基于日變化相關(guān)的地磁低點(diǎn)位移異?？煽啃苑治龇椒?/h1>
2022-01-28 09:15:20黃頌李軍輝姚麗姜楚峰
中國地震 2021年4期
黃頌 李軍輝 姚麗 姜楚峰
1)中國地震局地震研究所，武漢 430071
2)湖北省地震局，武漢 430071
3)安徽省地震局，合肥 230000
4)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045
0 引言
地磁低點(diǎn)位移法(丁鑒海等，1994、2009； 陳紹明，1987)是1966年邢臺地震后提出的地震短臨階段的預(yù)測方法。該方法通過分析一個自然日內(nèi)地磁場垂直分量在不同空間位置上最小值出現(xiàn)的時(shí)間，對未來數(shù)十天內(nèi)地震的發(fā)生提供預(yù)測意見(丁鑒海等，2004、2008、2009； 賈昕曄等，2018； 郭增建等，2018； 陳紹明等，1997)。前人對低點(diǎn)位移進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，成功預(yù)報(bào)了部分地震，對低點(diǎn)位移的成因及預(yù)報(bào)機(jī)理也有了一定的認(rèn)識(丁鑒海等，1994； 徐文耀，1985； 李軍輝等，2013)，認(rèn)為引起低點(diǎn)位移的磁場周期為1～3h，穿透深度為幾十至400km； 震前低點(diǎn)位移的出現(xiàn)源于地下介質(zhì)性質(zhì)的改變引起地下電流的重新分布，電流集中在低點(diǎn)位移線下方，對地震可能有觸發(fā)作用(馮志生等，2009)。
地磁低點(diǎn)位移法屬于地磁場日變化預(yù)測方法，這類方法的特點(diǎn)是基本均使用地磁場Z分量，因?yàn)閆分量的變化更多反映的是地下介質(zhì)物理性質(zhì)的變化，而地磁場F與H分量受外空影響較大。在日常的觀測中，地磁場Z分量容易受到高壓直流輸電等干擾因素影響，需要在預(yù)處理中將其去除。但由于低點(diǎn)位移異常大部分情況下是發(fā)生在全國范圍內(nèi)的，部分地區(qū)的Z分量受干擾不會造成虛假的低點(diǎn)位移異常，在本文所分析的162次低點(diǎn)位移異常中，也未出現(xiàn)因Z分量受干擾而造成的虛假異常。
在我國，地磁場垂直分量正常的日變化遵循一定的時(shí)空特征(李軍輝等，2012)，其形態(tài)類似“V”型，“V”的最低點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間稱為“低點(diǎn)時(shí)間”，低點(diǎn)時(shí)間通常為當(dāng)?shù)貢r(shí)間12點(diǎn)前后，在空間上隨經(jīng)度緩慢變化(馬亮，2019)。低點(diǎn)位移出現(xiàn)時(shí)，正常的“V”型日變化曲線中間出現(xiàn)反相位的倒“V”，日變化曲線變?yōu)椤癢”型，異常區(qū)極小值時(shí)間出現(xiàn)整體性偏移，由“V”型底部移至“W”型的左底或右底，也稱“雙低點(diǎn)”(郭明瑞等，2018)?！癢”型區(qū)與“V”型區(qū)的極小時(shí)間在空間上形成明顯分界線，該分界線稱為“低點(diǎn)位移線”。若低點(diǎn)位移線兩側(cè)極小值時(shí)間相差2h以上，其后約2個月內(nèi)分界線附近常常發(fā)生地震。統(tǒng)計(jì)表明地磁低點(diǎn)位移法有一定的預(yù)測能力，但其不足之處是虛報(bào)率較高，這可能是因?yàn)榈忘c(diǎn)位移法只反映了異常的部分特征，即低點(diǎn)位移分界線兩側(cè)低點(diǎn)時(shí)間差一般僅反映了正午前后地磁場反相位畸變異常的持續(xù)時(shí)間，無法反映一個自然日內(nèi)地磁場反相位畸變程度的整體特征。
