地磁加卸載響應比異常與東北地區中強地震關系探討

周安聘，吳建霆，張環曦，紀春玲，李 鳳，牛淑瑜

（1.河北省地震局石家莊中心臺，河北 石家莊 050021；2.遼陽地震臺，遼寧 遼陽 111002）

地磁加卸載響應比異常與東北地區中強地震關系探討

周安聘1，吳建霆2，張環曦1，紀春玲1，李 鳳1，牛淑瑜1

（1.河北省地震局石家莊中心臺，河北 石家莊 050021；2.遼陽地震臺，遼寧 遼陽 111002）

采用東北地區所有觀測臺站地磁垂直分量日變幅資料進行加卸載響應比方法的研究，選取資料范圍為（35o～55oN；115o～135oE）；選取資料時段為2010—2014年,分析了東北地區M≥4.5地震前加卸載響應比高值異常特征,結果顯示，加卸載響應比異常高值的出現對東北地區未來半年發生M≥4.5以上地震有一定的指示意義，尤其是M≥5.0地震，對應效果更為顯著。

加卸載響應比；垂直分量；異常特征

0 引言

地震的孕育和發生是一個非常復雜的過程，由于影響因素較多，伴隨這一過程產生的異?，F象也就更加復雜。地震預報的最終目的是通過研究和地震孕育、發生過程有關的各種前兆現象，對地震進行科學預報。利用地磁異常變化與地震關系的探討，是地震預報的一種行之有效的途徑。對變化磁場在地球內部的電磁感應現象的分析，是研究地球內部電性結構及其變化過程的一種好方法。

尹祥礎（1991）[1]提出了測震學的加卸載響應比理論，加卸載響應比是一種刻畫震源區介質損傷程度的物理學參數,它通過隨時間的變化來反映地震孕育的過程進行地震預測。宋治平等（1996）[2]已經將其理論應用在地震活動性預測地震中，有較好的效果，此方法在形變、地下水位、重力等參量方面的應用中也得到了較好的應用效果。曾小蘋（1997）[3]將該方法應用到我國的華北和西南兩個地震活動比較頻繁的地區進行了內檢，發現在中等強度以上地震前的10個月內都出現了較好的響應比P0（Z）值異?，F象。馮志生（2000）等[4]應用地磁加卸載響應比方法，探討了1983年至1997年江蘇地區加卸載響應比異常及其與M4.6以上地震之間的關系，總結了江蘇地區地磁異常特征；溫少妍（2016）[5]通過對1990—1999年新疆地區部分中強地震前加卸載響應比時空演化特征進行分析,并基于該理論得到孕震積分的概念應用于震例中。

1 資料選取

2007年中國地震局實施“十五”數字化改造項目，東北地區四個省份分別對本省的地磁臺網進行了改造，均新增了質子旋進式磁力儀（FHD-2型）進行觀測，觀測臺網建成之初，各臺站經常出現各種干擾，包括環境干擾，儀器故障干擾等問題，隨著時間的推移，儀器運行慢慢穩定下來，2010年開始觀測質量良好，數據可用性高。

本研究選取東北地區四個省份（黑龍江省、吉林省、遼寧省及內蒙古自治區東部地區）共11個數字化地磁臺站的觀測數據進行分析計算，以東北地區M≥4.5的中強地震作為研究震例。觀測期間共發生M4.5～4.9地震1次，M5.0～6.0地震7次（其中2013年吉林松原5次M≥5.0地震為一組震群）。東北地區地磁臺站和地震震中分布如圖1所示。

圖1 東北地區地磁臺站及震中位置圖Fig.1 Location map of geomagnetic station and epicenter in Northeast China

2 方法和原理

隨著方法的拓展和發展，由尹祥礎[1]提出的測震學加卸載響應比方法開始向地磁學學科滲透。太陽主要以兩種形式對地球磁場產生影響，分別為紫外線輻射和粒子流輻射影響，導致變化磁場的形成，太陽靜日變化Sq和磁暴D場是其中兩種最主要的地磁場變化。從加載和卸載的觀點看，太陽輻射對地球每天進行一次加載和卸載過程，是地球自轉的緣故。在地磁上反映出來就是太陽靜日變化Sq。高速等離子體離子流是太陽向星際空間輻射的結果，也就是太陽風形成的原因，其速度為200～400km/s至800～1000km/s左右，磁暴現象就是太陽暴風的地磁效應，其發生范圍就是整個地球。前人曾經統計，得到大約56天太陽高速等離子體離子流便會對地球進行一次加載和卸載，結果使地球的磁場產生擾動。地磁場垂直分量相比于其他分量與地下介質的關系更密切，故取Z分量作為計算DS（Z）的加卸載響應比值P（Z參量）。P（Z）=DS（Z）+/DS（Z）-，其中DS（Z）為Z分量地磁擾動場的日變幅，下角標“+”表示加載，“-”表示卸載。

