張志宏，李夢瑩，錢 蕊，黃明威

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震地磁日變化異常分析方法采用數(shù)十天到數(shù)分鐘地磁場觀測資料，并且主要用到的是地磁垂直分量觀測資料。我國位于北半球的中低緯度，地磁垂直分量日變化主要有以下幾點特征：地磁Z分量日變化形態(tài)類似V型，其日變化幅度由南到北逐漸變小，與經(jīng)度無關，極小值時間低點時間由東向西延遲4分鐘/經(jīng)度（低點時間跟著太陽走），與緯度無關，但地磁Z分量日變化形態(tài)在幾百公里范圍內(nèi)是基本一致的，或者說是相關的。地震地磁日變化異常分析方法的基本思路是通過剔除或壓制正常地磁日變化，提取地磁垂直分量日變化形態(tài)發(fā)生的畸變，這些畸變異常的周期范圍大約在數(shù)十分鐘到數(shù)小時。

馮志生等［1］研究地磁LURR發(fā)現(xiàn)閾值線兩側反相位現(xiàn)象：表明孕震過程中，異常時段沿閾值線附近有臨時感應電流的存在，導致閾值線兩側地磁場日變幅相位變化。張建國等［2］應用加卸載響應比方法，研究河北省各地磁臺1982—2006年地磁Z分量垂直分量日變幅極值比的高值異常與河北省及鄰近地區(qū)M≥5.0地震之間的對應關系；余懷忠等［3］使用庫倫應力算法，得到美國南加州4次M>6.5地震以及2008年中國汶川M8.0地震的加卸載響應比臨界區(qū)域和時間序列，發(fā)現(xiàn)其地震前兆變化明顯，對目標地震的位置、震級預測明確。

本文通過運用地震地磁日變化地磁LURR異常分析方法，對2008年以來東北及鄰區(qū)地磁觀測臺站（圖1） 數(shù)字化（FHD/M15） 分鐘值數(shù)據(jù)進行分析，總結地磁LURR在東北地區(qū)中強地震前異常特征及映震效能。

圖1 東北及鄰區(qū)地磁臺站分布圖Fig.1 Distribution map of geomagnetic station in Northeast China

1 原理與計算方法

太陽風主要以兩種形式影響地磁場，一方面，地球自轉使太陽的紫外線輻射對地球磁場每天加載、卸載一次，其地磁效應即是地磁變化中的太陽靜日變化；另一方面，平均大約每5～6天地球被強烈的太陽暴風（太陽輻射的速度為800～1000 km/s高速等離子體粒子流） 產(chǎn)生的地磁效應——全球同時發(fā)生的磁暴現(xiàn)象加載、卸載一次［4］。其中磁暴場D的構成為：

式中，Dst為暴時變化，Ds為暴時擾日變化，Dp為極區(qū)亞暴。

地球自轉使太陽的紫外線輻射對地球每天加卸載一次，其地磁效應即是；太陽暴風粒子流輻射的地磁效應就是全球同時發(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粒子流加卸載一次［5］。另外，考慮到地震是一種非線性失穩(wěn)現(xiàn)象，在孕震區(qū)地下介質系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)的過程中，介質的物理性質，其中包括電導率將會發(fā)生相應的反應。因而可以認為，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［6］。因此，可通過計算地磁LURR來得到其異常信息。

地磁日變化的強弱用日變化幅度來表達，即日變化極大值與極小值差。地磁日變化幅度具有不規(guī)則的逐日變化。地磁日變化主要取決于外空電流體系產(chǎn)生的變化磁場（外空變化磁場）及地下介質電導率，并且地殼介質電導率變化在地磁垂直分量中表現(xiàn)最突出。因此，地磁垂直分量日變化幅度前后幾天的差異或者來自外空變化磁場的改變，或者來自地殼介質電導率的改變，而后者則可能與地震有關。

地磁LURR定義為：

式中，RZ（max） 為地磁垂直分量日變化幅度極大值，RZ（min） 為RZ（max） 出現(xiàn)之后的第一個極小值。

2 異常提取

2.1 背景值計算

計算2008年以來東北地區(qū)12個地磁臺觀測數(shù)據(jù)（分鐘值采樣率）地磁LURR均值及均方差（表1），其中望奎地磁臺數(shù)據(jù)記錄較少不作為研究臺站。

