上海地磁加卸载响应比资料分析与地震研究

李 伟， 龚 耀

(1.上海市地震局，上海 200062;2.崇明地震台，上海 202164）

0 引言

尹祥础提出了测震学的加卸载响应比理论[1]，王亶文在地磁学科中应用加卸载响应比方法，以太阳日照为加载，地磁垂直分量Z作为加卸载响应的方法来探索以地磁方法来预报地震[2]；宋治平将其理论用在地震活动性预测地震中，取得了较好结果，该方法在地形变、地下水位、重力等参量方面的应用中也取得了较好的内检效果[3]。曾小苹提出将磁暴过程作为地磁场对太阳风的加卸载响应，分析研究了磁暴场的暴时扰日变化D(z)的响应比值P(Z)的变化，发现P(Z)的高值与北京地震台550 km范围内MS≥5.5的中强主震有较好的对应[4]。其后又将该方法在我国华北和西南2个地震活动较频繁的地区进行了内检，发现这两个地区的19个地震在距震中约50～540 km范围内的地磁台，MS5.0～7.3地震前约25天至10个月内出现响应比P(Z)值异常现象[5]。汪江田在1999年利用上海余山地震台1981～1997年和崇明地震台1983～1997年地磁场垂直分量日变幅资料，计算了加卸载响应比P(Z)值，并对照80年代以来发生的对上海有较大影响的3次中强地震前P(Z)变化规律 (震中距都在300 km内)，得出异常阈值P0(Z)=3.4，确定P(Z)≥P0(Z)为异常[6]，此后地磁加卸载响应比方法在上海及其周边地区的中短期地震预测工作中发挥着十分重要的作用。

自2011年1月1日，崇明台停止了57型地磁记录仪的观测，为了使地磁加卸载响应比方法继续在上海中短期地震预测中发挥作用，目前改用GM4型磁通门磁力仪观测资料与佘山台57型地磁记录仪观测资料共同分析。57型地磁记录仪是模拟观测，而GM4磁通门磁力仪是数字化设备，由两种设备得到的地磁加卸载响应比值能否适用于原有的异常判定指标是本项研究的主要内容。

1 资料分析

从目前对两种数据在实际工作中的对比分析来看，由两种设备得到的地磁加卸载响应比值变化的同步性较好，但在极值出现后缺乏相应的比对依据及震例分析经验，异常难以确定。鉴于以上原因，需要对以往57型地磁记录仪和GM4磁通门磁力仪同时期的观测数据进行分析，以检验两组数据对异常判断指标的适用性。

57型地磁记录仪是一种连续记录地磁场D、H、Z随时间变化的相对记录仪，该设备是为了适应“老八台”建设及配合1957年国际地球物理年的观测需要而研制[7]。截止到2008年全国仍有12台仪器在地磁台正常工作。由于台站改造和设备更新等原因，崇明台于2011年1月1日用GM4磁通门磁力仪取代了57型地磁记录仪。GM4磁通门磁力仪可连续测量和记录地磁场D、H、Z随时间变化并且同时监测测点温度变化。本项研究将利用两种设备在2008～2010年间观测到的地磁Z分量幅值进行计算分析，故此将两组数据绘于图1中，并对两组数据的观测异常点进行对比分析。

图1 2008～2010年崇明台地磁Z分量幅值变化曲线Fig.1 The amplitude curves of geomagnetic z-component recorded by Chongming seismic station from 2008 to 2010

如图1中（a）、（b）所示，GM4磁通门磁力仪Z分量幅值与57型地磁记录仪Z分量幅值在2008～2010年间的变化趋势整体上基本保持一致，年变趋势明显，仅有少数细节处的变化有差异。图1（c）是57型地磁记录仪Z分量幅值与GM4磁通门磁力仪Z分量幅值的比值，通过两者的比值可以分析出两组数据的异常值点。图1(c)中，两段资料的比值在单点或是在一段时间段内有超出一倍均方差的异常值，且在7月30日两者的比值达到了20倍。通过对异常突跳点和异常时段的分析，异常值主要出现在2008年1月11日、2月16日、11月22日和12月28日；2009年3月30日、7月30日和9月13日；2010年6月12日、10月11日和11月24日。在这些时间点上由57型地磁记录仪观测引起的异常共7次，由GM4磁通门磁力仪观测引起的异常共3次。在分析地磁加卸载响应比值时应考虑到这些观测异常值在参与计算后对其结果的影响，以保证分析用数据的稳定性和准确性。

