广西地区地磁异常与地震关系的研究*

2015-12-25阎春恒孙学军齐贵华韦仕根黄惠宁

地震研究 2015年4期

阎春恒，孙学军，齐贵华，韦仕根，黄惠宁，向巍

(1.广西壮族自治区地震局，广西南宁530022;2.广西壮族自治区地震局邕宁地震台，广西南宁530200;3.广西壮族自治区地震局河池地震台，广西河池547000)

0 引言

地震的发生不仅与震源区的孕震过程有关，而且与地体环境及日地空间环境因素密切相关，而变化磁场是把两者联系起来的天然媒介 (丁鉴海，1988)。地球变化磁场Z分量日变化幅度，包含了地球变化磁场的外场及地球内部电性介质感应生成的变化内场的信息，因此其可以反映地球内部介质电性性质的变化 (冯志生等，2001)。震例研究表明，地磁场Z分量与地下介质的关系最密切，特别是在中低纬度地区，地震的磁异常主要表现为地磁 Z分量异常 (冯志生等，2000，2006)。基于此，我国学者积极探讨有关地磁日变方面的变化与地震的关系，如Z分量日变的低点位移与地震的关系 (丁鉴海，1988)，Z分量静日变幅月均值与地震的关系 (姚法章，任丽君，1988)，地磁垂直分量日变幅逐日比及其与地震的关系 (冯志生等，2001)。诸多研究表明，中强地震前存在可靠的地磁短临前兆 (刘心恒，周陨生，1995;鲁跃等，1999;李树华，陈燕，2003;李树华，赵小艳，2011;丁鉴海等，2004;韩鹏等，2009;王武星等，2009;袁洁浩等，2014)。利用变化磁场特别是Z分量日变幅异常场预报地震，已成为我国日常地震短临监视预报有效的方法之一 (丁鉴海等，2006)。

广西邕宁和河池地震台已连续观测近30年，期间广西及邻区发生了多次中强地震，为本研究积累了宝贵的基础资料。本文基于广西邕宁、河池地震台和海南琼中地震台连续的地磁相对观测资料，采用空间相关法分析3个台站周边中强地震前地磁Z分量日变化幅度变化特征，提取可能存在的异常指标，为该地区中强地震的中短期趋势预测和研究提供参考。

1 台站概况及资料选取

广西邕宁地震台建于1972年5月，地处北西向百色—合浦断裂带附近，出露岩石为白云质灰岩，属国家基准台。广西河池地震台于1986年10月开始正式记录，位于山字型宜山—柳城断裂带附近，出露地层为石灰系薄状灰岩，属区域台。海南琼中地震台建于1976年11月，位于五指山隆起岩体的北东距五指山20多千米处，基岩岩性为中生代第二期酸性弱磁性花岗岩，属国家基准台。3个台站均为有人值守台，不同时段相对观测使用的仪器基本相同 (表1)，每年开展地磁梯度测量，观测环境和数据质量均符合要求。琼中台 (QZ)距离邕宁台 (YN)约440 km，距离河池台 (HC)约660 km(图1)，3个台站所处地理位置相近，观测资料具有较好的同步性，选用这3个台站的变化记录对地磁Z分量日变幅数据开展分析，能够提取局部地磁异常场的信息。选取邕宁台和琼中台资料研究时段为1984-01-01～2013-12-31，河池台资料研究时段为1993-01-01～2013-12-31。除2005-06～2007-09海南琼中台因数字化改造出现部分时段缺数，其余时段3个台站的资料连续率好，可靠性高 (图2)。

自1984年有地磁观测资料以来，挑选这3个台站周边一定范围内的地震作为研究震例，挑选原则是M4.4～4.9、M5.0～5.9、M6.0～6.9地震到台站的距离分别不超过 200 km、300 km、500 km，获得7次震例共10个M≥4.4地震，其中1个为双震，2个为M≥5强余震 (图1、表2)，震中位于广西及北部湾海域。

图1 研究区断裂、地震和台站分布图Fig.1 Distribution map of faults，earthquakes and stations in the study region

图2 地磁Z分量日变化幅度曲线Fig.2 Daily variation amplitude curve of geomagnetic Z component

表1 河池、邕宁和琼中台不同时期相对观测设备信息表Tab.1 Relative observation equipment information of Hechi，Yongning and Qiongzhong stations in different period

表2 1984～2013年广西及北部湾海域中强震例Tab.2 The selected moderate and strong earthquakes in Guangxi and Beibu Gulf from 1984 to 2013

