袁桂平 馮志生 李鴻宇 姜楚峰 潘穎 錢庚 姚休義

摘要：在探索震前地磁每日一值空間相關(guān)異常機理的基礎(chǔ)上，利用2008—2018年130個臺站地磁場數(shù)據(jù)計算地磁場總強度F每日一值一階差分在空間上變化的不同步現(xiàn)象，并提取震前地磁異常。結(jié)果表明：當?shù)卮艌隹倧姸菷逐漸增大這一趨勢變化出現(xiàn)不同步現(xiàn)象時，研究區(qū)內(nèi)一階差分值全正或者全負的正常狀態(tài)會被打破，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)各臺站F每日一值一階差分正、負值臺站分布較為集中的現(xiàn)象，且正、負值臺站之間出現(xiàn)明顯的異常分界線（0值線），通過異常與對應(yīng)震例統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該異常發(fā)生后8個月內(nèi)在0值線300 km附近有發(fā)生5級以上地震的可能性。

關(guān)鍵詞：地磁異常;地磁場總強度;一階差分;前兆異常

中圖分類號：P315.721文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0738-07

0引言

地震的孕育和發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，伴隨這一過程產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象也極其復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)許多關(guān)于地震引起地下電導(dǎo)率變化的實驗和野外觀測結(jié)果（Nagata，1972;Brace，Orange，1968;Barsukov，1972），這些結(jié)果引導(dǎo)人們研究地震的感應(yīng)磁效應(yīng)現(xiàn)象（中國科學(xué)院地球物理研究所第十研究室二組，1977;祁貴仲等，1981）。在相關(guān)系數(shù)異常提取方面，前人利用華北地區(qū)若干臺站資料、以局部地區(qū)地磁場空間相關(guān)性的分析為基礎(chǔ)，重點討論了“空間相關(guān)法”，并通過該方法及相關(guān)震例討論了震磁效應(yīng)的有效性（中國科學(xué)院地球物理研究所第十研究室一組，1977）;林美和沈斌（1982）認為相關(guān)系數(shù)法是日變形態(tài)的一種發(fā)展，在地磁日變曲線產(chǎn)生畸變時，相關(guān)系數(shù)法更顯優(yōu)越性，且驗證了該方法應(yīng)用于地震預(yù)報有一定的實際意義。在異常的定量研究方面，杜安娜和宋若薇（1982）發(fā)現(xiàn)1976年唐山7.8級地震前出現(xiàn)了相關(guān)系數(shù)低值異常，該相關(guān)系數(shù)異常量超過2.5倍均方差;1991年大同5.8級地震發(fā)生后，曾小蘋等（1992）發(fā)現(xiàn)在震中約220 km內(nèi)的地磁垂直分量Z在震前3個月和5天有明顯異常。后續(xù)其他學(xué)者在利用空間相關(guān)系數(shù)提取地震地磁異常時，也進行了許多的研究和驗證，針對不同地區(qū)提出了對應(yīng)的指標，并累積了許多的震例（馮志生，王建宇，1998;賈立峰等，2017;李鴻宇等，2017，2018）。在異常機理方面，杜安娜（1998）應(yīng)用空間線性相關(guān)法對武定、麗江地震進行了預(yù)報分析，認為在這2次地震孕育過程中，在地應(yīng)力的作用下，通海、西昌、成都等地磁臺附近巖石電導(dǎo)率發(fā)生變化;趙凌強等（2015）對2013年甘肅岷縣漳縣MS6.6地震孕震環(huán)境探討中認為松潘—甘孜地塊和隴西盆地對西秦嶺造山帶形成擠壓、阻擋作用，其能量可能通過西秦嶺造山帶中上地殼的高電阻構(gòu)造傳遞，被臨潭—宕昌斷裂帶附近低阻帶所吸收，當這種從南向北擠壓和阻擋持續(xù)作用超過該地區(qū)介質(zhì)的應(yīng)力臨界值時，該區(qū)臨潭—宕昌低阻破碎帶顯示出了不穩(wěn)定性而發(fā)生形變，導(dǎo)致該區(qū)附近的高電阻特性的巖石產(chǎn)生破裂或?qū)娱g滑動，進而發(fā)生了岷縣漳縣地震。而高電阻特性的巖石產(chǎn)生破裂或?qū)娱g滑動必然造成巖石電導(dǎo)率變化，從而導(dǎo)致感應(yīng)磁場發(fā)生變化。因此，地磁場記錄到觀測值除正常磁場外還包含了這一部分異常變化，這也是震前地磁場異常信號產(chǎn)生的根本原因。