兩個經(jīng)度相差不大臺站的地磁場垂直分量正常的“V”型日變化是基本同步的，其日變化曲線具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)接近1。如果兩個臺站地磁場垂直分量存在反相位變化，則兩臺的相關(guān)系數(shù)會降低，在一個日變化內(nèi)，反相位持續(xù)時(shí)間越長、幅度越大，相關(guān)系數(shù)就越低。因此，低點(diǎn)位移線兩側(cè)臺站的相關(guān)系數(shù)可以反映一個自然日內(nèi)地磁場出現(xiàn)反相位畸變程度的整體特征，這也是能將地磁日變化相關(guān)法與低點(diǎn)位移法相結(jié)合的基礎(chǔ)，其可以彌補(bǔ)地磁低點(diǎn)位移異常僅能反映地磁場畸變異常在正午前后的持續(xù)時(shí)間的不足。本文嘗試?yán)玫忘c(diǎn)位移線兩側(cè)臺站日變化相關(guān)系數(shù)，定量描述一個日變化中異常的整體特征，剔除掉畸變程度較小的異常，以達(dá)到減小異常虛報(bào)率、提高低點(diǎn)位移異常的可靠性的目的，對今后提高地磁低點(diǎn)位移方法預(yù)報(bào)效能有一定意義。
1 方法原理
1.1 基本原理
地磁低點(diǎn)位移異常的典型特征是正常“V”型地磁垂直分量日變化曲線(圖1(b))受到反相位畸變影響(圖1(c))變?yōu)椤癢”型，“W”型中間的倒“V”與正常的“V”型互為反相位，低點(diǎn)時(shí)間由標(biāo)記點(diǎn)M左移至L或右移至R(圖1(d))，由畢奧-薩伐爾定律可知，低點(diǎn)位移線兩側(cè)地磁垂直分量出現(xiàn)反相位畸變是因?yàn)榈忘c(diǎn)位移線下方存在電流分布(圖1(a))(馮志生等，2009)，畸變持續(xù)時(shí)間反映的是正午前后電流的持續(xù)時(shí)間(圖1(e))。
圖1 地磁低點(diǎn)位移機(jī)理定性解釋示意圖
日變化空間相關(guān)法(馮志生等，2005)的基本原理是計(jì)算兩個臺站地磁垂直分量日變化的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)與兩臺間日變化曲線的一致性呈正相關(guān)，與反相位畸變的幅度、持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)越接近1，說明兩臺曲線變化基本一致，無明顯反相位畸變； 當(dāng)反相位畸變出現(xiàn)時(shí)，畸變幅度越大、持續(xù)時(shí)間越長，相關(guān)系數(shù)就越小。相關(guān)系數(shù)的這一特性為我們提供了一種定量計(jì)算低點(diǎn)位移異?；兎扰c持續(xù)時(shí)間的途徑，為評估低點(diǎn)位移異常的可靠性提供了依據(jù)。
地球自西向東旋轉(zhuǎn)，因此自東向西經(jīng)度每相差15°，地磁場的變化會延遲1h。由于該延遲的存在，即使地磁場Z分量變化基本相同的兩個臺站，也會因?yàn)榈乩砦恢蒙系慕?jīng)度差造成相關(guān)系數(shù)下降，對數(shù)據(jù)按經(jīng)度做時(shí)差校正可避免該問題。但本文方法并未進(jìn)行時(shí)差校正，原因?yàn)椋孩俦疚谋M量選擇經(jīng)度差較小的臺站進(jìn)行計(jì)算，從而將時(shí)差減到最?。?②地磁場Z分量的反相位畸變是沒有時(shí)差的，在全國范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，因此對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)差校正反而會破壞反相位畸變信息。
1.2 數(shù)據(jù)處理方法
將全國地磁臺觀測到的地磁垂直分量北京時(shí)的低點(diǎn)時(shí)間標(biāo)注在中國地圖上，如果存在兩個或兩個以上區(qū)域滿足如下條件，那么認(rèn)為當(dāng)日出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常：①各區(qū)域內(nèi)低點(diǎn)時(shí)間基本一致； ②各區(qū)域之間低點(diǎn)時(shí)間存在2h以上差距，形成明顯的低點(diǎn)時(shí)間分界線(分界線也被稱為“低點(diǎn)位移線”)。
確定低點(diǎn)位移線的空間位置后，選取低點(diǎn)位移線兩側(cè)多組“臺站對”，“臺站對”的2個臺站應(yīng)跨越位移線，一般情況下間距為200～1000km，經(jīng)度差在5°以內(nèi)。
