劉永強(qiáng)，李 偉，李東春

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

近年來的震例總結(jié)說明[1]，與地震有關(guān)的磁異?，F(xiàn)象，特別是短周期異常，其空間分布范圍不僅局限于震源區(qū)，震中附近磁異常與震中鄰區(qū)的磁異常并存的現(xiàn)象已經(jīng)是客觀事實(shí)。地震的發(fā)生主要受構(gòu)造運(yùn)動控制，構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生各種磁效應(yīng)或磁異常，通常會疊加在地磁正常背景場之上，使地磁場產(chǎn)生變化。在一個地震的孕育過程中，地震前后，除了在震中及構(gòu)造邊緣出現(xiàn)地下介質(zhì)特性變化、應(yīng)力變化外，地磁場特性也發(fā)生變化。這種變化以通過地震前兆異常的形式表現(xiàn)出來，所以在區(qū)域應(yīng)力場特別是在構(gòu)造邊緣及特殊構(gòu)造部位，也會直接或間接地產(chǎn)生與地震相關(guān)的磁異?，F(xiàn)象。

根據(jù)地震前兆研究與地震預(yù)報工作的需要，我局逐步建成了比較完善的地磁觀測系統(tǒng)，在主要的地震活動區(qū)與構(gòu)造帶附近布設(shè)了較為密集的地磁觀測網(wǎng)，以固定臺站連續(xù)觀測與流動地磁總場觀測相結(jié)合，開展對震磁時空強(qiáng)的探索研究。野外流動監(jiān)測以地磁場總強(qiáng)度為觀測物理對象，以局部范圍內(nèi)的異常變化為對象，進(jìn)而探討磁異常變化與局部區(qū)域地震活動性的關(guān)系。本文通過2017年12月19日遼寧海城M4.4地震前后流動地磁實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析，在研究地磁長趨勢變化和地震中短期地磁前兆異常特征的基礎(chǔ)上，得到了對震磁效應(yīng)的新認(rèn)識。

1 區(qū)域地震概況及地磁測網(wǎng)布設(shè)

1.1 海城M 4.4地震

2017年12月19日02時39分39秒遼寧海城市小偏嶺鎮(zhèn)發(fā)生M4.4地震（40.53oN，123.04oE，震源深度10km）。震中位于北西走向的海城河斷裂東南段。海城地震區(qū)是活動性很強(qiáng)的NW向全新世斷裂、海城河斷裂與NNE向晚更新世金州斷裂組成的共軛構(gòu)造區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈。沿海城河斷裂地震分布極為密集、強(qiáng)度大、頻度高，除1975年M7.3地震外，還發(fā)生過多次M5～5.9地震，小震活動十分頻繁，地震呈密集條帶狀和團(tuán)簇狀分布，區(qū)域地震危險水平高。

1.2 流動地磁測量

流動地磁測區(qū)經(jīng)升級改造后于2015年投入使用，共40個地磁測點(diǎn)，點(diǎn)距30km左右，測點(diǎn)基本覆蓋測區(qū)內(nèi)海城河斷裂（F5）、牛居油燕溝斷裂（F2-1）、莊河斷裂（F6）、金州斷裂（F3）等主要構(gòu)造（圖2）。測量要素為地磁場總強(qiáng)度，測量模式為復(fù)測，復(fù)測周期為90天。野外和日變站均使用加拿大產(chǎn)GSM-19T磁力儀進(jìn)行觀測，磁力儀分辨率和精度分布為0.1nT和0.5nT。

