中國大陸巖石圈震磁異常年變統計分析*

蔡蘇蘇，陳 斌

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

0 引言

地震的孕育是一個復雜的過程，其影響因素繁多，其中地磁場異常變化與地震孕育過程具有關聯性。我國正式開展廣泛和系統的震磁觀測與深入研究，始于20世紀50—60年代(丁鑒海等，2011)。許多科學家針對地震與震中附近磁異常的相關性進行了研究，如李家發等(1992)提出地震多沿地磁異常及梯度帶、磁異常的端點轉折交匯處分布。研究表明地震震中與單個要素的零值線存在相關性，若干與地震相關的地球內部磁場異常特征也被提出，如內源場的磁偏角零值周圍區域往往易發地震(哈奇基揚，2008；顧春雷等，2012)；巖石圈磁場的要素與地震具有相關性：如魏榮強和于磊(2012)提出中國大陸及周邊地區大多數≥5.0地震震中位于垂直分量的零值線上或附近，李琪等(2006)研究得出1998年張北6.2級地震震中基本上位于0～3 nT的分量等值線上。但Lei等(2018)分析認為-5～-3 nT才是地震高發區，該區域聚集了2004—2007年53.2%的≥5.0地震。

巖石圈磁場變化量與地震對應性的研究也呈現不同震例異常對應一個或多個不同地磁要素的現象。比如2013年蘆山7.0地震對應的異常要素為地磁場總強度、垂直分量、地磁場水平分量以及磁偏角(倪喆等，2014a，b)；2015年九江—瑞昌5.7地震震中100 km附近存在明顯的水平分量異常(顧左文等，2006)，震中對應的異常要素為磁偏角和磁傾角(顧春雷等，2010)；湯筱麒等(2019)研究認為甘川交界地區≥5.0地震對應的異常應為水平分量的磁弱變區域邊界。

總結前述研究發現，各震例異常分析針對的地磁要素并不完全相同，即便是對同一地磁要素的分析，異常判定指標閾值也不盡相同。尋求與地震存在相關性較好的地磁異常對應的地磁要素及異常的某種定量描述，是地震地磁研究需要解決的問題，也是進一步提出異常機制解釋的基礎。

前人在重力、地震相關研究方面提出了一些統計和檢驗方法值得借鑒：如對研究區域的目標數據進行重力數據網格化(賈民育等，1995，1996，2000)，分析地震震中所在網格的數據特征量，得出≥5.0地震主要發生在重力變化正—負轉換的高梯度帶上(胡敏章等，2015)。在中長期地震危險性分析中，蔣長勝等(2011)將青藏高原東北緣地區進行了網格間距尺度為0.2°的劃分，并運用算法和算法對各網格進行回溯性預測。

考慮到巖石圈磁場分布的復雜性、地震震中位置與各個地磁要素異常特征的相關性、統計方法的多樣性，本文對2010—2020年中國大陸地區的巖石圈磁場年變數據進行區域網格化劃分，并針對網格中心點對應的≥6.0地震相關地磁要素進行相關統計與計算分析。

1 巖石圈磁場數據處理

1.1 數據來源

中國地震局流動地磁團隊每年進行一次地磁矢量地面測量，測量的地磁要素為地磁總強度、磁偏角和磁傾角，經過換算可以得到其他4個地磁要素的數值，即地磁場北向分量、東向分量、垂直分量和水平分量。測量得到的地磁場數據包括外源場、主磁場和巖石圈磁場，因此需對野外獲得的磁場數據進行數據處理，以去除巖石圈磁場以外的外源變化磁場以及主磁場部分的影響。本文將2010—2020年相鄰兩年的中國大陸(19.5°～44.5°N，95.5°～126.5°E)巖石圈磁場數據進行時序差分獲得這一時間段內的巖石圈磁場年變數據。筆者從中國地震臺網中心下載2010—2020年≥6.0的地震目錄，從中刪除處于地面矢量地磁測網有效監測范圍之外的地震事件及所有余震事件，最終共選取15次≥6.0地震事件進行研究。

1.2 地磁數據處理

原始觀測數據是地球磁場內源場和外源場的總和，地球磁場內源場包括起源于核幔邊界的主磁場以及起源于地殼居里點溫度以上的巖石圈磁場；外源場包括電離層場、磁層場及感應場(徐文耀，2003)。要想獲得巖石圈磁場變化數據，需要對觀測數據進行處理，去除主磁場和外源場的影響。野外觀測數據處理一共分為3步(董超等，2021；宋成科，2021)：

(1)日變通化改正。為消除流動地磁觀測數據包含的地磁場日變化等外源場成分，利用鄰近臺站的連續觀測地磁場分鐘值對數據進行日變通化改正(陳斌等，2017)，測量時間段內通化零時為地方時00∶00—03∶00。

(2)長期變化改正。為消除觀測數據中的地球主磁場長期變化成分，采用自然正交分量模型方法(陳斌，2011)，對每期日變通化數據集進行長期變化改正，改正日期為上一期的日變通化日。

