汶川8.0级地震前地磁日变化异常综合分析

倪晓寅 赖见深 朱培育

1)福建省地震局，福州 350003 2)东山地震台，福建漳州 363400 3)崇明地震台，上海 202164

0 引言

地磁场由稳定磁场和变化磁场组成。变化磁场包括了地磁场的各种短期变化，主要分为起源于地球电离层电流体系的外源场和外源场在地球内部生成的感应电流产生的感应场。因此，变化磁场不但反映了太阳活动、外层空间磁层、电离层的活动，还反映了地球内部介质电磁性质的变化。基于变化磁场的以上特性，国内外不少学者研究了地磁日变化异常与地震的关系，发现变化磁场地震异常可引起地磁垂直分量(Z分量)日变化的畸变，包括日变化形态、相位和幅度的畸变，利用地磁Z分量日变化异常预测地震，已成为我国日常短临预测预报地震的有效方法之一(丁鉴海等，2006)。

目前，国内用于提取地磁Z分量地震前兆异常的方法主要有：地磁低点位移法(丁鉴海等，1988)、地磁每日一值空间相关法(冯志生等，2000b)、地磁Z分量日变化空间相关法(冯志生，2005)、地磁Z分量日变幅加卸载响应比法(曾小苹等，1996；冯志生等，2000a；)、地磁Z分量日变幅逐日比法(冯志生等，2001；袁桂平等，2018)。近些年的研究表明，运用以上几种方法，在中国大陆一些显著中强地震前均有一定程度的异常出现，例如：2017年精河6.6级地震前出现了加卸载响应比异常和逐日比异常(艾萨·伊斯马伊力等，2017)、2013年岷县-漳县6.6级地震前出现了每日一值空间相关异常(李鸿宇等，2017)和加卸载响应比异常(戴苗等，2017)、2014年鲁甸6.5级地震前出现了日变化空间相关异常(戴勇等，2017)、2001年昆仑山8.1级地震前出现低点位移异常(丁鉴海等，2003)。

这些方法均是通过计算地磁场日变化相关参数——形态、相位和幅度变化提取地磁场日变化畸变异常的，在国内的应用范围较广，但这些方法的预测范围较大。根据近年来的研究结果，一些强震前是存在多种地磁方法异常的，但主要以单方法的研究和应用分析为主，对于多方法综合分析的研究偏少。前郭5.8级地震前的地磁异常综合分析研究成果显示(李鸿宇等，2018)，多方法综合分析可以显著缩小地震预测范围，这是多方法综合分析的优势所在。本文将利用地磁低点位移法、地磁加卸载响应比和地磁逐日比法，对2008年南北带地磁资料进行分析，研究汶川8.0级地震前出现的地磁异常特征，对这些异常的时空特征进行综合分析。

1 资料选取和初步计算结果

2008年5月12日汶川8.0级地震(31.01°N，103.42°E，深度14km)位于南北地震带上，因此研究中我们取南北带(22°～42°N，94°～115°E)范围内的地磁台站产出的地磁垂直分量分钟采样资料作为研究对象，汶川地震前在该范围内运行的地磁台站共有42个(图1，表1)，这些观测资料分别来自FHD质子矢量磁力仪和磁通门磁力仪。为了确保计算结果的准确性和可信性，对地磁台站数据进行了筛选，由于FHD质子矢量磁力仪噪声高，计算极小时间和日变化幅度前，采用傅氏拟合技术对其分钟采样数据滤波，滤除半小时以下的变化，删除突跳台阶等明确为干扰的变化。