對所選臺站異常日的地磁日變化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，避免錯誤或缺失的觀測數(shù)據(jù)對最終計(jì)算結(jié)果造成影響，參加計(jì)算的臺站數(shù)據(jù)應(yīng)為無缺數(shù)或缺數(shù)小于4h的觀測數(shù)據(jù)，在計(jì)算前對其進(jìn)行去臺階、線性插值及48階富氏擬合處理，以減少儀器本身對觀測數(shù)據(jù)的影響。計(jì)算時(shí)使用儀器記錄的分鐘值數(shù)據(jù)，全天24h共1440個分鐘值，對于采樣率高于每分鐘一次的磁力儀，需先計(jì)算出其分鐘值數(shù)據(jù)。
按上述公式分別計(jì)算各“臺站對”的相關(guān)系數(shù)，再對所有“臺站對”相關(guān)系數(shù)求均值，記為Ra(圖2)。
圖2 相關(guān)系數(shù)均值Ra計(jì)算示意圖
在本文研究的162次低點(diǎn)位移異常中，大部分異常線穿越整個中國大陸，最長可超過5000km，最短也有數(shù)百千米。若只關(guān)注低點(diǎn)位移線兩側(cè)的某一組“臺站對”，則無法反映整條低點(diǎn)位移線兩側(cè)反相位的整體特征，即使出現(xiàn)某“臺站對”為負(fù)相關(guān)的情況，也不代表整條異常線兩側(cè)均為負(fù)相關(guān)，因?yàn)榈忘c(diǎn)位移線不同位置兩側(cè)的反相位畸變會因地下介質(zhì)的不同和可能存在的干擾而發(fā)生改變。因此，應(yīng)沿低點(diǎn)位移線兩側(cè)選取多組“臺站對”并計(jì)算平均值，此時(shí)得到的是整條低點(diǎn)位移線兩側(cè)反相位畸變的整體特征，反映的是地下畸變電流的整體特征，同時(shí)也抑制了干擾。本文將相關(guān)系數(shù)均值Ra作為判斷低點(diǎn)位移異?？煽啃缘亩炕笜?biāo)。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
2.1 計(jì)算結(jié)果
本文選取了2008年1月1日—2018年7月31日全國地磁資料用于研究，期間有162個自然日出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常，約占自然日總數(shù)4%。162次異常中有63次對應(yīng)地震(異常出現(xiàn)后2個月內(nèi)，在異常線兩側(cè)300km中國大陸范圍內(nèi)有MS5 以上地震發(fā)生)，異常報(bào)對率為39%，與前人統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致(解用明等，2000)。對162次低點(diǎn)位移異常進(jìn)行日變化空間相關(guān)法計(jì)算，得到每次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra，統(tǒng)計(jì)Ra在各取值區(qū)間內(nèi)的異常報(bào)對率并繪制成圖(圖3)。
圖3 相關(guān)系數(shù)均值Ra與異常報(bào)對率的關(guān)系
從圖3 中可以看出異常報(bào)對率在Ra=0.73處有明顯變化，有15次低點(diǎn)位移異常的Ra在[0.64，0.73]區(qū)間內(nèi)，其中有11次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為73%(有震異常/所有異常)； 有33次異常的Ra在[0.74，0.83]區(qū)間內(nèi)，其中有11次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為33%。
在162次低點(diǎn)位移異常中，有126次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra大于0.73，占異?？倲?shù)的78%，其中僅有43次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為34%； 有36次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra小于等于0.73，占異常總數(shù)的22%，其中有20次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為56%。對于Ra≤0.73和Ra>0.73兩部分異常，前者次數(shù)為后者的29%，前者報(bào)對率為后者165%。
