營口地震臺地磁數據加卸載響應比和逐日比異常核實

朱曉秋，王 琳，張璐雅，王東晨

（營口地震臺，遼寧 營口 115000）

0 引言

在地震預報工作中，經過多年實踐證明，地磁學方法是較為有效的一種利用地震前兆現象預報地震的方法，但多數預報方法更適用于地磁臺站分布密集，臺站間距較小的地區。遼寧地區中強震較多，而地磁臺站相對較少，相距較遠，地磁數據加卸載響應比和逐日比計算則可以最大限度地利用有限的觀測資料探索地震對應關系。地磁加卸載響應比和逐日比分析，目前在全國地震系統應用較為廣泛，已經成為一種用來進行中短期地震分析預測的地磁手段分析方法。2019 年9 月17 日，營口地震臺工作人員在進行數據周分析發現，9 月12 日營口地震臺FHD 質子磁力儀垂直分量Z 的加卸載響應比和日變幅逐日比結果均大于3.0 閾值，比值高達5.5，且本省大連及朝陽臺地磁數據也同步出現高值異常，大連臺為5.0、朝陽臺為4.9，鐵嶺臺地磁數據雖未超過閾值，但也達到了2.7，處于臨界數值。此次超閾值現象值得關注。

1 異常確定

2019 年9 月12 日營口、朝陽和大連臺地磁加卸載響應比和逐日比都是地磁日變化異常，反映的是地磁垂直變化分量Z 日變化畸變異常，是感應電流空間分布發生畸變所致。

經對比發現，除遼寧省地磁臺站出現異常比值外，北京、河北、內蒙等省份的多個地磁臺于9 月12 日同時出現了加卸載響應比和逐日比異常，這些異常應該認定為一組異常。多個地磁臺站同時出現環境干擾或儀器故障的可能性較小。為進一步確認儀器運行狀況和臺站環境變化，發現異常后，臺站工作人員查詢了臺站的地磁觀測日志，同時查詢國家地磁臺網中心網站中關于高壓直流輸電干擾和磁擾活動指數等數據，經落實確認，營口地震臺地磁數據在異常期間未出現環境干擾因素，儀器工作也處于正常狀態。

圖1 2019 年9 月遼寧異常臺站垂直分量Z 加卸載響應比及逐日比時序曲線Fig.1 Vertical component Z-unloading response ratio and daily-to-day time series curve of Liaoning abnormal station in September，2019

初步分析認為，這次地磁數據加卸載響應比和逐日比異常是地震前兆異常的可能性較大。針對此次異常核實，主要從以下幾方面進行：

（1）檢查觀測系統工作狀態；

（2）調查環境干擾情況，地磁房內外有無磁性物體移動，磁房內外環境有無變化等；

（3）查詢國家地磁臺網中心網站中高壓直流輸電干擾數據、地磁暴數據；

（4）采用地磁分析方法進行數值計算分析；

（5）與其他地磁臺的地磁加卸載響應比和逐日比對比分析；

（6）與學科組專家交流討論。

2 臺站背景資料

營口地震臺位于大石橋市官屯鎮石硼峪村。距營口市30km，距大石橋市10km，距石硼峪村約1km，占有兩座小山，前山海拔高度是120m，坡度大約在45°左右，在前山海拔高度85m 處挖掘山洞，后山海拔高度是135m，坡度大約是20°。在地質構造上屬于郯城—廬江斷裂帶的北延帶附近，出露基巖為晚侏羅紀粗粒花崗巖。營口地區屬于溫帶大陸性季風氣候，光照充足，雨量適中。年平均氣溫在8.5℃～11℃之間，一月平均氣溫-8.5℃～-1℃，七月平均氣溫24℃～25℃，年平均降水量650mm ～700mm，無霜期165 天。該地區出露的地層由西向東，由新變老，它們的次序是第四系，白堊系、侏羅系、震旦系、前震旦系。臺址附近出露的基巖就是晚侏羅世粗粒花崗巖。該地區最發育的斷裂是北東向斷裂，它們在該區由西向東依次是高升—張家屯斷裂，臺安—大洼斷裂，大灣—二界溝斷裂，佟二堡—營口斷裂，金州—鞍山斷裂，青山懷—八里斷裂。佟二堡—營口斷裂以西幾條斷裂是屬于郯城—廬江斷裂的北延。該區發育的另一組構造是北西西向構造帶，它們分別是虎皮峪背斜，三道嶺-周家堡子東西向擠壓帶，青花峪東西向斷裂帶，這組構造的特點是規模小，斷裂多是隱伏斷裂。該地區跨躍了李四光先生論述的新華夏構造體系中的第二個隆起區和第二個沉降區。大的構造應力背景是屬于近東西向的擠壓。北東向構造是本區的主要構造方向，其構造運動性質是繼承性的。但活動緩慢且時間長久。北西向構造與北東向的構造都是同一個構造應力作用下的產物。現代構造運動表現為整個渤海周圍都在緩慢上升，在上升的背景上又出現了相對的隆起區，這些隆起區基本上沿著下遼河沖積盆地四周分布。

