賈立峰 喬子云 張國苓 丁志華 張建國

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地磁加卸載響應(yīng)比方法最佳閾值研究1

賈立峰1）喬子云1）張國苓1）丁志華1）張建國2）

1）河北省地震局，石家莊 050021?2）河北省地震局邯鄲中心臺，邯鄲 056001

地磁加卸載響應(yīng)比方法（LURR）是從測震學(xué)中移植過來的、用于地震中期分析預(yù)測的一種地磁學(xué)方法。筆者應(yīng)用紅山地震臺地磁數(shù)字化觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了地磁加卸載響應(yīng)比的計算分析，經(jīng)過統(tǒng)計得出在閾值選擇為3.0時對地震進(jìn)行預(yù)測的效果比較好，其與地震的對應(yīng)概率為42%。同時，筆者還認(rèn)為可能受限于方法本身及外界因素，地磁加卸載響應(yīng)比方法在進(jìn)行地震預(yù)測時，其虛報率及漏報率較高。

地磁 加卸載響應(yīng)比 閾值 地震預(yù)報

引言

地磁場是地球固有的地球物理場，能夠深刻反應(yīng)地下物質(zhì)信息的變化（徐文耀，2003；2009），同時地磁場也是一種用來研究地震、預(yù)測地震的前兆手段（丁鑒海等，1994）。地磁加卸載響應(yīng)比方法（LURR）便是其中的方法之一，目前這一方法在全國地震系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，已經(jīng)成為一種用來進(jìn)行中短期地震分析預(yù)測的地磁手段。這一方法的提出源于測震學(xué)中的加卸載響應(yīng)比理論，即在非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的過程中伴隨著外部應(yīng)力加載與卸載的不平衡作用過程（尹祥礎(chǔ)等，1991）。隨后，加卸載響應(yīng)比理論被應(yīng)用于地震活動性預(yù)測當(dāng)中并取得了一定的效果，同時，這一方法在地形變、地下水位、重力等地震前兆資料的分析中也得到了較好的驗證（宋治平等，1996）。例如：曾小蘋等（1996）將這一方法運用于地磁分析中，將磁暴發(fā)生過程中地磁場的變化視為磁場對太陽風(fēng)的加卸載響應(yīng)，分析了磁暴場暴時擾日變化()的響應(yīng)比值()隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)()的高值與地磁臺站周邊一定范圍內(nèi)S≥5.5級的中強(qiáng)主震有較好的對應(yīng)結(jié)果，隨后，作者使用這一方法對我國華北和西南兩個地震活動帶進(jìn)行了分析檢驗，同樣發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前的不同時間段內(nèi)()值有出現(xiàn)高值的現(xiàn)象發(fā)生；馮志生等（2000）使用這一方法研究了江蘇地磁臺網(wǎng)1983—1997年間的加卸載響應(yīng)比異常，以及這一期間臺同內(nèi)和網(wǎng)緣附近S4.6級以上地震之間的關(guān)系，并對其內(nèi)檢預(yù)報效能進(jìn)行了評價，同時提出了適用于江蘇地磁臺分析預(yù)測的標(biāo)志體系；李偉等（2013）的研究發(fā)現(xiàn)，同一臺站分別使用57型模擬磁力儀和GM4型數(shù)字化磁力儀分別觀測得到的()值存在不同程度的差異，在()>2.5的情況下，兩者的差異比重范圍為-19.51%—0.39%，作者利用()>2.5的頻次分析地震時，由GM4型數(shù)字化磁力儀觀測結(jié)果計算得到的()值在反映地震前兆異常的能力上較強(qiáng)。