(3)主磁場剝離。以IGRF-13為觀測區域地球主磁場參考場模型(Alken，2021)，對應各測點位置的日變通化結果減去主磁場部分，得到當期巖石圈磁場結果。將相鄰兩期巖石圈磁場相減，可獲得巖石圈磁場空間變化模型。

1.3 地磁矢量場數據網格化

基于上述數據處理過程得到的巖石圈磁場數據，收集2010—2020年的巖石圈磁場年變數據并運用曲面樣條插值方法(余志偉，1987)生成0.1°×0.1°的巖石圈磁場年變數值。將研究區域(18°～54°N，73°～135°E)劃分為0.5°×0.5°的網格區域，以每個網格的中心點代表該網格，生成網格中心經緯度數據點，再從中篩選出有地震的網格中心經緯度數據點。計算巖石圈磁場年變數據與網格特征值的梯度，再挑選出≥6.0地震的震前1年的巖石圈磁場數據(表1)進行研究。

分別定義水平矢量模||表示為：

(1)

水平矢量模的梯度|grad|(周建興，2008)表示為：

(2)

(3)

(4)

矢量模||表示為：

(5)

矢量模的梯度|grad|表示為：

(6)

(7)

(8)

式中：|grad|、|grad|分別為直角坐標系下兩矢量模的梯度值；||為水平(東西)向水平矢量模的梯度值；||為垂直(南北)向水平矢量模上的梯度值；||為水平方向上矢量模的梯度值；||為垂直方向上矢量模的梯度值；Δ、Δ、Δ為北向、東向和垂直分量的年變數值；、為兩個方向的間距，此處均為0.5°。||的首列數據為原矩陣第二列與第一列數據之差除以，最后一列則為最后兩列之差除以；同理，可以得到||、||、||。

2 地震前一年巖石圈磁場磁異常變化特征分析

2.1 地磁矢量異常變化特征分析

2010—2020年≥6.0地震共15次，挑選網格中震前1年的巖石圈磁場年變數據(如2013年4月20日7.0蘆山地震，挑選2011—2012年的巖石圈磁場年變數據)，繪制了所有年份對應的巖石圈磁場空間等變線分布圖。本文以2011—2012年≥6.0地震的磁偏角、垂直分量、總強度、水平矢量模||、矢量模||及其梯度的等值線圖(0.5°×0.5°)為例進行說明。圖1、2顯示≥5.0地震事件共8次，其中5.0～5.9地震事件6次、6.0～6.9地震事件1次(即岷縣—漳縣6.6地震)、7.0及以上地震事件1次(即蘆山7.0地震)。

圖1a、b分別為磁偏角年變率及其梯度的空間等值線分布，等值線間隔分別為0.1′、0.1′/°，圖中的黑色實線分別為磁偏角的零值線與梯度值為0.5′/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震(圖中紫紅色點)與蘆山7.0地震(圖中紅色點)的震中均位于磁偏角的零值線附近(圖1a)及磁偏角梯度值為0.5′/°的等值線附近(圖1b)。

圖1c、d分別為2011—2012年總強度年度變化及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中的黑色實線分別為總強度的零值線與梯度值為10 nT/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震與蘆山7.0地震震中位于總強度的零變線附近(圖1c)；圖1d顯示總強度的梯度值介于0～42 nT/°，蘆山地震與岷縣—漳縣地震震中位于10 nT/°等值線附近，震中周圍200 km附近區域總結度梯度值比較小，屬于低值區；岷縣—漳縣地震震中東北部100 km附近的區域總結度梯度值為15～35 nT/°，屬于中高值區。

圖1e、f分別為震前垂直分量年度變化及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中的黑色實線分別為垂直分量的零值線與梯度值為10 nT/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震與蘆山7.0地震的西北方向為負值區，東南方向為正值區，兩片區域大致以零變線為軸線呈對稱分布，其震中位于垂直分量正負異常區交界附近(圖1e)。圖1f顯示震中位于垂直分量梯度的10 nT/°附近，蘆山7.0地震震中附近100 km仍為低梯度帶，無異常梯度帶出現。

圖1 2011—2012年磁偏角(a)、磁偏角梯度(b)、總強度(c)、總強度梯度(d)、垂直分量(e)和垂直分量梯度(f)等值線圖

2.2 水平矢量模與矢量模及梯度特征

圖2a、b為2011—2012年水平矢量模||及其梯度的巖石圈磁場等變線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中黑色實線分別為水平矢量模||及其梯度分別為10 nT、10 nT/°的等值線。≥6.0地震震中均位于圖中黑色實線附近。水平矢量模||在蘆山7.0地震震中周圍100 km左右均大于10 nT，在小于100 km的區域小于10 nT，但震中附近并未出現高梯度帶。岷縣—漳縣6.6地震震中東部存在分塊的中高值區，其震中附近的水平梯度值與梯度值分別小于10 nT與10 nT/°。

