兩次4.0級地震前高郵臺和鹽城臺地磁諧波振幅比異常分析

李鴻宇 王維 袁桂平

江蘇省地震局，南京市衛崗3號 210014

0 引言

巖石破裂實驗表明，巖石電導率與應力應變關系密切（郝錦綺等，1989）。地震過程是震源體及附近巖體應力應變逐漸積累的過程，伴隨這一過程巖石電阻率將發生變化，尤其是在存有流體的地方，巖石在應力作用下達到其破裂強度的1／3～1／2時會產生大量微裂隙，流體特別是含有電解質的流體會填充到這些裂隙中，巖石電阻率將發生變化。根據電磁感應理論，這種變化將使地表感應磁場分布產生相應的變化（丁鑒海等，1994），因此，研究地表磁場的變化有助于我們了解孕震區地下介質電導率在地震發生前的變化情況。

對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質為均勻各向同性的平面導體的條件下，地磁諧波振幅比與地下介質的電阻率間成正比關系（北京大學等，1986；馮志生等，2004），因此，通過地磁諧波振幅比的時間變化可以直觀地了解地下介質電阻率的變化情況。馮志生等（2004、2009、2013）對不同強度地震前地磁諧波振幅比異常變化特征進行了研究，結果表明地震前地磁諧波振幅比的趨勢性異常表現為下降—轉折—恢復，這也表明地磁諧波振幅比異常與地電阻率趨勢性異常具有相似性。李琪等（2016）通過研究2013年3月3日洱源5.5級地震的地磁諧波振幅比異常認為，地磁諧波振幅比的計算結果與臺站地區地下電性結構吻合。此外，地磁諧波振幅比方法在甘肅、青海及江蘇地區也積累了一些震例（戴勇等，2016；蔣延林等，2016），研究者通過對地磁諧波振幅比異常的總結和分析，進一步驗證了地磁諧波振幅比異常特征與地電阻率異常特征類似的現象。

本文利用江蘇地區地磁臺站2009年以來的地磁分鐘值數據，計算了2012年7月20日高郵4.9級地震和2016年10月20日射陽4.4級地震前后地磁諧波振幅比變化，給出了具體的異常幅度變化數值，分析了諧波振幅比異常的長期變化特征和異常幅度的特征，探討了地磁諧波振幅比異常與地震孕育間的關系。

1 計算方法與資料

1.1 計算方法

其中，Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別為地磁垂直分量、水平分量北向和水平分量東向的頻譜值。對于隨時間周期變化的不均勻場源，在地球介質為均勻各向同性平面導體的條件下，其滿足

地磁諧波振幅比YZHx和YZHy的定義為（馮志生等，2013）

式中，μ為磁導率；σ為電導率；ω為圓周率；k為變化磁場的波數，此處為常量；由式（2）可知，YZHx和YZHy與介質的電阻率呈正比，即當地球介質電阻率下降時，YZHx和YZHy也隨之下降。地磁諧波振幅比異常反映的主要是深部地電阻率異常，不受地表、氣象等因素的影響。已有的震例研究表明，在5～6級地震前后，諧波振幅比異常變化特征與直流地電阻率的變化特征類似，且異常持續時間與震級大小之間存在正相關性（馮志生等，2004、2009、2013）。

1.2 資料選取及處理

江蘇地區共有13個地磁臺站，臺站布設情況如圖1所示。江蘇地區各地磁臺站2002年起陸續開始使用新沂市經緯電子儀器有限公司研制生產的FHD質子矢量磁力儀，其分辨力為0.1nT，采樣間隔為1min，可用于觀測地磁總場F、水平分量H，磁偏角D等。

本文選擇連續觀測性較好的高郵、鹽城、淮安、新沂、連云港、無錫、海安、溧陽和大豐等共9個地磁臺站，分別計算了2009年1月～2016年10月的地磁諧波振幅比。

具體計算過程如下：①選取臺站每天的垂直分量Z、水平分量H和磁偏角D的分鐘值采樣數據，計算Hx和Hy；②將每天數據分成4段（每15min一段），計算5～65min各周期的Z、Hx、Hy等3個分量虛實傅氏譜；③計算5～65min各周期的諧波振幅比，并計算其幅度；④按10min周期為1個頻帶，計算周期分別為10、20、30、40、50、60min的頻帶均值，形成其逐日順序文件；⑤對逐日順序文件進行去高頻（31天滑動平均）和消除年變（365天滑動平均）處理。

2 計算結果與分析

2.1 高郵臺地磁諧波振幅比分析

2012年7月20日在距高郵臺37km處的高郵市與寶應市交界發生4.9級地震，由于2014年高郵臺地磁諧波振幅比變化幅度較大（蔣延林等，2016），為方便分析該地震前高郵臺的異常變化，此處只給出了2009～2013年的地磁諧波振幅比曲線（圖2）。由圖2可見，高郵臺諧波振幅比YZHx向與YZHy向（以下簡稱NS向與EW向）均從2009年6月開始出現下降，在2010年10月份前后2個方向大部分周期曲線開始出現轉折恢復變化，而在隨后的恢復過程中（2010年10月至發震前），諧波振幅比YZHx方向的10、30、40、60min周期出現上升—下降變化，20min周期持續上升，50min周期持續下降；諧波振幅比YZHy方向的10、30、40min周期出現上升—下降變化，20min周期持續下降，50、60min周期基本不變。高郵臺地磁諧波振幅比這一“下降—轉折—恢復”（2009年7月至發震前）且在恢復過程中不同步的現象與馮志生等（2009）的研究結果一致，因此，分析認為高郵臺地磁諧波振幅比存在異常。

