張亮娥 陳?？? 宮靜芝 郭 宇 范 磊 史舒婷

1) 山西省地震局太原地震監(jiān)測中心站，山西太原 030025

2) 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西太原 030025

0 引言

地磁場是地球最基本的物理場之一，早在一百多年前，人們就注意到地震前存在著大量地磁異常，開始建臺(tái)站觀測研究地磁場變化與地震活動(dòng)的關(guān)系。我們知道，地震引起的異常信號(hào)幅度很小，需要先對觀測資料進(jìn)行干擾的剔除預(yù)處理[1-2]，再采用數(shù)學(xué)分析方法提取震磁異常信息。提取這些微弱的信號(hào)信息，通常采取相關(guān)法、差值法、加卸載響應(yīng)比、地磁日變幅逐日比[3-6]等方法或利用夜間觀測資料以減少空間、人為活動(dòng)對變化磁場的影響；超低頻（ULF，頻段為0.005～10 Hz）電磁異常信號(hào)捕捉與分析是近年來國際研究的熱點(diǎn)，可采用地磁信號(hào)諧波振幅比、極化、主波成分分析方法[7-8]；利用地磁觀測數(shù)據(jù)反演等研究分析磁異常與孕震發(fā)震關(guān)聯(lián)等方法。

通過研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在中強(qiáng)、大震前存在區(qū)域性地磁異常，但由于受觀測點(diǎn)布局所限，許多異常出現(xiàn)是單點(diǎn)的，而這種單點(diǎn)震前變化易被人們質(zhì)疑。中國大陸處于全球中緯度地區(qū)，外源場在地表面影響很大范圍是均勻的，如果一個(gè)震中附近有多個(gè)地磁臺(tái)站，一旦記錄到不同程度的震前異常信號(hào)，無疑會(huì)大大增強(qiáng)地磁異常的可信度；臺(tái)陣具有測點(diǎn)相對密集分布的特點(diǎn)，可以用于地磁場隨空間變化的研究?！笆濉敝笪覈懤m(xù)在甘肅天祝、四川西昌、重慶及云南建設(shè)了地磁臺(tái)陣[9]。這些地磁臺(tái)陣觀測數(shù)據(jù)已取得了一定的研究成果：2013年3月3日普洱M5.5 地震，滇西北地磁臺(tái)陣8 個(gè)測點(diǎn)前諧波振幅比出現(xiàn)高值異常[10]，地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)異常出現(xiàn)在震前1～2 個(gè)月[11]。

1 臺(tái)陣觀測資料

2014年9月，山西省地震局與中國地震局地球物理研究所合作在山西北部布設(shè)5 套GM4 磁通門磁力儀（采樣間隔為1 s，觀測周期從2 s 到數(shù)十分鐘，儀器噪聲≤0.1 nT），建設(shè)山西地磁臺(tái)陣，測點(diǎn)間距40～70 km，傳感器地埋深度2.5 m，觀測該地區(qū)地磁場三分量（垂直分量Z、水平分量H、磁偏角θ）相對變化資料。

臺(tái)陣前期勘選是采用G856 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀與GM4 磁通門磁力儀同步進(jìn)行，完成勘選點(diǎn)背景噪聲48 小時(shí)測試和10 m×10 m 范圍內(nèi)間隔1 m 自然磁場梯度測量，測試結(jié)果：各勘選點(diǎn)符合規(guī)范地磁場水平梯度≤5 nT，背景噪聲≤0.1 nT 要求，符合地磁Ⅲ級固定觀測網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。勘選測點(diǎn)時(shí)，兼顧了區(qū)域斷裂帶構(gòu)造特征原則，其中：代縣測點(diǎn)選在代縣中心地震臺(tái)；繁峙測點(diǎn)位于恒山以南的忻定盆地邊緣，盆地內(nèi)主控?cái)嗔延泻闵侥下磾嗔雅c五臺(tái)山北麓斷裂；山陰、應(yīng)縣、懷仁3 個(gè)測點(diǎn)依次位于恒山以北大同盆地邊緣，大同盆地受盆地邊界恒山北麓斷裂與六棱山北緣斷裂和口泉斷裂控制位置，各測點(diǎn)位置見圖1 所示。該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)差異大，地震活動(dòng)頻繁。其中，忻定盆地曾發(fā)生7 級以上地震3 次；有地震史料記載以來，大同盆地發(fā)生5 級以上地震13 次，其中6.0～6?級地震3 次。

