甘肅岷縣、漳縣6.6級地震地磁垂直分量日變化空間相關特征

戴 勇，高立新，趙 星，格 根

（內蒙古自治區地震局，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

北京時間2013年7月22日7時45分，甘肅省定西市岷縣、漳縣交界（34.5oN，104.2oE）發生6.6級地震，震源深度為20km。這次地震發生在新構造活動強烈的青藏塊體東北緣的甘肅東南部（簡稱甘東南）地區，區內存在多組活動斷裂、地震活動頻繁，是我國主要的地震區之一[1-4]。在該地震之前位于南北地震帶（簡稱研究區）的地磁臺站出現較為顯著的異常變化，本文將著重采用地磁垂直分量日變化空間相關方法提取上述異常變化，并深入研究其時空特征。

地震地磁異常可導致地磁日變化形態畸變，這種畸變將導致日變化相關系數下降，基于這種思路，地震學者提出了地磁垂直分量日變化空間相關方法提取異常[5,6]。林美等[7]對1976—1979年云南省地磁臺站的垂直分量每日整點值進行相關分析處理，這是我國地震學者最早采用地磁日變化空間相關方法處理地磁數據并提取異常的文獻記載。馮志生等[5]應用江蘇地磁臺站垂直分量分量整點值資料，研究了江蘇地區垂直分量分量整點值的相關性及在江蘇地區地震預報中的作用，給出了該法在江蘇地區的異常判據指標，即連續3日或者3日以上相關系數低于，且相鄰臺站也有類似變化，即視為異常，并應用該指標提取了1990—1997年的三個異常，其中兩個異常有地震對應；另外發現在中高緯度地區每年的11月初至次年2月底，地磁垂直分量日變化相關性低，無法提取該時段前兆異常。馮志生等[6]應用 FHD 磁力儀垂直分量分鐘值觀測資料，初步分析了地震之前的日變化空間相關性異常，在該文獻中首次采用延時技術消除了臺站經度不一致造成的日變化相位差異對相關運算的影響，同時總結出1995年9月20日山東蒼山5.3級、1996年11月9日南黃海6.1級等典型震例。在馮志生研究員針對地磁數字化資料特征開發了相關程序并在算法上進行了開拓性創新之后，張秀霞等[8]、王亞麗等[9]、邱桂蘭等[10]采用地磁數字化觀測資料相繼在江蘇、青海、四川等地區開展了日變化空間相關研究，在資料運用、技術方法、震例總結、指標建立等方面都取得了一定的成果，并積累了一批可貴的震例資料。地磁垂直分量日變化空間方法在地震預測中有較好的應用價值，但震例仍較少，本文主要對2013年岷縣、漳縣6.6級地震垂直分量日變化空間相關變化特征進行研究和總結，這是對空間方法的有效檢驗，同時所得震例也是對相關方法震例庫的有效補充。

1 分析方法與資料選取

1.1 方法原理及主要算法

（1）地磁日變化空間相關分析方法[6]：

設A、B兩臺地磁場垂直分量為ZA、ZB，它們線性相關，即：

（2）當兩個臺站經度差相約在10o以內時可直接計算其相關系數，但當經度差更大時，計算前需將經度小的臺站日變化曲線向后延時[6]，以便相位的一致，此時僅能采用分鐘值的日變化曲線，而整點值數據因采樣間隔太大無法采用延時技術進行修正。可用兩種方法確定延時量，第一個是根據兩個臺站的經度差按每經度4分鐘計算理論上的延時量；第二個是通過對比不同延時量的相關性，按相關性最佳確定延時量。兩者的結果不完全相同，一般而言，后一方法確定的延時量誤差較大，因為兩個臺站的空間相關性不但與所取觀測時段有關，還與所取觀測時段的長短及觀測環境和觀測場地構造有關，一般來說延時量應與理論值較接近。

（3）地磁日變化空間相關方法計算所得結果噪聲較大，在此采用滑動平均方法對空間相關系數結果進行濾波，其中，窗長為9天，步長為1天。

1.2 資料選取

我國目前臺站的磁通門磁力儀、FHD質子矢量磁力儀、dIdD懸掛式磁力儀（Suspended dIdD）等儀器的地磁垂直分量日變化曲線都可用于分析，為方便延時處理一般應采用分鐘值進行分析，因有世界時與北京時區別，準備資料時需注意時間統一。雖然地磁觀測有絕對觀測與相對觀測之分，但無論是絕對觀測還是相對觀測都可用于該方法分析。

本研究首先處理了位于南北地震帶（22o～42oN，94o～115oE）73個臺站地磁垂直分量數據。南北地震帶內有19個地磁臺站數據觀測質量欠佳或者長期缺數等，具體為臨汾、盧氏、當陽、韶關、天水、黃羊、紅沙、松山、古豐、蘆陽、西寧、大武、西昌、衛城、石門坎、會理、永勝、楚雄、德令哈，另外紅山臺作為參考臺，上述臺站不參與分析。根據數據結果連續性、穩定性等，最終選取了51個臺站作為地磁日變化空間相關時空分析的計算臺站（圖1）。

