原平4.2 級地震前山西地磁臺陣數據異常特征分析＊

張亮娥 陳常俊 宮靜芝 郭 宇 范 磊 史舒婷

1) 山西省地震局太原地震監測中心站，山西太原 030025

2) 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原 030025

0 引言

地磁場是地球最基本的物理場之一，早在一百多年前，人們就注意到地震前存在著大量地磁異常，開始建臺站觀測研究地磁場變化與地震活動的關系。我們知道，地震引起的異常信號幅度很小，需要先對觀測資料進行干擾的剔除預處理[1-2]，再采用數學分析方法提取震磁異常信息。提取這些微弱的信號信息，通常采取相關法、差值法、加卸載響應比、地磁日變幅逐日比[3-6]等方法或利用夜間觀測資料以減少空間、人為活動對變化磁場的影響；超低頻（ULF，頻段為0.005～10 Hz）電磁異常信號捕捉與分析是近年來國際研究的熱點，可采用地磁信號諧波振幅比、極化、主波成分分析方法[7-8]；利用地磁觀測數據反演等研究分析磁異常與孕震發震關聯等方法。

通過研究，國內外學者已經發現在中強、大震前存在區域性地磁異常，但由于受觀測點布局所限，許多異常出現是單點的，而這種單點震前變化易被人們質疑。中國大陸處于全球中緯度地區，外源場在地表面影響很大范圍是均勻的，如果一個震中附近有多個地磁臺站，一旦記錄到不同程度的震前異常信號，無疑會大大增強地磁異常的可信度；臺陣具有測點相對密集分布的特點，可以用于地磁場隨空間變化的研究。“十五”之后我國陸續在甘肅天祝、四川西昌、重慶及云南建設了地磁臺陣[9]。這些地磁臺陣觀測數據已取得了一定的研究成果：2013年3月3日普洱M5.5 地震，滇西北地磁臺陣8 個測點前諧波振幅比出現高值異常[10]，地磁轉換函數異常出現在震前1～2 個月[11]。

1 臺陣觀測資料

2014年9月，山西省地震局與中國地震局地球物理研究所合作在山西北部布設5 套GM4 磁通門磁力儀（采樣間隔為1 s，觀測周期從2 s 到數十分鐘，儀器噪聲≤0.1 nT），建設山西地磁臺陣，測點間距40～70 km，傳感器地埋深度2.5 m，觀測該地區地磁場三分量（垂直分量Z、水平分量H、磁偏角θ）相對變化資料。

臺陣前期勘選是采用G856 質子旋進磁力儀與GM4 磁通門磁力儀同步進行，完成勘選點背景噪聲48 小時測試和10 m×10 m 范圍內間隔1 m 自然磁場梯度測量，測試結果：各勘選點符合規范地磁場水平梯度≤5 nT，背景噪聲≤0.1 nT 要求，符合地磁Ⅲ級固定觀測網技術標準?？边x測點時，兼顧了區域斷裂帶構造特征原則，其中：代縣測點選在代縣中心地震臺；繁峙測點位于恒山以南的忻定盆地邊緣，盆地內主控斷裂有恒山南麓斷裂與五臺山北麓斷裂；山陰、應縣、懷仁3 個測點依次位于恒山以北大同盆地邊緣，大同盆地受盆地邊界恒山北麓斷裂與六棱山北緣斷裂和口泉斷裂控制位置，各測點位置見圖1 所示。該區域內地質構造復雜，構造運動差異大，地震活動頻繁。其中，忻定盆地曾發生7 級以上地震3 次；有地震史料記載以來，大同盆地發生5 級以上地震13 次，其中6.0～6?級地震3 次。

圖1 山西地磁臺陣分布圖Fig.1 Distribution map of Shanxi geomagnetic array

臺陣運行至今，各測點磁觀測秒數據完整率平均達99.8%，5 個測點、15 個觀測分量背景噪聲水平與地磁臺網平均背景噪聲相當。5 個測點地埋傳感器處日溫差0.07～0.12℃之間，遠低于地磁Ⅰ級定點地磁臺站觀測相對記錄室日溫差≤0.3℃要求[12]。