異常報(bào)對率在Ra=0.53處也存在變化，有4次異常的Ra在[0.44，0.53]區(qū)間內(nèi)，其中僅有1次對應(yīng)地震； 有7次異常的Ra在[0.54，0.63]區(qū)間內(nèi)，其中有4次對應(yīng)地震。Ra≤0.53的異常僅占異常總次數(shù)的9%，異常報(bào)對率為36%；Ra>0.53的異常僅占異?？偞螖?shù)的91%，異常報(bào)對率為39%。Ra≤0.53和Ra>0.53兩部分異常在報(bào)對率上差距不大，并且前者的異常次數(shù)過少，僅有14次，為后者的1/10，不能反映Ra與異常報(bào)對率的真實(shí)關(guān)系，這可能與震例總數(shù)偏少有關(guān)。
表1 低點(diǎn)位移異常報(bào)對率與異常相關(guān)系數(shù)均值Ra取值關(guān)系
2.2 結(jié)果分析
統(tǒng)計(jì)顯示，在Ra=0.73和Ra=0.53處，異常報(bào)對率出現(xiàn)了明顯的變化。但是將Ra=0.53 作為判定低點(diǎn)位移異?？煽啃缘拈撝凳遣缓线m的，因?yàn)镽a≤0.53和Ra>0.53兩部分異常在報(bào)對率上差距不大，分別為36%和39%，未達(dá)到減小異常虛報(bào)率的目標(biāo)。
本研究中的162次低點(diǎn)位移異常的原始報(bào)對率為39%，若將Ra=0.73作為判定低點(diǎn)位移異常可靠性的閾值，Ra≤0.73和Ra>0.73兩部分異常報(bào)對率分別為56%和34%，呈現(xiàn)出明顯差距，前者的異常報(bào)對率大于原始報(bào)對率，較原始報(bào)對率提高了44%。相關(guān)系數(shù)均值較低的異常更有可能對應(yīng)地震，說明地磁場畸變程度越高，對應(yīng)地震的概率越大，這與地磁低點(diǎn)位移法的內(nèi)在邏輯是一致的。因此，認(rèn)為Ra≤0.73的異常是可靠、合理的。
表2列出了Ra≤0.73的36次可靠異常，其中包含20次異常為有震異常，有震異常中有12次異常對應(yīng)的地震最靠近相關(guān)系數(shù)最小的“臺站對”，這意味著有60%的有震異?？梢曰谙嚓P(guān)系數(shù)最小的“臺站對”指示出未來大致震中。“臺站對”的相關(guān)系數(shù)反映的是兩臺地磁場日變化曲線的反相位畸變程度，地震常發(fā)生在相關(guān)系數(shù)最低的“臺站對”附近，說明地震發(fā)生在反相位畸變程度最大的位置，這與地下畸變電流可能觸發(fā)地震的認(rèn)識是一致的。但還存在一些相關(guān)系數(shù)最低的“臺站對”不在未來震中附近的情況，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)的反相位畸變信息不是地震前兆信息，如“臺站對”受到了干擾等。
表2 可靠異常及對應(yīng)地震信息
3 結(jié)論與討論
2008年1月1日—2018年7月間共出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常162次，其中99次無地震對應(yīng)，虛報(bào)率超過60%，地磁低點(diǎn)位移法過高的虛報(bào)率說明異常的可靠性較低，因此該方法較難得到應(yīng)用。本文沿各條低點(diǎn)位移線選取兩側(cè)符合條件的臺站，計(jì)算得到了各“臺站對”的相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)均值Ra，并分析了Ra與異常報(bào)對率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的關(guān)系，認(rèn)為將Ra≤0.73的異常確認(rèn)為可靠異常是合理的，異常報(bào)對率從原始的39%增至56%，改善了低點(diǎn)位移法的實(shí)用性；Ra>0.73的異常的報(bào)對率降至34%，有利于對無震的預(yù)測。
值得討論的是，Ra在[0，0.33]和[0.44，0.53]區(qū)間內(nèi)的異常報(bào)對率不高，這可能是由于低點(diǎn)位移異常樣本容量有限造成的，上述區(qū)間是各個統(tǒng)計(jì)區(qū)間中樣本數(shù)最小的2個區(qū)間。此外，中國地磁臺站存在分布不均勻的特點(diǎn)，而大陸西部較低的臺站密度帶來的問題是，過大的臺間距不能很好地約束低點(diǎn)位移線走向，從而增加了地磁低點(diǎn)位移法預(yù)測地震震中的難度。
