賈立峰 喬子云 張國(guó)苓 丁志華 張建國(guó)

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地磁加卸載響應(yīng)比方法最佳閾值研究1

賈立峰1）喬子云1）張國(guó)苓1）丁志華1）張建國(guó)2）

1）河北省地震局，石家莊 050021?2）河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲 056001

地磁加卸載響應(yīng)比方法（LURR）是從測(cè)震學(xué)中移植過(guò)來(lái)的、用于地震中期分析預(yù)測(cè)的一種地磁學(xué)方法。筆者應(yīng)用紅山地震臺(tái)地磁數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了地磁加卸載響應(yīng)比的計(jì)算分析，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出在閾值選擇為3.0時(shí)對(duì)地震進(jìn)行預(yù)測(cè)的效果比較好，其與地震的對(duì)應(yīng)概率為42%。同時(shí)，筆者還認(rèn)為可能受限于方法本身及外界因素，地磁加卸載響應(yīng)比方法在進(jìn)行地震預(yù)測(cè)時(shí)，其虛報(bào)率及漏報(bào)率較高。

地磁 加卸載響應(yīng)比 閾值 地震預(yù)報(bào)

引言

地磁場(chǎng)是地球固有的地球物理場(chǎng)，能夠深刻反應(yīng)地下物質(zhì)信息的變化（徐文耀，2003；2009），同時(shí)地磁場(chǎng)也是一種用來(lái)研究地震、預(yù)測(cè)地震的前兆手段（丁鑒海等，1994）。地磁加卸載響應(yīng)比方法（LURR）便是其中的方法之一，目前這一方法在全國(guó)地震系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，已經(jīng)成為一種用來(lái)進(jìn)行中短期地震分析預(yù)測(cè)的地磁手段。這一方法的提出源于測(cè)震學(xué)中的加卸載響應(yīng)比理論，即在非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的過(guò)程中伴隨著外部應(yīng)力加載與卸載的不平衡作用過(guò)程（尹祥礎(chǔ)等，1991）。隨后，加卸載響應(yīng)比理論被應(yīng)用于地震活動(dòng)性預(yù)測(cè)當(dāng)中并取得了一定的效果，同時(shí)，這一方法在地形變、地下水位、重力等地震前兆資料的分析中也得到了較好的驗(yàn)證（宋治平等，1996）。例如：曾小蘋等（1996）將這一方法運(yùn)用于地磁分析中，將磁暴發(fā)生過(guò)程中地磁場(chǎng)的變化視為磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的加卸載響應(yīng)，分析了磁暴場(chǎng)暴時(shí)擾日變化()的響應(yīng)比值()隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)()的高值與地磁臺(tái)站周邊一定范圍內(nèi)S≥5.5級(jí)的中強(qiáng)主震有較好的對(duì)應(yīng)結(jié)果，隨后，作者使用這一方法對(duì)我國(guó)華北和西南兩個(gè)地震活動(dòng)帶進(jìn)行了分析檢驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前的不同時(shí)間段內(nèi)()值有出現(xiàn)高值的現(xiàn)象發(fā)生；馮志生等（2000）使用這一方法研究了江蘇地磁臺(tái)網(wǎng)1983—1997年間的加卸載響應(yīng)比異常，以及這一期間臺(tái)同內(nèi)和網(wǎng)緣附近S4.6級(jí)以上地震之間的關(guān)系，并對(duì)其內(nèi)檢預(yù)報(bào)效能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)提出了適用于江蘇地磁臺(tái)分析預(yù)測(cè)的標(biāo)志體系；李偉等（2013）的研究發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)站分別使用57型模擬磁力儀和GM4型數(shù)字化磁力儀分別觀測(cè)得到的()值存在不同程度的差異，在()>2.5的情況下，兩者的差異比重范圍為-19.51%—0.39%，作者利用()>2.5的頻次分析地震時(shí)，由GM4型數(shù)字化磁力儀觀測(cè)結(jié)果計(jì)算得到的()值在反映地震前兆異常的能力上較強(qiáng)。