表1 東北地區(qū)地磁臺站（FHD/M15） 極值比背景值

2.2 選取研究地震

選取東北地區(qū)2007年以來M≥4.9淺源地震作為研究地震（表2）。

表2 東北地區(qū)2007年以來M≥4.9地震

3 地磁LURR結果統(tǒng)計與分析

3.1 異常提取指標

假設以東北地區(qū)2倍最低地磁LURR為3.06作為閾值PO，考慮到不同地區(qū)的多個地磁臺出現(xiàn)觀測系統(tǒng)誤差的可能性極小，因此把磁暴、異常臺站地質構造之間的關聯(lián)性作為異常確定條件。

3.2 震例分析與討論

2013年1月23日。遼陽燈塔發(fā)生5.1級地震，震中位于北緯41.5°、東經(jīng)123.2°，震源深度7 km。遼寧省大部分地區(qū)有震感。燈塔5.1級地震發(fā)生在NE向營口—佟二堡斷裂北端。震源機制解表明為走滑型，精定位結果為NE向破裂。地震前6個月內(nèi)地磁LURR僅有1次大于PO，地球空間環(huán)境調(diào)查表明超閾值時期無磁暴的發(fā)生，因此可以把這次超閾值作為一次前兆異常。異常時間為2013年1月1日，異常臺站及地磁LURR值分別為：三崗（3.2）、鐵嶺（3.7）、營口（5.4） （圖2），異常臺站比例為25%。三個異常臺站分布于郯城—廬江斷裂帶的北延帶附近。震中距分別為營口（104km）、 鐵嶺（106km）、 三崗（318km）。 從地質構造及介質導電率的角度分析此次地震，震中位于營口—佟二堡斷裂北端，因此監(jiān)測該斷裂的臺站的異常幅度應該是最高的，隨著震中距的變化異常幅度應該成線性正比關系，此次地震前異常計算結果符合線性正比的關系。

圖2 燈塔M5.1地震震前異常及震中空間分布圖Fig.2 Earthquake anomaly and epicentral space distribution map of the Dengta M5.1 earthquake

圖3 通遼M5.1地震震前異常及震中空間分布圖Fig.3 Earthquake anomaly and epicentral spatial distribution map of Tongliao M5.1 earthquake

2013年4月22日內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗甘旗卡鎮(zhèn)發(fā)生了M5.3地震，震中位于北緯42.90°、東經(jīng)122.35°，震源深度10 km。地震發(fā)生在赤峰—開原斷裂中部。該斷裂處于巖石圈厚度變異帶，斷裂兩側巖石圈厚度差異顯著，是華北塊體和東北塊體的地理分界，也是興蒙造山帶和華北地臺這2個Ⅰ級板塊的分界線。地震前6個月內(nèi)地磁LURR高于設定PO有3次，異常時間為2013年2月4日、2月21日、3月4日（圖3）。三次異常臺站都無法對赤峰—開原斷裂形成有效的監(jiān)測控制，而且震中距離較近的地磁臺站都沒有出現(xiàn)低假設閾值，盡管空間天氣磁暴指數(shù)Dst＜2，說明異常日沒有磁暴干擾，但是把這三次異常做為前兆異常有待商榷。

2013年6月20日莫力達瓦M5.0地震震中位于近NE向嫩江斷裂與EW向濱州斷裂交匯區(qū)域附近，震源機制結果顯示為走滑破裂，其EW節(jié)面與濱州斷裂相一致。震前6個月內(nèi)地磁LURR高于假設PO有1次，地球空間環(huán)境調(diào)查表明超閾值時期無磁暴的發(fā)生。異常時間為2013年 6月 3日 （圖 4），異常臺站及地磁LURR值分別為：德都（3.2）、望奎（3.1）、通河（3.2），異常臺站比例為25%。震中距分別為：德都（155 km）、望奎（381 km）、通河（555 km）。此次地震震中最近的三個臺站同時出現(xiàn)了超設定閾值的異常，但是三個地磁臺與已知監(jiān)測斷裂帶關聯(lián)性又不大。所以綜合考慮把此次異常作為一次地震的地磁前兆異?？赡苓€需要充分的證據(jù)證明異常臺站與監(jiān)測斷裂帶的互通性。

