F子夜均值逐日差空間異常變化與地震的關系研究*

張素琴，胡秀娟，何宇飛，楊冬梅

0 引言

地震電磁現象的研究一直備受關注，國內外大量學者進行了這方面的探索 (Hayakawa，Fujinawa，1994;Pulinets，1998;Molchanov，Hayakawa，1998;Hayakawa，1999;Freund，2000)。Yen 等(2004)研究發現在集集地震前的一個多月的時間地磁總強度發生了明顯的波動，Chen等 (2004)研究發現F總強度的零等變線通常出現在MS≥6.0地震發生之前的2年內。Zeng等 (2001)研究了大量的地震實例發現，80%以上的地震發生在地磁零等變線出現后的9個月至2.5年的期間內。

震磁關系研究很重要的一點是要從復雜的地磁活動背景中提取出與地震活動有關的信息，因此研究人員通常會選擇地磁場擾動比較小的時段的數據來進行震磁關系研究，子夜期間的數據就是一個不錯的選擇。子夜時間，臺站處在地球的背日面電離層電流體系極其微弱幾乎可以忽略不計。地磁場模型的建立通常也多選擇地球夜晚一側的資料，即磁地方時18時以后到凌晨6時之前的數據作為基礎數據 (白春華等，2008)。例如，綜合磁場模型CM4部分基礎資料來自超過500 000個地面臺站數據，由1960年至2002年6月期間每個月最平靜的幾天凌晨1:00的觀測值 (時均值)組成 (Sabaka et al.，2004)。根據國際地磁與高空物理學協會 (International Association of Geomagnetism and Aeronomy，簡稱IAGA)的建議，在中低緯地區，臺站地方時0:00～3:00期間的地磁場相對比較平靜 (Newitt et al.，1996)。Hattori等(2004)曾利用Matsushiro臺站當地午夜時間 (0:00～4:00)地磁觀測數據研究了Iwateken Nairiku Hokubu地震前 ULF的異常現象。張建國等(2009)利用中國地磁臺網的地磁子夜均值數據研究了子夜均值逐日動態演化特征與汶川大地震的關系。

本文擬采用2010～2014年我國地磁臺網100多個臺站的F總強度子夜均值逐日差 (Daily Variations of Geomagnetic Total Field at Local Midnight，簡稱DVFLM)資料研究地磁異常現象與地震之間的關系。

1 資料的選取和計算

中國地震局“十五”數字化建設和改造完成以后，我國地磁臺網近實時F總強度絕對連續觀測儀器大幅增加，為研究工作提供了大量的數據資料，國家地磁臺網中心的觀測數據質量4級質量審核評價體系也為觀測數據的應用提供了質量保障 (王建軍等，2010)。

首先，篩選出經臺網中心審核認為數據質量不存在問題的F預處理分鐘值數據，經過世界時—地方時轉化，計算出每個選中臺站的地方時0:00～3:00的平均值，稱之為子夜均值，這種數據也是地球主磁場及地殼磁場研究中常用的數據(Schulz，Beblo，1984)。通過求取地方時0:00～3:00時期間的平均值，自然避開了電離層電流體系和大部分磁層電流體系的影響，可以認為子夜均值只包含了以下因素:(1)主磁場;(2)地殼磁場;(3)受磁尾電流體系影響的磁場;(4)可能的與地震有關的異常變化。其中，主磁場變化緩慢，在逐日差分析中可以忽略其影響;地殼磁場，除地質構造活動外無變化;磁尾電流體系距地球表面數千千米，可以認為其對夜間地磁總強度變化的控制是大尺度的;剩余的小尺度但有多個臺站支持的異常變化，我們暫且認為其反映的是與地震有關的地殼磁場的變化。

然后，利用計算得到的同一個臺站當天F子夜均值數據減去前一天的子夜均值數據，得到該臺站F子夜均值的逐日差。

最后，利用各個臺站F子夜均值的逐日差數據繪制全臺網的逐日差空間分布圖，以點圖的形式表現，圖1中各點所在的位置即為每個臺站的位置，逐日差為正值用紅點表示，逐日差為負值用藍色表示，并且用點的大小來表示逐日差絕對值的大小，無點但有臺站名稱則說明該天此臺數據質量不可靠，未參與計算繪圖。

2 數據分析

逐天對比分析了2010年1月1日至2014年4月30日的1 580幅地磁總強度F夜均值逐日差的空間分布圖，發現其空間分布圖主要有2種表現形式:(1)正常有規律的變化;(2)不符合通常規律的變化。

2.1 正常有規律的變化

通常情況下，F夜均值逐日差的空間分布呈現規律的趨勢性變化，基本表現為以下幾種形態(圖1);逐日差值由東南向西北地區逐步增大或減小 (圖1a，b);逐日差值由南部向北部地區逐步增大或減小 (圖1c，d);逐日差值由西南向東北地區逐步增大或減小 (圖1e，f);逐日差值由東部向西部地區逐步增大或減小 (圖1g，h)。

