豫南及鄰區(qū)地磁總場F日值相關(guān)性異常

陳 賢 黃恩賢 成萬里

（中國鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

20 世紀(jì)50 年代，卡拉什尼科夫卡開始進(jìn)行震磁關(guān)系理論研究；六七十年代，Stacey（1964）和Nagata（1972）對該研究理論進(jìn)行發(fā)展，提出“壓磁效應(yīng)”說，之后，祁貴仲（1978）在震磁關(guān)系研究中提出地震的“膨脹磁效應(yīng)”，李鈞（1979）提出“感應(yīng)磁效應(yīng)”。隨著研究的深入，林美等（1982）在分析1976—1979 年云南地磁臺垂直分量整點值空間相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)在地震預(yù)報中有一定實際意義。近些年，地磁空間相關(guān)法得到推廣，廣泛應(yīng)用于地磁資料質(zhì)量評估、觀測臺站缺失數(shù)據(jù)填補和地震預(yù)報（朱兆才，1989）。馮志生等（2000）研究認(rèn)為，異常臺站分布與該區(qū)域構(gòu)造走向、余震震中和極震區(qū)展布有一定相似性。雖然存在地磁臺站分布不均勻的客觀事實，但該現(xiàn)象為研究地磁異常分布與構(gòu)造之間的聯(lián)系提供了素材。地磁空間相關(guān)法發(fā)展至今，積累了許多研究震例，例如1976 年唐山7.8 級地震（曾小蘋等，1992）、2010 年玉樹7.1 級地震（王必顯等，2013）、2013 年前郭5.7 級地震及2013 年岷縣—漳縣6.6 級地震（李鴻宇等，2017）等。

地磁總強度F每日一值空間相關(guān)異常、地磁垂直分量加卸載響應(yīng)比異常、地磁低點位移以及地磁日變化空間相關(guān)異常是捕捉地震地磁前兆異常的重要手段，但地磁場總強度F每日一值一階差分在空間上不同步變化現(xiàn)象，是地震地磁觀測數(shù)據(jù)異常分析重要手段之一，且及時準(zhǔn)確挖掘出F每日一值數(shù)據(jù)變化異常，也能為地震監(jiān)測預(yù)報提供重要的依據(jù)。

自2010 年10 月以來，河南及鄰區(qū)地震活動水平較高，相繼發(fā)生2013 年湖北恩施ML5.1、2014 年湖北宜昌ML4.1 和ML4.3、安徽六安ML4.3、湖北十堰M(jìn)L4.0、2015 年安徽阜陽ML4.3、2016 年山西鹽湖MS4.4、2017 年湖北秭歸MS4.3、湖北巴東MS4.1、2018 年河南淅川ML4.3、河南固始ML4.0、湖北秭歸ML4.1 和ML4.5、2019 年河南淅川ML4.1 等顯著地震。文中選取豫南及鄰區(qū)6 個地磁臺站地磁總場F日值數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分性析，判斷地震前后地磁臺站是否存在空間相關(guān)異常，若存在異常，分析其異常特性變化特征。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

豫南及鄰區(qū)涉及華北斷塊、秦嶺斷褶系和揚子斷塊區(qū)3 個大地構(gòu)造單元。該區(qū)域在喜馬拉雅運動以前漫長的地質(zhì)歷史中，主要處于近NS 向水平擠壓應(yīng)力場中，區(qū)域構(gòu)造線大致呈NWW 向展布，主要活動構(gòu)造有華北斷塊區(qū)南緣斷裂、欒川—魯山—漯河—太和斷裂、白河—谷城斷裂、青峰斷裂、新安—郟縣斷裂、許昌—鄢陵斷裂、蘭田—朱陽關(guān)—南陽—信陽斷裂、封門口—五指嶺斷裂。在區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境中，華北斷塊區(qū)南緣斷裂、蘭田—朱陽關(guān)—南陽—信陽斷裂、欒川—魯山—漯河—太和斷裂、丹鳳—西峽斷裂對豫南及鄰區(qū)地震活動具有重要影響。地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 豫南及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意Fig.1 Geological structure of south Henan and its adjacent area

2 資料選取

在豫南及鄰區(qū)周邊300 km 范圍內(nèi)，信陽、盧氏、金寨、鐘祥、十堰、應(yīng)城6 個地磁臺站運行率較高，地磁觀測儀器運行較穩(wěn)定，臺址受外界干擾較小，且整體分布較為均勻，臺站分布見圖2。

圖2 選取的地磁臺站分布示意Fig.2 Distribution of selected geomagnetic stations

2018 年，豫南及鄰區(qū)發(fā)生2 次4.0 級及以上顯著地震事件，分別為2018 年2 月9 日河南淅川ML4.3 地震、2018 年7 月10 日河南固始ML4.0 地震。因此，以2018 年前后地磁總場強度F作為研究數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)各地磁臺相關(guān)性異常。為了確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性，按照以下原則篩選F值：①在研究時間段內(nèi)，地磁臺站數(shù)據(jù)資料在全國地磁臺網(wǎng)月評比中成績優(yōu)良（60 分以上）；②在數(shù)據(jù)曲線上，地磁數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，不存在多次突跳或臺階變化。據(jù)以上原則，信陽、盧氏、金寨、鐘祥、十堰、應(yīng)城6 個地磁臺站F值數(shù)據(jù)達(dá)到要求，可以進(jìn)行空間相關(guān)性計算。

選取以上6 個地磁臺2017 年10 月1 日—2018 年10 月8 日地磁總場F日值，以紅山、涇陽、高郵、會昌地磁臺為參考臺（圖2）（4 個參考臺站近幾年在全國地磁臺站觀測資料評比中較為優(yōu)秀，觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，可信度較高），通過空間相關(guān)性分析，提取各臺站地磁相關(guān)性異常。