圖2 東北地磁臺站Z分量加卸載響應比變化逐日曲線（P0（Z） = 3.5）Fig.2 Variation ofZcomponent loading and unloading response ratio at the Northeast Geomagnetic Station （P0（Z） =3.5）

3 異常特征分析

3.1 異常判定標準分析

從圖2可以得到，在對異常進行分析判斷的時候，如何選擇閾值、如何對異常變化的真實性進行分組、如何認定短期內多次異常變化現象等，這些都會對異常跟蹤效果產生影響，會出現虛報、漏報等情況。所以，可以對閾值進行嘗試，對多個某一時段內同時出現異常高值分組，根據本研究區域實際，總結適合于區的異常特征指標：（1）必須要出現2個及2個以上觀測臺站同時滿足P（Z）≥P0（Z），這樣的話，就可以排除掉觀測臺站自身可能出現的故障而造成的異常變化；（2）獲得了本研究區M4.5以上地震對應的加卸載響應比值閾值為P0（Z）=3.5；（3）如果異常與異常之間出現的時間差不超過6個月，就把這兩個異常看作是同一組異常[5]。從圖2可以看出，所有臺站閾值P（Z）都在1.0～2.0之間波動。異常判別的時候，關鍵是選取合適的閾值。經過多次反復嘗試發現，在震前有較好對應的關系數值為P（Z）≥3.5，各種映震指標分別為對應率72%、虛報率28%，所以我們將閾值P0（Z）=3.5作為判斷標準，只要P（Z）≥3.5，我們就將其作為異常判定指標，對東北地區發生的M≥4.5地震的發生進行跟蹤，結果發現在選取的時段內出現了7組異常（注：1次異常出現后在6個月內出現多次異常的為1組，異常事件以第一次異常出現的時間為準），其中較好地對應地震次數為4次，虛報次數為2次，見表2。表明加卸載響應比異常信度還是較高的（有效時段共有4組，共8個地震）。根據上述異常判定標準，在有效時間段內出現的異常變化及對應的地震情況如表1所示。

表1 東北地區數字化地磁Z分量加卸載響應比異常與M4.5以上地震對應關系

3.2 時間特征分析

在表1異常統計的提前時間可以發現，在報對的4組地震中，都發生在首次異常出現后的6個月內，其中，異常提前時間最早為五大連池4.7級地震，異常出現提前時間為6個月，為莫力達瓦M5.0地震前，異常出現時間為3.5個月，最短異常提前出現時間為吉林松原5個M5.0震群前，異常出現最短，時間為28天，地震發生前，震中周圍出現了多種流體和電磁測項的異常，而且經過統計得到，各測項異常參數都是歷史的最大值。綜合分析得到，本研究區異常出現后6個月內發生M4.5以上地震的可能性比較高。

3.3 異常幅度特征分析

表1中可以看到，在五大連池M4.7地震前，震中距離最近的兩個臺站為滿洲里臺和德都臺，異常幅度為6.91和5.88，其異常幅度最大，但異常量與震中距成反比，震中距越大，異常量越減小，營口、大連和錫林浩特臺甚至沒有出現異?，F象；同樣情況，在內蒙古莫力達瓦M5.0地震前同樣發現這種規律，滿洲里和德都臺震中距最近，其異常幅度最大，分別為6.44和5.17，其他觀測臺站則隨震中距越大，異常量越??；吉林松原M≥5.0震群發生前同樣也是如此，通化臺站異常量最大為8.2。上述預報正確的4個震例里，距離最遠的臺站分別為大連臺、滿洲里臺、大連臺、錫林浩特臺，震中距分別為931km、1003km、1243km、706km，震前該四個臺站都沒有出現顯著異常。最后得出結論，假若地磁臺站與震中超過一定距離的時候，準同步的高值異常將不會出現。

4 內檢效能評價

丁鑒海（1994）[6]提出了對預測效能進行內在估計的內檢公式。2010年1月至2014年9月期間，東北地區共發生M4.5級以上地震8次，其中8次報對，2次虛報，0次漏報，見表1。通過下面的公式進行效能估計。

