倪曉寅，洪旭瑜

(福建省地震局，福州 350003）

0 引言

2016 年，中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司決定開展新一輪地震預(yù)測(cè)指標(biāo)體系清理和建設(shè)工作。2017 年開始，由福建省地震局預(yù)報(bào)中心牽頭，集中福建、江西、廣東、海南、廣西和湖南六省區(qū)分析預(yù)報(bào)骨干人員，開展了華南地區(qū)地震預(yù)測(cè)指標(biāo)體系清理和建設(shè)工作。2017 年10 月，華南地區(qū)各學(xué)科預(yù)測(cè)指標(biāo)清理建設(shè)工作基本完成并投入應(yīng)用，同時(shí)開始編寫《華南地區(qū)地震預(yù)測(cè)指標(biāo)體系》一書[1]，書中依據(jù)華南地區(qū)2008—2016 年的異常和震例，介紹了包括地磁低點(diǎn)位移法、地磁加卸載響應(yīng)比法、地磁逐日比法和地磁測(cè)深視電阻率法等地磁預(yù)測(cè)方法，目前該書已經(jīng)編寫完成并出版。

2017 年華南地區(qū)電磁學(xué)科預(yù)測(cè)指標(biāo)建立并應(yīng)用于震情跟蹤之后，華南地區(qū)陸續(xù)發(fā)生了多次中強(qiáng)以上地震，特別是2018 年11 月24 日臺(tái)灣海峽6.4級(jí)的發(fā)生，標(biāo)志著東南沿海地震帶進(jìn)入了新一輪5級(jí)以上地震活躍幕，之后華南地區(qū)相繼發(fā)生了2019 年 10 月 12 日廣西北流 5.2 級(jí)和廣西靖西 5.2 級(jí)地震。

本文將在《華南地區(qū)地震預(yù)測(cè)指標(biāo)體系》[1]和《地震電磁分析預(yù)測(cè)技術(shù)方法工作手冊(cè)》[2]總結(jié)的地磁方法預(yù)測(cè)指標(biāo)基礎(chǔ)上，梳理和分析2018 年以來華南地區(qū)5 級(jí)以上地震前的地磁異常，并對(duì)華南地區(qū)地磁預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行討論和完善。

1 資料和地震

研究的地震為2018—2021 年華南地區(qū)（16°～30°N，104°～121°E）的5級(jí)以上地震（表1，圖1）。

表1 華南地區(qū)2018—2021年5級(jí)以上地震Table 1 Earthquakes with M≥5 in south China from 2018 to 2021

采用資料：本文使用的數(shù)據(jù)為中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)全國(guó)157 個(gè)地磁臺(tái)站產(chǎn)出的地磁三分量分鐘采樣數(shù)據(jù)（圖1），這些觀測(cè)資料分別來自于FHD 質(zhì)子矢量磁力儀和磁通門磁力儀。

圖1 地磁臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of geomagnetic stations

2 方法介紹

此處給出華南地區(qū)4 種地磁預(yù)測(cè)方法的定義、異常判據(jù)和預(yù)測(cè)規(guī)則。

2.1 地磁低點(diǎn)位移法

地磁低點(diǎn)位移法采用的分析資料是地磁垂直分量日變化極小值時(shí)間，簡(jiǎn)稱低點(diǎn)時(shí)間?！暗忘c(diǎn)位移”是指一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間明顯與另一個(gè)大區(qū)域各臺(tái)的低點(diǎn)時(shí)間不同，而每個(gè)大區(qū)域內(nèi)部低點(diǎn)時(shí)間又相對(duì)一致，兩個(gè)區(qū)域之間突變分界線的低點(diǎn)時(shí)間相差2 h以上[3]。

其預(yù)測(cè)規(guī)則為①發(fā)震時(shí)間：異常出現(xiàn)后60 d內(nèi)；②發(fā)震地點(diǎn)：異常預(yù)測(cè)線附近300 km 范圍；③發(fā)震強(qiáng)度：5.0級(jí)以上地震。

2.2 地磁加卸載響應(yīng)比法

地磁加卸載響應(yīng)比：

式（1）中，R（zmax）為地磁垂直分量日變幅極大值，稱為加載響應(yīng)，日期為加載日；R（zmin）為地磁垂直分量日變幅極大值之后第一個(gè)極小值，稱為卸載響應(yīng)，日期為卸載日，卸載日視為加卸載響應(yīng)比異常日期。該方法的異常判據(jù)是，當(dāng)3 個(gè)或3 個(gè)以上臺(tái)站的加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)同步超閾值（3.0），異常面積大于15×104km2，且加載日Dst指數(shù)大于-30 nT。