眾多研究成果證明每日一值空間相關(guān)系數(shù)確實能提取震前地磁異常，但缺少絕對標準的臺站作為參考臺，計算結(jié)果會有一定的誤差，導(dǎo)致在異常分析判別中對異常臺站的選取有較大的困難和人為主觀性。追溯源頭，每日一值空間相關(guān)系數(shù)的降低其實是參考臺站和計算臺站的同步趨勢變化被打破所導(dǎo)致，即參考臺不變的情況下，計算臺站數(shù)據(jù)在正常基礎(chǔ)上有所上升或者下降，這種變化可通過一階差分表現(xiàn)出來，且不用涉及到參考臺的選取。張素琴等（2015）利用2010—2014年我國地磁臺網(wǎng)100多個臺站的地磁場總強度F子夜均值逐日差值，研究其空間變化趨勢時發(fā)現(xiàn)，當逐日差值在小區(qū)域內(nèi)異于周圍大趨勢增減變化的18次變化中，共有16次異常與其后幾天到半年內(nèi)該區(qū)域發(fā)生的地震有很好的對應(yīng)關(guān)系。這也說明逐日差值法在震前地磁信號處理中有一定的效果。

地震研究43卷第4期袁桂平等：一階差分法在地震地磁前兆信號提取中的應(yīng)用本文擬通過每日一值一階差分法計算2008—2018年130個臺站記錄的世界時16～20時地磁場總強度F整點值的均值數(shù)據(jù)的逐日差分值，尋找異常現(xiàn)象，并分析其和地震之間的對應(yīng)關(guān)系。1資料選取及研究方法

1.1資料選取

本文研究區(qū)為中國大陸區(qū)域（75°～129°E，19°～50°N），以各臺站儀器記錄數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性較好為條件，從地磁臺網(wǎng)范圍內(nèi)，選取130個臺站（圖1），其中配置FHD質(zhì)子矢量磁力儀的臺站共80個，配置GSM19FD的臺站共3個，配置GSM90F1的臺站共22個，配置M15的臺站共25個。

本文采用的數(shù)據(jù)為2008—2018年130個臺站記錄的世界時16～20時（地方時0～4時）地磁場總強度F整點值的均值數(shù)據(jù)。由于夜間地磁場受空間磁場影響和環(huán)境干擾相對較小，其變化比其它時段更為穩(wěn)定，每個整點值均為該整點值前后5 min的分鐘值均值，再取16～20時的整點值的均值能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，且可避免干擾和計算量過于冗繁。若有缺數(shù)，則將該天標為缺數(shù)，該天的實際參與計算的臺站是130減去缺數(shù)臺站數(shù)，若當天缺數(shù)臺站過多，其結(jié)果視為無效。

1.2F每日一值一階差分計算

地磁場由穩(wěn)定磁場和變化磁場組成。F夜間每日一值的逐日變化基本可以反映出地磁穩(wěn)定磁場數(shù)十年甚至上萬年的長期變化，且在一定的空間范圍內(nèi)有很好的相關(guān)性，即同步變化現(xiàn)象。變化磁場反映的是地磁場的短期變化現(xiàn)象。地震地磁異常可導(dǎo)致2個臺站之間的F每日一值空間相關(guān)系數(shù)下降，這種現(xiàn)象即為地磁短期變化所引起。相關(guān)系數(shù)的降低是由各個臺站記錄到的地磁數(shù)據(jù)不同步變化引起的，該現(xiàn)象可從F每日一值一階差分上進行提取，從而提取地震地磁異常信號。即正常情況下區(qū)域地磁場是同步變化的，F(xiàn)每日一值一階差分值應(yīng)為同正或同負，當出現(xiàn)磁異常時，F(xiàn)每日一值一階差分值正、負可能會同時出現(xiàn)，且正、負值區(qū)域間有明顯的現(xiàn)象分界線。

本文利用2008—2018年F的每日一值（世界時16，17，18，19，20時的整點值數(shù)據(jù)的均值）進行一階差分計算，獲得前后兩日之間F的差值為：dF=F（t2）-F（t1）（1）式中：F（t2）為觀測日期t2的F（世界時16，17，18，19，20時的整點值數(shù)據(jù)的均值）的值;t2=t1+1;異常日期以F（t2）日期為準。