2016年4月7日，山西原平發生M4.2 地震（38.9°N，112.9°E），震源深度11 km。地震發生在臺陣以南距離代縣地磁測點僅20 km。表1 是山西地磁臺陣各測點基本信息及與原平地震的震中距。我們對2015年8月以來至發震前，5 個測點與大同地磁觀測點震前記錄（12 個月）數據進行多種方法的分析計算，發現各測點震前觀測數據Z分量的相關性、加卸載響應比、極化值都存在一定異常變化。

表1 山西地磁臺陣各測點信息及與原平地震的震中距Table 1 Information of each measuring point of Shanxi geomagnetic array and epicenter distances from Yuanping earthquake

2 數據處理方法

山西原平M4.2 地震發震時間為2016年4月7日，選取資料時間段2015年10月—2016年9月，觀測數據覆蓋地震前后。

2.1 地磁Z 分量相關性

在一個不大的范圍內（孔徑≤200 km），磁靜日垂直分量Z日變化基本是同步的，因此，采用相關系數R可反映兩個臺站磁日變化的同步性，如果一個臺站處于“磁異常區”可能會造成磁日畸變，相關系數R變小。其次，磁靜日垂直分量Z日變化幅度具有季節性，即夏季大，冬季小，每年11月—次年2月，地磁Z分量日變化幅度較小，相關系數R亦變小，震磁異常幅度不大情況下往往會被這種季節性的影響淹沒。不同臺站地下電性結構的差異性對磁擾時段反映也會有差異，計算相關系數R會減小，若排除冬季時段、地磁擾動影響（K指數≤5）時，計算相關系數R減小，則可判定為數據異常。

式中，R為相關系數，X、Y分別為兩個臺站垂直Z分量磁日觀測均值，Xi、Yi分別為兩個臺站垂直Z分量某一時刻觀測值。

以大同臺（40.14°N，113.24°E）為參考站點，選取2015年10月—2016年9月臺陣各測點磁日垂直Z分量與大同臺磁日垂直Z分量數據進行相關分析。

2.2 加卸載響應比

磁暴可看作是太陽風對地球磁場加卸載響應過程[13]，測點磁暴時擾日場與該測點正常時期是不同的，由于地磁垂直分量較其他分量與地下介質的關系更密切，采用地球磁場垂直Z分量日變幅度最大值（A+）與其后第一個最小值（A-）之比為太陽風對地球磁場的加卸載響應比，即：

式中，P(Z)是磁垂直Z分量日變加卸載響應比，A+是磁日變最大值，A-是磁日變最小值。

異常指標：P(Z)≥P0（閾值），P0根據研究區域內歷史震例獲得。震例總結表明，一般情況下，加卸載響應比P(Z)＜2.5，大多數為1.5～2.0，加卸載響應比提取到地磁異常通常在震前10 個月以內，異常閾值P0=3.5[14]。

2.3 極化值法

極化值法是利用巖石圈ULF 電磁信號特征，即垂直分量Z比水平分量H幅值相對較大，從而把巖石圈ULF 電磁信號與源于空間電離層的ULF 電磁信號區分開來。經分析發現，空間電離層與磁層ULF 磁場極化值Yzh（垂直分量與水平分量的全矢量譜比值）一般小于1，而來自震源區震前磁場極化值Yzh≈1 或Yzh＜1，我們認為Yzh可能提取了與孕震產生破裂過程的電磁輻射信息參數，一些震例分析顯示，Yzh值在震前有增高現象。異常有效時間為2 個月[7]。

地磁垂直Z分量與水平H分量的全矢量譜比值Yzh定義為（在一些文獻中該參數稱為極化值）：

式中，Z(ω)為地磁垂直分量譜值，H(ω)為地磁水平分量全矢量譜值，Hx(ω)為地磁水平分量NS 向譜值，Hy(ω)為地磁水平分量EW 向譜值。

選取了臺陣各測點2015年10月—2016年9月預處理秒數據進行全矢量譜比值Yzh計算。

3 結果分析

3.1 地磁Z 分量相關性分析

數據分析發現除冬季時間（11月—次年2月）外，臺陣各測點數據與大同臺磁Z分量日變化相關系數R≥0.98，磁場擾動有時會使得計算相關系數波動有下降趨勢。3月17日臺陣各測點與大同臺磁垂直Z分量日變化相關系數R逐步減?。ùh：0.906；山陰：0.968；繁峙：0.911；應縣：0.944；懷仁：0.933），而且代縣、繁峙測點3月17日相關性較差。為排除外源場的影響，圖2 中最下面子圖給出與相關系數R同時段的每日最大K指數，K指數越小，磁場越平靜，當日最大K指數為4，為非擾日，數據變化正常，于是排除因磁場外界擾動造成相關系數低的原因，20 天之后，2016年4月7日原平發生M4.2 地震。