營口地震臺是綜合觀測臺站，也是國家定點地形變觀測基本臺站。測震及地球物理場觀測手段齊全，地球物理場觀測項目主要包括地傾斜、地應變、地磁場及地下流體等前兆手段。出現異常信息的儀器為FHD-2B 型分量質子旋進式磁力儀，該儀器于2005 年嚴格按照堪選要求新建地磁觀測室，經測試符合地磁場觀測要求。2006 年安裝，2007 年試觀測，2008 年正式觀測至今。此儀器運行穩定、工作正常，觀測數據連續可信精度高。儀器測量范圍20，000～70，000nT，分辨力0.1nT，觀測精度F≦0.5nT；H≦0.5nT；D≦0.15′，采樣率1 次/分。FHD-2B 分量質子磁力儀既可以作為絕對觀測儀器使用，又可以作為相對觀測儀器使用。作為相對儀器使用時，可以對磁場三分量進行分鐘值采樣的連續記錄；作為絕對儀器使用時，可以觀測出地磁總強度F 和水平分量H 的絕對值，雖然其觀測的磁偏角是相對變化量，但因為具有自我校正功能，因此，也可以對磁偏角連續觀測數據的長期漂移做出自我校正。

圖2 營口地震臺地磁房平面圖、位置示意圖及地磁場強度等值線圖Fig.2 The plan view and the position diagram of the geomagnetic room，the contour map of the geomagnetic field intensity of Yingkou Seismic Station

3 異常調查分析

3.1 采用資料、分析計算過程、初步判斷

3.1.1 采用資料

質子矢量磁力儀（FHD）產出的地磁總強度F 和水平分量H 的分鐘值，計算得到地磁垂直分量Z 的分鐘值數據。

3.1.2 計算過程

從數據庫下載地磁垂直分量Z 的世界時分鐘值數據，然后把世界時轉換為北京時，計算出每天的日變幅度，最后計算得到地磁逐日比和加卸載響應比數據。地磁逐日比、加卸載響應比方法針對的是地磁日變異常的分析，屬于非原始曲線分析方法，需要根據一定的計算結果來確定地磁場是否存在地震前兆異常。

地磁垂直分量Z 日變幅逐日比法是馮志生研究員在應用地磁垂直分量Z 日變幅加卸載響應比法時發現的一個新的預測分析方法，將逐日比定義為Y，A（t1）及A（t2）分別為前后兩天的Z 分量日變幅計算結果，Y 的計算過程見以下公式：

分析時使用的依據為地磁逐日比異常判據指標：

（1）三個和三個以上臺站同步出現超3.0閾值；

（2）異常日前日Dst 指數低于-70nT 且小于異常日Dst 指數時不作為異常；

（3）異常區域面積小于8 萬km2不作為異常。地磁加卸載響應比的定義為：

其中，Ds（Z）為Z 分量地磁擾動場的日變幅，標志“+”表示加載，“-”表示卸載。在實際運用中可將地磁場垂直分量日變幅ΔZ+和ΔZ-看作是太陽風對地磁場的加載和卸載，此時計算公式可簡化為：