2計算結(jié)果及震例分析

2.1研究機理

地磁主磁場長期變化的時間特征可由長期變時間譜看出，其時間尺度為數(shù)十年甚至上萬年（徐文耀，2003）。F的長期變化是相對較穩(wěn)定且緩慢的，王振東等（2017，2019）利用CHAOS-6和IGRF-12模型對2010—2016年14個地磁臺站的觀測數(shù)據(jù)描述的F都呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。而F夜間每日一值的逐日變化基本可以將這個近似于線性增大的長期變化反映出來。因此，正常情況下，研究區(qū)內(nèi)磁場趨勢上升/下降時，各臺站F每日一值一階差分為正/負值。只有當研究區(qū)內(nèi)局部干擾源對磁場產(chǎn)生影響、導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)部分臺站磁場變化不同步時，各臺站一階差分值才會出現(xiàn)正、負值同時出現(xiàn)。當正、負臺站相對集中，將研究區(qū)在空間上劃分為2～3個區(qū)域時，說明有較大電流通過該區(qū)域，導(dǎo)致磁場發(fā)生有規(guī)律的變化，即為F每日一值一階差分異常。本文以2013年5月19日各臺站F每日一值一階差分dF為示意做等值線圖，從圖2可見，dF在35°N左右以北為正、以南為負，正、負值臺站間有明顯的分界線（0值線），且將空間區(qū)域劃分為2個區(qū)域，就是本文所研究的地磁場總強度F每日一值一階差分異?，F(xiàn)象。該異常出現(xiàn)后的64天和211天，在dF的0值線附近分別發(fā)生了2013年7月22日岷縣6.6級地震和2013年12月16日湖北巴東5.1級地震。

dF的0值線出現(xiàn)是由于0值線兩側(cè)臺站dF變化不同步所致。為看清這種變化細節(jié)，筆者取0值線兩側(cè)的烏魯木齊—拉薩、銀川—邵陽、錫林浩特—泉州等3組臺站（圖2中黑線所指臺站）的dF數(shù)據(jù)進行分析研究，其2013年5月7—29日的逐日變化曲線如圖3所示。從圖中可以看到，各臺站dF在0值附近有輕微波動，且基本同步。5月19日，烏魯木齊、銀川和錫林浩特臺dF同為正值（紅點），均位于dF正值區(qū)，而拉薩、邵陽和泉州臺dF同為負值（藍點），均位于dF負值區(qū)。但如果不進行正負標識，僅從圖3很難看出這種差異，這也是繪制空間等值線的原因。

研究區(qū)內(nèi)各臺站dF出現(xiàn)變化不同步的現(xiàn)象，那么各臺站在日變化上必然是有所差別的。因此，取2013年5月17—20日烏魯木齊—拉薩、錫林浩特—泉州2個臺站對的地磁場總強度F日變化分鐘值（去均值）曲線（圖4）進行詳細分析，烏魯木齊、錫林浩特臺位于0值線北側(cè)，拉薩、泉州要位于0值線南側(cè)。從圖4可以看到，5月17日和20日世界時16～20時（圖中黑框）2個臺站對數(shù)據(jù)基本重疊，而18，19日數(shù)據(jù)重疊效果較差，變化不同步，導(dǎo)致19日dF在0值線兩側(cè)出現(xiàn)一正一負的現(xiàn)象。

表1為2013年5月18—20日所選烏魯木齊—拉薩、銀川—邵陽、錫林浩特—泉州3個臺站對的dF數(shù)據(jù)，18日6個臺站dF均為負值，20日均為正值，而19日位于0值線北側(cè)臺站dF為正，其南側(cè)臺站dF為負，與圖4中展示的結(jié)果一致，但更為清晰。19日的dF是利用19日數(shù)據(jù)減去18日數(shù)據(jù)獲取的，且18，19日磁場數(shù)據(jù)小于17和20日同時段數(shù)據(jù)（圖4），因此綜合分析認為18，19日有附加磁信號，對0值線南側(cè)磁場的削弱效果大于其北側(cè)，造成區(qū)域出現(xiàn)一階差分異?，F(xiàn)象。此外，涉縣—信陽、蘭州—成都、湟源—道孚、涇陽—鐘祥等臺站數(shù)據(jù)亦出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，但由于這幾個臺站對距離0值線較近，其一階差分異常現(xiàn)象沒有圖4所展示得明顯。