圖1 南北地震帶地磁臺站分布及岷縣、漳縣6.6級地震震中分布圖Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in northsouth seismic zone and the epicenter of Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake

2 地磁垂直分量日變化空間相關異常特征

2.1 時序特征

（1）為確定該地磁垂直分量日變化空間相關系數時間序列曲線變化的背景值和異常判定的閾值，計算了沒有異常且其間研究區內未發生顯著地震的時間段內的相關系數平均值和R-2δ，本震例中，均值、閾值計算時間段為2013年5月1日至6月20日，主要結果見表1。

表1 南北地震帶地磁垂直分量日變化空間相關異常參數

曲線名稱（計算臺-參考臺）臺間距（km）震中距（km） 背景值 閾值 異常時段超閾值天數（天） 變化幅度（%）石柱-新沂 1048 617 0.95 0.94 13 -2.90238通海-新沂 1896 1169 0.91 0.88 15 -13.279太原-新沂 644 822 0.95 0.92 9 -5.47698桃源-新沂 900 933 0.95 0.92 6 -4.41428巫山-新沂 884 655 0.96 0.95 11 -3.18392烏加河-新沂 1187 764 0.92 0.87 2 -6.49843萬州-新沂 1015 579 0.94 0.88 0 -1.83398仙女山-新沂 1138 650 0.95 0.93 11 -3.43506浚縣-新沂 388 925 0.97 0.95 7 -3.29789信陽-新沂 479 949 0.97 0.96 4 -1.68012銀川-新沂 1172 478 0.92 0.89 4 -4.07429英鴿-新沂 1385 280 0.92 0.87 6 -9.31752榆林-新沂 892 643 0.93 0.89 0 -3.40442邕寧-新沂 1614 1373 0.94 0.91 14 -8.16323肇慶-新沂 1395 1514 0.94 0.92 14 -6.74609中衛-新沂 1226 355 0.92 0.87 0 -4.76522鐘祥-新沂 640 879 0.96 0.94 0 -1.5055邵陽-新沂 1039 1068 0.95 0.93 9 -4.28789成都-紅山 1237 406 0.93 0.90 10 -8.31162察隅-紅山 1872 913 0.88 0.81 10 -23.6886道孚-紅山 1436 489 0.92 0.89 12 -10.9614丹江-紅山 615 711 0.95 0.92 0 -1.40817都蘭-紅山 1481 587 0.91 0.87 8 -7.30938定襄-紅山 164 876 0.99 0.98 0 -0.53644大同-紅山 323 1009 0.97 0.95 0 -0.69383恩施-紅山 925 686 0.94 0.90 0 -2.80963奉節-紅山 879 650 0.94 0.90 0 -2.76347涪陵-紅山 1085 615 0.93 0.90 5 -4.72353廣平-紅山 107 999 0.99 0.99 0 0.10452格爾木-紅山 1763 870 0.92 0.88 10 -11.6793固原-紅山 777 238 0.95 0.93 1 -2.14858貴陽-紅山 1409 912 0.89 0.84 8 -12.3777河池-紅山 1550 1157 0.91 0.87 11 -22.4985橫梁-紅山 1037 294 0.93 0.89 1 -3.98996呼和浩特-紅山 453 910 0.97 0.95 7 -2.65767湟源-紅山 1201 360 0.92 0.88 4 -4.86708漢中-紅山 784 270 0.95 0.92 0 -0.5921乾陵-紅山 662 368 0.96 0.94 5 -2.57229周至-紅山 703 358 0.94 0.92 9 -5.43623涇陽-紅山 613 416 0.96 0.94 2 -2.13512九峰-紅山 767 1063 0.94 0.90 0 -3.03567嘉峪關-紅山 1455 790 0.90 0.86 8 -9.53749洛陽-紅山 375 756 0.96 0.92 0 0.5232臨夏-紅山 1041 149 0.93 0.90 8 -5.42678蘭州-紅山 981 177 0.93 0.90 7 -4.77382木里-紅山 1636 786 0.91 0.88 13 -14.4451南山-紅山 1718 921 0.88 0.84 10 -14.4608山丹-紅山 1204 549 0.93 0.90 8 -5.57893寺灘-紅山 958 300 0.93 0.90 8 -5.27355涉縣-紅山 132 884 0.99 0.99 9 -0.47172十堰-紅山 645 640 0.95 0.92 0 -1.76178石柱-紅山 987 617 0.94 0.90 0 -3.67377通海-紅山 1864 1169 0.89 0.84 12 -15.9738太原-紅山 198 822 0.99 0.98 9 -5.79944桃源-紅山 998 933 0.92 0.87 0 -4.14432巫山-紅山 838 655 0.94 0.90 0 -3.29868烏加河-紅山 721 764 0.95 0.93 3 -3.15813

