艾薩·伊斯馬伊力 黃恩賢 高麗娟

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學(xué)二街338號(hào) 830011

2）河南省地震局，鄭州 450016

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2017年8月9日7時(shí)27分，新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)（44.27°N，82.89°E）發(fā)生MS6.6地震，震源深度約20km。此次地震有感范圍較廣，博樂(lè)、伊寧、克拉瑪依、石河子、烏魯木齊等地均有明顯的震感，地震對(duì)精河縣、尼勒克縣造成較大影響，為新疆北天山地區(qū)2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震后發(fā)生的最大地震（圖 1）。

理論和震例表明，地震孕育過(guò)程中地下介質(zhì)電磁參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，由此也將引起地磁場(chǎng)的異常變化，包括引起地磁場(chǎng)日變化異常（張國(guó)民等，2001）。基于磁測(cè)深原理的地磁諧波振幅比可以反映深部地球介質(zhì)電阻率的變化，并已有較多的研究（馮志生等，2004；蔣延林，2016）；而地磁垂直分量日變化幅度逐日比和加卸載響應(yīng)比（馮志生等，2000、2001），以及地磁低點(diǎn)位移法是提取地磁垂直分量日變化地震異常的有效方法（丁鑒海等，2009）。本文選取距震中400km范圍內(nèi)的地震地磁定點(diǎn)觀測(cè)資料，運(yùn)用以上方法對(duì)精河地震前的地磁異常信息進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 發(fā)震構(gòu)造與地磁測(cè)項(xiàng)概況

精河MS6.6地震震中位于庫(kù)松木契克山前斷層?xùn)|末端，該斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，性質(zhì)為右旋逆斷。距張量反演結(jié)果顯示，此次地震以逆沖型為主，2個(gè)節(jié)面均近EW向，震源性質(zhì)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景一致（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275080.shtm l）。歷史上，距震中200km范圍內(nèi)發(fā)生11次6.0級(jí)以上地震，最大震級(jí)地震為1944年3月10日MS7.2地震，距此次地震震中94km。

“十五”數(shù)字化觀測(cè)以來(lái)，已經(jīng)積累了較豐富的新疆地區(qū)地磁觀測(cè)資料，且震中周?chē)貐^(qū)地磁觀測(cè)點(diǎn)分布比新疆其他地區(qū)相對(duì)密集、合理。距震中400km范圍內(nèi)有烏魯木齊臺(tái)、克拉瑪依臺(tái)、溫泉臺(tái)等 3個(gè)地磁觀測(cè)點(diǎn)，其中，溫泉臺(tái)使用 FGM型磁通門(mén)磁力儀（震中距約167km），克拉瑪依臺(tái)使用FHD質(zhì)子矢量磁力儀（震中距約215km），烏魯木齊臺(tái)使用自動(dòng)化地磁臺(tái)站系統(tǒng)FHDZ-M15型及FGM型磁通門(mén)磁力儀（震中距約292km）。2016年1月至今，3個(gè)臺(tái)數(shù)據(jù)連續(xù)且質(zhì)量較好，無(wú)大干擾或儀器改造更換等事項(xiàng)（表1）。

圖1 震中區(qū)構(gòu)造及地磁臺(tái)站分布

表1 震中周?chē)卮庞^測(cè)項(xiàng)目概況

2 地磁異常分析

根據(jù)地磁觀測(cè)臺(tái)站分布，以下分別給出地磁諧波振幅比、地磁垂直分量日變化幅度加卸載響應(yīng)比、地磁垂直分量日變化幅度逐日比和地磁低點(diǎn)位移等的震前異常分析結(jié)果。

2.1 背景性異常

馮志生等（2013）等對(duì)喀什臺(tái)周?chē)l(fā)生的幾次MS≥6.0強(qiáng)震前后地磁諧波振幅比變化特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于臺(tái)站布設(shè)密度較稀的區(qū)域利用諧波振幅比資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)具有很好的應(yīng)用前景。蔣延林等（2016）研究結(jié)果表明，地磁諧波振幅比異常變化特征與直流地電阻率的異常變化特征較相似。主要特點(diǎn)表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)上升的變化過(guò)程，地震一般發(fā)生在趨勢(shì)性下降之后的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近或恢復(fù)的過(guò)程中或長(zhǎng)短周期不同步現(xiàn)象的臺(tái)站附近300km范圍內(nèi)；在長(zhǎng)期趨勢(shì)性上升背景下，若出現(xiàn)下降變化，則可能為中短期信號(hào)。