图 1 汶川地震震中和研究采用的地磁台站

表1南北带地磁台站参数

台站仪器型号北纬/(°)东经/(°)震中距/km台站仪器型号北纬/(°)东经/(°)震中距/km肇庆台GM423.0112.51260嘉峪关台FHDZ-M1539.898.21090河源台FHD-2B23.7114.71375山丹台FHD-2B38.8101.0896邕宁台FHDZ-M1522.8108.51039大武台FHD-2B34.5100.3490河池台GM424.7108.0832格尔木台FHDZ-M1536.494.9996邵阳台GM427.2111.5886湟源台FHD-2B36.7101.2665成都台GM430.9103.835西宁台FHD-2B36.6101.7641道孚台FHD-2B30.0101.0253都兰台FHD-2B36.398.1770西昌台GM427.9102.3362银川台GM438.5106.3880石门坎台GM426.9102.8460中卫台FHD-2B37.6105.3760木里台GM427.9101.3394固原台FHD-2B36.0106.2618卫城台GM427.5101.7424定襄台FHD-2B38.0113.01176南山台GM426.54101.7518大同台FHD-2B40.1113.31354通海台GM424.1102.8764临汾台FHD-2B36.1111.4932宁南台GM427.2102.6422信阳台FHD-2B32.1114.01014美姑台GM428.3103.1293浚县台FHD-2B35.7114.51157昭觉台GM428.0102.8331恩施台FHDZ-M1530.3109.5588乌加河台GM440.9107.61165丹江台FHD-2B32.5111.5785乾陵台GM434.8108.2618钟祥台FHD-2B31.2112.7888汉中台FHD-2B34.0107.1485谷城台FHD-2B32.3111.6792兰州台FHDZ-M1536.1103.8573重庆台GM429.4106.6349天水台GM434.5105.9457贵阳台GM426.6106.8581

2 方法介绍

2.1 地磁低点位移法

地磁低点位移法采用的分析资料是地磁Z分量日变化极小值时间，简称低点时间。“低点位移”是指一个大区域各台的低点时间明显地与另一个大区域各台的低点时间不同，而每个大区域内部低点时间又相对一致，2个区域之间突变分界线的低点时间相差2hr以上(丁鉴海等，1988)。

预测规则[注]姚丽，2017，中国地震局2017年度震情跟踪定向工作任务成果。：①发震时间：异常出现后60天内；②发震地点：异常预测线附近200km范围；③发震强度：5.0级以上地震。

2.2 地磁加卸载响应比法

加卸载响应比的定义为

(1)

式中，RZ(max)为地磁垂直分量日变幅极大值，该方法原始定义中称为加载响应，日期为加载日；RZ(min)为地磁垂直分量日变幅极大值之后第1个极小值，该方法原始定义中称为卸载响应，日期为卸载日，卸载日视为加卸载响应比异常日期。该方法的异常判据为：当多个台站的P出现同步超阈值(3.1)且加载日未发生磁暴时认为是异常现象(戴苗等，2017)。

预测规则[注]戴苗，2016，中国地震局2016年度震情跟踪定向工作任务成果。：①发震时间：异常出现后6个月内。若2个异常间隔在2个月内，且异常区域有交汇或相隔不远，则视为一组异常，预测时效以后一次异常出现的时间为准。②发震地点：地震发生在异常阈值等值线(异常预测线)附近。③发震强度：5.0级以上。

2.3 地磁Z分量日变幅逐日比法

逐日比的定义如下

Y=A(t1)/A(t2)

(2)

式中，A(t)为Z分量日变幅；t为时间，t2=t1+1。逐日比异常日期为t2(后一天)的日期。异常判据为当多个台站的Y出现同步超阈值(3.0)且前一天Dst指数大于-70nT时认为是异常现象(倪晓寅等，2017)。

预测规则[注]倪晓寅，2016，中国地震局2016年度震情跟踪定向工作任务成果。：①发震时间：异常出现后6个月内。若2个异常间隔在6个月内，且异常区域有交汇或相隔不远，则视为一组异常，预测时效以最后一次异常出现的时间为准。②发震地点：地震发生在阈值等值线附近；③发震强度：5.0级以上。

3 震前异常分析

3.1 地磁低点位移方法异常

图 2 2008年4月24日、5月9日地磁低点位移异常(据王武星等(2009))

(2)2008年5月9日，中国大陆地磁场也出现了低点位移异常，异常线同样由北向南穿过整个南北地震带，异常出现后3天在异常线的东侧50km左右地区发生了汶川8.0级地震。

3.2 地磁加卸载响应比方法异常

图 3 2008年2月5日、12日地磁Z分量日变幅度加卸载响应比异常曲线

图 4 2008年2月5日地磁Z分量日变幅度加卸载响应比异常空间分布

图 5 2008年2月12日地磁Z分量日变幅度加卸载响应比异常空间分布

图 6 2008年2月5日、12日地磁Z分量日变幅逐日比异常空间分布

图 7 2008年2月5日地磁Z分量日变幅逐日比异常空间分布

以3.1为阈值，3个以上台站加卸载响应比值≥3.1时视为异常，在汶川地震前共出现2次异常，异常日期分别为2008年2月5日、12日，图4 中红框为2次异常。2月5日异常共有12个台站出现异常，分别为乌加河台、定襄台、大同台、临汾台、银川台、中卫台、固原台、兰州台、天水台、重庆台、涉县台、浚县台；2月12日异常共有18个台站出现异常，分别为格尔木台、嘉峪关台、山丹台、兰州台、天水台、银川台、中卫台、固原台、成都台、道孚台、木里台、卫城台、西昌台、宁南台、昭觉台、通海台、邕宁台、河池台。汶川地震发生在2次异常的阈值等值线附近(图4、5)。此外，在汶川地震之前发生的2008年3月30日甘肃肃南5.0级地震也发生在2次异常的阈值等值线附近。

