張志宏，顧 娜，崔政東

（1. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2. 鐵嶺地震臺，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

地球電磁學(xué)的基礎(chǔ)是1862 年麥克斯韋電磁場理論。地震是地球內(nèi)部介質(zhì)相互作用的結(jié)果，孕震的過程伴隨著介質(zhì)電磁性質(zhì)的改變。上世紀70 年代至今，震磁觀測進入了快速發(fā)展階段。地磁觀測臺網(wǎng)主要集中在地震活動區(qū)或構(gòu)造活動帶等試驗場地，觀測方式為固定臺站連續(xù)觀測和周期流動觀測相結(jié)合。震磁前兆信息的提取與研究大體可分為地磁背景場的研究、排除干擾提取震磁信息方法的研究、震磁前兆現(xiàn)象的研究。我國地震預(yù)報人員先后提出了地磁低點位移法[1]、地磁加卸載響應(yīng)比法[2]、地磁逐日比法[3]、地磁垂直分量日變化空間相關(guān)法[4]等提取地震異常的方法。這些方法目前已作為地震中短期和短期異常分析在我國日常地震預(yù)測中得到了廣泛的應(yīng)用。馮志生等[5]在應(yīng)用加卸載響應(yīng)比法過程中，發(fā)現(xiàn)前后兩天地磁Z 分量日變幅比值的高值與其臺站周邊地震有很好的對應(yīng)效果，并用該方法分析了江蘇地區(qū)地磁Z分量日變幅逐日比與周邊地震的關(guān)系，總結(jié)了逐日比異常的時空變化特征。倪曉寅等[6]研究了2008 年汶川M8.0 地震前的地磁日變化異常，地磁異常后發(fā)現(xiàn)2 月5 日南北帶大部分地區(qū)地磁Z 分量日變畸變顯著，逐日比計算結(jié)果顯示：9 個地磁臺的逐日比超過了3.0，震中位于逐日比為2.8 的等值線區(qū)域；芮雪蓮等[7]利用逐日比法提取了2017 年四川九寨溝M7.0 地震前6 個月的高值異常；張志宏等[8]總結(jié)了東北地區(qū)地磁加卸載相應(yīng)比的預(yù)報效能，結(jié)果表明地磁場Z 分量能夠提取到較好的前兆異常信息。

2011 年3 月11 日日本宮城縣以東太平洋海域Mw9.0 地震后東北地區(qū)5 級地震進入了活躍期，截至目前東北地區(qū)共發(fā)生了5 級以上地震10 次。因此，研究東北地區(qū)中短期震磁異常具有重要意義。2021 年2 月26 日遼寧鐵嶺、吉林三崗、通化地磁逐日比分別為3.83、3.07、3.22，超過了正常背景值2 倍左右。基于此，本文通過分析相關(guān)臺站原始數(shù)據(jù)和異常臺站觀測系統(tǒng)可靠性，結(jié)合東北地區(qū)已有震例探討此次異常的預(yù)測意義。

1 數(shù)據(jù)處理及方法原理

1.1 地磁逐日比法

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(zhì)電導(dǎo)率，并且地殼介質(zhì)電導(dǎo)率變化在地磁Z 分量中表現(xiàn)最突出。因此，地磁Z 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(zhì)電導(dǎo)率的改變，而后者則可能與地震有關(guān)。

地磁Z 分量日變化幅度逐日值P（Z）表述為：

式中，RZ（t1）為t1觀測日地磁垂直分量的日變化幅度，t2=t1+1。

1.2 克里金插值法

為了彌補研究區(qū)固定地磁臺網(wǎng)離散的缺點，對加卸載響應(yīng)比值進行密集規(guī)則網(wǎng)格化插值處理，得到直觀的二維等值線空間分布。1951 年南非工程師Krige D G 首先提出了克里金法（Kriging），相比三角網(wǎng)線內(nèi)插法、最小曲率法、反距離加權(quán)法和多項式擬合等常規(guī)插值法，克里金插值法在保持原場特征的同時更加合理的解釋了地球物理異常[9]。