2 空间相关法

地磁正常背景场的分布与变化具有空间上的相关性和时间上的延拓性。单台地磁日变幅逐日变化很复杂，即使变化很大也不能算作地震前的异常，必须消除地磁正常背景场的变化，突出与地震相关的磁异常 (丁鉴海等，2004)。采用空间相关法分析异常体内外同时观测到的地磁场Z分量资料，可得到异常体的地震磁异常信息 (冯志生等，2005;蒋延林等，2005)。该方法的优点是即使两个台站距离较大或长期变化不太一致，也能较好地消除正常背景场和长期变化的影响，进而反映出微弱的震磁信息。

设A、B两个台站地磁垂直分量日变化幅度为ZA、ZB，且成线性相关 (冯志生等，2000)，即

3 结果分析

采用磁电异常分析软件，选取窗长N为21 d(冯志生等，2000)，计算了邕宁台和河池台Z分量日变化幅度相对海南琼中台Z分量日变化幅度的空间相关系数 (图3)。统计每次中强震例前后空间相关系数是否存在显著异常、异常持续时间及其变化与地震活动的相关性，所选取的7次震例前地磁空间相关曲线异常特征及其映震信息见表3，表中Δ表示震中距，To为发震时间，Tb为异常开始时间，Te为异常结束时间，(Te-Tb)为异常持续时间，(To-Tb)为出现异常至发震的时间间隔，Rm为空间相关异常的最小值，Ro为发震时刻的空间相关系数。最后分析地震异常与中强地震的关系，并对空间相关法预报效能进行评估。

3.1 中强地震前地磁空间相关曲线变化特征

(1)1988年11月10日北部湾5.0级地震前约1个月邕宁台空间相关曲线迅速下降至0.87，此后缓慢恢复，低值异常持续近2个月，在异常回升过程中发生5.0级地震，发震时刻相关系数为0.93，震后近半年内曲线出现较大幅度的波动。

(2)1993年2月10日大化4.5级地震前两个多月，邕宁台空间相关曲线出现持续近1个月的低值异常，异常最低幅值为0.9，异常结束后45 d，在大化水库库区发生4.5级地震，震后空间相关曲线出现小幅波动并很快恢复正常。此次地震发生时河池台只积累了2个多月的观测资料，从震前该台的空间相关曲线来看，与邕宁台存在同步性很好的低值异常变化过程。

(3)1994年12月31日和1995年1月10日，北部湾先后发生了6.1、6.2级地震，并分别在3月23日和5月7日发生5.1级和5.2级强余震。4次地震前，河池台和邕宁台空间相关系数均出现不同程度的异常变化。6.1级地震前26 d，河池台和邕宁台同步出现低值异常，持续时间为1个月，最低异常值分别为0.83和0.89，在低值异常转折回升过程中，发生了北部湾6.1、6.2级双震。震后较长时间内空间相关曲线出现波动，3月7日至5月17日出现了两次同步性较好、幅值低于0.9的异常变化过程，在低值异常转折回升过程中，分别发生了5.1和5.2级强余震。

(4)1998年3月4日起，河池台和邕宁台空间相关曲线同步出现快速的大幅下降，最低值分别降至0.8和0.76，此后缓慢恢复，4月25日回归正常状态，整个过程持续近两个月。在曲线恢复过程中，发生环江4.9级地震。

(5)2005年10月27日平果4.4级地震前6 d，河池和邕宁台空间相关曲线出现趋势下降，降至0.96时，发生了4.4级地震，震后空间相关曲线仍持续近1个多月的下降，分别降至最低值0.77、0.88。2个月后，空间相关曲线逐渐恢复正常。

(6)2010年9月18日龙滩库区4.4级地震前5个月，河池台空间相关曲线出现明显低值异常，持续时间近2个月，出现0.89、0.88两次低值异常过程;邕宁台空间相关系数也出现了相同形态的下降过程，两次下降过程的最低值分别为0.92和0.94，异常幅度较河池台的略小。异常结束后100 d，龙滩库区发生4.4级地震。

(7)2012年10月10日起，河池台和邕宁台同步出现空间相关系数低值异常，异常持续时间近3个月，初期波动性缓慢下降，至12月上旬分别达到最低值0.86和0.87，此后缓慢回升至背景值。异常结束后45 d，平果地区发生4.5级地震。

3.2 地磁空间相关异常与中强地震关系分析

表3统计信息显示，研究震例震中距Δ介于50～505 km。当Δ＜270 km时，空间相关异常最小值在 0.76～0.90之间，平均为 0.84。当Δ＞270 km时，空间相关异常最小值在0.83～0.92之间，平均0.88。即异常幅度与震中距呈负相关性，当震中距相对较小时，观测到的异常幅度相对较大。

