺站離震中較近 (＜32 km)，其同震震磁效應較小，相應的變化量為－0.4～0.3 nT。

表1 各臺站的同震震磁效應Tab.1 Co-seismomagnetic effects at various stations

分析顯示，帕克菲爾德6.0級地震的同震震磁效應不是由電動磁機制 (Fitterman，1979)引起的，而是由壓磁機制 (Sasai，1991)引起的。根據該地區(qū)的實測結果與估算，給出了如表2所示的壓磁模型參數。

表2 壓磁模型的參數Tab.2 Parameters used in piezomagnetic model

根據Sasai(1991)與Johnston和Mueller(1987)所描述的方法，構建的帕克菲爾德6.0級地震的4個震磁模型的參數列于表2。這4個震磁模型分別為:模型A是基于均勻滑動的應變所反演的斷層模型的震磁模型 (Johnston et al，2005a);模型B為基于均勻滑動的GPS位移所反演的斷層模型的震磁模型 (Johnston et al，2005b);震磁模型C則是根據GPS與強運動的數據聯(lián)合反演得出的 (Chen et al，2004);而震磁模型D是僅由強地面運動的數據反演得出的 (Liu et al，2006)。這4個震磁模型在帕克菲爾德地震預測研究試驗場中7個地磁臺站的計算值列于表3。對比表3中各臺站的震磁模型值與觀測值，模型B的數值與相應的觀測值較為一致，而模型D的數值與相應的觀測值的一致性較差。

表3 各臺站的震磁模型值與觀測值 (單位:nT)Tab.3 Model and observation values of seismomagnetic at various stations(unit:nT)

表4為與帕克菲爾德6.0級地震有關的1993～2004年各臺站的磁異常。由此可見，各臺站的磁異常在－5.0～1.0 nT之間，各臺站的磁異常是與局部地質構造及其活動、應力變化狀況、地下介質的電磁性質等因素有關。

表4 1993～2004年各臺站的磁異常Tab.4 Magnetic anomalies at various stations during 1993～2004

3 火山磁效應

1980年5月18日，美國圣海倫斯火山發(fā)生了大噴發(fā)。在這次災難性的大噴發(fā)之前的10天，USGS已在圣海倫斯火山上架設了3臺磁力儀，其中兩臺磁力儀在這次大噴發(fā)中損失了。第三臺磁力儀位于該主火山口以西約5 km處，在這次大噴發(fā)與其后的各次噴發(fā)期間一直在連續(xù)工作。該臺站連續(xù)地磁資料的分析表明，這次火山大噴發(fā)時產生了 (9±2)nT的地磁總強度異常變化。這一火山磁效應是由于伴隨火山大噴發(fā)的區(qū)域應力釋放導致的壓磁效應引起的 (Johnston et al，1981)。

1980年5月18日圣海倫斯火山的大噴發(fā)，還引起了明顯的大氣層波動與電離層偶合效應，在離該火山8 211 km處的多普勒效應、法拉第旋轉現(xiàn)象、電離層電子數與地磁中都有所反映。

為研究該火山大噴發(fā)所引起的大尺度地磁擾動，Mueller和Johnston(1989)分析了離該火山1 493 km以內的美國28個臺站的地磁總強度資料。分析結果表明，該火山大噴發(fā)所引起的地磁擾動信號隨著地磁臺站與該火山之間的距離L增加，地磁擾動信號的出現(xiàn)時間具有規(guī)律性的滯后現(xiàn)象:與該火山之間的距離L＜100 km的臺站，其地磁擾動信號出現(xiàn)的滯后時間ΔT=1～2 min;而當L=1 362～1 493 km時，ΔT=44～48 min。這表明，該地磁擾動信號具有一定的傳播速度，約為280～580 km/s。而且，該火山大噴發(fā)所引起的地磁擾動幅度△F隨著地磁臺站與該火山之間的距離L增加，其ΔF出現(xiàn)下降趨勢;當L＜100 km時，ΔF=10～20 nT;當L=1 439～1 493 km時，ΔF=5～6 nT。Mueller和Johnston(1989)的研究表明，這種大尺度地磁擾動是由圣海倫斯火山大噴發(fā)所激發(fā)的電離層擾動引起的。

Davis等 (1984)于1981年10月在圣海倫斯火山附近布設了5個臺站觀測地磁總強度，最近的臺站離火山口約1 km。同時還有地傾斜與地電的觀測。對于1981年10月30日圣海倫斯火山噴發(fā)前后，這三種觀測資料的分析結果表明，最大的磁異常變化約為5 nT，地傾斜的變化約為120微弧度，但地電卻沒有相應的明顯異常變化。Davis等(1984)的研究表明，這次圣海倫斯火山噴發(fā)的磁異常變化的機制是該火山噴發(fā)的壓磁效應，而不是電動磁效應，因為沒有觀測到與地磁異常變化相對應的地電異常變化。

4 討論與結論

表5給出了美國震磁觀測研究的一些震例結果，其結果顯示，對于5.2～7.3級地震，在離震中為3～50 km的測點與臺站上，得到地磁總強度的變化異常幅度為0.3～6 nT。表5中，1974年11月霍利斯特5.2級地震的地磁變化異常出現(xiàn)在該地震之前40天，而其它震例結果都是同震的震磁效應。同震的震磁效應符合發(fā)震時刻應力突然釋放所引起的壓磁效應。研究結果表明，對于某些地震而言，存在震磁前兆信息，因此，震磁效應的觀測研究是探索地震預測的一種手段。