分析時使用的依據為地磁加卸載響應比的異常判據指標：

（1）閾值為3.0，超過閾值記為一次異常；

（2）若三個或者三個以上相鄰臺站在2 天之內出現超閾值，視為準同步異常變化，作為一次異常；

（3）一次異常出現后，兩個月內再次出現的異常，認定為一組異常，其后依次類推；

（4）當極大值日DST 指數小于-30nT 時，不作為異常。

本次異常臺站計算得出的地磁逐日比、加卸載響應比結果使用的均是臺站布設的FHD 質子旋進式磁力儀所產出的分鐘值采樣數據。

3.1.3 初步判定

2019 年9 月8 日至15 日營口、大連、朝陽和鐵嶺臺的Z 分量時間序列，可以看出4 個臺站的日變曲線從8 日至15 日并未全部展示出典型的北半球中低緯度臺站應有的雙峰單谷形態，尤其12 日數據畸變比較明顯。地磁場是地球基本場之一，在一定的范圍內其變化形態是高度一致的，而此次出現該異常的臺站同步性較一致，因此，初步判斷此次異常為局部地區的地震前兆異常。

圖3 2019 年9 月8-15 日遼寧地磁臺觀測地磁垂直分量Z 時間序列Fig.3 The time series of the geomagnetic vertical component Z observed by Liaoning Geomagnetic Station on September 8-15，2019

4 觀測系統可靠性調查與分析

4.1 環境干擾調查

依據地磁觀測規范要求，營口地震臺的工作人員對儀器系統進行了全面檢查，儀器工作參數正常，數采工作穩定；同時對儀器探頭部分進行了檢查，探頭所在地磁房室內環境良好，房屋頂棚四角有滲雨的痕跡但并不嚴重；各數據線接觸點穩固，沒有虛接或松動；儀器底腳螺絲未發現生銹痕跡及松動情況；儀器北南向和東西向水泡居中，水平狀態正常；數據線的走線和布局情況正常。分析認為可以排除為儀器觀測系統故障等情況。對環境調查主要針對臺站附近基建等環境改變情況，營口地震臺遠離市區，整體觀測環境較好，地磁房周圍無明顯的干擾源，地磁開始觀測以來，基本上沒有受到過干擾。

圖4 磁房內外環境及儀器工作狀態檢查Fig.4 The internal and external environment and the working status inspection of the magnetic room

4.2 觀測資料一致性分析

分析2019 年9 月9 日至14 日營口、大連、朝陽及鐵嶺臺Z 分量時間序列曲線，從曲線可以看出，4 臺站的Z 分量日變曲線形態一致性很高，符合典型的北半球中低緯度雙峰單谷日變形態，而9 月12 日，4 臺站儀器的Z 分量曲線雖然形態保持一致，但已不再符合典型Z 分量日變形態，處于一種畸變狀態。

圖5 2019 年9 月9-14 日營口、營口—大連、營口—朝陽、營口—鐵嶺地磁垂直分量Z 時間序列對比曲線Fig.5 Comparison of the time series of Yingkou，Yingkou—Dalian，Yingkou—Chaoyang，Yingkou—Tieling vertical component Z from September 9 to 14，2019

4.3 高壓直流輸電影響分析

高壓直流輸電通常采用雙極兩端中性點接地方式，在正常運行狀況下，由于不平衡電流很小，當額定電流不超過1200A 時，對距離線路12 公里之外的地磁觀測基本不會造成干擾，但在工程試運行階段及運行出現故障時，會產生較大的不平衡電流，在輸電線及換流站周圍產生的干擾磁場將影響正常的電磁觀測，尤其是對輸電線路兩側300 公里內范圍的電磁觀測影響尤為劇烈。

2011 年以來，遼寧省各地磁臺站受到來至呼倫貝爾—遼陽高壓直流輸電線路干擾影響，此干擾影響范圍廣泛，主要表現為Z 分量的臺階變化，需要在預處理中及時準確的進行改正。2019 年度未受呼—遼高壓直流輸電線路系統影響。此外，近年來高壓直流輸電頻繁出現，在此之前也并未造成該方法的異常現象。

通過查詢國家地磁臺網中心網站中高壓直流輸電干擾數據（資料來源于http://10.2.201.72:8080/hvdc/hvdcflex/hvdcflex.html），確認在地磁數據異常期間無高壓直流輸電干擾。