2.2異常與地震對應(yīng)結(jié)果

異常和震例統(tǒng)計中，時間上，以8個月為期，異常出現(xiàn)后最短發(fā)震時間為0天，最長為240天?？紤]到8個月時間覆蓋期較長，且根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)有震異常中6個月內(nèi)發(fā)震數(shù)占總發(fā)震數(shù)目的73%，是一個較為合理的占比，因此認為發(fā)震優(yōu)勢時段為異常出現(xiàn)后6個月內(nèi)。地點上，結(jié)合磁異常震例分析認為距0值線300 km較為合適。震級上，由于地磁場變化具有區(qū)域效應(yīng)，小震對地磁場影響較小且磁場變化混亂，因此對震級選擇較高，以105°E為界限，不同地區(qū)震級范圍分別為：大陸東部MS≥5.0地震、大陸西部及國界周邊MS≥6.0地震、臺灣地區(qū)MS≥6.5地震。幅度上（正值臺站差分均值減去負值臺站差分均值），對當日1～4 nT dF幅度值進行詳細分析發(fā)現(xiàn)，小于3 nT時一階差分等值線紊亂，大于3 nT空間上無變化，但提取異常天數(shù)急劇減小，因此幅度以3 nT為標準。

按照以上判據(jù)標準，統(tǒng)計研究區(qū)2008—2018年共4 017天內(nèi)，滿足判據(jù)的dF異常共有174組，占總天數(shù)的4%，排除57組負值臺站分布散亂未能找到明顯分界線的天數(shù)，共有117組滿足時間判據(jù)標準，僅占總天數(shù)的3%，說明此現(xiàn)象不是頻繁出現(xiàn)的。117組異常中，在異常出現(xiàn)后8個月內(nèi)有滿足震級和距離判據(jù)標準的地震發(fā)生有96組異常，異常和地震的對應(yīng)率為82%。滿足判據(jù)標準的地震共90次，55次地震前有dF異常現(xiàn)象出現(xiàn)，漏報地震35次，漏報率為39%;大陸區(qū)域滿足判據(jù)標準的地震共51次，漏報地震12次，漏報率為24%;有異常對應(yīng)的55次地震中，僅有6次地震為海域地震，占報對地震總數(shù)的10%，其余異常對應(yīng)地震發(fā)生于中國大陸區(qū)域或者國界附近。這是由于大陸區(qū)域臺站分布相對密集，對此信號捕捉能力較強，而海域僅沿海臺站對其有指示意義，對信號的捕捉能力較弱。

2.3震例分析

挑選具有代表性的幾個異常震例進行詳細分析，包括2008年5月12日汶川8.0級地震、2016年7月31日廣西蒼梧5.4級地震、2018年9月12日陜西寧強5.3級地震，對震前F每日一值一階差分異?，F(xiàn)象進行分析。

（1）2008年4月4日中國大陸地區(qū)出現(xiàn)F每日一值一階差分正、負值臺站分布較為集中的現(xiàn)象，正、負臺站分界線（0值線）大致為NW—ES走向，如圖5a所示。2008年5月12日及2008年11月10日在分界線邊緣分別發(fā)生汶川8.0級地震和青海海西6.3級地震，2個地震震中均位于分界線附近300 km的范圍內(nèi)，發(fā)震日期距離異常日的天數(shù)分別38天和220天。

（2）2016年4月3日中國大陸地區(qū)出現(xiàn)F每日一值一階差分正、負值臺站分布較為集中的現(xiàn)象，正、負值臺站分界線大約為南北轉(zhuǎn)東走勢，東南部地區(qū)一階差分為負值，其余地區(qū)為正值，如圖5b所示。2016年7月31日廣西蒼梧5.4級地震震中位于正、負分界線上，且分界線兩側(cè)一階差分正、負值臺站均勻分布，發(fā)震日期和異常日間隔為94天。

（3）2018年7月14日中國大陸地區(qū)出現(xiàn)F每日一值一階差分正、負值臺站分布較為集中的現(xiàn)象，正、負臺站分界線（0值線）在中緯度地區(qū)呈W型走勢，且0值線兩側(cè)一階差分正、負值臺站均勻分布，如圖5c所示。2018年9月12日陜西寧強5.3級地震震中位于0值線邊緣，發(fā)震日期距離異常日天數(shù)為60天。

3討論

地磁場總強度F每日一值一階差分異?，F(xiàn)象并不是頻發(fā)現(xiàn)象，僅占研究總天數(shù)的3%;異常現(xiàn)象發(fā)生之后0值線附近確實有滿足判據(jù)標準的地震發(fā)生，報對率為82%;陸地漏報率遠遠小于全區(qū)漏報率，主要是因為所選地磁臺站均在陸地，對陸地指示意義更明確。因此分析認為震前的地震地磁異常信號確實能通過F每日一值一階差分表現(xiàn)出來。