自2002年起，河北省紅山地震臺在繼續(xù)進(jìn)行模擬地磁觀測的基礎(chǔ)上，增加了一套FHD-1型分量質(zhì)子磁力儀，數(shù)據(jù)產(chǎn)品為地磁分鐘值相對記錄數(shù)據(jù)。在“十五”時期，根據(jù)中國地震前兆數(shù)字化觀測網(wǎng)絡(luò)的要求，該分量質(zhì)子磁力儀升級為FHD-2B型并增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，同時也提高了儀器的觀測精度。本文對紅山臺周邊一定范圍內(nèi)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，計算并提取了適用于該地區(qū)()的閾值，可為紅山臺所在地區(qū)震情的判定提供標(biāo)志依據(jù)。

1 紅山臺背景

1966年3月在邢臺地區(qū)發(fā)生了S7.2級地震，同年4月由中國科學(xué)院地球物理研究所在邢臺地區(qū)負(fù)責(zé)籌建紅山地震臺，并于當(dāng)年7月開始投入使用，之后，在1971年10月移交給河北省地震局負(fù)責(zé)。

紅山臺地處華北平原南部邢臺市山口鎮(zhèn)，其地理位置如圖1所示。紅山臺位于太行山山前斷裂帶分支斷裂即隆堯束鹿斷裂的南段，海拔高度37m，基巖裸露，周圍是大面積沖積平原，地表出露地層為震旦紀(jì)石英砂巖，層位較低，基巖出露面積小。同時，紅山臺遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊，干擾源較少，是比較理想的地震及地磁觀測場所。

紅山臺開展地磁觀測較早，自建臺以來已積累了30多年的豐富地磁觀測資料，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。同時作為全國地磁觀測的基準(zhǔn)臺，其地磁觀測數(shù)據(jù)還承擔(dān)著對外交換的任務(wù)。紅山臺數(shù)字化地磁觀測從2002年1月開始，現(xiàn)有的絕對觀測儀器為G856型質(zhì)子核旋儀及Mingeo-DI型儀，相對記錄儀為GM4型磁通門磁力儀及FHD-2B型分量質(zhì)子磁力儀。

2 原理與方法

太陽風(fēng)主要以紫外輻射和粒子流輻射兩種輻射形式影響地球磁場，從而使地磁場出現(xiàn)變化磁場。變化磁場主要有兩種：一是地磁場變化即太陽靜日變化q；二是磁暴場。其中，磁暴場的構(gòu)成為：=st+s+p()，式中st為暴時變化，s為暴時擾日變化，p()為極區(qū)亞暴。

按照曾小蘋等（1996）的地磁加卸載響應(yīng)比理論，地球自轉(zhuǎn)使太陽的紫外輻射對地球每天加卸載一次，其地磁效應(yīng)即是q；太陽暴風(fēng)粒子流輻射的地磁效應(yīng)就是全球同時發(fā)生的磁暴現(xiàn)象，由統(tǒng)計可知，平均大約5—6天地球便會被太陽高速暴風(fēng)粒子流加卸載一次。另外，考慮到地震是一種非線性失穩(wěn)現(xiàn)象，在孕震區(qū)地下介質(zhì)系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)的過程中，介質(zhì)的物理性質(zhì)，其中包括電導(dǎo)率將會發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。因而可以認(rèn)為，不同的地磁測點，穩(wěn)定地區(qū)和非穩(wěn)定地區(qū)暴時擾日變化不同；同一地磁測點非穩(wěn)定時期暴時擾日變化與正常時期的變化又不同。因此，可通過計算地磁加卸載響應(yīng)比()值來得到其異常信息。

地磁垂直分量與地下介質(zhì)及其變化較其它地磁分量的關(guān)系更密切，因此可以取分量作為計算s()的加卸載響應(yīng)參量：

()=s()+/s()-（1）

式中，s()為分量地磁擾動場的日變幅；標(biāo)志“+”表示加載；標(biāo)志“-”表示卸載。

在實際運用中可將地磁場垂直分量日變幅+和-看作是太陽風(fēng)對地磁場的加載和卸載，此時計算公式可簡化為：

()=Δ+/Δ-（2）

3 計算結(jié)果及分析

目前，紅山臺所使用的地磁相對記錄儀器有兩種：一種為FHD型分量質(zhì)子磁力儀；另一種為GM4型磁通門磁力儀。本文中采用的數(shù)據(jù)為FHD型分量質(zhì)子磁力儀所產(chǎn)出的分鐘值相對記錄數(shù)據(jù)。該儀器總強(qiáng)度觀測精度為0.3nT，水平分量觀測精度為0.6nT，磁偏角觀測精度為0.1'。