4.4 地磁場空間天氣影響確認

磁暴是地球磁場的劇烈擾動，磁暴是全球性的，而且幾乎是同時的。依地磁擾動的程度分為小磁暴、中等磁暴、大磁暴和特大磁暴。國際上采用Dst 指數來描述磁暴，-50nT ＜Dst≤-30nT 為小磁暴，-100nT ＜Dst≤-50nT 為中等磁暴，-200nT ＜Dst≤-100nT 為大磁暴，Dst≤-200nT 為特大磁暴。2019 年9 月地球空間磁擾較為平靜，全球Dst 指數變化較為穩定，均值在-20nT 左右。異常日前日Dst 指數為-22nT；異常日DST 指數極大值出現在11 時，指數為-18nT，未超過-50nT。此結果說明當月無明顯的太陽日冕物質拋射（CME）發生，同時太陽低緯度冕洞拋射流引起的CIR 區域也處于正常水平狀態。9 月12 日地磁場擾動較為平靜（該信息來源自http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html），無磁暴發生，因此本次異常受外空磁場擾動的影響較小。

圖6 2019 年9 月Dst 指數分布Fig.6 Dst index distribution in September，2019

4.5 多臺數據分析

分析鄰近地區各臺地磁數據，9 月12 日北京、河北、內蒙等省份的多個臺地磁數據也同時出現了加卸載響應比和逐日比異常。

通過對河北紅山、昌黎、承德、豐寧和文安臺地磁數據對比分析發現，出現了同步Z 分量地磁加卸載響應比及日變幅逐日比高值異常。本次地磁超閾值異常涉及全國30 余個臺站，異常面積228 萬km2。

圖7 2019 年9 月河北異常臺站垂直分量Z 加卸載響應比及逐日比時序曲線Fig.7 The loading and unloading response ratio of the vertical component Z and daily variation ratio time series curve of Hebei abnormal Seismic Station in September，2019

5 基于地磁場基本理論分析

據馮志生、戴苗、倪曉寅等研究得出，地磁加卸載響應比法和逐日比法在原理上都是直接使用地磁Z 分量的日變幅度作為源數據進行一定的計算分析，其過程較為簡單直接，得出的結果確實可以反映地磁場的異常變化，能提取震前異常，有較好的地震預測效果。

5.1 方法本身可靠性分析

紫外輻射和冕洞粒子流輻射是太陽影響地球磁場的兩種主要輻射形式，從而使地磁場出現變化磁場（丁鑒海，1994）。地球自轉使太陽的紫外輻射對地球每天加卸載一次，其地磁效應即是Sq；太陽暴風粒子流輻射的地磁效應就是全球同時發生的磁暴現象，冕洞朝向地球的平均間隔大約為5 至6 天，因此粒子流的加卸載一次即為5 至6 天。另一方面地震是一種非線性失穩現象，孕震區地下介質系統由穩態變為非穩態的過程中，介質的物理性質，其中包括電導率將會發生相應的反應。因而可以認為，不同的地磁測點，穩定地區和非穩定地區暴時擾日變化不同；同一地磁測點非穩定時期暴時擾日變化與正常時期的變化又不同。因此可通過計算地磁加卸載響應比P（Z）值和日變幅逐日比Y 值來得到其異常信息。

5.1.1 地磁Z 分量加卸載響應比

太陽風對地球磁場平均每5 至6 天有一次強的沖擊，并使得地球磁場產生強烈擾動，從而形成對地球磁場的周而復始的加載與卸載過程，地磁日變化的強弱用日變化幅度來表達，即日變化極大值與極小值之差。考慮到地磁垂直分量較其它分量與地下介質的關系更密切，可取地球磁場垂直分量日變幅度最大值與其后的最小值為太陽風對地球磁場的加卸載響應比即：

式中，RZ(max) 為地磁垂直分量日變化幅度極大值，RZ(min) 為RZ（max）出現之后的第一個極小值。

預測判據及規則：規定區內有相鄰2 個或2 個以上臺站同時出現P>P0（P0=3.0 為閾值）時異常成立，相鄰兩次異常時間間隔不超過兩個月的異常劃為同一組，一次異常前后兩個月內無其它異常時，該異常單獨計為一組異常，在一組異常中第一次異常出現之后3 個月內，在區內易于發生Ms4.5 級以上的地震，震中一般在異常高值點附近200km 之內，少數達300km。