圖1 山西地磁臺(tái)陣分布圖Fig.1 Distribution map of Shanxi geomagnetic array

臺(tái)陣運(yùn)行至今，各測點(diǎn)磁觀測秒數(shù)據(jù)完整率平均達(dá)99.8%，5 個(gè)測點(diǎn)、15 個(gè)觀測分量背景噪聲水平與地磁臺(tái)網(wǎng)平均背景噪聲相當(dāng)。5 個(gè)測點(diǎn)地埋傳感器處日溫差0.07～0.12℃之間，遠(yuǎn)低于地磁Ⅰ級定點(diǎn)地磁臺(tái)站觀測相對記錄室日溫差≤0.3℃要求[12]。

2016年4月7日，山西原平發(fā)生M4.2 地震（38.9°N，112.9°E），震源深度11 km。地震發(fā)生在臺(tái)陣以南距離代縣地磁測點(diǎn)僅20 km。表1 是山西地磁臺(tái)陣各測點(diǎn)基本信息及與原平地震的震中距。我們對2015年8月以來至發(fā)震前，5 個(gè)測點(diǎn)與大同地磁觀測點(diǎn)震前記錄（12 個(gè)月）數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方法的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)震前觀測數(shù)據(jù)Z分量的相關(guān)性、加卸載響應(yīng)比、極化值都存在一定異常變化。

表1 山西地磁臺(tái)陣各測點(diǎn)信息及與原平地震的震中距Table 1 Information of each measuring point of Shanxi geomagnetic array and epicenter distances from Yuanping earthquake

2 數(shù)據(jù)處理方法

山西原平M4.2 地震發(fā)震時(shí)間為2016年4月7日，選取資料時(shí)間段2015年10月—2016年9月，觀測數(shù)據(jù)覆蓋地震前后。

2.1 地磁Z 分量相關(guān)性

在一個(gè)不大的范圍內(nèi)（孔徑≤200 km），磁靜日垂直分量Z日變化基本是同步的，因此，采用相關(guān)系數(shù)R可反映兩個(gè)臺(tái)站磁日變化的同步性，如果一個(gè)臺(tái)站處于“磁異常區(qū)”可能會(huì)造成磁日畸變，相關(guān)系數(shù)R變小。其次，磁靜日垂直分量Z日變化幅度具有季節(jié)性，即夏季大，冬季小，每年11月—次年2月，地磁Z分量日變化幅度較小，相關(guān)系數(shù)R亦變小，震磁異常幅度不大情況下往往會(huì)被這種季節(jié)性的影響淹沒。不同臺(tái)站地下電性結(jié)構(gòu)的差異性對磁擾時(shí)段反映也會(huì)有差異，計(jì)算相關(guān)系數(shù)R會(huì)減小，若排除冬季時(shí)段、地磁擾動(dòng)影響（K指數(shù)≤5）時(shí)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)R減小，則可判定為數(shù)據(jù)異常。

式中，R為相關(guān)系數(shù)，X、Y分別為兩個(gè)臺(tái)站垂直Z分量磁日觀測均值，Xi、Yi分別為兩個(gè)臺(tái)站垂直Z分量某一時(shí)刻觀測值。

以大同臺(tái)（40.14°N，113.24°E）為參考站點(diǎn)，選取2015年10月—2016年9月臺(tái)陣各測點(diǎn)磁日垂直Z分量與大同臺(tái)磁日垂直Z分量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2.2 加卸載響應(yīng)比

磁暴可看作是太陽風(fēng)對地球磁場加卸載響應(yīng)過程[13]，測點(diǎn)磁暴時(shí)擾日場與該測點(diǎn)正常時(shí)期是不同的，由于地磁垂直分量較其他分量與地下介質(zhì)的關(guān)系更密切，采用地球磁場垂直Z分量日變幅度最大值（A+）與其后第一個(gè)最小值（A-）之比為太陽風(fēng)對地球磁場的加卸載響應(yīng)比，即：