該方法是運用變異函數(shù)理論對有限區(qū)域內(nèi)區(qū)域變化的變量無偏最優(yōu)化估計。其優(yōu)點在于考慮待插值點與鄰近觀測數(shù)據(jù)點位置的同時，對鄰近點之間的空間位置也有所參考，使其誤差接近于零[10]。

設(shè)定一個研究區(qū)為D，區(qū)域化變量為Z（X，Y）[ Z（X，Y）∈D ]在采樣點（ii=1，2，…，n）處的屬性值為Z（ii=1，2，…，n），待插值點ZO的插值結(jié)果則可以表述為：

式中，λi（i=1，2，…，m）是待確定權(quán)重系數(shù)，m 為已知采樣點。

根據(jù) Kriging 原理，Z（X，Y）滿足二階平穩(wěn)假設(shè)，即：

根據(jù)無偏性要求可推導(dǎo)得到權(quán)重系數(shù)方程為：

式中，μ 為拉格朗日常數(shù)；γ（hi-hj）為樣本點間的半變異函數(shù)值；r（h0-hj）為已知點與待插值點之間的半變異函數(shù)值。求解權(quán)重系數(shù)λi后可得到待插點估計值ZO。

克里金插值法的半變異函數(shù)可表述為：

式中，h 為滯后距離；Nh為滯后距離數(shù)量；Nk為求取半變異函數(shù)值距離為h 的樣本對數(shù)目。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 異常提取

地磁日變化主要受到100km 左右高空電流體系控制，該電流體系又受到太陽照射的控制，因此，全球各地的地磁日變化在時間和相位上不同步。我國位于北半球中低緯度，地磁Z 分量日變化為“V”字形?！癡”字形幅度由南到北逐漸減小，且呈現(xiàn)冬低夏高特征。但在幾百公里的空間范圍內(nèi)，其相位差比較小[5]。

地磁逐日比的理論基礎(chǔ)是磁靜日一定區(qū)域內(nèi)每日地磁日變化幅度有明顯的相關(guān)性，因此，正常背景下的同一較小范圍區(qū)域磁場逐日比值接近于1。圖1 是2021 年1 月以來大連、營口、鐵嶺、朝陽、通化、三崗臺逐日比時序曲線，從計算結(jié)果可以看出6 個固定地磁臺逐日比的正常背景在（0，2.0） 的區(qū)間范圍。從表1可以看出2021 年2 月26 日6 個地磁臺逐日比均超過了2.0，其中鐵嶺、三崗、通化逐日比超過了3.0 的高值。圖2 可以看出2021 年2 月26日全國范圍內(nèi)遼寧及鄰區(qū)逐日比超出正常背景值，從區(qū)域逐日比可以看出遼寧鐵嶺為當(dāng)日最高值 （3.83）。

表1 遼寧及鄰區(qū)地磁Z 分量日變幅逐日比

圖1 2021 年2 月26 日遼寧及周邊地磁日變幅逐日比值Fig.1 Daily ratio of daily variation amplitude of geomagnetism in Liaoning and its surrounding areas on February 26，2021

圖2 2021 年2 月26 日全國地磁日變幅逐日比值計算結(jié)果Fig.2 Daily ratio calculation results of national geomagnetic daily amplitude on February 26，2021

2.2 臺站觀測環(huán)境及觀測系統(tǒng)分析

地磁場畸變異常與其它前兆異常有明顯的區(qū)別，磁場畸變具有持續(xù)時間短、分布范圍廣的特點使得單臺異?？煽啃缘呐卸y度較高。但是，一定區(qū)域內(nèi)多個臺站同時段磁場畸變只需要考慮空間電磁環(huán)境、高壓直流等區(qū)域干擾。因此，異常核實分為兩個方向：第一，場地觀測系統(tǒng)我們只需要分析逐日比最高的鐵嶺臺；第二，空間電磁環(huán)境和高壓直流輸電的干擾范圍只分析遼寧及鄰區(qū)。

