遼寧省海城M4.4地震地磁異常ΔF的觀測與分析

劉永強，李 偉，李東春

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

近年來的震例總結說明[1]，與地震有關的磁異常現象，特別是短周期異常，其空間分布范圍不僅局限于震源區，震中附近磁異常與震中鄰區的磁異常并存的現象已經是客觀事實。地震的發生主要受構造運動控制，構造運動產生各種磁效應或磁異常，通常會疊加在地磁正常背景場之上，使地磁場產生變化。在一個地震的孕育過程中，地震前后，除了在震中及構造邊緣出現地下介質特性變化、應力變化外，地磁場特性也發生變化。這種變化以通過地震前兆異常的形式表現出來，所以在區域應力場特別是在構造邊緣及特殊構造部位，也會直接或間接地產生與地震相關的磁異常現象。

根據地震前兆研究與地震預報工作的需要，我局逐步建成了比較完善的地磁觀測系統，在主要的地震活動區與構造帶附近布設了較為密集的地磁觀測網，以固定臺站連續觀測與流動地磁總場觀測相結合，開展對震磁時空強的探索研究。野外流動監測以地磁場總強度為觀測物理對象，以局部范圍內的異常變化為對象，進而探討磁異常變化與局部區域地震活動性的關系。本文通過2017年12月19日遼寧海城M4.4地震前后流動地磁實測數據結果分析，在研究地磁長趨勢變化和地震中短期地磁前兆異常特征的基礎上，得到了對震磁效應的新認識。

1 區域地震概況及地磁測網布設

1.1 海城M 4.4地震

2017年12月19日02時39分39秒遼寧海城市小偏嶺鎮發生M4.4地震（40.53oN，123.04oE，震源深度10km）。震中位于北西走向的海城河斷裂東南段。海城地震區是活動性很強的NW向全新世斷裂、海城河斷裂與NNE向晚更新世金州斷裂組成的共軛構造區，新構造運動強烈。沿海城河斷裂地震分布極為密集、強度大、頻度高，除1975年M7.3地震外，還發生過多次M5～5.9地震，小震活動十分頻繁，地震呈密集條帶狀和團簇狀分布，區域地震危險水平高。

1.2 流動地磁測量

流動地磁測區經升級改造后于2015年投入使用，共40個地磁測點，點距30km左右，測點基本覆蓋測區內海城河斷裂（F5）、牛居油燕溝斷裂（F2-1）、莊河斷裂（F6）、金州斷裂（F3）等主要構造（圖2）。測量要素為地磁場總強度，測量模式為復測，復測周期為90天。野外和日變站均使用加拿大產GSM-19T磁力儀進行觀測，磁力儀分辨率和精度分布為0.1nT和0.5nT。

2 資料選取與數據處理方法

2.1 每期出測前后儀器比測

儀器比測是指普通測量儀器（被比測儀器）與標準儀器之間的對比測量，以獲取普通測量儀器與標準儀器的測量差異及變化情況。地磁場總強度測量儀器的比測采用“交換同步測量方法”。設標準儀器為儀器1，被比測儀器為儀器2。在人工電磁和自然磁場環境較好的場地設置測量位置A和測量位置B，二者水平距離不大于30m。將儀器1置于主測點，儀器2置于輔助測點。儀器1與儀器2同步進行測量，各讀取三組、每組10個有效觀測數據。每組觀測數據分別求組均值，依次記為F1A-1、F1A-2、F1A-3和 F2B-1、F2B-2、F2B-3。最后求取均值 F1A和F2B。將儀器1置于輔助測點、將儀器2置于主測點。重復以上測量過程，并求取均值F2A和F1B。儀器點位差X、和儀器差Y的計算公式：

計算三組點位差、儀器差的平均值的測量值。

2.2 通化參考數據的選取（日變站觀測）

選用基本地磁臺自設GSM-19t（052#）磁力儀進行地磁總強度的連續觀測分鐘值的測量。

2.3 野外測點數據采集

方法步驟同上（比測），測量結束后填寫《地磁總強度測量記錄表》并進行檢查、復核。并完成野外觀測數據集。

2.4 日變通化零日的選取和零時的計算

通化零時為距實際野外測量時間段最近的磁靜日Q1或Q2。通化零時為日變站所處時區地方時00:00—03:00的平均值。

2.5 日變通化公式

式中，FP0為測點P的地磁測量值經日變通化處理到通化零時的結果數據，FPt為測點P在時間t時的地磁測量值，FSt為在時間t時的日變站觀測數據，FS0為通化參考臺所在時區地方時00:00-03:00的連續觀測分鐘值數據平均值。

2.6 日變通化值均方差計算

判斷地磁觀測數據日變通化處理有效性和可信度的主要指標之一是均方誤差。

均方差計算公式：

其中δ通化為日變通化值均方差，Fi0為某測點第i個經日變通化處理到通化零時的結果數據，n為該測點地磁測量數組數。

2.7 差值計算方法

式中 ，ΔFi為i測點差值 ；ΔFai'為前期差值；ΔFbi'為后期差值；i 為測期第i測點。

2.8 鄰期差值圖和年變差值圖的繪制

鄰期差值圖和年變差值圖的繪制是觀察偏離觀察誤差限度的測點隨空間分布情況。分析測區內ΔFi的空間分布特征，以及ΔFi的空間分布在鄰期和年變化上有何變化。

2.9 測區均方差

測區均方差δ測區是參量在正常情況下的均方差。當異常量a≥(2～3)δ測區時，在排除環境干擾因素和儀器偶然誤差的情況下，應該被認為是地震磁異常。反應了流動地磁在本年度的鄰期差值的變化情況。流動地磁測量就是利用異常量a與系統參量的均方差倍數關系，來預測發震震級。δ測區（均方差）測區均方差計算公式為：