致謝：馮志生研究員在本研究開展和論文撰寫過程中給予了重要的幫助與指導(dǎo)，在此表示感謝。
黃頌 李軍輝 姚麗 姜楚峰
1)中國地震局地震研究所，武漢 430071
2)湖北省地震局，武漢 430071
3)安徽省地震局，合肥 230000
4)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045
0 引言
地磁低點(diǎn)位移法(丁鑒海等，1994、2009； 陳紹明，1987)是1966年邢臺地震后提出的地震短臨階段的預(yù)測方法。該方法通過分析一個自然日內(nèi)地磁場垂直分量在不同空間位置上最小值出現(xiàn)的時(shí)間，對未來數(shù)十天內(nèi)地震的發(fā)生提供預(yù)測意見(丁鑒海等，2004、2008、2009； 賈昕曄等，2018； 郭增建等，2018； 陳紹明等，1997)。前人對低點(diǎn)位移進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，成功預(yù)報(bào)了部分地震，對低點(diǎn)位移的成因及預(yù)報(bào)機(jī)理也有了一定的認(rèn)識(丁鑒海等，1994； 徐文耀，1985； 李軍輝等，2013)，認(rèn)為引起低點(diǎn)位移的磁場周期為1～3h，穿透深度為幾十至400km； 震前低點(diǎn)位移的出現(xiàn)源于地下介質(zhì)性質(zhì)的改變引起地下電流的重新分布，電流集中在低點(diǎn)位移線下方，對地震可能有觸發(fā)作用(馮志生等，2009)。
地磁低點(diǎn)位移法屬于地磁場日變化預(yù)測方法，這類方法的特點(diǎn)是基本均使用地磁場Z分量，因?yàn)閆分量的變化更多反映的是地下介質(zhì)物理性質(zhì)的變化，而地磁場F與H分量受外空影響較大。在日常的觀測中，地磁場Z分量容易受到高壓直流輸電等干擾因素影響，需要在預(yù)處理中將其去除。但由于低點(diǎn)位移異常大部分情況下是發(fā)生在全國范圍內(nèi)的，部分地區(qū)的Z分量受干擾不會造成虛假的低點(diǎn)位移異常，在本文所分析的162次低點(diǎn)位移異常中，也未出現(xiàn)因Z分量受干擾而造成的虛假異常。
在我國，地磁場垂直分量正常的日變化遵循一定的時(shí)空特征(李軍輝等，2012)，其形態(tài)類似“V”型，“V”的最低點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間稱為“低點(diǎn)時(shí)間”，低點(diǎn)時(shí)間通常為當(dāng)?shù)貢r(shí)間12點(diǎn)前后，在空間上隨經(jīng)度緩慢變化(馬亮，2019)。低點(diǎn)位移出現(xiàn)時(shí)，正常的“V”型日變化曲線中間出現(xiàn)反相位的倒“V”，日變化曲線變?yōu)椤癢”型，異常區(qū)極小值時(shí)間出現(xiàn)整體性偏移，由“V”型底部移至“W”型的左底或右底，也稱“雙低點(diǎn)”(郭明瑞等，2018)?！癢”型區(qū)與“V”型區(qū)的極小時(shí)間在空間上形成明顯分界線，該分界線稱為“低點(diǎn)位移線”。若低點(diǎn)位移線兩側(cè)極小值時(shí)間相差2h以上，其后約2個月內(nèi)分界線附近常常發(fā)生地震。統(tǒng)計(jì)表明地磁低點(diǎn)位移法有一定的預(yù)測能力，但其不足之處是虛報(bào)率較高，這可能是因?yàn)榈忘c(diǎn)位移法只反映了異常的部分特征，即低點(diǎn)位移分界線兩側(cè)低點(diǎn)時(shí)間差一般僅反映了正午前后地磁場反相位畸變異常的持續(xù)時(shí)間，無法反映一個自然日內(nèi)地磁場反相位畸變程度的整體特征。