自2002年起，河北省紅山地震臺(tái)在繼續(xù)進(jìn)行模擬地磁觀測(cè)的基礎(chǔ)上，增加了一套FHD-1型分量質(zhì)子磁力儀，數(shù)據(jù)產(chǎn)品為地磁分鐘值相對(duì)記錄數(shù)據(jù)。在“十五”時(shí)期，根據(jù)中國(guó)地震前兆數(shù)字化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的要求，該分量質(zhì)子磁力儀升級(jí)為FHD-2B型并增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，同時(shí)也提高了儀器的觀測(cè)精度。本文對(duì)紅山臺(tái)周邊一定范圍內(nèi)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，計(jì)算并提取了適用于該地區(qū)()的閾值，可為紅山臺(tái)所在地區(qū)震情的判定提供標(biāo)志依據(jù)。

1 紅山臺(tái)背景

1966年3月在邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生了S7.2級(jí)地震，同年4月由中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所在邢臺(tái)地區(qū)負(fù)責(zé)籌建紅山地震臺(tái)，并于當(dāng)年7月開(kāi)始投入使用，之后，在1971年10月移交給河北省地震局負(fù)責(zé)。

紅山臺(tái)地處華北平原南部邢臺(tái)市山口鎮(zhèn)，其地理位置如圖1所示。紅山臺(tái)位于太行山山前斷裂帶分支斷裂即隆堯束鹿斷裂的南段，海拔高度37m，基巖裸露，周圍是大面積沖積平原，地表出露地層為震旦紀(jì)石英砂巖，層位較低，基巖出露面積小。同時(shí)，紅山臺(tái)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊，干擾源較少，是比較理想的地震及地磁觀測(cè)場(chǎng)所。

紅山臺(tái)開(kāi)展地磁觀測(cè)較早，自建臺(tái)以來(lái)已積累了30多年的豐富地磁觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。同時(shí)作為全國(guó)地磁觀測(cè)的基準(zhǔn)臺(tái)，其地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)還承擔(dān)著對(duì)外交換的任務(wù)。紅山臺(tái)數(shù)字化地磁觀測(cè)從2002年1月開(kāi)始，現(xiàn)有的絕對(duì)觀測(cè)儀器為G856型質(zhì)子核旋儀及Mingeo-DI型儀，相對(duì)記錄儀為GM4型磁通門磁力儀及FHD-2B型分量質(zhì)子磁力儀。

2 原理與方法

太陽(yáng)風(fēng)主要以紫外輻射和粒子流輻射兩種輻射形式影響地球磁場(chǎng)，從而使地磁場(chǎng)出現(xiàn)變化磁場(chǎng)。變化磁場(chǎng)主要有兩種：一是地磁場(chǎng)變化即太陽(yáng)靜日變化q；二是磁暴場(chǎng)。其中，磁暴場(chǎng)的構(gòu)成為：=st+s+p()，式中st為暴時(shí)變化，s為暴時(shí)擾日變化，p()為極區(qū)亞暴。

按照曾小蘋等（1996）的地磁加卸載響應(yīng)比理論，地球自轉(zhuǎn)使太陽(yáng)的紫外輻射對(duì)地球每天加卸載一次，其地磁效應(yīng)即是q；太陽(yáng)暴風(fēng)粒子流輻射的地磁效應(yīng)就是全球同時(shí)發(fā)生的磁暴現(xiàn)象，由統(tǒng)計(jì)可知，平均大約5—6天地球便會(huì)被太陽(yáng)高速暴風(fēng)粒子流加卸載一次。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(zhì)系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)的過(guò)程中，介質(zhì)的物理性質(zhì)，其中包括電導(dǎo)率將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。因而可以認(rèn)為，不同的地磁測(cè)點(diǎn)，穩(wěn)定地區(qū)和非穩(wěn)定地區(qū)暴時(shí)擾日變化不同；同一地磁測(cè)點(diǎn)非穩(wěn)定時(shí)期暴時(shí)擾日變化與正常時(shí)期的變化又不同。因此，可通過(guò)計(jì)算地磁加卸載響應(yīng)比()值來(lái)得到其異常信息。

地磁垂直分量與地下介質(zhì)及其變化較其它地磁分量的關(guān)系更密切，因此可以取分量作為計(jì)算s()的加卸載響應(yīng)參量：

()=s()+/s()-（1）

式中，s()為分量地磁擾動(dòng)場(chǎng)的日變幅；標(biāo)志“+”表示加載；標(biāo)志“-”表示卸載。

在實(shí)際運(yùn)用中可將地磁場(chǎng)垂直分量日變幅+和-看作是太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地磁場(chǎng)的加載和卸載，此時(shí)計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