2.2.1 臺站地質(zhì)概況

鐵嶺臺位于陰山東西構(gòu)造帶的東端，鐵嶺—靖宇隆起與開原—營口大斷裂的交接部位東側(cè)。臺址附近巖性單一，缺少其它時代的沉積巖層和較大巖漿體出露。區(qū)域內(nèi)較大規(guī)模斷裂為NE 向鐵嶺—開原斷裂，為郯廬斷裂北延帶的組成部分。歷史上沿斷裂在鐵嶺和開原地區(qū)發(fā)生過多次5 級左右地震，是控制區(qū)域內(nèi)中強地震的主要地震構(gòu)造。距臺0.5km 處有一八寶嶺溝斷裂，斷裂走向310°，傾角50°。臺址區(qū)域除基巖為變質(zhì)花崗巖略有磁性外無其他磁性物質(zhì)，磁場梯度為1～10nT/m。

2.2.2 儀器運行狀態(tài)

鐵嶺臺采用FHD 質(zhì)子矢量磁力儀進行地磁觀測，產(chǎn)出F、H、D 三分量分鐘值數(shù)據(jù)。儀器分辨力為 0.1nT，觀測精度 F ≤0.3nT，H ≤0.6nT，D≤0.1′。異常期間儀器工作參數(shù)正常，數(shù)采工作穩(wěn)定，數(shù)字面板顯示正常，無故障。對儀器系統(tǒng)中線圈部分進行了檢查，各數(shù)據(jù)線接觸點穩(wěn)固良好，沒有虛接或松動；數(shù)據(jù)線走向和布局情況正常，儀器北南向和東西向水泡居中，水平狀態(tài)正常。供電系統(tǒng)中交流供電、直流供電無故障。分析認為可以排除為儀器觀測系統(tǒng)故障等情況。

2.2.3 儀器頻響曲線或放大倍數(shù)調(diào)查

根據(jù)國家地磁臺網(wǎng)中心要求，將每月標定改為季度標定，并簡化了標定程序，如果年底進行方位角調(diào)整，則需要進行一次完整標定。2020 年按照季度進行了五次標定，結(jié)果均符合要求，詳情見表2。

表2 鐵嶺地震臺地磁FHD-2 標定統(tǒng)計表（2020 年）

2.2.4 附近基建等環(huán)境狀態(tài)

環(huán)境調(diào)查主要針對臺站附近基建等環(huán)境改變情況，經(jīng)調(diào)查臺站附近無新修建的大型機械工廠、變電站、鐵塔、民用和工業(yè)用電設(shè)施、電氣化鐵路等影響因素。由于處于冬季，臺站周邊無大型建筑施工，無大型車輛出入等。線圈所在地磁房內(nèi)環(huán)境良好，未發(fā)生破壞現(xiàn)象，觀測墩無塌傾、破裂現(xiàn)象，觀測儀器無異動現(xiàn)象，磁房外環(huán)境無變化。圖3 是鐵嶺臺后邊冬季至春季觀測環(huán)境對比圖，由圖可以看出，臺站周邊環(huán)境無明顯變化。

圖3 鐵嶺臺周邊觀測環(huán)境航拍圖Fig.3 Aerial chart of observation environment around Tieling Seismic Station

2.2.5 直流輸電干擾調(diào)查及異常期間磁暴調(diào)查

鐵嶺臺自2011 年以來受到呼倫貝爾—遼陽高壓直流輸電線路干擾影響。通過查詢國家地磁臺網(wǎng)中心網(wǎng)站（http://10.2.201.72:8080/hvdc）中高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)，2018 年7 月至今，鐵嶺臺未受到呼倫貝爾—遼陽高壓直流輸電線路干擾影響，確認在地磁數(shù)據(jù)異常期間鐵嶺臺無高壓直流輸電干擾。根據(jù)磁暴信息網(wǎng)址（http://wdc.kugi.kyoto -u.ac.jp/dstdir/index.htm）l查詢2021 年2 月26 日前后磁暴指數(shù)Dst 可知，2 月 25 日磁暴指數(shù) Dst=-46nT，2 月 26 日磁暴指數(shù)Dst=-33nT，Kp＜5。因此，異常日屬于磁靜日。