表1給出了各周期異常信息統計結果。由表1可見，除了上述時間進程中的異常形態外，異常幅度上也存在NS向各周期和EW向各周期數值都具有一致性的特點，20min周期的NS向和EW向異常幅度相近，但其它周期的EW向異常幅度遠大于NS向的異常幅度，部分周期接近2倍。其中，異常起始時間為地磁諧波振幅比異常變化形態（下降—轉折—恢復）中下降的起始點，異常幅度為數據下降的起始點與數據轉折點之間的差。

圖1 江蘇地磁臺站及地震分布

2.2 鹽城臺地磁諧波振幅比分析

2016年10月20日在距鹽城臺34km處的射陽市發生4.4級地震，圖3給出了2009～2016年的地磁諧波振幅比。由圖3可見，在2013年初大部分周期開始出現同步的下降變化，諧波振幅比YZHx向與YZHy向10、20、30min周期于2015年2月前后開始轉折恢復上升，但40、50、60min周期的下降變化一直持續。該異常形態與高郵4.9級地震前高郵臺諧波振幅比異常類似，也符合以往震例研究的結果。

表2給出了鹽城臺諧波振幅比異常的詳細信息。由表2可見，類似于高郵臺諧波振幅比異常的特點，在不同步變化的時間點后各周期變化的不一致性凸顯。從異常幅度上看，10、20min的周期NS向和EW向異常幅度相近，但其它周期EW向的異常幅度遠大于NS向的異常幅度。

圖2 高郵臺地磁諧波振幅比計算結果

表1 高郵臺諧波振幅比異常參數表

3 地磁諧波振幅比異常與地震孕育間的關系

高郵臺和鹽城臺地磁諧波振幅比震前異常存在一個較為明顯的現象，即EW向的異常幅度大于NS向的異常幅度，高郵地震前EW向和NS向平均異常幅度分別為0.0734、0.0336，射陽地震前分別為0.1113、0.0818。表3給出了高郵地震（孫業君等，2012）和射陽地震（李鋒等，2017）的震源機制解參數。由表3可見，2次地震的主壓應力方向都近似于EW向。計算結果顯示，地磁諧波振幅比異常幅度較大的方向與主壓應力方向間存在一致性。

圖3 鹽城臺地磁諧波振幅比計算結果

表2 鹽城臺諧波振幅比異常參數表

表3 高郵4.9級地震與射陽4.4級地震震源機制參數

地磁諧波振幅比YZHx向與YZHy向分別代表了EW向和NS向2個正交方向上的視電阻率變化，本文地磁諧波振幅比YZHy方向異常幅度較大，說明NS向的視電阻率出現了極大變化，因此推測，EW向為應力加載方向或主壓應力方向，這一推斷與震源機制解結果一致。震例研究表明，與P軸方位正交或近于正交的測道，顯示快速、大幅度的視電阻率變化；沿P軸方位或近于該方位的變化幅度則較小（杜學彬，2010）；李琪等（2016）研究認為，諧波振幅比異常顯著的方向與高導帶的走向一致，以上結果均與本文的研究結果一致。該現象進一步證明了地下應力、地下介質電導率以及地磁諧波振幅比異常間存在著密切的聯系。

4 討論與結論

本文分析了2012年7月20日高郵4.9級地震和2016年10月20日射陽4.4級地震前高郵臺和鹽城臺的地磁諧波振幅比異常特征，主要得到以下結論。

（1）江蘇地區中等地震前存在地磁諧波振幅比異常，異常形態類似于直流地電阻率變化形態，即“下降—轉折—恢復”，地震發生在地磁諧波振幅比恢復階段，異常持續時間為3年，異常幅度一般為0.02～0.17，該結果與以往中強地震震例總結的結果類似，并未發現中等地震前的異常與強地震前的異常有明顯區別。

（2）2次顯著地震前諧波振幅比異常幅度都表現出了EW向大于NS向的特點，異常幅度較大的方向與2次主震主壓應力方向一致，進一步證明了地下應力、地下介質電導率以及地磁諧波振幅比異常間存在密切的聯系。

（3）在研究2012年7月20日高郵4.9級地震地磁諧波振幅比異常時，對比圖2、3可以看出，震前遠場臺站（鹽城臺）并無異常表現（不同步現象），而近場臺站（高郵臺）異常表現明顯，該現象在一定程度上佐證了高郵臺地磁諧波振幅比異常的可信度。

（4）在高郵臺和鹽城臺出現地磁諧波振幅比異常時段內，高郵4.9級地震和射陽4.4級地震是江蘇陸地2次孤立的地震事件（4級以上），且地震震中與異常臺站距離較近（35km左右），地磁諧波振幅比異常形態清晰，因此，筆者認為討論2次地震前的異常特征對于研究江蘇地區的地震-地磁關系有一定意義。

本文研究樣本量較少，以上的結論是否具有普遍性還需要更多震例的驗證。

致謝：馮志生研究員為本研究提供計算程序；在本文撰寫過程中李琪副研究員、孫業君高級工程師、楊云高級工程師、李鋒工程師給予了無私的幫助，在此一并表示感謝。