圖2 大同臺為參考點各測點磁Z 分量數據相關性R 和K 指數曲線Fig.2 The correlation R and index K curves of the magnetic Z component data at each measurement point using Datong station as a reference point

根據總結震例，發現磁垂直Z分量日變化相關提取的異常越大，距離震中越近，不難發現本次地震距離代縣臺最近，異常也最明顯，但繁峙測點并非是除代縣外離震中最近測點，出現異常亦相對明顯，這有可能與兩個測點處于同一構造帶有關聯。

3.2 加卸載響應比分析

距離震中最近的代縣臺在震前6 個月的2015年10月10日，數據加卸載響應比達3.9，超出3.5 的異常閾值，而其他測點均低于閾值，2016年4月7日原平發生M4.2 地震，震中距離異常測點約20 km，異常指標與其后發震時間、地點基本吻合。另外，2015年12月23日各測點均超出臨界閥值，數據變化較大，而在23日前后幾天測點周邊存在磁干擾，不作異常考慮。圖3 為各測點2015年8月—2016年9月磁Z分量數據加卸載響應比曲線。

3.3 極化值法

震例總結表明，極化值方法提取的異常一般為震前2 個月[7，15]。圖4 給出了各地磁測點極化值的時間序列。本文把3 倍均方差作為閾值，從圖4 中可以看出，2016年1月中旬震前2 個多月時間，各測點均出現高于極化閾值的異常變化，1月底除繁峙測點外，其他測點均出現高于極化閾值的異常變化，而2016年3月初震前1 個月，只有距離震中最近代縣臺出現高于極化閾值的異常變化。

圖4 各測點2015年10月—2016年9月極化值變化時間序列Fig.4 Time series of polarization value changes at each measuring point from October 2015 to September 2016

4 討論

（1）原平M4.2 地震震級雖然不大，且發生在地磁臺陣外圍，通過不同數據處理方法，發現臺陣各測點數據不同程度存在有震前的異常變化，距離震中越近測點，異常反應越明顯。磁臺陣數據出現異常比單個臺站出現數據異常提高了識別可信度，所以，在潛在震源區及周邊開展加密觀測對地震預測研究有積極意義。

（2）極化值方法提取的異常范圍有限，一般情況下，震級M和震中距Δ應滿足0.025Δ≤M-4[15]；地磁垂直Z分量日變化相關提取M5.0 地震的異常范圍最大半徑約100 km[16]，所以，加密布設地磁臺陣可以滿足這種需求，在中強以上地震頻發區、潛在震源區建設密集型地磁臺陣是未來震磁預測預報研究的一種形式。

（3）相關性分析方法受地磁冬季時間（11月—次年2月）日變幅減小影響，稱冬季無效期；地磁擾動造成相關系數R減小，勘選臺陣測點場地磁擾動背景噪聲應盡可能小，應≤1 nT，四周無大型廠礦；而7 級地震異常范圍可達200 km[16]，故地磁臺陣選建最大孔徑半徑200 km 為宜。

（4）加卸響應比是指地磁場垂直Z分量日變幅的變化，而垂直分量日變幅受季節影響，即冬季小，夏季高，所以加卸響應比“異?！笔欠袷芗竟澯绊戇€需要進一步研究。

（5）地磁場垂直Z分量數據攜帶來自地下構造活動的信息。通過上述方法分析，相關系數R和加卸載響應比P(Z) 均與地磁場垂直Z分量有關，前者與采樣日相關，而后者是在日變幅基礎上再計算分析；極化值方法是地磁場垂直Z分量與H水平分量譜比值。無論哪種分析方法都會存在一定的局限性，因此，對磁數據出現“異?！钡姆治雠卸?，應采取多測點、多分析方法并結合其他學科（電磁、形變、流體）綜合分析判定，才會更接近真相，更具有說服力。