兩個經(jīng)度相差不大臺站的地磁場垂直分量正常的“V”型日變化是基本同步的，其日變化曲線具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)接近1。如果兩個臺站地磁場垂直分量存在反相位變化，則兩臺的相關(guān)系數(shù)會降低，在一個日變化內(nèi)，反相位持續(xù)時(shí)間越長、幅度越大，相關(guān)系數(shù)就越低。因此，低點(diǎn)位移線兩側(cè)臺站的相關(guān)系數(shù)可以反映一個自然日內(nèi)地磁場出現(xiàn)反相位畸變程度的整體特征，這也是能將地磁日變化相關(guān)法與低點(diǎn)位移法相結(jié)合的基礎(chǔ)，其可以彌補(bǔ)地磁低點(diǎn)位移異常僅能反映地磁場畸變異常在正午前后的持續(xù)時(shí)間的不足。本文嘗試?yán)玫忘c(diǎn)位移線兩側(cè)臺站日變化相關(guān)系數(shù)，定量描述一個日變化中異常的整體特征，剔除掉畸變程度較小的異常，以達(dá)到減小異常虛報(bào)率、提高低點(diǎn)位移異常的可靠性的目的，對今后提高地磁低點(diǎn)位移方法預(yù)報(bào)效能有一定意義。
1 方法原理
1.1 基本原理
地磁低點(diǎn)位移異常的典型特征是正常“V”型地磁垂直分量日變化曲線(圖1(b))受到反相位畸變影響(圖1(c))變?yōu)椤癢”型，“W”型中間的倒“V”與正常的“V”型互為反相位，低點(diǎn)時(shí)間由標(biāo)記點(diǎn)M左移至L或右移至R(圖1(d))，由畢奧-薩伐爾定律可知，低點(diǎn)位移線兩側(cè)地磁垂直分量出現(xiàn)反相位畸變是因?yàn)榈忘c(diǎn)位移線下方存在電流分布(圖1(a))(馮志生等，2009)，畸變持續(xù)時(shí)間反映的是正午前后電流的持續(xù)時(shí)間(圖1(e))。
圖1 地磁低點(diǎn)位移機(jī)理定性解釋示意圖
日變化空間相關(guān)法(馮志生等，2005)的基本原理是計(jì)算兩個臺站地磁垂直分量日變化的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)與兩臺間日變化曲線的一致性呈正相關(guān)，與反相位畸變的幅度、持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)越接近1，說明兩臺曲線變化基本一致，無明顯反相位畸變； 當(dāng)反相位畸變出現(xiàn)時(shí)，畸變幅度越大、持續(xù)時(shí)間越長，相關(guān)系數(shù)就越小。相關(guān)系數(shù)的這一特性為我們提供了一種定量計(jì)算低點(diǎn)位移異?；兎扰c持續(xù)時(shí)間的途徑，為評估低點(diǎn)位移異常的可靠性提供了依據(jù)。
地球自西向東旋轉(zhuǎn)，因此自東向西經(jīng)度每相差15°，地磁場的變化會延遲1h。由于該延遲的存在，即使地磁場Z分量變化基本相同的兩個臺站，也會因?yàn)榈乩砦恢蒙系慕?jīng)度差造成相關(guān)系數(shù)下降，對數(shù)據(jù)按經(jīng)度做時(shí)差校正可避免該問題。但本文方法并未進(jìn)行時(shí)差校正，原因?yàn)椋孩俦疚谋M量選擇經(jīng)度差較小的臺站進(jìn)行計(jì)算，從而將時(shí)差減到最?。?②地磁場Z分量的反相位畸變是沒有時(shí)差的，在全國范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，因此對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)差校正反而會破壞反相位畸變信息。
1.2 數(shù)據(jù)處理方法
將全國地磁臺觀測到的地磁垂直分量北京時(shí)的低點(diǎn)時(shí)間標(biāo)注在中國地圖上，如果存在兩個或兩個以上區(qū)域滿足如下條件，那么認(rèn)為當(dāng)日出現(xiàn)了低點(diǎn)位移異常：①各區(qū)域內(nèi)低點(diǎn)時(shí)間基本一致； ②各區(qū)域之間低點(diǎn)時(shí)間存在2h以上差距，形成明顯的低點(diǎn)時(shí)間分界線(分界線也被稱為“低點(diǎn)位移線”)。
確定低點(diǎn)位移線的空間位置后，選取低點(diǎn)位移線兩側(cè)多組“臺站對”，“臺站對”的2個臺站應(yīng)跨越位移線，一般情況下間距為200～1000km，經(jīng)度差在5°以內(nèi)。