表5 美國一些地震的震磁效應Tab.5 Seismomagnetic effects of some earthquakes in USA

2004年9月28日帕克菲爾德6.0級地震的發(fā)生比預測的時間晚了11年，雖然在震前未檢測到、至今也仍未分析出有地震前兆，但是由多種儀器設備構成的前兆臺網記錄下了有史以來最為翔實從發(fā)震前至發(fā)震時乃至發(fā)震后的全過程的一次地震，取得了地震活動性、地應力、地磁場、地電場、地下水和地震引起的強烈地面運動等的完整記錄 (陳運泰，2009)。正因為有這么多種觀測資料，才有可能建立了如上所述的4個不同震磁模型，通過這4個震磁模型的計算值與實際觀測值的比較與分析，得出了較好的與較差的震磁模型，從而獲得合理的震磁物理機制。

1980年5月18日美國圣海倫斯火山大噴發(fā)，產生了 (9±2)nT的地磁總強度異常變化。這一火山磁效應是由伴隨該火山大噴發(fā)的區(qū)域應力釋放導致的壓磁效應引起的。該火山大噴發(fā)還引起了大尺度的地磁擾動，是由圣海倫斯火山大噴發(fā)所激發(fā)的電離層擾動引起的。1981年10月30日圣海倫斯火山噴發(fā)，在離火山口約1 km的臺站，產生了約為5 nT的磁異常變化。該火山噴發(fā)的磁異常變化的機制是圣海倫斯火山噴發(fā)的壓磁效應。

以Johnston為首的美國研究組參加了菲律賓Taal火山國際合作的監(jiān)測與研究工作 (袁潔浩等，2013)。2013年3月，以Johnston為首的美國研究組在菲律賓Taal火山附近又架設了傾斜儀與調節(jié)器。該美國研究組將與日本、法國、希臘、意大利、比利時等國家的研究組繼續(xù)開展菲律賓Taal火山國際合作的監(jiān)測與研究工作，可望獲得火山磁效應觀測研究的豐碩成果。

5 展望

綜上所述，美國的震磁觀測與研究已獲得了長足的進步，在地震預測實驗場的監(jiān)測與研究以及火山磁效應的觀測與研究方面都具有寶貴的經驗。對于震磁效應與火山磁效應的觀測與研究，各國都很重視。美國的這些研究成果與寶貴經驗可供世界各國參考與借鑒，從而有助于推進今后的震磁效應與火山磁效應的觀測與研究。

今后，USGS將致力于包括地磁、傾斜、線性的與張量的應變、地電、湖水深度變化、孔隙張量與膨脹應變、火山位移等方面的監(jiān)測，以了解與研究地震、活動斷層破裂與火山活動的機制。根據這些觀測資料的綜合分析結果，來描述地震、地殼破裂與火山活動的物理模型，確定由這些資料得到的震源物理的意義。

對于震磁效應的觀測與研究，相關的專家學者十分關注。中、美、日、俄等國都在地震活動區(qū)開展了震磁效應的觀測研究，并積極探索地震預測，已獲得了良好進展 (顧左文等，2006;Gu et al， 2006;Sasai et al， 2007;Nishida et al，2007;Currenti et al，2007;Yoshimura et al，2008;Mauro et al，2008;Varotsos，Uyeda，2008;Johnston et al，2008;Yamazaki，2009;陳斌，2011)。各國繼續(xù)開展震磁效應的觀測研究，必將推進震磁研究。

近年來，我國的相關專家學者關注巖石圈磁異常變化與地震的關系，而且在地震活動區(qū)與構造活動帶，已觀測到了與地震活動、地質構造有關的巖石圈磁異常 (倪喆等，2014;顧春雷等，2010，2012;閆素萍等，2010)。許多具有破壞性的淺源地震都發(fā)生在巖石圈中。在地震的孕育和發(fā)生的過程中，會引起局部巖石圈的地質結構、溫度與應力狀態(tài)、介質電磁性質等因素的變化，從而導致巖石圈磁異常。分析巖石圈磁異常變化與地質構造的關系，研究與地震相關的構造活動所產生的巖石圈磁場變化特征，對分析震磁前兆信息與研討區(qū)域地震活動性都具有重要意義。因此，分析研究巖石圈磁異常變化與地震的關系在震磁研究中具有重要意義，今后應當深入地探索與研究。

2001年成立的國際地震與火山電磁研究工作組 (EMSEV)，一直致力于地震與火山電磁研究的國際學術交流與合作，有力地推進了地震與火山的電磁研究 (袁潔浩等，2013)。從 2004年開始至今，EMSEV一直與菲律賓開展Taal火山的監(jiān)測與研究的國際合作，來自日本、法國、美國、希臘、意大利與比利時等國家的研究小組都參加了該國際合作，充分體現(xiàn)了EMSEV國際合作的特色與優(yōu)勢。這種強有力的國際合作研究，有助于攻克科學難題。

2011年11月10日，EMSEV與俄羅斯科簽訂了今后4年的科學與技術合作協(xié)定。該協(xié)定旨在合作研究中亞地區(qū)活動斷層與發(fā)生地震的物理過程期間，為雙方提供科學與技術的活動平臺，推進應用電磁與其它地球物理方法的新研究，利于解決有關中亞大陸巖石圈的不同活動斷層的地震發(fā)生與監(jiān)測并減輕這類地震的基本問題。而且，如果雙方同意，該協(xié)定的合作時間可以再延長4年。這樣穩(wěn)定而長期的國際合作將有助于解決地震與火山電磁研究的基本問題。

感謝詹志佳研究員在文章修改中提出的寶貴意見.

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