其中總的預報時間段為57個月，預報所占用的時間段為13.7個月。

通過計算可知，自2010年1月至2014年9月期間，東北地區數字化資料應用地磁日變化幅度地磁加卸載響應比方法的內檢預報效能R約為0.75?？梢钥闯鰱|北地區應用家卸載響應比法預報M≥4.5以上地震效能非常高。

5 結論

（1）東北四省的地磁臺站多位于松遼盆地邊緣，這些地帶處正地磁梯度轉換帶上，屬于構造較為敏感地區。因此，中等強度地震前多數震中距為500km左右的臺站易于出現地磁場異常，最大的可能就是孕震體孕震過程中地球介質深部電阻率出現了下降變化[8]或者外空磁場發生了變化[9]。東北地區屬少震、弱震區，但從2010年以來發生了多個M4.5級左右的中強地震，由表1可以看出，地磁異常現象是客觀存在的，M≥4.5級地震前地磁場異?，F象出現的概率為75%。

（2）對震例進行總結，東北地區日變幅在正常情況下P（Z）值在1.0～2.0之間波動，P0（Z）=3.5作為異常判定指標，同時至少有2個及以上臺站同時滿足該閾值會有較高的對應率，雖然有一定的虛報率，但這可以作為東北地區地磁加卸載響應比異常判定指標。

（3）對時間特征進行分析，發現如果一組異常的第一次異常出現日開始計算，東北地區六個月以內有M4.5地震發生的可能性。

（4）從空間和異常強度指標上看，距離震中較近的臺站異常量較大，異常量隨著震中距的增大逐漸變小，超過一定距離便會消失，這符合“大多數異常高值區與震中較吻合”的規律[7,9]。

（5）在研究時段內，東北地區共發生M4.5以上震例4組（8個），異常指標共出現6組，4組異常對應4組地震，2組異常屬于虛報，其內檢預報效能R為0.75，有效性較高。

[1] 尹祥礎, 尹燦. 非線形系統的失穩前兆與地震預測[J].中國科學（B輯），1991，5（5）: 512-518.

[2] 宋治平.加卸載響應比與其他地震前兆時空演化研究及其應用[M].國家地震局地球物理研究所，1966（10）：18-19.

[3] 曾小蘋, 林云芳, 續春榮, 等. 地磁方法預報災害[M]. 紐約: 聯合國開發計劃署，1997: 26-35.

[4] 馮志生, 林云芳, 王建宇，等. 江蘇地磁加卸載響應比的異常標志體系[J]. 地震，2000，20（2）: 61-68.

[5] 溫少妍, 唐蘭蘭, 劉月，等. 新疆中強地震前加卸載響應比時空演化特征分析與檢驗[J]. 地震工程學報, 2016,38|（1）， 65-70.

[6] 丁鑒海，盧振業，黃雪香.地震地磁學[M].地震出版社，1944.

[7] 張建國, 閆俊崗, 王靜, 等. 地磁加卸載響應比方法在地震預報中的應用[J]. 大地測量與地球動力學, 2008, 28（2）: 45-50.

[8] 徐常芳. 地殼內高導層成因高溫高壓下及電阻率(二)[J]. 地震學報，1996，18（3）: 352-357.

[9] 馮志生, 王建宇, 梅衛蘋, 等. 江蘇地區地磁Z21測值空間相關異常及其標志體系[J]. 地震地磁觀測與研究,2000，21（1）: 44-49.

Abstract:The relation between high anomalies of Z component of geomagnetism at seismological stations in Heilongjiang province and its neighbouring area for earthquake ofM≥4.5 from 2010 to 2014.The results show that the anomaly high value of response ratio has certain instruction significance to impending of earthquake withM≥4.5 in short term in Yunnan area,especially the impending of earthquake withM≥5.0.

Key words:loading and unloading response ratio；vertical component；abnormal characteristics of geomagnetism

Discussion on the Relationship Between Geomagnetic LURR Anomaly and Strong Earthquakes in Northeast China

ZHOU An-pin1, WU Jian-ting2, ZHANG Huan-xi1, JI Chun-ling1, LI Feng1, NIU Shu-yu1
（1. Shijiazhuang Central Station of Hebei Seismological Bureau，Hebei Shijiazhuang 050021，China ;2. Liaoyang Seismic Station，Liaoning Liaoyang 111002，China )

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.005

1674-8565（2017）03-0028-05

2017-03-28

2017-06-14

周安聘（1984-），男，河北省邢臺市人，畢業于防災科技學院，本科，助理工程師，現主要從事地震前兆臺網管理方面的工作。E-mail: 568950612@qq.com