式中，P(Z)是磁垂直Z分量日變加卸載響應(yīng)比，A+是磁日變最大值，A-是磁日變最小值。

異常指標(biāo)：P(Z)≥P0（閾值），P0根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)歷史震例獲得。震例總結(jié)表明，一般情況下，加卸載響應(yīng)比P(Z)＜2.5，大多數(shù)為1.5～2.0，加卸載響應(yīng)比提取到地磁異常通常在震前10 個(gè)月以內(nèi)，異常閾值P0=3.5[14]。

2.3 極化值法

極化值法是利用巖石圈ULF 電磁信號(hào)特征，即垂直分量Z比水平分量H幅值相對較大，從而把巖石圈ULF 電磁信號(hào)與源于空間電離層的ULF 電磁信號(hào)區(qū)分開來。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，空間電離層與磁層ULF 磁場極化值Yzh（垂直分量與水平分量的全矢量譜比值）一般小于1，而來自震源區(qū)震前磁場極化值Yzh≈1 或Yzh＜1，我們認(rèn)為Yzh可能提取了與孕震產(chǎn)生破裂過程的電磁輻射信息參數(shù)，一些震例分析顯示，Yzh值在震前有增高現(xiàn)象。異常有效時(shí)間為2 個(gè)月[7]。

地磁垂直Z分量與水平H分量的全矢量譜比值Yzh定義為（在一些文獻(xiàn)中該參數(shù)稱為極化值）：

式中，Z(ω)為地磁垂直分量譜值，H(ω)為地磁水平分量全矢量譜值，Hx(ω)為地磁水平分量NS 向譜值，Hy(ω)為地磁水平分量EW 向譜值。

選取了臺(tái)陣各測點(diǎn)2015年10月—2016年9月預(yù)處理秒數(shù)據(jù)進(jìn)行全矢量譜比值Yzh計(jì)算。

3 結(jié)果分析

3.1 地磁Z 分量相關(guān)性分析

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)除冬季時(shí)間（11月—次年2月）外，臺(tái)陣各測點(diǎn)數(shù)據(jù)與大同臺(tái)磁Z分量日變化相關(guān)系數(shù)R≥0.98，磁場擾動(dòng)有時(shí)會(huì)使得計(jì)算相關(guān)系數(shù)波動(dòng)有下降趨勢。3月17日臺(tái)陣各測點(diǎn)與大同臺(tái)磁垂直Z分量日變化相關(guān)系數(shù)R逐步減小（代縣：0.906；山陰：0.968；繁峙：0.911；應(yīng)縣：0.944；懷仁：0.933），而且代縣、繁峙測點(diǎn)3月17日相關(guān)性較差。為排除外源場的影響，圖2 中最下面子圖給出與相關(guān)系數(shù)R同時(shí)段的每日最大K指數(shù)，K指數(shù)越小，磁場越平靜，當(dāng)日最大K指數(shù)為4，為非擾日，數(shù)據(jù)變化正常，于是排除因磁場外界擾動(dòng)造成相關(guān)系數(shù)低的原因，20 天之后，2016年4月7日原平發(fā)生M4.2 地震。

圖2 大同臺(tái)為參考點(diǎn)各測點(diǎn)磁Z 分量數(shù)據(jù)相關(guān)性R 和K 指數(shù)曲線Fig.2 The correlation R and index K curves of the magnetic Z component data at each measurement point using Datong station as a reference point

根據(jù)總結(jié)震例，發(fā)現(xiàn)磁垂直Z分量日變化相關(guān)提取的異常越大，距離震中越近，不難發(fā)現(xiàn)本次地震距離代縣臺(tái)最近，異常也最明顯，但繁峙測點(diǎn)并非是除代縣外離震中最近測點(diǎn)，出現(xiàn)異常亦相對明顯，這有可能與兩個(gè)測點(diǎn)處于同一構(gòu)造帶有關(guān)聯(lián)。