根據(jù)紅山臺的地理位置及周邊歷史地震記錄，筆者以距離臺站300km范圍為限，選取了自紅山臺2002年1月數(shù)字化地磁觀測以來，臺站周邊發(fā)生的S4.0級以上地震作為研究對象，地震目錄及參數(shù)如表1所示，地震空間分布如圖1所示。

表1 紅山臺周邊300km以內(nèi)MS4.0級以上地震統(tǒng)計

紅山臺2012年1月至2013年12月的地磁加卸載響應(yīng)比計算結(jié)果如圖2所示，并在計算前進(jìn)行了細(xì)致校對，剔除了因缺數(shù)造成的錯誤日變幅數(shù)據(jù)。

圖2中出現(xiàn)的高值突跳即為地磁加卸載響應(yīng)比異常，而且該類異常通常具有成叢性。圖中所標(biāo)注的地震為臺站周邊300km以內(nèi)發(fā)生的所有S4級以上地震，從圖中可以看出，這些地震的發(fā)生和該地磁加卸載響應(yīng)比的高值分布有一定的對應(yīng)關(guān)系。

同時，對加卸載響應(yīng)比計算結(jié)果進(jìn)行閾值的選取是確定異常的關(guān)鍵。為了確定響應(yīng)比是否為異常的映震效果，筆者嘗試規(guī)定了以下準(zhǔn)則：①確定閾值后，高于閾值的值定為異常，異常間隔小于3個月定為一組異常，每組異常有效期為12個月，有效期開始時間以最后高值出現(xiàn)的日值為準(zhǔn)；②地震可以在異常結(jié)束后發(fā)生，也可以發(fā)生在異常期間內(nèi)（震前或震后異常）；③若地震發(fā)生在若干組異常的共同有效期內(nèi)，則判定各組異常均為有效異常，但對應(yīng)的地震次數(shù)只記1次。

按照上述準(zhǔn)則，筆者對紅山臺的()計算結(jié)果嘗試進(jìn)行了不同閾值的選擇和統(tǒng)計，對異常閾值的起始值劃分為5個級別即從閾值2.6劃分至閾值3.4，將高于閾值的加卸載高值定為異常，同時根據(jù)規(guī)定的準(zhǔn)則統(tǒng)計各次異常分組，其結(jié)果如表2所示。

表2 紅山臺地磁加卸載響應(yīng)比映震效能檢驗統(tǒng)計

例如從表2可以看出，當(dāng)()的閾值選擇為3.0時，共統(tǒng)計出異常12組，對應(yīng)地震次數(shù)為5次，對應(yīng)概率為42%；其對應(yīng)的地震分別為2006年4月9日河南范縣S4.1級地震、2006年7月4日河北文安S5.1級地震、2008年3月10日河南封丘S4.4級地震、2010年4月4日山西大同S4.2級地震、2010年6月5日山西陽曲S4.6級地震（見表3）。同時，表3還給出了其他閾值異常與地震的對應(yīng)情況。

表3 紅山臺地磁加卸載響應(yīng)比（P(Z)=3.0）對應(yīng)地震統(tǒng)計表

續(xù)表

事件序號異常組號異常日期（年-月-日）異常值對應(yīng)地震發(fā)震間隔（天）震中距（km） 1392010-12-163.84虛報 2011-01-133.17 2011-03-043.83 14102012-10-113.31虛報 15112013-10-163.67虛報 2013-12-233.08 2014-01-113.09 16122014-08-304.09虛報

