錢 才， 陳魯剛， 張治廣

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局 ，新疆 烏魯木齊 830011)

地面觀測地磁場包含許多不同成分的磁場，按照來源和變化規(guī)律不同，觀測地磁場可分為2部分，一是來源固體地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場；二是起源于固體地球外部的變化磁場，其中起源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場占穩(wěn)定磁場總量的99% 以上[1]。地震是一個復(fù)雜地球內(nèi)部地質(zhì)活動，在其孕育過程中，震源及附近區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變處于積累階段，按照壓磁理論，應(yīng)力變化將引起地下巖石磁性變化，從而出現(xiàn)地磁異常[2-3]。國內(nèi)外學者在研究地震地磁前兆異常時，積累了許多理論認識和震例資料。Fraser-Smith A C等人在1989年美國Loma PrietaMS7.1地震3小時前觀測到磁噪聲活動水平異常升高[4]，Ohta Kenji等人在研究2004年日本新潟縣中部地區(qū)MS6.8地震和2007年能登半島MS6.9地震時，發(fā)現(xiàn)Schumann諧振幅度和頻率電磁異常[5]。王毅等人模擬地震期間地磁波傳播的異?，F(xiàn)象[6]。國內(nèi)學者在研究新疆地區(qū)地磁前兆異常時也取得許多成果。張敏等在分析2016～2017年10月垂直分量極化異常時，在許多地震前識別出極化高值異常[7]；張翼、艾薩·伊斯馬伊力、沙木哈爾·葉爾肯等在研究新疆部分地震前兆異常時，在震前識別出如地磁垂直分量日變幅逐日比等地磁異常[8-11]。2021年3月24日拜城MS5.4地震之前，烏什臺和喀什臺地磁出現(xiàn)超閾值的高值異常。針對地震預(yù)測結(jié)果，我國部分學者使用不同方法進行檢驗評分，R值評分是其中一種檢驗方法，廣泛地應(yīng)用于年度地震預(yù)報效能檢驗之中[12-14]。本文中針對新疆烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比超閾值異常，梳理其震例情況，考慮閾值、預(yù)測期選取不同時對R值檢驗結(jié)果的影響。

1 拜城MS5.4地震前地磁異常

地磁逐日比是地磁垂直分量前后2天日變化幅度的比值，有學者認為該方法受儀器、環(huán)境等干擾影響較小[11]。根據(jù)張翼等人的研究，新疆地區(qū)地磁垂直分量逐日比異常一般要求至少2個臺站同時超閾值才能做為異常，2次異常時間間隔較短時可劃定為同組異常[8]。在本次地震前，烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比閾值選為2.6，預(yù)測期為90 d。2020年12月15日、12月29日烏什臺和喀什臺2個臺站出現(xiàn)一組逐日比超閾值異常(表1、圖1)，現(xiàn)場異常核實沒有發(fā)現(xiàn)明顯干擾，儀器工作狀態(tài)正常，異常真實可靠(1)孫昭杰，阿里木江，桂榮，等．異常核實—2020年12月23日新疆喀什、烏什臺磁場日變化地磁逐日比，2020年．，其后預(yù)測期內(nèi)發(fā)生塔吉克斯坦MS6.1地震、拜城MS5.4地震。2次地震符合對應(yīng)規(guī)則，可以對應(yīng)2020年12月烏什臺和喀什臺逐日比異常。

圖1 烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常等值線圖(a) 2020年12月15日 (b) 2020年12月29日Fig.1 Contour map of daily ratio anomaly of vertical component of geomagnetic fieldat Wushi station and Kashi station

圖2 地磁垂直分量日變幅逐日比曲線圖(a) 烏什 (b) 喀什M15 (c) 喀什M4Fig.2 Daily ratio of vertical component of geomagnetic field

表1 烏什—喀什臺逐日比異常與MS5.0地震對應(yīng)情況統(tǒng)計表

2 異常震例梳理

為進一步驗證烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常映震效果，本文中選取同樣的閾值2.6、預(yù)測期90 d，分析2011年1月1日～2021年4月11日地磁垂直分量逐日比數(shù)據(jù)。考慮到資料完整性，選取地震目錄資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)地震局地震臺網(wǎng)目錄，地震空間對應(yīng)規(guī)則如表2所示，符合規(guī)則地震分布如圖3所示。部分較強地震通常伴隨前震、余震，為合理檢驗地磁垂直分量逐日比異常的映震效果，在統(tǒng)計過程中刪除前震、余震。自2011年以來，排除地磁擾動干擾后[15]，烏什臺和喀什臺同時出現(xiàn)超閾值異常共15次(圖2、表1)。在伽師MS5.5地震、阿圖什MS5.1地震、吉爾吉斯MS5.0地震、拜城MS5.0地震、烏恰MS5.0地震、柯坪MS5.2地震、塔吉克斯坦MS6.1地震、拜城MS5.4地震等前均出現(xiàn)逐日比超閾值異常，異常共對應(yīng)地震6次，虛報9次。