筆者應(yīng)用馮志生研究員編制的地磁分析軟件，對(duì)克拉瑪依臺(tái)FHD質(zhì)子矢量磁力儀采集2008～2017年9月分鐘采樣觀測(cè)資料進(jìn)行地磁諧波振幅比計(jì)算（圖2）（烏魯木齊臺(tái)2013年底搬遷，溫泉臺(tái)2015年底更換儀器，所以僅對(duì)克拉瑪依臺(tái)進(jìn)行異常分析）。數(shù)據(jù)計(jì)算具體步驟為：①將每日Z(yǔ)、H、D轉(zhuǎn)換為Z、Hх、Hу（世界時(shí)轉(zhuǎn)為北京時(shí)）；②格式轉(zhuǎn)換（“十五”格式轉(zhuǎn)為“九五”格式）；③去噪聲（將噪聲較大、缺數(shù)較多等資料段進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除）；④按周期等間隔計(jì)算5～60min的每分鐘的三分量Z（ω）、Hх（ω）和Hу（ω）；⑤計(jì)算諧波振幅比，獲得參與計(jì)算的臺(tái)站諧波振幅比結(jié)果。其中，步驟⑤又包括虛實(shí)諧波振幅比每日一逐頻值—帶均值逐日值—月滑動(dòng)—年滑動(dòng)平均計(jì)算等步驟。圖2給出了克拉瑪依臺(tái)的計(jì)算結(jié)果。由圖2可見(jiàn)，2014～2015年為克拉瑪依臺(tái)諧波振幅比下降階段，2015年底開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或長(zhǎng)短周期不同步現(xiàn)象，2016年底開(kāi)始YZHx（NS）向長(zhǎng)周期與YZHy（EW）向開(kāi)始恢復(fù)上升。其中，YZHx（NS）向20、30min等中周期變化形態(tài)與其他周期變化明顯不一致。精河MS6.6地震即發(fā)生于趨勢(shì)性下降后的轉(zhuǎn)折期和中、短周期不同步期。

圖2 克拉瑪依臺(tái)地磁諧波振幅比變化與對(duì)應(yīng)地震

2.2 短期異常

2.2.1 地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比

地磁加卸載響應(yīng)比是曾小平等（1996）由尹祥礎(chǔ)等（1994）提出的加卸載響應(yīng)比理論向地震地磁學(xué)的延拓（馮志生等，2000）。將磁擾過(guò)程作為地球磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)加載和、卸載響應(yīng)的過(guò)程。以垂直分量Z為例，取Z分量的日變幅度作為計(jì)算加卸載響應(yīng)比的參量，定義響應(yīng)比為

其中，下角標(biāo)“＋”號(hào)表示加載，“-”表示卸載。該方法提取的異常為短期異常，地震一般在異常出現(xiàn)后半年內(nèi)發(fā)生。應(yīng)用該方法判定異常時(shí)，閾值選取是關(guān)鍵。馮志生等（2000）、朱燕等（2001）、戴勇等（2016）等對(duì)華東、新疆、甘青地區(qū)利用加卸載響應(yīng)比法研究映震效果，結(jié)果表明，加卸載響應(yīng)比高值與鄰區(qū)中強(qiáng)震間有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述研究結(jié)果表明，根據(jù)不同地區(qū)測(cè)點(diǎn)的加卸載響應(yīng)比P（Z）值時(shí)序曲線，由其附近的震例找出震前P（Z）異常的最低值即閾值P0（Z）。當(dāng)P（Z）＜P0（Z）時(shí)正常；當(dāng)P（Z）≥P0（Z）為異常，即有可能與其后發(fā)生的中強(qiáng)地震相對(duì)應(yīng)。艾薩·伊斯馬伊力等（2017）研究認(rèn)為，正常情況下，烏魯木齊臺(tái)、克拉瑪依臺(tái)、溫泉臺(tái)地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比值P（Z）一般為1.0～2.0。因此，本文將地磁響應(yīng)比P（Z）≥3.3并且震中區(qū)至少有2個(gè)或2個(gè)以上臺(tái)站的地磁垂直分量加卸載響應(yīng)比閾值P0（Z）大于最低異常值作為判據(jù)。

2016年7月18日烏魯木齊臺(tái)（2套儀器）、克拉瑪依臺(tái)、溫泉臺(tái)Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比同時(shí)出現(xiàn)超限高值異常，異常值分別為3.65、3.68、4.16、4.92；從異常出現(xiàn)到發(fā)震計(jì) 21天，該時(shí)段無(wú)人為或自然環(huán)境干擾；結(jié)合震例，可判定為此次地震的前兆異常，精河地震震中即位于異常最高值臺(tái)站附近的斷裂上（圖3）。對(duì)比2016年呼圖壁MS6.2地震異常發(fā)現(xiàn)，呼圖壁MS6.2地震前只有2個(gè)臺(tái)同步出現(xiàn)超限高值，這可能與震級(jí)和震中位置有一定關(guān)聯(lián)。

圖3 Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比

2.2.2 地磁日變幅逐日比

曾小平等（1996）分析了地磁垂直分量日變化幅度極大值與其后極小值之比與地震間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高比值與臺(tái)站周邊地震間有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用該方法的過(guò)程中，馮志生等（2001）發(fā)現(xiàn)下式中簡(jiǎn)單比值的高值與臺(tái)站周邊的地震間也有良好的對(duì)應(yīng)效果。

其中，A（t1）為地磁垂直分量日變化幅度；t2=t1＋1（t1為觀測(cè)日期）；Y為地磁垂直分量日變化幅度逐日比值。以往震例顯示，地磁逐日比異常為短期異常，地震一般在異常出現(xiàn)后半年內(nèi)發(fā)生。