表3 邕宁和河池台空间相关系数异常信息统计Tab.3 Abnormal information statistics of spatial correlation index of Yongning and Hechi stations

图3 邕宁台 (黑色线)、河池台 (红色线)相对琼中台的地磁Z分量日变化幅度空间相关曲线Fig.3 Spatail correlation curve of daily variation amplitude of geomagnetic Z components of Yongning Station(black line)，Hechi Station(red line)relative to that of Qiongzhong Station

M≤5地震的空间相关系数低值异常持续时间为24～88 d，平均2个月;空间相关异常最小值为0.76～0.92，平均为0.85。M＞5地震空间相关系数低值异常持续时间为23～48 d，平均37 d;空间相关异常最小值为0.83～0.90，平均0.87。进一步对比发现，M≤5地震均位于陆区 (其中大化4.5级和龙滩4.4级地震位于水库地区)，而M＞5地震均位于北部湾海域。以上统计结果可能反映，不同震例前地磁空间相关曲线变化特征，不仅与震级及震中距有关，可能还与地震孕育环境有关。

综上所述，广西及北部湾海域发生显著地震前，广西河池台和邕宁台地磁Z分量日变幅空间相关曲线均出现了不同程度的低值异常变化，异常持续时间通常为1～3个月，异常最低幅值为0.76～0.92，发震时刻的空间相关系数在0.91～0.98之间。7次震例对应的空间相关曲线异常形态存在差异，1次在异常下降过程中、3次在异常恢复过程中及3次在异常结束后3个月内发震，即广西及北部湾海域中强地震通常发生在邕宁台和河池台的空间相关曲线同步出现低值异常持续过程中或异常结束后3个月内，且低值异常持续时间超过1个月、异常最小幅值≤0.9。该定量指标可供研究区震情跟踪参考。

3.3 地磁空间相关法在广西及邻区的预报效能评估

为了衡量地震预测水平和检验地震短期预报效能，目前多使用R评分的办法 (许绍燮，1989):

式中，R值为扣除了随机概率的预报成功率。R值越大，预报效果越好。1993～2013年3个台站均有资料记录，研究区内应预报震例6次，报对6次;预报研究的总时间为19.5年 (扣除2006-07-01～2007-12-31台站数字化改造时段)，期间邕宁台和河池台出现了14次空间相关系数小于0.9、持续时间1～3个月的同步异常，考虑异常跟踪过程的持续性，按平均每次异常持续过程为4个月进行统计，则空间相关法对广西地区M≥4.4地震的预报效能检验R值为0.76，表明该方法对广西地区中强地震具有较好的映震效果。

4 讨论与结论

本文采用空间相关法计算了1987～2013年广西邕宁台和河池台的地磁Z分量日变化幅度相对海南琼中台的空间相关系数，分析了空间相关曲线异常变化特征与广西及北部湾海域中强地震的关系，在此基础上对地磁空间相关法在广西及邻区的预报效能开展了评估。研究结果表明:

(1)广西邕宁台、河池台和海南琼中台的地质构造条件和地理位置相近，这3个台站进行空间相关结果，能够灵敏地反映局部地区地磁场的微弱变化，发现潜在的震磁信息。统计结果显示，广西及北部湾海域发生显著地震前，广西邕宁台和河池台地磁Z分量日变幅空间相关曲线均出现了不同程度的低值异常，异常变化特征与震级、震中距、孕震环境等因素相关。鉴于本研究区分震级和震中距的地震样本量偏少，此方面更深入的分析研究有待进一步开展。

(2)本文获取的量化指标对广西及北部湾海域中强地震的预报效能评分为0.76，具有较好的映震效果。需要指出的是，有7次同步的低值异常出现后研究区未发生中强地震。通常孕震区的分布范围、地球物理场异常持续时间与未来主震震级相关。因此，这些未对应广西及北部湾海域中强地震活动的显著低值异常，可能反映了震中位于研究区外的强震的磁异常信息。

(3)本文对研究区内地磁Z分量日变幅空间相关曲线异常特征与地震活动之间可能存在的内在关系开展初步研究，并对获取的量化指标开展了预报效能分析评估，然而利用日变化异常预测地震的机理仍是一个复杂的科学问题，需要长期不懈的探索和科学资料的积累。

江苏省地震局冯志生研究员为本研究提供了空间互相关计算程序及相关指导，海南省地震局叶向顶高级工程师提供了海南琼中台地磁观测资料，审稿专家提出了中肯的修改意见和建议，在此表示衷心感谢!

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