2.2 不符合通常規律的變化

2010年1月1日～2014年4月30日，不符合上述一般規律的圖像共24幅。主要變化特點為:不按某方向單調增大或減小、變化尺度較大、跨越多個地區，此類異常變化可能與磁尾電流體系有關，有待進一步研究;小區域內，異于其周圍大趨勢的增減變化的共18幅，根據前面資料的選取分析，剩余的小尺度但有多個臺站支持的異常變化，暫認為其反映的是與地震有關的地殼磁場的變化，可能與區域性的地下介質變化有關，因此筆者嘗試將小區域性的變化與地震事件聯系起來分析。

首先逐一分析小區域異常的具體區域范圍及出現異常的具體日期，然后篩查了異常之后區域內所發生的4級以上的地震事件。我國的西北地區新疆、西藏、青海等屬于地震多發區，但由于氣候、交通、生活等方面的局限性，這些地區地磁臺站相當稀疏，從F逐日差的空間分布圖上可以明顯看到，新疆只有5個臺站，西藏只有2個臺站，青海有5個臺站，且新疆、西藏的臺站基本都位于西北部的邊界附近，新疆東南、青海西部、西藏北部的大面積區域臺站空缺，雖然可以用空間插值的方式大致預測地磁場的走勢，但無法準確判斷該處地磁場的實際變化趨勢，尤其用來研究地震異常信息不太可靠，因此本文未對新疆、西藏的地震進行對應分析。表1給出了18次小區域異常信息的具體日期和區域范圍，同時列出了異常出現一段時間后該區域出現地震的詳細信息。從列表中可以看出，有16次小區域異常出現后的幾天到半年內在該區域都有4級以上地震發生。2014年2月10日及2月21日在山西、寧夏、內蒙臨河接鄰區域出現的小區域異常，截至4月30日在該范圍內未有4級以上地震發生，需要后續進一步觀察。

受篇幅限制，本文只給出幾次典型的地磁異常變化特征圖件。

表1 地磁異常與地震的對應關系Tab.1 Geomagnetic anomaly corresponding to the earthquake

第一個事件是2010年4月14日玉樹MS7.1地震及其5月29日MS5.7余震前的F子夜均值逐日差異常 (圖2)。圖2a中，2010年1月15日，也就是玉樹震前3個月，青海及甘肅西部較周邊區域F子夜均值逐日差有顯著下降。當日磁情平靜，最大Kp指數為2+，最小Dst指數為－12。圖2b中，2010年5月29日玉樹MS5.7余震震前26天的5月3日，青海地區F子夜均值逐日差變化在周邊都上升時繼續下降。當日磁情中等擾動，最大Kp指數為5，最小Dst指數為－53。

第二個事件是發生在2011年9月10日的江西省九江市瑞昌市、湖北省黃石市陽新縣交界地區的MS4.6地震，在震前2個月的7月5日震中西北向出現小范圍的F子夜均值逐日差下降異常，當日磁情較平靜，最大Kp指數為4+，最小Dst指數為－50。緊接著在7月10日該地區又出現了更大幅度的小范圍下降異常，當日磁情較平靜，最大Kp指數為3+，最小Dst指數為－22，異常情況如圖3所示。

第三個事件是2012年7月20日江蘇省揚州市高郵市、寶應縣交界4.9級地震，震前18天6月12日，F子夜均值逐日差在山東—江蘇交界區域出現了異于正常規律的小范圍負異常變化，當日磁情較平靜，當天最大Kp指數為3+，最小Dst指數為－51，異常情況如圖4所示。

第四次事件是2013年11月22日吉林省松原市乾安縣與前郭爾羅斯蒙古族自治縣交界發生的MS5.3地震，震前的7月9日，F子夜均值逐日差空間在東北小片地區出現了異于正常規律的負異常變化，當時磁情平靜，當天最大Kp指數為3+，最小Dst指數為0，異常情況見圖5。

3 結論與討論

逐天分析2010年1月1日到2014年4月30日我國地磁臺網100多個地磁臺站的F子夜均值逐日差空間分布，在16次地震前發現其空間分布存在小區域異常，最新的在2014年2月10日及2月21日出現的小區域異常是否預示著半年內該區域有4級以上地震發生有待后續驗證。16次震例中，除2010年4月14日青海玉樹MS7.1地震外，其余15個震例均為4、5級地震，其中4～5級地震為13個，占所有震例的80%以上，也就是說從目前的分析來看F子夜均值逐日差空間分布異常與4～5級地震有很好的對應關系。

目前的分析側重于定性的對F子夜均值逐日差的空間分布趨勢的判定，下一步需要積累更多的地磁資料和震例資料進行分析，希望將異常的識別定量化，深入分析異常范圍大小、異常量的大小與地震震級、深度等的關系。本文只是給出了F子夜均值逐日差空間分布小區域異常變化與地震活動的一些初步分析結果，關于這種現象產生的物理機制目前還沒有很好的解釋，Chen等(2004)認為地殼電導率，以及地下、電離層電流體系是產生這一現象的重要原因。這也是我們有待于進一步深入努力研究的重要方向。

受到地磁臺站分布稀疏、空間分布不均勻等因素影響，西北部地區新疆、青海、西藏的地磁臺站監測能力總體偏低;中西部的云南、四川以及東北部的內蒙、吉林地區地磁臺站相對中、東部地區不足，監測能力偏弱。這些地區都是未來需要進一步增加地磁臺站數量，優化臺網布局的重要區域。

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