注：①臺間距指的是計算臺與參考臺之間距離；②震中距指的是甘肅岷縣6.6級地震震中與地磁臺站距離

（2）圖2、圖3顯示的是2013年1月開始至10月31日南北地震帶部分地磁垂直分量日變化空間相關系數曲線。6月23日至7月19日位于南北地震帶的成都、察隅、道孚、都蘭、格爾木、貴陽、河池、周至、臨夏、蘭州、木里、南山、通海、太原、浚縣、英鴿、邕寧、肇慶等地磁臺站與新沂、紅山之間相關系數曲線出現準同步的下降變化。異常期間，存在一個完整的“下降—轉折—回升”變化，其起始時間為6月23日，結束時間為7月19日，轉折時間為7月5日，具體異常參數如表1所示。距上述異常結束1個月內，研究區內發生岷縣、漳縣6.6級地震。

（3）以新沂、紅山作為參考臺的地磁垂直分量日變化空間相關異常超閾值天數均在2天至15天，6天以上的比例分別為76%、83%。

（4）由于每年11月至次年2月（圖2、圖3），中低緯度地區地磁垂直分量日變形態較弱、信噪比低等，其空間相關系數較差，相關系數曲線波動變化往往淹沒了異常變化，因此在采用地磁日變化空間相關方法時，將每年11月至次年2月列為無效時間段，不進行分析。

2.2 空間分布特征

（1）2013年5月1日至6月20日，南北地震帶內計算臺與參考臺之間地磁垂直分量空間相關系數曲線無異常，其間無顯著地震發生。該段期間的相關系數平均值等值線圖顯示的是南北地震帶地磁垂直分量空間相關空間分布背景特征（圖4a、圖5a）。無異常期間，空間相關系數等值線分布總體是依賴于參考臺位置，距離參考臺越遠，系數越小。

圖2 甘肅岷縣、漳縣6.6級地震前地磁垂直分量日變化空間相關系數曲線（參考臺及其數據：新沂FHD-2垂直分量）Fig.2 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of FHD-2 at Xinyi Station）

圖3 甘肅岷縣、漳縣6.6級地震前地磁垂直分量日變化空間相關系數曲線（參考臺及其數據：紅山GM4垂直分量）Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of GM4 at Hongshan Station）

（2）經過去背景和歸一化后的2017年7月5日南北地震帶空間相關系數等值線圖顯示，兩個參考臺的等值線圖中在異常期間均存在高梯度帶，且梯度帶走向一致，不受參考臺位置的影響。另外要說明的是，此梯度帶同時也是異常臺站集中區域邊緣。岷縣6.6級地震震中位于高梯度帶附近。

圖4 地磁垂直分量空間相關等值線圖（背景）Fig.4 Correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation

圖5 2013年7月5日地磁垂直分量空間相關等值線圖（去背景且歸一化）Fig.5 Normalized correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation with background values removed（20130705）

3 結論與討論

（1）在2013年岷縣、漳縣6.6級地震前，參與分析的51個地磁臺站中，成都、察隅、道孚、都蘭、格爾木、貴陽、河池、周至、臨夏、蘭州、木里、南山、通海、太原、浚縣、英鴿、邕寧、肇慶等地磁臺站與新沂、紅山兩個參考臺之間垂直分量日變化相關系數在同時段內均出現形態一致性好且超閾值的下降變化。對異常期間南北地震帶相關性空間掃描發現，經去除背景值和歸一化之后的相關系數等值線圖中出現了有別于背景分布的高梯度帶，岷縣、漳縣6.6級地震震中位于異常臺站集中的區域邊緣。

（2）研究人員在總結了南北地震帶岷縣、漳縣6.6級地震等震例基礎之上，得到南北地震帶地磁垂直分量日變化空間相關異常判定依據，即為：選取研究區外2個或2個以上數據質量好的臺站作為參考臺站，研究區內3個及3個以上臺站與上述參考臺站之間垂直分量相關系數九日滑動值在同時間段內若出現形態一致性好的下降變化，下降幅度超過2倍均方差，異常持續時間達到6天以上，同期位于研究區外的地區未出現類似顯著變化，即可認為此變化為地磁日變化空間相關異常。

（3）馮志生等[6]通過對江蘇地區的觀測資料分析發現在中高緯度地區每年的11月初至次年的2月底之前，地磁Z分量日變化較弱，信噪比低，相關性低，本研究對全國大部分地磁臺站2008年以來地磁垂直分量和總場（限北方地區）數據進行了日變化空間相關計算，所得結論與馮志生等[6]結論一致，該方法是無法提取每年的11月初至次年的2月底地磁異常。

（4）磁暴雖然是全球性劇烈變化，但同步性很好，因此磁暴不會引起相關系數下降。但鉤擾是中低緯度地區的局部性變化，與地震地磁異常等局部性變化一樣，將導致地磁垂直分量日變化相關系數的下降，這可能是相關曲線上時常出現單獨一日相關系數下降現象的原因，分析人員需注意區別。

（5）地磁低點位移[11-12]、加卸載響應比[13]、逐日比[14]、每日一值空間相關[15]與地磁日變化變化空間相關方法等，都是用于提取日變畸變[16-17]，上述四種方法異常特征產生機理是相近的。