預(yù)測(cè)規(guī)則為①發(fā)震時(shí)間：異常出現(xiàn)后9 個(gè)月內(nèi)；②發(fā)震地點(diǎn)：閾值線兩側(cè)尤其是高曲率段兩側(cè)300 km 內(nèi)（即預(yù)測(cè)區(qū)為外突尖或內(nèi)凹最深點(diǎn)為圓心半徑300 km 的圓）；同一天兩個(gè)相距不超過400 km的異常區(qū)之間（預(yù)測(cè)區(qū)為兩個(gè)異常區(qū)之間中心點(diǎn)為圓心的橢圓，橢圓短軸300 km，長(zhǎng)軸450 km）；③發(fā)震強(qiáng)度：5.0級(jí)以上，異常面積越大，震級(jí)越大。

2.3 地磁逐日比法

地磁逐日比：

式（2）、（3）中，RZ為地磁垂直分量日變化幅度，t為觀測(cè)日期。異常日期以t2日期為準(zhǔn)，即分母數(shù)據(jù)的日期為異常日期。

異常判據(jù)：2 個(gè)或2 個(gè)以上的相鄰臺(tái)站逐日比出現(xiàn)同步超閾值（南北帶3.0，東北2.9，華北2.9，華南2.8），異常前一天Dst 指數(shù)大于-70 nT，且異常面積大于11×104km2時(shí)作為異常。

預(yù)測(cè)規(guī)則同地磁加卸載響應(yīng)比。

2.4 地磁測(cè)深視電阻率法

地磁測(cè)深視電阻率（舊稱地磁諧波振幅比）YZHx和YZHy的定義為[4]

式（4）中，Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)分別為地磁垂直分量、水平分量北向和水平分量東向的頻譜值。對(duì)于隨時(shí)間周期變化的不均勻場(chǎng)源，在地球介質(zhì)為均勻各向同性平面導(dǎo)體的條件下，其滿足

式（5）中，μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；ω為圓周率；k為變化磁場(chǎng)的波數(shù)，此處為常量；YZHx和YZHy稱為地磁測(cè)深視電阻率的南北向和東西向，其與介質(zhì)的電阻率呈正比，即當(dāng)?shù)厍蚪橘|(zhì)電阻率下降時(shí)，YZHx和YZHy也隨之下降。

地磁測(cè)深視電阻率的計(jì)算結(jié)果為10～60 min 6個(gè)周期（10 min 間隔）2 個(gè)方向共12 條時(shí)序曲線，其異常形態(tài)一般表現(xiàn)為同一周期的2 個(gè)方向趨勢(shì)變化不同步，因此可通過計(jì)算同一個(gè)周期2 個(gè)方向的速率累加曲線（一個(gè)周期一條曲線）來輔助判斷是否出現(xiàn)異常，速率累加曲線的概念和計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[2]，本文不再贅述，其異常判據(jù)為：速率累加曲線持續(xù)上升為正常，持續(xù)下降和水平波動(dòng)為異常，異常持續(xù)時(shí)間大于1 年，6 條曲線（周期）至少2 條曲線出現(xiàn)異常為異常成立。

地磁測(cè)深視電阻率的預(yù)測(cè)規(guī)則為：①發(fā)震時(shí)間：速率累加異常確認(rèn)后2 年內(nèi)發(fā)震；②發(fā)震地點(diǎn)與發(fā)震強(qiáng)度震級(jí)與震中距存在線性關(guān)系，4～5 級(jí)250 km 以內(nèi)、5～6 級(jí) 300 km 以內(nèi)、6 級(jí)以上 400 km以內(nèi)。

3 震前異常

表1 列出的4 個(gè)地震前，共有3 種方法在震前出現(xiàn)了異常，這3 種方法分別是地磁低點(diǎn)位移法、地磁加卸載響應(yīng)比法和地磁測(cè)深視電阻率，以下將對(duì)出現(xiàn)的異常進(jìn)行列舉說明。

3.1 臺(tái)灣海峽6.2級(jí)地震

震前出現(xiàn)一項(xiàng)地磁異常，為漳州臺(tái)地磁測(cè)深視電阻率異常（圖2，計(jì)算使用FHD-2B分鐘值數(shù)據(jù)）。異常表現(xiàn)為10、20 和30 min 周期的地磁測(cè)深視電阻率南北向和東西向趨勢(shì)變化不同步，10、20 和30 min周期的速率累加曲線2016年1月開始出現(xiàn)趨勢(shì)下降和水平波動(dòng)，持續(xù)至震后的2018 年12 月結(jié)束。該異常為震前提出，震前分析認(rèn)為此次異常對(duì)應(yīng)漳州臺(tái)200 km 范圍內(nèi)的5.0 級(jí)左右地震或臺(tái)灣西帶的6.0 級(jí)以上地震，考慮到距離漳州臺(tái)最近的西北方向龍巖臺(tái)未出現(xiàn)異常，地震發(fā)生在漳州臺(tái)東南側(cè)海域（圖2 紅色月牙型區(qū)域，以漳州臺(tái)200 km 范圍內(nèi)的圓形區(qū)域去掉以龍巖臺(tái)為圓心200 km 直徑的區(qū)域。）或臺(tái)灣西帶的可能性更大，后續(xù)地震發(fā)生在預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)，距離臺(tái)站159 km。