3 歷史數(shù)據(jù)分析

逐日比高值本質(zhì)是變化磁場幅度畸變異常，磁暴干擾或者地震前兆信息能夠引起同一時段多個臺站逐日比異常。因此，逐日比前兆異常成立條件可以設(shè)定為：① 逐日比超過研究區(qū)的閾值；② 異常日為磁靜日；③ 異常臺站超過2 個。按照上述異常成立約束條件基本可以有效的排除磁暴、人為活動等區(qū)域干擾。為了研究逐日比異常與地震時空特征的關(guān)系，我們統(tǒng)計了異常后6 個月內(nèi)東北地區(qū)5 級地震（表3），統(tǒng)計結(jié)果顯示2008 年以來東北地區(qū)共出現(xiàn)11 次異常，其中6 次異常對應(yīng)了7 次地震。

表3 2008 年以來東北地區(qū)地磁逐日比超閾值（3.0） 及6 個月內(nèi)發(fā)生5 級以上地震統(tǒng)計表

我們利用克里金插值的原理模擬了研究區(qū)異常日的逐日比空間分布，對應(yīng)地震震中的空間位置。圖4 可以看出2008 年3 月1 日異常臺站主要集中在環(huán)渤海地區(qū)，異常后79 天和101天發(fā)生了 2008 年 5 月 19 日琿春 M6.2 地震和2008 年6 月10 日阿榮旗M5.2 地震，兩次地震距離異常區(qū)超過了300km。圖5 是2008 年4 月7 日異常，異常區(qū)集中于阿榮旗M5.2 地震震中的東南區(qū)域，2 次地震位于異常區(qū)內(nèi)部。圖6是2009 年1 月18 日環(huán)渤海及遼蒙地區(qū)異常，90 天內(nèi)發(fā)生了琿春M5.3 深震，震中遠離異常區(qū)。圖7 是2013 年10 月3 日遼南及河北東北部異常區(qū)，21 天和51 天分別發(fā)生了琿春M5.3和松原M5.8 震群。圖8 和圖9 分別是2015 年12 月 23 日和 2018 年 2 月 20 日異常區(qū)及對應(yīng)地震。

圖4 2008 年3 月1 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.4 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on March 1，2008

圖5 2008 年4 月7 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.5 Interpolation map of daily geomagnetism ratio in Northeast China on April 7，2008

圖6 2009 年1 月18 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.6 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on January 18，2009

圖7 2013 年10 月3 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.7 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on October 3，2013

圖8 2015 年12 月23 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.8 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on December 23，2015

圖9 2018 年2 月20 日東北地區(qū)地磁逐日比值插值圖Fig.9 Daily ratio interpolation map of geomagnetism in Northeast China on February 20, 2018

從異常區(qū)域與震中的空間位置可以看出，6次異常中 2008 年 3 月 1 日、2009 年 1 月 18 日、2013 年10 月3 日3 次異常與斷裂帶分布聯(lián)系不明顯，有待去討論和研究。2008 年4 月7 日和2015 年12 月23 日對應(yīng)3 次地震震中位于異常區(qū)，2018 年2 月20 日異常臺站位于郯廬斷裂帶北端，是2018 年5 月28 日松原M5.7 地震震前異常的可能性較高。

4 結(jié)論與討論

太陽活動、電離層、地球內(nèi)部介質(zhì)電磁性質(zhì)變化等綜合作用，使得我們能夠觀測到變化磁場的幅度畸變異常。逐日比方法能夠量化磁場幅度畸變量，結(jié)合異常后期發(fā)生的地震三要素可以歸納出異常與地震的時空關(guān)系。

本文通過對鐵嶺臺觀測系統(tǒng)、周邊環(huán)境變化的調(diào)查和分析認為：2021 年2 月26 日鐵嶺、通化、三崗逐日比高值異常屬于地震前兆異常的可能性較高，結(jié)合東北地區(qū)已有觀測數(shù)據(jù)的逐日比結(jié)果和對應(yīng)5 級地震的時空關(guān)系可以推測出此次異常與2018 年2 月20 日逐日比高值異常類似，可能預(yù)示著異常日后中短期內(nèi)郯廬斷裂帶北端相關(guān)區(qū)域地震活動有增強的趨勢。