2 地磁加卸载计算方法

太阳以紫外线辐射和粒子流辐射两种形式影响地球磁场，形成变化磁场，其中最主要的地磁场变化是太阳静日变化S和磁暴场D变化：磁暴场D可分为几个部分：D=DSi+DS+DP（B）其中Dsi为暴时变化，Ds为暴时扰日变化，Dp（B）为极区亚暴。由于太阳风对地球磁场平均每5～6天有一次冲击，使地球磁场产生扰动，而地震在孕育过程中有可能由暴时扰日变化的加卸载响应比值所反映出来。即可用下面公式表示[4]：

其中下角标“+”表示加载，“一”表示卸载。在实际运用中可认为地磁场垂直分量日变幅ΔZ+和ΔZ-看作是太阳风对地磁场的加载和卸载，此时计算公式可简化为：

图2 2008～2010年崇明台地磁加卸载响应比值曲线Fig.2 The curves of geomagnetic LURR in Chongming seismic station form 2008 to 2010

图2中，两条直线分别表示阈值为3.4和2.5的情况。从图2中可以看出，由GM4磁通门磁力仪观测值计算得到的地磁加卸载响应比值在2008年1月10日出现最大值5.44，而由57型地磁记录仪计算得到的值在2009年3月29日出现了最大值5.59。这两个值在各自的观测序列中出现的时间并不一致，对于同一个观测台站而言，这很有可能是由于观测异常导致而并非地磁加卸载异常。

在上海地区的地磁加卸载响应比分析中，P（Z)＞2.5的情况也是用于地震前兆分析的重要参考[6]。以往分析认为，在一年中，当P（Z)＞2.5的频次增加的越高，离发震时间越近。对P（Z)＞2.5的情况进行分析，可以对比两组观测数据的差异，加强对地震异常的分析。从图2中可以明显地看到两组数据中P（Z)＞2.5时的对应情况，考虑到同一台站观测数据差异性不大，所以表1中只列出了两种仪器同步变化时的情况。具体数值如表1所示。

表1中列出了P（Z)值异常时间点，这与仪器所观测的Z分量幅值异常的时间点并不吻合，且P（Z)值异常的时间点在两种设备中具有同步性，所以可以排除这些P（Z)值异常点由仪器观测异常所产生。通过对磁暴、电离层扰动和天气等情况等的调查，上述时段并没有相应干扰出现。从表1中可以看出，两组P（Z)值存在着不同程度的差异，最大差异占原始值的比重可以达50.81%而最小的只有0.39%。在2010年6月18日由GM4磁通门磁力仪计算得到的P（Z)值为2.832，且由57型地磁记录仪得到的P（Z)值为1.393，两者的差值为1.439，对于同一个台站所得到的地磁加卸载响应比值出现如此大的差异很有可能不是由地磁异常所造成的，而此时佘山台的P（Z)值也未出现同步的异常。通过对原始观测数据的分析后发现，由于对2010年6月18日GM4磁力仪原始数据的处理不当，造成数据入库后Z分量幅值较小，而由此得到的加卸载响应比值则过大，究其原因属于操作失误干扰。如果将该值剔除，那么在2010年1月6日出现的-19.51%的差异比重为该组参考值中占比最重的，而两者之间P（Z)的差值可以达到-0.54。这一差异可以对上海及周边地区的地震预测结果造成较为严重的影响。从两组P（Z)值的差值可以看出，其值随时间的变化并未出现一致变化现象，且变化比较杂乱，无明显规律可循。在上述由地磁场变化引起的地磁加卸载值异常的事件中，对该组异常数据中同一时刻的两个P（Z)值进行比较，如果在GM4磁通门磁力仪的P（Z)值大于57型地磁记录仪得到的P（Z)值的情况下，该组数据中差异比保持在4%以内的达到75%，而反之只有1.6%。这说明，GM4磁通门磁力仪在观测上有较好的稳定性。虽然两种设备都是对地磁场Z、H、D三分量进行相对观测，但GM4磁通门磁力仪具有分辨率高、频响范围宽和GPS定时等特点，不宜受到人为操作及外界环境变化等的影响。相较于GM4磁通门磁力仪，57型地磁记录仪则易于受到外界和人为操作等的干扰，这可能是造成上述差异的主要原因。

表1 GM4磁通门磁力仪与57型地磁记录仪P（Z)＞2.5峰值对比Table 1 The peak values obtained from the GM4 type magnetometer and the 57 type magnetometer,respectively,when P（Z)＞2.5.