3.3 地磁逐日比方法异常

以3.0为阈值，3个以上台站逐日比值≥3.0时视为异常，在汶川地震前共出现2次异常，异常日期与加卸载响应比相同，为2008年2月5日、12日，图7 中红框为2次异常。2月5日共有9个台站出现异常，分别为西宁台、银川台、中卫台、固原台、兰州台、天水台、汉中台、重庆台、昭觉台；2月12日共有6个台站出现异常，分别为格尔木台、西宁台、兰州台、银川台、道孚台、南山台。汶川地震发生在2次异常的阈值等值线附近(图7、8)。2008年2月5日的异常阈值等值线北侧附近还发生了2008年3月30日甘肃肃南5.0级地震。

图 8 2008年2月12日地磁Z分量日变幅逐日比异常空间分布

图 9 2008年1～5月异常预测进程

4 综合预测分析

图9给出了地震前所有异常的预测时间进程图，每条线代表1 次异常，线条长度代表异常开始时间加上异常预测有效期限，从图9 可以看出，汶川地震发生在6个异常的预测有效期内。时间轴上，2008年2月首先出现了2次逐日比异常和加卸载响应比异常，接着在4月份出现了低点位移异常，之后是汶川地震前3天又出现了低点位移异常。随着地震发生的临近，处于有效预测期限内的异常数量是逐渐增多的。出现异常的3种方法均属于中短期预测方法，可以认为，中短期异常的逐渐增加，发生地震的概率也在逐步增大，出现的短期异常越多，距离地震发生的时间越短。

图10给出了所有异常预测线的空间分布叠加，从图10 可以看到，3种方法的异常集中交汇地区位于四川中东部地区，而汶川地震发生在该区域内部。相对于单方法，预测范围明显缩小，且异常集中地区发震的可信度更高。

图 10 汶川地震前异常预测线空间分布

5 结论和讨论

加卸载响应比和逐日比结果均是基于Z分量日变幅计算得到的，2种方法的本质属于识别并提取Z分量日变幅畸变异常。2种方法出现异常的直接原因是Z分量日变幅异常增大或减小。本文计算得到的加卸载响应比和逐日比的异常日期相同，说明2种比值法的分母相同，两者空间分布上的差异是由于计算公式的分子不同引起的，2种异常空间分布上的共有和交汇部位可能才是真正的异常区域。

从发震地点预测方面来看，仅就单个方法异常而言，单个异常的预测范围较大，精确度不高。但我们将汶川地震的地磁异常预测线综合绘图后可以发现，地震发生在多个方法异常预测线的集中交汇地区。因此，以多方法空间交汇地区作为预测发震地点，相比单方法的预测范围要小的多，且更加精确可信。如果单个方法出现多次异常时，其预测线集中交汇的地区发生地震的可能性也较大。

冯志生等(2009)认为在低点位移线下方存在引起地磁场日变化畸变的感应电流经过，其对电流两侧的感应磁场是反相位的，使得叠加了感应电流磁场的Z分量日变化形态发生了不同的变化，形成了低点位移异常。加卸载响应比和逐日比的研究成果也显示，2种方法形成机制与低点位移类似(戴苗等，2017；倪晓寅等，2017)。一般情况下，感应电流的存在是常态的，当地质构造块体发生短期微动态活动，包括发生整体运动时，一些断层及其交汇区的电导性质将会发生变化，在电性方面一些平时并不贯通的断层发生贯通，从而有可能形成短期高导(低阻)通道，造成感应电流短期内在高导(低阻)通道内的集中，当这种集中电流的分布形成闭合圈或有EW方向分量时，电流产生的力矩对地震的发生可能有触发作用(冯志生等，2009)。

汶川地震前，2008年1～5月的地磁Z分量日变化畸变异常覆盖了南北带的大部分地区，南北带大范围出现的地磁日变化畸变异常表明，汶川地震前南北带区域可能的构造运动引起了大范围地下介质电磁性质的改变。