對所選臺站異常日的地磁日變化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，避免錯誤或缺失的觀測數(shù)據(jù)對最終計(jì)算結(jié)果造成影響，參加計(jì)算的臺站數(shù)據(jù)應(yīng)為無缺數(shù)或缺數(shù)小于4h的觀測數(shù)據(jù)，在計(jì)算前對其進(jìn)行去臺階、線性插值及48階富氏擬合處理，以減少儀器本身對觀測數(shù)據(jù)的影響。計(jì)算時(shí)使用儀器記錄的分鐘值數(shù)據(jù)，全天24h共1440個分鐘值，對于采樣率高于每分鐘一次的磁力儀，需先計(jì)算出其分鐘值數(shù)據(jù)。
按上述公式分別計(jì)算各“臺站對”的相關(guān)系數(shù)，再對所有“臺站對”相關(guān)系數(shù)求均值，記為Ra(圖2)。
圖2 相關(guān)系數(shù)均值Ra計(jì)算示意圖
在本文研究的162次低點(diǎn)位移異常中，大部分異常線穿越整個中國大陸，最長可超過5000km，最短也有數(shù)百千米。若只關(guān)注低點(diǎn)位移線兩側(cè)的某一組“臺站對”，則無法反映整條低點(diǎn)位移線兩側(cè)反相位的整體特征，即使出現(xiàn)某“臺站對”為負(fù)相關(guān)的情況，也不代表整條異常線兩側(cè)均為負(fù)相關(guān)，因?yàn)榈忘c(diǎn)位移線不同位置兩側(cè)的反相位畸變會因地下介質(zhì)的不同和可能存在的干擾而發(fā)生改變。因此，應(yīng)沿低點(diǎn)位移線兩側(cè)選取多組“臺站對”并計(jì)算平均值，此時(shí)得到的是整條低點(diǎn)位移線兩側(cè)反相位畸變的整體特征，反映的是地下畸變電流的整體特征，同時(shí)也抑制了干擾。本文將相關(guān)系數(shù)均值Ra作為判斷低點(diǎn)位移異?？煽啃缘亩炕笜?biāo)。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
2.1 計(jì)算結(jié)果
本文選取了2008年1月1日—2018年7月31日全國地磁資料用于研究，期間有162個自然日出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常，約占自然日總數(shù)4%。162次異常中有63次對應(yīng)地震(異常出現(xiàn)后2個月內(nèi)，在異常線兩側(cè)300km中國大陸范圍內(nèi)有MS5 以上地震發(fā)生)，異常報(bào)對率為39%，與前人統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致(解用明等，2000)。對162次低點(diǎn)位移異常進(jìn)行日變化空間相關(guān)法計(jì)算，得到每次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra，統(tǒng)計(jì)Ra在各取值區(qū)間內(nèi)的異常報(bào)對率并繪制成圖(圖3)。
圖3 相關(guān)系數(shù)均值Ra與異常報(bào)對率的關(guān)系
從圖3 中可以看出異常報(bào)對率在Ra=0.73處有明顯變化，有15次低點(diǎn)位移異常的Ra在[0.64，0.73]區(qū)間內(nèi)，其中有11次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為73%(有震異常/所有異常)； 有33次異常的Ra在[0.74，0.83]區(qū)間內(nèi)，其中有11次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為33%。
在162次低點(diǎn)位移異常中，有126次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra大于0.73，占異?？倲?shù)的78%，其中僅有43次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為34%； 有36次異常的相關(guān)系數(shù)均值Ra小于等于0.73，占異常總數(shù)的22%，其中有20次對應(yīng)地震，異常報(bào)對率為56%。對于Ra≤0.73和Ra>0.73兩部分異常，前者次數(shù)為后者的29%，前者報(bào)對率為后者165%。