()=Δ+/Δ-（2）

3 計(jì)算結(jié)果及分析

目前，紅山臺(tái)所使用的地磁相對(duì)記錄儀器有兩種：一種為FHD型分量質(zhì)子磁力儀；另一種為GM4型磁通門磁力儀。本文中采用的數(shù)據(jù)為FHD型分量質(zhì)子磁力儀所產(chǎn)出的分鐘值相對(duì)記錄數(shù)據(jù)。該儀器總強(qiáng)度觀測(cè)精度為0.3nT，水平分量觀測(cè)精度為0.6nT，磁偏角觀測(cè)精度為0.1'。

根據(jù)紅山臺(tái)的地理位置及周邊歷史地震記錄，筆者以距離臺(tái)站300km范圍為限，選取了自紅山臺(tái)2002年1月數(shù)字化地磁觀測(cè)以來(lái)，臺(tái)站周邊發(fā)生的S4.0級(jí)以上地震作為研究對(duì)象，地震目錄及參數(shù)如表1所示，地震空間分布如圖1所示。

表1 紅山臺(tái)周邊300km以內(nèi)MS4.0級(jí)以上地震統(tǒng)計(jì)

紅山臺(tái)2012年1月至2013年12月的地磁加卸載響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果如圖2所示，并在計(jì)算前進(jìn)行了細(xì)致校對(duì)，剔除了因缺數(shù)造成的錯(cuò)誤日變幅數(shù)據(jù)。

圖2中出現(xiàn)的高值突跳即為地磁加卸載響應(yīng)比異常，而且該類異常通常具有成叢性。圖中所標(biāo)注的地震為臺(tái)站周邊300km以內(nèi)發(fā)生的所有S4級(jí)以上地震，從圖中可以看出，這些地震的發(fā)生和該地磁加卸載響應(yīng)比的高值分布有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

同時(shí)，對(duì)加卸載響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果進(jìn)行閾值的選取是確定異常的關(guān)鍵。為了確定響應(yīng)比是否為異常的映震效果，筆者嘗試規(guī)定了以下準(zhǔn)則：①確定閾值后，高于閾值的值定為異常，異常間隔小于3個(gè)月定為一組異常，每組異常有效期為12個(gè)月，有效期開(kāi)始時(shí)間以最后高值出現(xiàn)的日值為準(zhǔn)；②地震可以在異常結(jié)束后發(fā)生，也可以發(fā)生在異常期間內(nèi)（震前或震后異常）；③若地震發(fā)生在若干組異常的共同有效期內(nèi)，則判定各組異常均為有效異常，但對(duì)應(yīng)的地震次數(shù)只記1次。

按照上述準(zhǔn)則，筆者對(duì)紅山臺(tái)的()計(jì)算結(jié)果嘗試進(jìn)行了不同閾值的選擇和統(tǒng)計(jì)，對(duì)異常閾值的起始值劃分為5個(gè)級(jí)別即從閾值2.6劃分至閾值3.4，將高于閾值的加卸載高值定為異常，同時(shí)根據(jù)規(guī)定的準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)各次異常分組，其結(jié)果如表2所示。

表2 紅山臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比映震效能檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

例如從表2可以看出，當(dāng)()的閾值選擇為3.0時(shí)，共統(tǒng)計(jì)出異常12組，對(duì)應(yīng)地震次數(shù)為5次，對(duì)應(yīng)概率為42%；其對(duì)應(yīng)的地震分別為2006年4月9日河南范縣S4.1級(jí)地震、2006年7月4日河北文安S5.1級(jí)地震、2008年3月10日河南封丘S4.4級(jí)地震、2010年4月4日山西大同S4.2級(jí)地震、2010年6月5日山西陽(yáng)曲S4.6級(jí)地震（見(jiàn)表3）。同時(shí)，表3還給出了其他閾值異常與地震的對(duì)應(yīng)情況。

表3 紅山臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比（P(Z)=3.0）對(duì)應(yīng)地震統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