2 資料選取與數(shù)據(jù)處理方法

2.1 每期出測前后儀器比測

儀器比測是指普通測量儀器（被比測儀器）與標(biāo)準(zhǔn)儀器之間的對比測量，以獲取普通測量儀器與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測量差異及變化情況。地磁場總強(qiáng)度測量儀器的比測采用“交換同步測量方法”。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)儀器為儀器1，被比測儀器為儀器2。在人工電磁和自然磁場環(huán)境較好的場地設(shè)置測量位置A和測量位置B，二者水平距離不大于30m。將儀器1置于主測點(diǎn)，儀器2置于輔助測點(diǎn)。儀器1與儀器2同步進(jìn)行測量，各讀取三組、每組10個有效觀測數(shù)據(jù)。每組觀測數(shù)據(jù)分別求組均值，依次記為F1A-1、F1A-2、F1A-3和 F2B-1、F2B-2、F2B-3。最后求取均值 F1A和F2B。將儀器1置于輔助測點(diǎn)、將儀器2置于主測點(diǎn)。重復(fù)以上測量過程，并求取均值F2A和F1B。儀器點(diǎn)位差X、和儀器差Y的計算公式：

計算三組點(diǎn)位差、儀器差的平均值的測量值。

2.2 通化參考數(shù)據(jù)的選?。ㄈ兆冋居^測）

選用基本地磁臺自設(shè)GSM-19t（052#）磁力儀進(jìn)行地磁總強(qiáng)度的連續(xù)觀測分鐘值的測量。

2.3 野外測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

方法步驟同上（比測），測量結(jié)束后填寫《地磁總強(qiáng)度測量記錄表》并進(jìn)行檢查、復(fù)核。并完成野外觀測數(shù)據(jù)集。

2.4 日變通化零日的選取和零時的計算

通化零時為距實(shí)際野外測量時間段最近的磁靜日Q1或Q2。通化零時為日變站所處時區(qū)地方時00:00—03:00的平均值。

2.5 日變通化公式

式中，F(xiàn)P0為測點(diǎn)P的地磁測量值經(jīng)日變通化處理到通化零時的結(jié)果數(shù)據(jù)，F(xiàn)Pt為測點(diǎn)P在時間t時的地磁測量值，F(xiàn)St為在時間t時的日變站觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)S0為通化參考臺所在時區(qū)地方時00:00-03:00的連續(xù)觀測分鐘值數(shù)據(jù)平均值。

2.6 日變通化值均方差計算

判斷地磁觀測數(shù)據(jù)日變通化處理有效性和可信度的主要指標(biāo)之一是均方誤差。

均方差計算公式：

其中δ通化為日變通化值均方差，F(xiàn)i0為某測點(diǎn)第i個經(jīng)日變通化處理到通化零時的結(jié)果數(shù)據(jù)，n為該測點(diǎn)地磁測量數(shù)組數(shù)。

2.7 差值計算方法

式中 ，ΔFi為i測點(diǎn)差值 ；ΔFai'為前期差值；ΔFbi'為后期差值；i 為測期第i測點(diǎn)。

2.8 鄰期差值圖和年變差值圖的繪制

鄰期差值圖和年變差值圖的繪制是觀察偏離觀察誤差限度的測點(diǎn)隨空間分布情況。分析測區(qū)內(nèi)ΔFi的空間分布特征，以及ΔFi的空間分布在鄰期和年變化上有何變化。

2.9 測區(qū)均方差

測區(qū)均方差δ測區(qū)是參量在正常情況下的均方差。當(dāng)異常量a≥(2～3)δ測區(qū)時，在排除環(huán)境干擾因素和儀器偶然誤差的情況下，應(yīng)該被認(rèn)為是地震磁異常。反應(yīng)了流動地磁在本年度的鄰期差值的變化情況。流動地磁測量就是利用異常量a與系統(tǒng)參量的均方差倍數(shù)關(guān)系，來預(yù)測發(fā)震震級。δ測區(qū)（均方差）測區(qū)均方差計算公式為：

式中， δ測區(qū)為測區(qū)均方差 ；ΔFai為前期 i測點(diǎn)的地磁總場a期（后期）差值；ΔFbi為本期i測點(diǎn)的地磁總場b期（前期）差值； n 為測區(qū)的測點(diǎn)數(shù)量。