異常報(bào)對率在Ra=0.53處也存在變化，有4次異常的Ra在[0.44，0.53]區(qū)間內(nèi)，其中僅有1次對應(yīng)地震； 有7次異常的Ra在[0.54，0.63]區(qū)間內(nèi)，其中有4次對應(yīng)地震。Ra≤0.53的異常僅占異常總次數(shù)的9%，異常報(bào)對率為36%；Ra>0.53的異常僅占異?？偞螖?shù)的91%，異常報(bào)對率為39%。Ra≤0.53和Ra>0.53兩部分異常在報(bào)對率上差距不大，并且前者的異常次數(shù)過少，僅有14次，為后者的1/10，不能反映Ra與異常報(bào)對率的真實(shí)關(guān)系，這可能與震例總數(shù)偏少有關(guān)。
表1 低點(diǎn)位移異常報(bào)對率與異常相關(guān)系數(shù)均值Ra取值關(guān)系
2.2 結(jié)果分析
統(tǒng)計(jì)顯示，在Ra=0.73和Ra=0.53處，異常報(bào)對率出現(xiàn)了明顯的變化。但是將Ra=0.53 作為判定低點(diǎn)位移異?？煽啃缘拈撝凳遣缓线m的，因?yàn)镽a≤0.53和Ra>0.53兩部分異常在報(bào)對率上差距不大，分別為36%和39%，未達(dá)到減小異常虛報(bào)率的目標(biāo)。
本研究中的162次低點(diǎn)位移異常的原始報(bào)對率為39%，若將Ra=0.73作為判定低點(diǎn)位移異常可靠性的閾值，Ra≤0.73和Ra>0.73兩部分異常報(bào)對率分別為56%和34%，呈現(xiàn)出明顯差距，前者的異常報(bào)對率大于原始報(bào)對率，較原始報(bào)對率提高了44%。相關(guān)系數(shù)均值較低的異常更有可能對應(yīng)地震，說明地磁場畸變程度越高，對應(yīng)地震的概率越大，這與地磁低點(diǎn)位移法的內(nèi)在邏輯是一致的。因此，認(rèn)為Ra≤0.73的異常是可靠、合理的。
表2列出了Ra≤0.73的36次可靠異常，其中包含20次異常為有震異常，有震異常中有12次異常對應(yīng)的地震最靠近相關(guān)系數(shù)最小的“臺站對”，這意味著有60%的有震異?？梢曰谙嚓P(guān)系數(shù)最小的“臺站對”指示出未來大致震中。“臺站對”的相關(guān)系數(shù)反映的是兩臺地磁場日變化曲線的反相位畸變程度，地震常發(fā)生在相關(guān)系數(shù)最低的“臺站對”附近，說明地震發(fā)生在反相位畸變程度最大的位置，這與地下畸變電流可能觸發(fā)地震的認(rèn)識是一致的。但還存在一些相關(guān)系數(shù)最低的“臺站對”不在未來震中附近的情況，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)的反相位畸變信息不是地震前兆信息，如“臺站對”受到了干擾等。
表2 可靠異常及對應(yīng)地震信息
3 結(jié)論與討論
2008年1月1日—2018年7月間共出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常162次，其中99次無地震對應(yīng)，虛報(bào)率超過60%，地磁低點(diǎn)位移法過高的虛報(bào)率說明異常的可靠性較低，因此該方法較難得到應(yīng)用。本文沿各條低點(diǎn)位移線選取兩側(cè)符合條件的臺站，計(jì)算得到了各“臺站對”的相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)均值Ra，并分析了Ra與異常報(bào)對率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的關(guān)系，認(rèn)為將Ra≤0.73的異常確認(rèn)為可靠異常是合理的，異常報(bào)對率從原始的39%增至56%，改善了低點(diǎn)位移法的實(shí)用性；Ra>0.73的異常的報(bào)對率降至34%，有利于對無震的預(yù)測。
值得討論的是，Ra在[0，0.33]和[0.44，0.53]區(qū)間內(nèi)的異常報(bào)對率不高，這可能是由于低點(diǎn)位移異常樣本容量有限造成的，上述區(qū)間是各個統(tǒng)計(jì)區(qū)間中樣本數(shù)最小的2個區(qū)間。此外，中國地磁臺站存在分布不均勻的特點(diǎn)，而大陸西部較低的臺站密度帶來的問題是，過大的臺間距不能很好地約束低點(diǎn)位移線走向，從而增加了地磁低點(diǎn)位移法預(yù)測地震震中的難度。
致謝：馮志生研究員在本研究開展和論文撰寫過程中給予了重要的幫助與指導(dǎo)，在此表示感謝。