圖3 符合表2規(guī)則的地震分布圖Fig.3 Earthquake Distribution that match rules in Table 2

表2 選取地震規(guī)則表

3 R值檢驗

R值評分方法由許紹燮提出[14]，該方法被廣泛應(yīng)用于年度地震預(yù)報效能檢驗。R值越大，預(yù)測效能越好[16]。R值>0代表有預(yù)測意義，R0是保證97.5%置信水平的最低R值，R0值大小與報對地震數(shù)量、漏報地震數(shù)量有關(guān)(圖4)，R≥R0代表通過顯著性檢驗，也即是該R值至少有97.5%的置信水平[17],

圖4 R0值與報對地震數(shù)目、漏報地震數(shù)目之間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between R0 value and number of reported earthquakes，missed earthquakes

(1)

通過公式(1)計算得到R值為0.055 8，對應(yīng)R0值為0.178 5，未通過顯著性檢驗，虛報率為0.529，漏報率為0.586。圖5為閾值為2.6時，R值、R0值、虛報率和漏報率隨預(yù)測期的變化。在當前閾值下，R值、R0值隨預(yù)測期先增長而變大，而后趨于穩(wěn)定，預(yù)測期在5～180 d范圍內(nèi)，R值均小于R0值，R值檢驗均未通過；虛報率、漏報率隨預(yù)測期增長而減小。

圖5 R、R0值、漏報率和虛報率與預(yù)測期關(guān)系Fig.5 Relationship between forecast period and R value, R0 value, missing report rate, false report rate

為進一步檢驗預(yù)報效能，計算閾值在2～3之間，預(yù)測期5～180 d范圍內(nèi)時，R值和R0值的變化情況(圖6)。R在閾值、預(yù)測期雙向搜索區(qū)間內(nèi)存在2個較高值區(qū)域，第1個高值區(qū)域的閾值為2～2.4、預(yù)測期為10～60 d，第2個高值區(qū)域的閾值為2.6～2.8、預(yù)測期為140～170 d。當閾值為2.0、預(yù)測期為20 d時，R值最大，為0.243 8，對應(yīng)R0為0.195 4，此時通過檢驗。圖5中部分區(qū)域R值<0，此時沒有預(yù)測意義。

圖6 R值(a)、R0值(b)與預(yù)測期、閾值之間的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between R value(a), R0 value(b) and forecast period, threshold

部分學者認為地磁垂直分量逐日比的高值異常與臺站周邊地震對應(yīng)效果較好[18]，本次統(tǒng)計地磁垂直分量逐日比異常中高值、低值和地震對應(yīng)情況。為了不失一般意義，本次統(tǒng)計中成組異常視為多次異常。地震出現(xiàn)在異常中高值側(cè)、低值側(cè)的次數(shù)隨著預(yù)測期增加而增加，預(yù)測期<110 d時，地震出現(xiàn)在異常高值側(cè)和低值側(cè)的次數(shù)相當；預(yù)測期>110 d時，地震出現(xiàn)在高值側(cè)的次數(shù)多余低值側(cè)，但兩者的差異并不顯著(圖7)。

圖7 異常中高值、低值與地震對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correspondence between high value, low value in anomaly and earthquake

4 結(jié) 語

塔吉克斯坦MS6.1和拜城MS5.4地震發(fā)生前，烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比出現(xiàn)超閾值異常，但R值未通過顯著性檢驗，虛報率和漏報率均在0.5左右。如果以烏什臺和喀什地磁垂直分量逐日比出現(xiàn)成組異常情形統(tǒng)計，2011年以來只出現(xiàn)過2次，異常間隔時間均<30 d，分別為2011年12月28日、2012年1月23日一組高值異常和2020年12月15日、12月29日一組高值異常。2次成組異常均對應(yīng)地震，效果較好。R值、R0值、虛報率和漏報率均隨預(yù)測期時長變化，閾值選取不同也極大影響R值檢驗結(jié)果。烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常R值檢驗結(jié)果存在2個高值區(qū)域，第1個高值區(qū)域閾值較低導(dǎo)致總異常次數(shù)急劇增多，虛報率過高而失去實際意義；第2個高值區(qū)域閾值較為合理，但R值小于對應(yīng)R0值，未通過顯著性檢驗。如果以R值通過檢驗為唯一指標，在第1個高值區(qū)域中部分點通過顯著性檢驗，但閾值過低而失去預(yù)測意義。綜合R值評分、虛報率和漏報率的結(jié)果，烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比合理閾值應(yīng)在2.6～2.8之間、預(yù)測期為140～170 d，R值為0.1左右，未通過顯著性檢驗，表明烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常預(yù)測水平偏低，但仍具有預(yù)測意義。在烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常中高值、低值與地震對應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果中，地震出現(xiàn)的位置與異常中高值的關(guān)系并不顯著。目前，地震預(yù)測仍在探索過程中，本文中單一地討論了烏什臺和喀什臺地磁垂直分量逐日比異常及其R值檢驗結(jié)果，結(jié)果存在一定片面性，預(yù)測應(yīng)以綜合分析多方法和多手段異常為主。