與加卸載響應(yīng)比一樣，不同地區(qū)的逐日比閾值并不完全相同，所以，在將逐日比運(yùn)用于區(qū)域震情判定之前確定閾值很重要，閾值設(shè)定不合理可導(dǎo)致虛報(bào)或者漏報(bào)。張翼等（2007）等利用烏魯木齊臺(tái)地磁垂直分量1980～2004年25年間的時(shí)均值資料計(jì)算日變幅及其逐日比，并對(duì)烏魯木齊臺(tái)地磁日變幅逐日比的映震效果進(jìn)行了分析。其結(jié)果表明，日變幅逐日比異常與臺(tái)站周?chē)卣痖g有較好的對(duì)應(yīng)效果，且通過(guò)了97.5%置信水平的R值評(píng)分檢驗(yàn)，具有較好的預(yù)測(cè)效能。筆者將地磁逐日比應(yīng)用于研究區(qū)的數(shù)字地磁資料，通過(guò)依次嘗試選取不同的閾值進(jìn)行對(duì)比分析認(rèn)為，新疆地區(qū)的逐日比方法閾值選取2.7比較合理（艾薩·伊斯馬伊力等，2017）。2017年5月16日、8月5日烏魯木齊臺(tái)（2套儀器）、克拉瑪依臺(tái)、溫泉地磁臺(tái)（2套儀器）Z分量日變幅逐日比出現(xiàn)超閾值的高值異常，異常值分別為2.75、2.80、2.97、2.80；從第1次異常出現(xiàn)到發(fā)震共83天，該時(shí)段無(wú)人為或自然環(huán)境干擾，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震前也出現(xiàn)類(lèi)似變化。結(jié)合震例，上述異常可判定為精河MS6.6地震的前兆異常，其特征為短期異常（圖3）。

2.2.3 地磁低點(diǎn)位移

丁鑒海等（2009）利用中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)多年的資料，研究了地磁垂直分量日變極小值出現(xiàn)的時(shí)間（低點(diǎn)時(shí)間）在空間分布的異常特征，即“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象。這種少見(jiàn)的地磁異?，F(xiàn)象與地震的發(fā)生間有較好的相關(guān)性，發(fā)震時(shí)間絕大多數(shù)為異常出現(xiàn)后1～2個(gè)月內(nèi)，發(fā)震地區(qū)在低點(diǎn)位移突變分界線附近。2017年7月5日中國(guó)大陸地磁場(chǎng)出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常，2017年8月9日精河MS6.6地震即發(fā)生在低點(diǎn)位移突變分界線附近，低點(diǎn)位移預(yù)測(cè)時(shí)間8月1日或8月 15日前后 4天（圖 4、5）。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)以上分析可以得出，2017年8月9日精河MS6.6地震前周邊地磁場(chǎng)存在異常變化，其主要特征如下。

（1）時(shí)間與空間上，沿?cái)嗔褞Ъ捌涓浇_(tái)站震前83天地磁逐日比和震前21天地磁加卸載響應(yīng)比均出現(xiàn)超限的高值，且異常高值的空間分布都相對(duì)集中于震中區(qū)附近（最小震中距167km，最大震中距292km）。此外，2017年7月5日出現(xiàn)低點(diǎn)位移異常，其穿過(guò)震中附近地區(qū)，表現(xiàn)出一定的時(shí)空分布。

（2）精河MS6.6地震震中位于異常高值集中帶（異常最大值區(qū)距震中167km），即逐日比和加卸載響應(yīng)比異常最高值與震中位置間有一定關(guān)聯(lián)。但是，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震前，只有烏魯木齊臺(tái)和克拉瑪依臺(tái)出現(xiàn)地磁加卸載響應(yīng)比異常，這可能與震中位置、震級(jí)等之間有一定關(guān)聯(lián)。

圖4 Z分量日變幅逐日比

圖5 2017年7月5日地磁低點(diǎn)位移異常

（3）克拉瑪依臺(tái)諧波振幅比中周期與其他周期變化趨勢(shì)不同步，即20、30m in周期與40min周期變化不同步，這與震中位置間有一定的關(guān)聯(lián)（克拉瑪依臺(tái)距震中215km）。

（4）精河MS6.6地震前溫泉臺(tái)、克拉瑪依臺(tái)、烏魯木齊臺(tái)地磁前兆異常確實(shí)存在，從地磁資料長(zhǎng)時(shí)間變化形態(tài)和異常時(shí)間、異常臺(tái)站等特征來(lái)看這不是偶然的。震中區(qū)多臺(tái)同步出現(xiàn)的地磁異常更多地反映了北天山地區(qū)整體區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的情況。

綜上所述，在此次精河MS6.6地震前，地磁前兆在短臨階段的確有一定的反應(yīng)，且時(shí)空演化特征明顯。通過(guò)本文的地磁處理分析方法，可為未來(lái)該區(qū)域震情判定提供一定的參考依據(jù)。

致謝：在本文撰寫(xiě)過(guò)程中，馮志生研究員給予了無(wú)私的幫助和指導(dǎo)，匿名審稿專(zhuān)家提出了寶貴意見(jiàn)，在此一并致謝。