5.1.2 地磁Z 分量逐日比

地磁垂直分量日變化幅度逐日比P 定義為：

式中，RZ（t1）為t1觀測日地磁垂直分量日變化幅度，t2=t1+1。

兩種方法異常判據閾值均為P0（Z），以相鄰多個臺站同步出現超過閾值P0（Z）為異常成立，地震發生閾值線附近，震級為5 級以上；地震發生在異常出現后半年以內，且大部分發生在4 個月以內，該方法提取的異常更具有短臨性質。

5.2 歷史資料分析

據馮志生、戴苗、倪曉寅等利用地磁加卸載響應比對2008 年以來華北地磁Z 分量數據進行分析，研究發現異常出現后6 個月以內可能發生4.0 級以上地震。從華北地區地磁加卸載響應比異常和地震的對應關系，本區發生35 次M4.0 以上地震，報對地震次數為5 次，對應率是14%。本區出現異常4 次，有地震對應的異常3 次，對應率75%。地磁逐日比對2008 年以來華北地磁Z 分量數據進行分析，研究發現異常出現后6 個月以內可能發生4.0 級以上地震。從華北地區地磁逐日比異常和地震的對應關系，本區發生M4.0 以上地震35 次，報對地震10 次，對應率是29%。本區出現異常8 次，有地震對應的異常5 次，對應率62%。

分析結果表明地磁加卸載響應比和逐日比兩種方法在華北地區有一定的適用性。

通過對遼寧地區2010 年至2019 年地磁Z分量的加卸載響應比及日變幅逐日比數據分析，遼寧地區地磁臺垂直分量Z 數據加卸載響應比及日變幅逐日比對應出現超閾值異常分別為17次和4 次。

2013 年1 月23 日的燈塔5.1 級地震和2017 年12 月19 日的海城4.4 級地震是遼寧地區近幾年來較為典型的地震事件，我們對地震之前12 個月的加卸載響應比及日變幅逐日比進行了分析。

圖8 2010 年至2019 年遼寧地磁臺站加卸載響應比及逐日比曲線Fig.8 Loading and unloading response ratio and daily ratio curve of Liaoning geomagnetic station from 2010 to 2019

分析認為，2013 年1 月23 日的燈塔5.1 地震前，2012 年7 月和10 月遼寧各地磁臺站出現了兩次加卸載響應比異常，但逐日比并未出現異常變化，即震前6 個月內出現了加卸載響應比異常；2017 年12 月19 日的海城4.4 級地震前，2017 年11 月遼寧各地磁臺站出現了一次比較同步的加卸載響應比異常，但逐日比并未出現異常變化，即震前1 個月內出現了加卸載響應比異常。結合馮志生、戴苗、倪曉寅等研究結果表明，在遼寧地區地磁加卸載響應比方法有一定的適用性。但由于儀器運行以來，周邊地區發生4 級以上地震次數較少，因此對比震例分析并不是很充分。

圖9 2012 年和2017 年遼寧地磁臺站加卸載響應比及逐日比曲線Fig.9 Loading and unloading response ratio and daily ratio curve of Liaoning geomagnetic station in 2012 and 2017

6 異常分析與性質判定

經過認真核實并與專家討論認為2019 年9月12 日營口地震臺出現地磁Z 分量加卸載響應比和日變幅逐日比高值超限異常是地震前兆異常的可能性較大。主要依據如下：

（1）經過實地調查，認為2019 年9 月12日營口地震臺地磁數據加卸載響應比和日變幅逐日比高值超限異常變化與觀測系統和觀測環境無關；

（2）通過查詢高壓直流輸電干擾和磁暴數據，確認異常期間未出現此類影響；

（3）通過與本省及鄰省地磁數據資料對比，可判斷該變化是較大區域同步異常變化。

7 結論與建議

結論：儀器工作狀態檢測和觀測環境排查結果表明：數據變化期間觀測儀器和系統工作正常，磁房附近未發現干擾源；且本省及鄰省地磁數據同步出現地磁加卸載響應比和逐日比高值超限異常。綜合分析認為：2019 年9 月12日營口地震臺出現的地磁加卸載響應比和逐日比高值超限異常是地震前兆異常。

在遼寧地區地磁逐日比和加卸載響應比異常判定方法有一定的適用性，但由于遼寧省內地磁臺站密度不高，對異常分析認定會有一定影響，下一步還需要繼續跟蹤并深入研究此異常的發展變化。