圖2 漳州臺(tái)地磁測(cè)深視電阻率和速率累加曲線（2014—2019年）Fig.2 Curve of apparent resistivity of geomagnetic sounding and it's rate accumulation at Zhangzhou Station from 2014 to 2019

3.2 廣西北流5.2級(jí)地震

震前于2018 年12 月4 日出現(xiàn)了一次地磁加卸載響應(yīng)比異常，異常區(qū)域位于廣西及其周邊地區(qū)，異常閾值等值線（3.0）在北部灣出現(xiàn)了顯著的內(nèi)凹，按照該方法預(yù)測(cè)規(guī)則將內(nèi)凹中心點(diǎn)為圓心半徑300 km 的區(qū)域作為預(yù)測(cè)區(qū)域，在預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)相繼發(fā)生了三亞4.0 級(jí)和北流5.2 級(jí)地震。北流5.2 級(jí)地震發(fā)生的時(shí)間略超出了2018 年12 月4 日地磁加卸載響應(yīng)比的異常有效期（預(yù)測(cè)時(shí)間截止2019 年9 月4 日），但考慮到地震發(fā)生的位置位于預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)且華南地區(qū)屬于少震弱震區(qū)，所以仍然認(rèn)為該異常對(duì)應(yīng)了北流5.2級(jí)地震。

圖3 漳州臺(tái)地磁測(cè)深視電阻率異常預(yù)測(cè)區(qū)域和預(yù)測(cè)震級(jí)Fig.3 Predicted area and predicted magnitude based on the anomaly of apparent resistivity of geomagnetic sounding at Zhangzhou Station

3.3 廣西靖西5.2級(jí)地震

震前 2 d（2019 年 11 月 23 日）出現(xiàn)了 1 次低點(diǎn)位移異常，異常線經(jīng)過滇西—川滇交界—滇桂交界，在異常線的東端附近發(fā)生了廣西靖西5.2 級(jí)地震。

圖4 2018年12月4日地磁加卸載響應(yīng)比異?？臻g分布和預(yù)測(cè)區(qū)Fig.4 Spatial distribution of the load-unload response ratio anomaly and the predicted area on December 4th，2019

圖5 2019年11月23日地磁低點(diǎn)位移異常Fig.5 Displacement anomaly of geomagnetic low-point on November 23rd，2019

4 分析和討論

地磁場(chǎng)的周期成分非常豐富，各個(gè)周期成分的變化反映了地球內(nèi)部與外空?qǐng)鲋懈鞣N電磁物理變化過程，所以強(qiáng)震的孕育和發(fā)生過程中發(fā)生的地下介質(zhì)電磁性質(zhì)變化和其他伴生電磁現(xiàn)象往往能從地磁場(chǎng)中提取到信號(hào)，地磁預(yù)測(cè)方法就是提取震前地磁場(chǎng)中異常信息的方法。在這些方法中，地磁測(cè)深視電阻率異常反映的是地下介質(zhì)電阻率的各向異性變化，而地磁加卸載響應(yīng)比、逐日比和地磁低點(diǎn)位移屬于地磁日變化異常，異常期間的日變化形態(tài)均存在不同程度的地磁垂直分量“反相位”現(xiàn)象，反相位的分界線往往與地磁低點(diǎn)位移線、加卸載響應(yīng)比和逐日比的閾值線走向相關(guān)，理論上這些異?，F(xiàn)象都是由異常線附近孕震過程中出現(xiàn)的地下短時(shí)感應(yīng)電流引起的[2]，因此此類地磁日變化異常的異常線往往與地殼和上地幔中的高導(dǎo)帶走向一致[5]。