3 方法原理

選用地磁日值空間相關(guān)分析法，提取6 個地磁臺地磁總場異常。

設(shè)2 個地磁臺站，記為A、B，其記錄的地磁總場F分別記為Fx、Fy，其線性相關(guān)關(guān)系為

式中，i為序號，a、b為常數(shù)。

利用相關(guān)系數(shù)r，可衡量Fx、Fy兩個量的相關(guān)程度，關(guān)系式如下

其中

r滿足0 ≤|r|≤1。|r|越接近0，F(xiàn)xi與Fyi之間的相關(guān)性越小；|r|越接近1，F(xiàn)xi與Fyi之間的相關(guān)性越大。

4 異常提取

按照以下步驟提取異常：①選用世界時18 時（北京時間02 時）的預(yù)處理數(shù)據(jù)作為日值原始計算數(shù)據(jù)。此時地磁觀測環(huán)境較為平靜，所受外部干擾較少；②選取東、西、南、北4 個方位的鄰省臺站（江蘇高郵臺、陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺）作為參考臺；③閾值設(shè)定為相關(guān)系數(shù)r低于2 倍均方差；④異常成立標(biāo)準(zhǔn)為，使用不同參考臺，2 個及以上參與計算的臺站相關(guān)系數(shù)在同一時段出現(xiàn)連續(xù)低于閾值的現(xiàn)象，持續(xù)10 天以上，且異常出現(xiàn)在最近3 個月以內(nèi)，臺站位于豫南邊界300 km 范圍內(nèi)。

據(jù)以上步驟，采用公式（2），計算信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應(yīng)城臺6個地磁臺與陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺4個參考臺的相關(guān)系數(shù)，篩選異常臺站，篩選條件為：在豫南邊界300 km 范圍內(nèi)，臺站地磁總場F日值在最近3個月以內(nèi)，出現(xiàn)同步相關(guān)性異常現(xiàn)象，且持續(xù)10 天以上。分別以陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺為參考臺，對6 個地磁臺進(jìn)行相關(guān)性異常統(tǒng)計，結(jié)果見表1—表4 和圖3。

表1 以涇陽臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關(guān)性異常統(tǒng)計Table 1 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Jingyang station as the reference station

表2 以會昌臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關(guān)性異常統(tǒng)計Table 2 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Huichang station as the reference station

表3 以紅山臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關(guān)性異常統(tǒng)計Table 3 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Hongshan station as the reference station

表4 以高郵臺為參考臺的各地磁臺F 日值相關(guān)性異常統(tǒng)計Table 4 Statistics of daily F-value correlation anomalies at different magnetic stations with Gaoyou station as the reference station

由表1—表4 可見，以4 個地磁臺為參考臺，信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應(yīng)城臺均出現(xiàn)日值相關(guān)系數(shù)低于閾值的現(xiàn)象，且異常集中出現(xiàn)在2018 年7 月5 日—23 日（圖3）。

圖3 地磁總場F 值在02 時刻的空間相關(guān)系數(shù)(a)涇陽與其他地震臺；(b)會昌與其他地震臺；(c)紅山與其他地震臺；(d)高郵與其他地震臺Fig.3 The spatial correlation coefficient of the total geomagnetic field F-value at 02 o’clock

結(jié)合研究區(qū)2016 年1 月1 日—2018 年10 月8 日地震活動性做進(jìn)一步分析。豫南及鄰區(qū)地震活動集中分布在研究區(qū)東南的金寨—霍山地區(qū)和研究區(qū)西南的三峽庫區(qū)，南襄盆地周邊地震活動也較為頻繁。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)ML4.0 以上地震均發(fā)生在上述3 個區(qū)域。通過對豫南及鄰區(qū)02 時F值空間相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)震前確實存在相關(guān)系數(shù)低值異常。由圖3 可見，橙色低值區(qū)域為異常時段，2016 年1 月1 日—2018 年10 月8 日各地磁臺的相關(guān)系數(shù)較平穩(wěn)，尤其是震前，空間相關(guān)系數(shù)處于穩(wěn)定時期。2018 年7 月5 日—23 日，各地磁臺相關(guān)系數(shù)同步降低，7 月中旬前后出現(xiàn)極值，且達(dá)到異常判據(jù)指標(biāo)，8 月出現(xiàn)“恢復(fù)—降低”的過程，并在此過程發(fā)震，后空間相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)短期同步變化，9 月后基本恢復(fù)各自變化形態(tài)，并出現(xiàn)單臺非地球物理異常的低值變化（部分臺站變化疑為干擾）。異常演化過程可以理解為在震源影響下的趨同效應(yīng)。地震發(fā)生后，應(yīng)力得到釋放，震源影響降低，各臺站不再出現(xiàn)較為強烈的同步變化。

5 結(jié)論

以陜西涇陽臺、江西會昌臺、河北紅山臺、江蘇高郵臺為參考臺，對信陽臺、盧氏臺、金寨臺、鐘祥臺、十堰臺、應(yīng)城臺6 個臺站2017 年10 月1 日至2018 年10 月8 日地磁總場F日值相關(guān)性異常進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：①在地震發(fā)生前，6 個地磁臺站存在空間相關(guān)系數(shù)低值異常，且異常平均持續(xù)23天；②異常幅度在一定程度上隨著震中距的增大而減小；③在異常持續(xù)過程中，異常最低值時間基本統(tǒng)一，異常時間平均持續(xù)約55 天，從異常結(jié)束至發(fā)震平均間隔約34 天，該異常具有短期物理效應(yīng)。

感謝中國地震局臺網(wǎng)中心葉青老師和中國地震局地球物理研究所張素琴老師對本文創(chuàng)作的指導(dǎo)與幫助。