3.2 加卸載響應(yīng)比分析

距離震中最近的代縣臺(tái)在震前6 個(gè)月的2015年10月10日，數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比達(dá)3.9，超出3.5 的異常閾值，而其他測點(diǎn)均低于閾值，2016年4月7日原平發(fā)生M4.2 地震，震中距離異常測點(diǎn)約20 km，異常指標(biāo)與其后發(fā)震時(shí)間、地點(diǎn)基本吻合。另外，2015年12月23日各測點(diǎn)均超出臨界閥值，數(shù)據(jù)變化較大，而在23日前后幾天測點(diǎn)周邊存在磁干擾，不作異常考慮。圖3 為各測點(diǎn)2015年8月—2016年9月磁Z分量數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比曲線。

3.3 極化值法

震例總結(jié)表明，極化值方法提取的異常一般為震前2 個(gè)月[7，15]。圖4 給出了各地磁測點(diǎn)極化值的時(shí)間序列。本文把3 倍均方差作為閾值，從圖4 中可以看出，2016年1月中旬震前2 個(gè)多月時(shí)間，各測點(diǎn)均出現(xiàn)高于極化閾值的異常變化，1月底除繁峙測點(diǎn)外，其他測點(diǎn)均出現(xiàn)高于極化閾值的異常變化，而2016年3月初震前1 個(gè)月，只有距離震中最近代縣臺(tái)出現(xiàn)高于極化閾值的異常變化。

圖4 各測點(diǎn)2015年10月—2016年9月極化值變化時(shí)間序列Fig.4 Time series of polarization value changes at each measuring point from October 2015 to September 2016

4 討論

（1）原平M4.2 地震震級雖然不大，且發(fā)生在地磁臺(tái)陣外圍，通過不同數(shù)據(jù)處理方法，發(fā)現(xiàn)臺(tái)陣各測點(diǎn)數(shù)據(jù)不同程度存在有震前的異常變化，距離震中越近測點(diǎn)，異常反應(yīng)越明顯。磁臺(tái)陣數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常比單個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常提高了識(shí)別可信度，所以，在潛在震源區(qū)及周邊開展加密觀測對地震預(yù)測研究有積極意義。

（2）極化值方法提取的異常范圍有限，一般情況下，震級M和震中距Δ應(yīng)滿足0.025Δ≤M-4[15]；地磁垂直Z分量日變化相關(guān)提取M5.0 地震的異常范圍最大半徑約100 km[16]，所以，加密布設(shè)地磁臺(tái)陣可以滿足這種需求，在中強(qiáng)以上地震頻發(fā)區(qū)、潛在震源區(qū)建設(shè)密集型地磁臺(tái)陣是未來震磁預(yù)測預(yù)報(bào)研究的一種形式。

（3）相關(guān)性分析方法受地磁冬季時(shí)間（11月—次年2月）日變幅減小影響，稱冬季無效期；地磁擾動(dòng)造成相關(guān)系數(shù)R減小，勘選臺(tái)陣測點(diǎn)場地磁擾動(dòng)背景噪聲應(yīng)盡可能小，應(yīng)≤1 nT，四周無大型廠礦；而7 級地震異常范圍可達(dá)200 km[16]，故地磁臺(tái)陣選建最大孔徑半徑200 km 為宜。

（4）加卸響應(yīng)比是指地磁場垂直Z分量日變幅的變化，而垂直分量日變幅受季節(jié)影響，即冬季小，夏季高，所以加卸響應(yīng)比“異常”是否受季節(jié)影響還需要進(jìn)一步研究。

（5）地磁場垂直Z分量數(shù)據(jù)攜帶來自地下構(gòu)造活動(dòng)的信息。通過上述方法分析，相關(guān)系數(shù)R和加卸載響應(yīng)比P(Z) 均與地磁場垂直Z分量有關(guān)，前者與采樣日相關(guān)，而后者是在日變幅基礎(chǔ)上再計(jì)算分析；極化值方法是地磁場垂直Z分量與H水平分量譜比值。無論哪種分析方法都會(huì)存在一定的局限性，因此，對磁數(shù)據(jù)出現(xiàn)“異?！钡姆治雠卸?，應(yīng)采取多測點(diǎn)、多分析方法并結(jié)合其他學(xué)科（電磁、形變、流體）綜合分析判定，才會(huì)更接近真相，更具有說服力。