圖2c、d為2011—2012年矢量模||及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中黑色實線分別為矢量模||及其梯度分別為10 nT、10 nT/°的等值線。由圖2 c與圖2a對比可知，水平矢量模和矢量模的≥6.0地震震中附近的值均為10 nT左右，但矢量模||加入垂直分量后其高值異常區更為明顯。圖2b與圖2d顯示≥6.0地震震中附近并未出現高梯度帶。

圖2 2011—2012年水平矢量模(a)、水平矢量模梯度(b)、矢量模(c)和矢量模梯度(d)等值線圖

從圖2與表1的數據可以看出，統計10年以來的水平矢量模和矢量模梯度均值略小于10 nT/°，與對應的2011—2012年水平矢量模和矢量模的梯度特征值有2～4 nT/°的誤差，但若單獨考慮水平矢量模和矢量模的異常梯度形態與地震震中的位置則較難統一量化，而圖2震中附近兩要素模大致在10 nT。

對比分析2011—2012年≥6.0地震地磁要素等值線圖，發現震中主要位于磁偏角、總強度、垂直分量的零變線附近，震中附近水平矢量模和矢量模值在10 nT左右；對應的梯度值并未出現較大的高梯度帶，顯示高梯度帶與地震震中的對應關系并不明顯。

2.3 震例統計結果

表1為2010—2020年15次≥6.0地震的磁偏角、總強度、垂直分量、水平矢量模||與矢量模||及各要素梯度所對應的震前巖石圈磁場年度變化(0.5°×0.5°)。

表1 2010—2020年MS≥6.0地震地磁場要素及梯度網格中心值統計

磁偏角的值介于-2.26′～2.02′，磁偏角梯度值介于0.29′/°～1.49′/°，均值分別為-0.31′與0.80′/°，均方差值分別為1.05′與0.33′/°。40%的磁偏角的值分布在±0.5′之間，66.67%的梯度值分布在0.5′/°～1′/°。

總強度的值介于-15.16～22.46 nT，其梯度值介于0.53～10.33 nT/°；53.33%的總強度的值分布在±4 nT之間，13.33%的總強度的梯度值分布在8～10 nT/°。垂直分量的值介于-16.13～12.16 nT，其梯度值介于2.13～14.63 nT/°；53.33%的垂直分量的值分布在±6 nT之間，6.67%的垂直分量的梯度值分布于8～10 nT/°。

水平矢量模||的值介于1.75～22.40 nT，其梯度值介于1.58～12.22 nT/°；20.00%的水平矢量模||分布在10～12 nT，26.67%的梯度值分布于8～10 nT/°。矢量模||介于3.78～25.49 nT，其梯度值介于3.43～13.16 nT；26.67%的矢量模||分布在12～14 nT，20.00%的梯度值分布在8～12 nT/°。

3 結論

本文選取2011—2012年中國大陸(19.5°～44.5°N，95.5°～126.5°E)的巖石圈磁場年變數據，基于網格劃分，統計分析各要素值的零值線以及各要素梯度值與≥6.0地震震中位置的相關性，發現地磁要素零值線與震中位置相關性各異，要素值的高梯度帶僅存在于個別震例中，主要結論如下：

(1)2011—2012年巖石圈磁場等變線圖中，≥6.0地震震中位于磁偏角，總強度，垂直分量零值線附近，水平矢量模||與矢量模||的值均為10 nT左右。

(2)15次≥6.0地震中，分布在磁偏角的值為±0.5′之間的震例占比為40%，分布在總強度的值為±4 nT之間的震例占比為53.33%，分布在垂直分量的值為±6 nT之間的震例占比為53.33%，分布在水平矢量模||為10～12 nT的震例占比為20.00%，分布在矢量模||為12～14 nT的震例占比為26.67%。

(3)66.67%的震例分布在磁偏角梯度值為0.5′/°～1′/°的地區，13.33%的震例分布在總強度梯度值為8～10 nT/°的地區，6.67%的震例分布在垂直分量梯度值為8～10 nT/°的地區，26.67%的震例分布在水平矢量||模梯度值為8～10 nT/°的地區，20.00%的震例分布在矢量模||梯度值為8～12 nT/°的地區。梯度數據分布太分散，導致高梯度帶與地震震中對應并不準確。

統計2010—2020年研究區≥6.0地震震中位置與各要素之間的相關性發現，總強度、磁偏角、垂直分量單個地磁要素的零值附近指標較其他地磁要素對地震的指示更顯著，但震例比例僅為50%左右，仍不太理想，這或許與僅用網格中心點作為整個網格特征值的近似處理過于簡單有關。與過去的認識不同的是，高梯度帶的震例比例遠較預想低，一方面可能是網格特征值的簡單處理引起，但另一方面可能是一個客觀存在，還需要繼續分析這一現象。下一步將研究網格特征值的選取方法，并綜合多要素聯合分析以期得到更有效的異常特征指標。

中國地震局流動地磁觀測團隊提供了巖石圈磁場數據以及開展了前期集中數據處理工作，中國地震臺網中心提供了地震目錄，審稿專家對本文提出了寶貴修改意見，在此一并表示感謝。