另外，從表3還可以看出，上述5次對應(yīng)發(fā)生的地震與響應(yīng)比異常的最短間隔為30天，最長間隔為331天。所以從統(tǒng)計結(jié)果看，閾值選擇為3.0時，對地震的預(yù)測效果較其他閾值更為理想。盡管閾值3.0低于閾值3.2和閾值3.4對應(yīng)的地震發(fā)生概率，但閾值3.0時的地震虛報率和漏報率較低，顯示出了明顯的統(tǒng)計優(yōu)勢。

4 討論

筆者將紅山臺數(shù)字化地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了加卸載響應(yīng)比計算及分析，確定了可以利用的合理閾值起始值。同時還得出了以下幾點初步認(rèn)識：

（1）地磁加卸載響應(yīng)比方法在統(tǒng)計學(xué)意義上對地震有一定的預(yù)測性。紅山臺的計算結(jié)果顯示，選擇合適的異常閾值后可以在未來1年的時間尺度內(nèi)，對S4.0級及以上地震作出40%以上的預(yù)測，此時的虛報率為50%。

（2）加卸載響應(yīng)比方法有時會出現(xiàn)連續(xù)性的漏報及虛報。從表3的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，紅山臺對最早的3次震例均為漏報，造成漏報率高的直接原因可能是由于缺乏2001年的響應(yīng)比數(shù)據(jù)，因此，滿足一定時間長度的地磁數(shù)據(jù)樣本是對該方法進(jìn)行計算、驗證及研究的前提條件。

另外，該方法虛報率較高也是一個無法回避的問題。筆者在對紅山臺進(jìn)行過的所有閾值劃定結(jié)果中，其虛報率始終不低于50%。造成這種結(jié)果的原因除了該方法本身外，對地震目錄選擇限制過多也可能是另一種原因，假如對300km以內(nèi)及S4級以上兩個地震目錄的限制條件有所改變，其響應(yīng)比計算結(jié)果可能會有所不同。這一點筆者將在以后的研究中對其進(jìn)行進(jìn)一步的計算驗證。

總之，地磁加卸載響應(yīng)比方法是從測震學(xué)中移植借鑒的一種方法，其使用的是能較好地反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的響應(yīng)比()作為響應(yīng)函數(shù)，并以它在正常情況下的時間變化和空間分布作為背景，研究震前由于電導(dǎo)率變化引起的地磁響應(yīng)比異常來預(yù)測地震。在我國目前的地震科研及地震預(yù)測預(yù)報體系中，對預(yù)測方法的研究及建立一定的映震指標(biāo)體系是一項重要的工作，以此為基礎(chǔ)可以對地磁前兆數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的異常量化及判定，這對地震分析預(yù)報工作有著積極的意義。

丁鑒海，盧振業(yè)，黃雪香，1994．地震地磁學(xué)．北京：地震出版社．

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The Study of Optimal Threshold of Geomagnetic Load-Unloading Response Ratio

Jia Lifeng1), Qiao Ziyun1), Zhang Gouling1), Ding Zhihua1)and Zhang Jianguo2)

1) Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China?2) Handan Seismic Station, Handan 066001, China

As a middle-term earthquake prediction method, the geomagnetic load-unload response ratio (LURR) was transplanted from the seismological method. Based on digital observation data, we calculated the LURR of Hongshan station. Our results show that when the threshold is 3.0, the accurate rate of the earthquake prediction probability is about 42%. Meantime, find that the false and missing ratio is relatively high when we applied the LURR to predict earthquake.

Geomagnetic; Load-unload response ratio; Threshold; Earthquake prediction

國家自然科學(xué)基金（41274079）；地震行業(yè)科研專項（201508009-09）

2014-04-09

賈立峰，男，生于1981年。碩士。主要從事地震地磁分析工作。E-mail：729102262@qq.com