事件序號(hào)異常組號(hào)異常日期（年-月-日）異常值對(duì)應(yīng)地震發(fā)震間隔（天）震中距（km） 1392010-12-163.84虛報(bào) 2011-01-133.17 2011-03-043.83 14102012-10-113.31虛報(bào) 15112013-10-163.67虛報(bào) 2013-12-233.08 2014-01-113.09 16122014-08-304.09虛報(bào)

另外，從表3還可以看出，上述5次對(duì)應(yīng)發(fā)生的地震與響應(yīng)比異常的最短間隔為30天，最長(zhǎng)間隔為331天。所以從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，閾值選擇為3.0時(shí)，對(duì)地震的預(yù)測(cè)效果較其他閾值更為理想。盡管閾值3.0低于閾值3.2和閾值3.4對(duì)應(yīng)的地震發(fā)生概率，但閾值3.0時(shí)的地震虛報(bào)率和漏報(bào)率較低，顯示出了明顯的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 討論

筆者將紅山臺(tái)數(shù)字化地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了加卸載響應(yīng)比計(jì)算及分析，確定了可以利用的合理閾值起始值。同時(shí)還得出了以下幾點(diǎn)初步認(rèn)識(shí)：

（1）地磁加卸載響應(yīng)比方法在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上對(duì)地震有一定的預(yù)測(cè)性。紅山臺(tái)的計(jì)算結(jié)果顯示，選擇合適的異常閾值后可以在未來(lái)1年的時(shí)間尺度內(nèi)，對(duì)S4.0級(jí)及以上地震作出40%以上的預(yù)測(cè)，此時(shí)的虛報(bào)率為50%。

（2）加卸載響應(yīng)比方法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性的漏報(bào)及虛報(bào)。從表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，紅山臺(tái)對(duì)最早的3次震例均為漏報(bào)，造成漏報(bào)率高的直接原因可能是由于缺乏2001年的響應(yīng)比數(shù)據(jù)，因此，滿足一定時(shí)間長(zhǎng)度的地磁數(shù)據(jù)樣本是對(duì)該方法進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證及研究的前提條件。

另外，該方法虛報(bào)率較高也是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。筆者在對(duì)紅山臺(tái)進(jìn)行過(guò)的所有閾值劃定結(jié)果中，其虛報(bào)率始終不低于50%。造成這種結(jié)果的原因除了該方法本身外，對(duì)地震目錄選擇限制過(guò)多也可能是另一種原因，假如對(duì)300km以內(nèi)及S4級(jí)以上兩個(gè)地震目錄的限制條件有所改變，其響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有所不同。這一點(diǎn)筆者將在以后的研究中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算驗(yàn)證。

總之，地磁加卸載響應(yīng)比方法是從測(cè)震學(xué)中移植借鑒的一種方法，其使用的是能較好地反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的響應(yīng)比()作為響應(yīng)函數(shù)，并以它在正常情況下的時(shí)間變化和空間分布作為背景，研究震前由于電導(dǎo)率變化引起的地磁響應(yīng)比異常來(lái)預(yù)測(cè)地震。在我國(guó)目前的地震科研及地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系中，對(duì)預(yù)測(cè)方法的研究及建立一定的映震指標(biāo)體系是一項(xiàng)重要的工作，以此為基礎(chǔ)可以對(duì)地磁前兆數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的異常量化及判定，這對(duì)地震分析預(yù)報(bào)工作有著積極的意義。

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The Study of Optimal Threshold of Geomagnetic Load-Unloading Response Ratio

Jia Lifeng1), Qiao Ziyun1), Zhang Gouling1), Ding Zhihua1)and Zhang Jianguo2)

1) Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China?2) Handan Seismic Station, Handan 066001, China

As a middle-term earthquake prediction method, the geomagnetic load-unload response ratio (LURR) was transplanted from the seismological method. Based on digital observation data, we calculated the LURR of Hongshan station. Our results show that when the threshold is 3.0, the accurate rate of the earthquake prediction probability is about 42%. Meantime, find that the false and missing ratio is relatively high when we applied the LURR to predict earthquake.

Geomagnetic; Load-unload response ratio; Threshold; Earthquake prediction

國(guó)家自然科學(xué)基金（41274079）；地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201508009-09）

2014-04-09

賈立峰，男，生于1981年。碩士。主要從事地震地磁分析工作。E-mail：729102262@qq.com