F每日一值一階差分法是一種中短期預(yù)測方法，時間上從以8個月為異常有效期的發(fā)震結(jié)果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，異常出現(xiàn)后6個月內(nèi)發(fā)震居多，占報對地震總數(shù)的73%，但無法做更精確的時間判斷。地點上，0值線雖然對未來的發(fā)震位置具有較強的指示意義，地震一般發(fā)生在0值線附近300 km左右范圍內(nèi)，但由于0值線較長，因此需要結(jié)合其他前兆手段，才可詳細分析地震發(fā)生在0值線的具體位置。震級上，由于磁場本身就是存在較小波動，小震產(chǎn)生的磁異?，F(xiàn)象在這種波動下會被淹沒，難以辨別。因此，此方法所指示地震的震級相對較高，且地震震級與0值線走向和長短沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

在震前確實存在磁場在不同區(qū)域的不同步變化或變化量不一致的現(xiàn)象，說明同一天在外空磁場差別不大的情況下，不同區(qū)域磁場的不同步變化極有可能是受到地下磁場局部變化所導(dǎo)致。由于地下電性結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)磁場有所變化，從而疊加在地磁場上，導(dǎo)致F每日一值一階差分出現(xiàn)異常。也可能是異常當日0值線附近有感應(yīng)電流通過，該電流產(chǎn)生的磁場對0值線兩側(cè)磁場產(chǎn)生的影響不一致，從而導(dǎo)致了0值線兩側(cè)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，而電流的出現(xiàn)亦由地下電性結(jié)構(gòu)變化所致。因此，該異?，F(xiàn)象是震前地下電性結(jié)構(gòu)不同步變化的一種反應(yīng)。

由于地磁場受空間天氣的干擾，如磁暴會導(dǎo)致地磁場發(fā)生劇烈的擾動現(xiàn)象。雖然磁暴對地磁場的擾動現(xiàn)象在地磁水平分量上表現(xiàn)更為明顯，但地磁場每一個分量之間都有著必然的聯(lián)系。因此，我們還對異常前后兩日磁暴指數(shù)Dst進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，F(xiàn)每日一值一階差分異?，F(xiàn)象和磁暴并沒有直接的聯(lián)系，對研究結(jié)果無影響，因篇幅較長，文中沒有再進行詳細列舉。

4結(jié)論

本文通過計算2008—2018年中國大陸區(qū)域內(nèi)130個臺站地磁場總強度F每日一值一階差分并分析其與地震之間的對應(yīng)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）當?shù)卮艌隹倧姸菷逐漸增大這一趨勢變化出現(xiàn)不同步現(xiàn)象時，研究區(qū)內(nèi)一階差分值全正或者全負的正常狀態(tài)會被打破。

（2）區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)各臺站F每日一值一階差分正、負值臺站分布較為集中的現(xiàn)象，且正、負區(qū)域間有明顯的分界線（0值線），為地震前兆異常。

（3）異常發(fā)生后8個月內(nèi)，0值線300 km附近有發(fā)生5級以上地震的可能性。

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Application of First-Order Difference Method in the Extraction

of Seismic Geomagnetism Precursor Signal

YUAN Guiping1，F(xiàn)ENG Zhisheng1，LI Hongyu1，JIANG Chufeng2，

PAN Ying1，QIAN Geng2，YAO Xiuyi3

（1.Jiangsu Earthquake Agency，Nanjing 210014，Jiangsu，China）

（2.Hubei Earthquake Agency，Wuhan 430071，Hubei，China）

（3.Catastrophic Risk Management Research Center，Yunnan University

of Financeand Economics，Kunming 650221，Yunnan，China）

Abstract

On the basis of exploring the spatial correlation anomaly mechanism of geomagnetism daily one-value before earthquake，using the total geomagnetic field data of 130 stations from 2008 to 2018，we calculated the spatial variation of the one-value first-order difference of the total geomagnetic field F and extracted the geomagnetic anomalies before earthquakes.The results show that when the non-synchronous phenomena on the gradual increase of? F was appeared，the normal state of all positive or all negative difference values in the study area will be broken.As a result，there appreaed the distribution of positive and negative value stations whose the first order difference isoline of? F daily value are more concentrated in the region，and there is an obvious abnormal boundary（zero value line）between positive and negative value stations.According to the statistics of anomalies and corresponding earthquake，it is found that there is the possibility of M≥5 earthquakes occurring within 8 months after the occurrence of the anomaly near 300 km of the zero line.

Keywords：geomagnetism anomaly;total geomagnetic intensity;first-order difference;precursor anomaly