3 地震前后地磁異常變化特征分析

3.1 地磁異常測點(diǎn)磁環(huán)境調(diào)查與測點(diǎn)梯度復(fù)測

2017年12月5日至7日對異常點(diǎn)的磁環(huán)境進(jìn)行了勘測并對地磁異常點(diǎn)進(jìn)行了梯度測量。桂云花PLNL015、魏屯PLNL014、張家溝PLNL040測點(diǎn)附近未發(fā)現(xiàn)人工電磁干擾源等電磁外界干擾。梯度測量結(jié)果滿足中國地震局監(jiān)測預(yù)報司《流動地磁測量基本技術(shù)要求》，測點(diǎn)點(diǎn)位差均（樁差）≦0.5nT。

圖1 2017年11月震前流動地磁場總強(qiáng)度鄰期差值變化平面圖Fig.1 The adjacent difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake in November, 2017

3.2 震前地磁異常特征

應(yīng)用2017年11月流動地震地磁監(jiān)測的第四期常規(guī)復(fù)測結(jié)果，應(yīng)用sufer繪圖軟件繪制了遼寧地球物理場流動地磁場總強(qiáng)度的鄰期差值圖及年變差值圖。

魏屯PLNL014出現(xiàn)了較大的磁異常，正變化量高達(dá)3.5nT，桂云花PLNL015正變化2.8nT。與其相鄰的張家溝PLNL040測點(diǎn)出現(xiàn)了-2.4nT的負(fù)變化。正變化與負(fù)變化形成了明顯的磁異常梯度帶，并以張家溝PLNL040測點(diǎn)為中心形成了半徑為20km的低位負(fù)異常區(qū)（圖1）。本期監(jiān)測任務(wù)完成后，經(jīng)過資料處理后及時對該異常進(jìn)行了落實(shí)，在排除了測點(diǎn)環(huán)境變化及干擾和儀器偶然誤差的前提下，證實(shí)了該異常的實(shí)際存在。該磁異常區(qū)處于海城河斷裂南部，梯度帶（零線）距海城河斷裂30km，異常中心點(diǎn)距海城河斷裂50km。因此，對該異常的跟蹤監(jiān)測與分析，可以得到相應(yīng)的震磁信息。從地震前的平面差值圖及震前年變差值圖看，測區(qū)自北向南呈現(xiàn)由低向高的正變化趨勢，正變化通過了海城河斷裂后急劇下降至張家溝測點(diǎn)的最大負(fù)異常，這種負(fù)異常保持了43天后發(fā)震。

圖2 2016.11—2017.11震前流動地磁場總強(qiáng)度年變差值變化平面圖Fig.2 The annual difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake from November, 2016 to November, 2017

圖3 1711期震前測區(qū)差值異常圖Fig.3 The abnormal curves of the difference value in the surveying area before the earthquake(1711)

3.3 震前測區(qū)差值異常量變化特征

圖3中，測區(qū)內(nèi)魏屯PLNL014測點(diǎn)的正異常量超過三倍均方差。桂云花PLNL015測點(diǎn)的正異常量接近三倍均方差。田莊臺PLNL020測點(diǎn)的負(fù)異常經(jīng)落實(shí)系環(huán)境干擾所致。張家溝PLNL040測點(diǎn)的負(fù)異常量超過三倍均方差。其余各測點(diǎn)變化量較小，系正常的地磁活動。

表1 震前測區(qū)鄰期差值時序變化表

表1中的數(shù)據(jù)為2017年度（震前）的整個測區(qū)所有測點(diǎn)的差值數(shù)據(jù)。在表1 中，磁異常變化較大的差值數(shù)據(jù)是2017年11月測期相對2017年9月測期的差值數(shù)據(jù)。其中張家溝PLNL40測點(diǎn)的負(fù)異常量為-2.4nT，正異常測點(diǎn)為測點(diǎn)魏屯PLNL014的3.5 nT和測點(diǎn)桂云花PLNL015的 2.8nT。該實(shí)測差值數(shù)據(jù)為判定該異常區(qū)域及異常量提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2是震后加強(qiáng)觀測后的主要磁異常測點(diǎn)及臨近測點(diǎn)差值時序變化數(shù)據(jù)。