在總結(jié)預(yù)測(cè)指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用過程中我們發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)在半年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)地磁加卸載響應(yīng)比和逐日比異常頻次增高現(xiàn)象時(shí)，后續(xù)地震活動(dòng)水平會(huì)顯著上升。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008—2020 年華南地區(qū)共出現(xiàn)了9 次地磁加卸載響應(yīng)比和8 次逐日比異常，平均 3 年出現(xiàn) 4 次異常。但 2012 年 8 月至 2013 年 2 月半年時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)了4 次地磁加卸載響應(yīng)比、逐日比異常，對(duì)應(yīng)了2012年8月—2013年9月華南地區(qū)的 4 次 4.0 級(jí)以上地震；2018 年 12 月至 2019 年 2月共出現(xiàn)了5 次地磁加卸載響應(yīng)比、逐日比異常，2019 年華南地區(qū)發(fā)生了3 次4.5 級(jí)以上地震。而在這兩個(gè)時(shí)段前，華南地區(qū)還分別出現(xiàn)了2 次地磁測(cè)深視電阻率和1 次地磁測(cè)深視電阻率異常。上述現(xiàn)象說明，在地震孕育過程中，孕震區(qū)及其周邊地下介質(zhì)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異性其電性首先出現(xiàn)了各向異性變化，這種各向異性變化反映在地磁測(cè)深視電阻率上就表現(xiàn)為同一周期不同方向的趨勢(shì)變化不同步。而整個(gè)地震孕育過程的區(qū)域差異性運(yùn)動(dòng)，使得地下物質(zhì)（包括地下流體和熱物質(zhì)）不斷地發(fā)生運(yùn)移和性質(zhì)改變，孕震區(qū)流體或熱物質(zhì)的侵入使得高導(dǎo)層（帶）的分布不斷發(fā)生變化，當(dāng)有短時(shí)感應(yīng)電流在高導(dǎo)層（帶）通過時(shí)，電流的感應(yīng)磁場(chǎng)疊加在地磁場(chǎng)信號(hào)中被地表臺(tái)站記錄，從而在地表臺(tái)站出現(xiàn)各類地磁日變化異常。

華南地區(qū)地磁預(yù)測(cè)指標(biāo)體系自建立并開始應(yīng)用以來，共出現(xiàn)地磁加卸載響應(yīng)比1 次、地磁逐日比異常5 次、地磁低點(diǎn)位移異常5 次以及地磁測(cè)深視電阻率2 次，虛報(bào)率分別為0、40%、80%和50%，漏報(bào)率分別為67%、100%、67%和67%（表2）。其中地磁逐日比報(bào)對(duì)的2 次異常為跨區(qū)域異常，對(duì)應(yīng)的地震并不位于華南地區(qū)，因此漏報(bào)率為100%。

表2 華南地區(qū)地磁預(yù)測(cè)方法應(yīng)用情況（2018—2021年）Table 2 Application statistics of geomagnetic prediction methods in South China from 2018 to 2021

從全國(guó)范圍內(nèi)地磁預(yù)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用上看，大量的震例表明強(qiáng)震前地磁異常對(duì)發(fā)震地點(diǎn)的指示意義較好，在西部6 級(jí)以上和中國(guó)大陸東部5 級(jí)以上地震前往往會(huì)出現(xiàn)多次地磁異常[6-9]，可通過綜合分析這些異常分布及其預(yù)測(cè)區(qū)的方式對(duì)未來的發(fā)震震中進(jìn)行判定。但受地理位置影響，華南地區(qū)大部分中強(qiáng)以上地震發(fā)生在沿海地區(qū)及其海域，震中多位于地磁臺(tái)網(wǎng)邊界或者網(wǎng)外區(qū)域，因此不利于震前的異常提取。2018 年以來華南地區(qū)發(fā)生的3 次5 級(jí)以上地震在震前均只提取到一項(xiàng)地磁異常，和這3次地震發(fā)生在地磁臺(tái)網(wǎng)邊界附近或臺(tái)網(wǎng)外存在一定的關(guān)系。

5 結(jié)論

2018—2021 年華南地區(qū)發(fā)生了3 次5 級(jí)地震，3 次地震前均在震前提出了地磁異常，這證明了我們建立的地磁預(yù)測(cè)方法和預(yù)測(cè)指標(biāo)得到了實(shí)際的檢驗(yàn)。但這些指標(biāo)仍然存在很大缺陷，也并不是固定不變的，未來隨著震情的發(fā)展和研究的深入會(huì)不斷對(duì)這些預(yù)測(cè)方法及其預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)和完善。華南地區(qū)屬于少震弱震區(qū)，地磁臺(tái)站分布相對(duì)比較稀疏，又位于中國(guó)大陸邊界，中強(qiáng)以上地震多發(fā)生在海域，不利于震前地磁異常的提取。未來應(yīng)深入開展地震地磁物理機(jī)制的研究，進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)震地點(diǎn)判定的精確度，同時(shí)在應(yīng)用過程中可以放寬預(yù)測(cè)指標(biāo)的時(shí)間和震級(jí)，適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)間和降低預(yù)測(cè)震級(jí)。

致謝：文中用到的地磁數(shù)據(jù)來自于中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心姚麗提供了低點(diǎn)位移數(shù)據(jù)和震例，江蘇省地震局李鴻宇提供了磁測(cè)深視電阻率計(jì)算繪圖程序，在此一并表示感謝！