式中， δ測區為測區均方差 ；ΔFai為前期 i測點的地磁總場a期（后期）差值；ΔFbi為本期i測點的地磁總場b期（前期）差值； n 為測區的測點數量。

3 地震前后地磁異常變化特征分析

3.1 地磁異常測點磁環境調查與測點梯度復測

2017年12月5日至7日對異常點的磁環境進行了勘測并對地磁異常點進行了梯度測量。桂云花PLNL015、魏屯PLNL014、張家溝PLNL040測點附近未發現人工電磁干擾源等電磁外界干擾。梯度測量結果滿足中國地震局監測預報司《流動地磁測量基本技術要求》，測點點位差均（樁差）≦0.5nT。

圖1 2017年11月震前流動地磁場總強度鄰期差值變化平面圖Fig.1 The adjacent difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake in November, 2017

3.2 震前地磁異常特征

應用2017年11月流動地震地磁監測的第四期常規復測結果，應用sufer繪圖軟件繪制了遼寧地球物理場流動地磁場總強度的鄰期差值圖及年變差值圖。

魏屯PLNL014出現了較大的磁異常，正變化量高達3.5nT，桂云花PLNL015正變化2.8nT。與其相鄰的張家溝PLNL040測點出現了-2.4nT的負變化。正變化與負變化形成了明顯的磁異常梯度帶，并以張家溝PLNL040測點為中心形成了半徑為20km的低位負異常區（圖1）。本期監測任務完成后，經過資料處理后及時對該異常進行了落實，在排除了測點環境變化及干擾和儀器偶然誤差的前提下，證實了該異常的實際存在。該磁異常區處于海城河斷裂南部，梯度帶（零線）距海城河斷裂30km，異常中心點距海城河斷裂50km。因此，對該異常的跟蹤監測與分析，可以得到相應的震磁信息。從地震前的平面差值圖及震前年變差值圖看，測區自北向南呈現由低向高的正變化趨勢，正變化通過了海城河斷裂后急劇下降至張家溝測點的最大負異常，這種負異常保持了43天后發震。

圖2 2016.11—2017.11震前流動地磁場總強度年變差值變化平面圖Fig.2 The annual difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake from November, 2016 to November, 2017

圖3 1711期震前測區差值異常圖Fig.3 The abnormal curves of the difference value in the surveying area before the earthquake(1711)

3.3 震前測區差值異常量變化特征

圖3中，測區內魏屯PLNL014測點的正異常量超過三倍均方差。桂云花PLNL015測點的正異常量接近三倍均方差。田莊臺PLNL020測點的負異常經落實系環境干擾所致。張家溝PLNL040測點的負異常量超過三倍均方差。其余各測點變化量較小，系正常的地磁活動。

表1 震前測區鄰期差值時序變化表

表1中的數據為2017年度（震前）的整個測區所有測點的差值數據。在表1 中，磁異常變化較大的差值數據是2017年11月測期相對2017年9月測期的差值數據。其中張家溝PLNL40測點的負異常量為-2.4nT，正異常測點為測點魏屯PLNL014的3.5 nT和測點桂云花PLNL015的 2.8nT。該實測差值數據為判定該異常區域及異常量提供了基礎數據。

表2是震后加強觀測后的主要磁異常測點及臨近測點差值時序變化數據。

3.4 地震前后差值變化對比分析

雙嶺PLNL016測點的負變化在增加，表明震前的低位負異常區有向北漂移的跡象，故將持續關注和重視該變化的變化趨勢。其余各測點相對九月測期的變化比較穩定。

震前桂云花PLNL15測點的震前正變化量為2.8nT,震后異常量轉變為0.2 nT，表明桂云花PLNL15測點磁異常基本恢復到震前原有的量級。

表2 震后測區地磁場總強度差值時序變化

魏屯PLNL014測點震前異常量3.5nT,震后異常量為2.6nT，表明魏屯PLNL014測點的磁異常在震后呈現了下降的趨勢。

地震前張家溝PLNL40測點的負異常量為-2.4nT,震后異常量為1.0nT。表明張家溝PLNL40測點震前的負異常在震后已經轉變為正異常。

綜合上述基本變化特征，從區域性異常來看，震后正異常區基本穩定，低位負異常區消失。

測區基準地磁點石門水庫PLNL032下湯池PLNL033地處測區中部平原，磁環境良好。在表中可以看出該地震對基準點也產生了一定量的影響，但總體來看，震前震后的基準點相對穩定。相對九月測期的差值呈現下降的趨勢。

4 結論

（1）地磁場總強度隨時間的變化的地磁異常可以作為地震預報分析方法的一種有效手段。本文根據震前和震后異常區的變化特征和發展趨勢分析，低位負異常區與該地震有著密切的關聯，并認定該異常是19日的海城M4.4地震的前兆因子，也是震磁短周期前兆異常變化的重要表現。震中區域應力場的特殊構造部位已經完成了一次能量釋放后，就現有的變化水平來看，近期地磁活動恢復至平靜期，沒有發震的磁背景，今后將繼續密切關注其變化趨勢。

（2） 通過本次震例反應出流動地磁測點密度不足，特別是構造邊緣和構造特殊部位應加密地磁測點，有助于增大信息量，拓展研究空間，提升流動地磁監測能力，發揮在地震預報中的作用，以滿足利用地磁異常預判地震三要素的需要。

（3）流動地震地磁監測是地震預報的前兆預測重要手段之一，彌補了由于臺站數量不足的缺陷，對區域性磁異常的判定和驗證方法靈活有效。這次成功監測到震前的磁異常信息，是對傳統流動地磁監測的認可和肯定，也證實了傳統流動地磁監測到的短周期異常變化在地震預報中的作用和重要意義。