3 震例运用分析

地磁加卸载方法在地震预测分析中有着广泛的运用[8～11]，对于上海地区而言，主要是依靠崇明台与佘山台的P（Z)值来研究上海及周边地区的地震中短期预测。1982年9月，崇明台和余山台的P（Z)值同时出现异常，其后1983年2月，崇明台再次出现异常，1984年5月南黄海发生MS6.2级地震。1989年1月两台又同时出现异常，其后1989年和1990年1月，都连续出现异常，1990年2月在常熟发生MS5.1级地震。1995年12月两台异常后，1996年9月佘山台再次出现异常。结果于1996年11月在长江口以东海域发生MS6.1级地震[12]。从上述震例来看，在佘山台和崇明台的地磁加卸载响应比值出现超阈值的异常后的1～15个月内，在距台站300 km范围内都发生了MS5.0级以上地震。2009年11月11日崇明台和佘山台P（Z)值同时出现异常，崇明台异常值为3.71，佘山台异常值为4.09。在2010年7月9日和7月19日在江苏南通如东近海先后发生了MS3.7级和MS4.1级地震，此后在2011年1月12日南黄海地区发生了MS4.9级地震，具体震中分布情况如图3所示。由于该地震事件与现有的观测资料在一定的时间内重合，故此，对佘山台和崇明台2009年10月至2010年12月的地磁加卸载响应比数据进行分析，并为今后运用GM4磁通门磁力仪观测数据分析地震前兆异常提供依据。

在图4中，3组P（Z)值在2009年11月11日都出现了超阈值3.4的情况，此后佘山台的P（Z)值在9月3日和11月29日分别达到2.58和2.974。从数据的异常分析来看，在2010年6月以后，崇明台由GM4观测计算得到的P（Z)值超过2.5的频次为4次（剔除2010年6月18日的数据），且在9月3日与佘山台同步对应较好，而57型地磁记录仪的P（Z)值超过2.5的频次只有2次。按经验分析P（Z)＞2.5出现的频次增加的越高，则说明离发震时间就越近。GM4观测计算得到的P（Z)＞2.5的频次在2010年6月以后要有明显增加的趋势，而这些异常正好应证了2011年1月12日南黄海MS4.9级地震，是此次地震预测的重要判断依据。崇明台P（Z)值超2.5的频次明显多于佘山台，这说明地震震中很有可能是靠近崇明台一侧，最终震中的位置也表明了这一点。可以得出，由GM4磁通门磁力仪观测值得到的P（Z)值在反映地震前兆异常的能力上有很好的表现。

图3 上海地磁台站及地震震中分布图Fig.3 Location of geomagnetic station in Shanghai and spatial distribution of epicenter

图4 2009年10月-2010年12月佘山台和崇明台地磁加卸载响应比值曲线Fig.4 The curves of geomagnetic LURR in Chongming seismic station and Sheshan seismic station form October 2009 to December 2010

4 结论

地磁加卸载响应比方法是一种体现地磁场细节变化差异的方法，也只有能够表现出地磁场微小差异变化的方法才能对捕捉到地震前兆信息，而观测资料所有细小的差异都有可能造成对整个地震预测结果的错误判断。从基础的观测数据出发，分析观测数据之间的差异，为地震预测工作人员建立分析指标和积累判断经验对实际工作而言则有着十分重要的意义。本文通过对2008～2010年崇明台两台不同设备观测资料的对比以及结合佘山台资料对地震震例的分析可以得到以下初步认识：

（1)由两种仪器观测得到的P（Z)值存在着不同程度的差异，在P（Z)＞2.5的情况下，两者的差异比重可从-19.51～0.39%，而由崇明台两种观测仪器得到的地磁加卸载响应比值的差值无随时间变化的明显规律。

(2）利用P（Z)＞2.5的频次分析地震时，由GM4磁通门磁力仪观测值得到的P（Z)值在反映地震前兆异常的能力上较强，在关键时间点上与佘山台资料对应较好，在今后的工作中可与佘山台57型地磁仪资料匹配使用。

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