圖4 莫力達瓦M5.0地震震前異常及震中空間分布圖Fig.4 Earthquake anomaly and epicentral space distribution map of Molidawa M5.0 earthquake

2013年10月31日、2013年11月22日和23日吉林前郭地區(qū)陸續(xù)發(fā)生了5.5、5.0、5.3、5.8、5.0級地震，這5次地震均發(fā)生在NE向扶余—肇東與NNW向查干泡—道字井斷裂交匯部位。地震前6個月內(nèi)地磁LURR高于PO的有1次，時間為2013年7月2日（圖5）。地球空間環(huán)境調(diào)查表明超閾值時期無磁暴的發(fā)生。異常臺站及地磁LURR值分別為：錫林浩特（3.1）、 德都 （3.3）、 望奎 （3.4）、 通河 （3.6），異常臺站比例為33.3%。震中距分別為：錫林浩特（640km）、德都（457km）、望奎（269km）、通河（336 km），此次地震的震中位于望奎臺監(jiān)測斷裂南段。綜合震級及臺站監(jiān)測斷裂的地理位置可以認為此次異常為前兆異常。

圖5 前郭M5.7地震震前異常及震中空間分布圖Fig.5 Earthquake anomaly and epicentral spatial distribution of Qianguo M5.7 earthquake

2017年7月23日松原M4.9地震前6個月內(nèi)地磁LURR高于PO異常有3次，異常時間分別為2017年2月15日、2017年2月21日、2017年4月27日（圖6）。 2月15日、2月21日異常臺站距離震中較遠，松原M4.9地震震中200 km范圍內(nèi)的地磁臺站響應比值反而較低，空間天氣指數(shù)Dst<2。4月27日異常臺站有6個，其中，德都、滿洲里、錫林浩特臺距離大于300 km。

圖6 松原M4.9地震震前異常及震中空間分布圖Fig.6 Earthquake anomaly and spatial distribution of the epicenter of Songyuan M4.9 earthquake

2018年5月28日松原M5.7發(fā)生在扶余—肇東斷裂與松花江第二斷裂交匯部位，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心結果，震源機制解為走滑型。地震前6個月內(nèi)地磁LURR高于PO有1次，異常時間為2018年2月21日（圖7）， 空間天氣指數(shù)Dst<2。異常臺站及地磁LURR值分別為：大連（4.0）、營口（3.7）、鐵嶺（3.3），占總研究臺站的25%。震中距分別為：大連（681 km）、 營口 （543 km）、 鐵嶺 （341 km）。此次地震震前多數(shù)臺站的地磁LURR值是不存在的，即日變幅度太小計算的響應比值太小，這與2013年前郭M5.7震群前異常臺站有相似的特點，異常持續(xù)時間都為100天左右。

圖7 松原M5.7地震震前異常及震中空間分布圖Fig.7 Earthquake anomaly and epicenter space distribution of Songyuan M5.7 earthquake

4 映震統(tǒng)計

東北地區(qū)2008年以來共發(fā)生淺源地震8次（表3），假設按照設定指標去提取東北地區(qū)地磁LURR異常，結果表明漏報3次地震，漏報率37.5%，其中松原M4.9地震有兩次虛報。

5 結論與討論

震源區(qū)介質受到壓力后巖石磁性變化的物理機制是地磁LURR的理論本質，通過研究分析東北地磁LURR高值異常與中強地震的空間、時間的對應關系可以得出東北地磁LURR異常指標有：

（1） 地磁LURR最佳閾值取東北地區(qū)最低2倍響應比值（3.06）；

（2） 異常臺站占比需達到25%，即至少3個臺站以上；

表3 地磁加卸載響應比高值異常與地震對應統(tǒng)計表

（3） 異常持續(xù)時間1～4個月，為中短期前兆異常。

地震異常的確定是地磁LURR預報地震的關鍵因素，利用疑似異常臺站監(jiān)測斷裂之間的地理位置是異常核實的重要關注點。