3.4 地震前后差值變化對比分析

雙嶺PLNL016測點(diǎn)的負(fù)變化在增加，表明震前的低位負(fù)異常區(qū)有向北漂移的跡象，故將持續(xù)關(guān)注和重視該變化的變化趨勢。其余各測點(diǎn)相對九月測期的變化比較穩(wěn)定。

震前桂云花PLNL15測點(diǎn)的震前正變化量為2.8nT,震后異常量轉(zhuǎn)變?yōu)?.2 nT，表明桂云花PLNL15測點(diǎn)磁異常基本恢復(fù)到震前原有的量級。

表2 震后測區(qū)地磁場總強(qiáng)度差值時序變化

魏屯PLNL014測點(diǎn)震前異常量3.5nT,震后異常量為2.6nT，表明魏屯PLNL014測點(diǎn)的磁異常在震后呈現(xiàn)了下降的趨勢。

地震前張家溝PLNL40測點(diǎn)的負(fù)異常量為-2.4nT,震后異常量為1.0nT。表明張家溝PLNL40測點(diǎn)震前的負(fù)異常在震后已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓！?/p>

綜合上述基本變化特征，從區(qū)域性異常來看，震后正異常區(qū)基本穩(wěn)定，低位負(fù)異常區(qū)消失。

測區(qū)基準(zhǔn)地磁點(diǎn)石門水庫PLNL032下湯池PLNL033地處測區(qū)中部平原，磁環(huán)境良好。在表中可以看出該地震對基準(zhǔn)點(diǎn)也產(chǎn)生了一定量的影響，但總體來看，震前震后的基準(zhǔn)點(diǎn)相對穩(wěn)定。相對九月測期的差值呈現(xiàn)下降的趨勢。

4 結(jié)論

（1）地磁場總強(qiáng)度隨時間的變化的地磁異常可以作為地震預(yù)報分析方法的一種有效手段。本文根據(jù)震前和震后異常區(qū)的變化特征和發(fā)展趨勢分析，低位負(fù)異常區(qū)與該地震有著密切的關(guān)聯(lián)，并認(rèn)定該異常是19日的海城M4.4地震的前兆因子，也是震磁短周期前兆異常變化的重要表現(xiàn)。震中區(qū)域應(yīng)力場的特殊構(gòu)造部位已經(jīng)完成了一次能量釋放后，就現(xiàn)有的變化水平來看，近期地磁活動恢復(fù)至平靜期，沒有發(fā)震的磁背景，今后將繼續(xù)密切關(guān)注其變化趨勢。

（2） 通過本次震例反應(yīng)出流動地磁測點(diǎn)密度不足，特別是構(gòu)造邊緣和構(gòu)造特殊部位應(yīng)加密地磁測點(diǎn)，有助于增大信息量，拓展研究空間，提升流動地磁監(jiān)測能力，發(fā)揮在地震預(yù)報中的作用，以滿足利用地磁異常預(yù)判地震三要素的需要。

（3）流動地震地磁監(jiān)測是地震預(yù)報的前兆預(yù)測重要手段之一，彌補(bǔ)了由于臺站數(shù)量不足的缺陷，對區(qū)域性磁異常的判定和驗(yàn)證方法靈活有效。這次成功監(jiān)測到震前的磁異常信息，是對傳統(tǒng)流動地磁監(jiān)測的認(rèn)可和肯定，也證實(shí)了傳統(tǒng)流動地磁監(jiān)測到的短周期異常變化在地震預(yù)報中的作用和重要意義。