山西及邻区中强地震地磁异常综合特征分析

郭文峰 闫计明 刘素珍 曹志勇

1）中国太原 030021 山西省地震局

2）中国山西 030024 太原理工大学

0 引言

地磁场由稳定磁场和变化磁场组成。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要分为外源场和外源场在地球内部产生的感应场。因此，变化磁场是把与孕震过程相关的诸多因素联系起来的天然媒介，可以反映孕震区电磁性质以及内外环境因素的变化，并对孕震区起到调制、触发作用。基于变化磁场的以上特性，国内外学者研究了地磁日变化异常与地震间的关系，即地震前可出现地磁垂直分量日变化的畸变，这包括日变化形态、相位和幅度的畸变等。因此，可利用地磁日变化异常进行地震预测研究。

目前，地磁日变化异常提取方法主要有地磁低点位移法（丁鉴海等，1988）、地磁加卸载响应比法（曾小苹等，1996）、地磁日变化逐日比法（冯志生等，2001）、地磁日变化空间相关法（冯志生等，1998）和地磁每日一值空间相关法（冯志生等，2000）等。近年的震例研究表明，上述地磁异常在中强震前均有一定程度反映。如江苏地区无磁暴时逐日比异常与预测范围内地震间相关系数达0.77（袁桂平等，2018）；戴苗等（2017）得到了南北地震带及邻区18个显著地震事件前震中周边地磁台站垂直分量加卸载响应比，分析了地震前后地磁加卸载响应比的时空分布特征及产生机理；黄颂等（2020）基于幅相法计算了2008—2018年低点位移异常，较大程度上提高了利用低点位移的异常报准率。但单个方法也存在一定的局限性，如地点预测上存在地点不明确、预测范围较大等问题。已有研究（李鸿宇等，2018；倪晓寅等，2019）显示，利用地磁学的多种方法进行综合分析可显著缩小地震预测范围，较好地解决了地点不明确的问题。本文拟利用地磁低点位移、地磁加卸载响应比和地磁日变幅逐日比等多种地磁分析方法，分析数字化观测以来山西及邻区4次中强地震前的地磁异常特征，并对这些异常的时空特征进行综合分析。

1 资料选取及预处理

以山西及邻区数字化观测以来MS≥4.5中强地震作为研究对象，选取山西及邻区 5个省（山西省、内蒙古自治区中部地区、河北省西部地区、河南省及陕西省）共16个地磁台站观测数据（图1），观测仪器为FHD型质子矢量磁力仪和磁通门磁力仪。为了保证数据的准确性，对数据进行世界时—北京时转换以及高阶傅式拟合滤波等相关处理，以消除步长（24 h）及仪器噪声所引起的地磁日变幅偏大现象。

图1 地磁台站与地震分布Fig.1 Distribution map of the geomagnetic stations and earthquakes

2 方法

2.1 地磁加卸载响应比法

大量研究表明，太阳风每过一段时间就会对地球进行一次加载和卸载，使地球的磁场产生扰动。地磁日变幅极大值与其后极小值的比值被称为太阳风对地球磁场的加卸载响应比。

预测规则（冯志生等，2000；戴苗等，2017）：预测时间为异常出现后7个月内；预测地点为异常阈值等值线200 km范围内；预测强度为震级4.6级以上。

2.2 地磁逐日比法

逐日比为冯志生等（2001）在应用地磁加卸载响应比时发现的新的预测分析方法，为相邻2天地磁日变幅的比值。预测规则（冯志生等，2001，倪晓寅等，2017）：预测时间为异常出现后7个月内；预测地点为异常阈值等值线200 km范围内；预测强度为震级4.6级以上。

2.3 地磁低点位移法

地磁低点位移（丁鉴海等，1988）是指一个大区域各台的低点时间明显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 2 h以上。

预测规则（解用明等，2000）：预测时间为异常出现60天内；预测地点为低点位移线附近半径 200 km的范围内；预测强度为震级4.5级以上。

3 地磁异常震例

3.1 2010年1月24日河津MS 4.8地震

2010年1月24日河津MS4.8地震发生在山西断陷带临汾盆地与峨嵋台地隆起区的交界处，震中位于研究区中央，周围台站分布较均匀。在该地震发生前共发生1次地磁加卸载响应比异常、3次低点位移异常。加卸载响应比异常日期为2009年9月23日[图2（a）]，异常台站包括定襄地震台、太原地震台、榆林地震台、呼和浩特地震台等4个台站，河津MS4.8地震发生在异常阈值线200 km范围内。低点位移异常分别出现在2010年1月16、20、22日[图2（b）]，1月16日低点位移线呈NS走向，沿吕梁隆起区西缘穿过；1月20日低点位移线呈NW走向，沿山西运城盆地边缘穿过；1月22日低点位移线呈NS走向，沿太行隆起区穿过。地震震中距低点位移线异常线 100 km之内。

3.2 2010年4月4日大同MS 4.6地震

2010年4月4日大同MS4.6地震发生在山西断陷带大同盆地与六棱山隆起区的交界处，震中位于研究区中央，周围台站分布较均匀。在该地震发生前共发生2次地磁加卸载响应比异常、1次低点位移异常。加卸载响应比异常日期分别为2009年9月23日及11月10日 [图2（a），2（c）]，9月23日异常台站包括定襄地震台、太原地震台、榆林地震台、呼和浩特地震台等4个台站，11月10日异常台站包括呼和浩特地震台、广平地震台、红山地震台、涉县地震台、丰宁地震台、大同地震台、定襄地震台等7个台站，地震发生在阈值线以内。低点位移异常出现在2010年2月15日[图2（d）]，低点位移线呈NE走向，沿山西大同盆地边缘穿过，异常出现48天后在低点位移线的北侧发生了大同MS4.6地震，地震震中距异常线 50 km 范围之内。

3.3 2010年6月5日阳曲MS 4.6地震

2010年6月5日阳曲MS4.6地震发生在山西断陷带太原盆地与石岭关隆起区的交界处，震中位于研究区中央，周围台站分布较均匀。在该地震发生前共发生1次地磁加卸载响应比异常、1次逐日比异常、1次低点位移异常[图2（c）、2（e）、2（f）]。加卸载响应比异常日期为2009年11月10日，地震发生在阈值线附近。逐日比异常出现在2010年5月6日，异常台站为呼和浩特地震台、榆林地震台、乾陵地震台、卢氏地震台、临汾地震台、太原地震台、定襄地震台、大同地震台、红山地震台、涉县地震台、广平地震台等11个台站，异常发生在阈值线以内。低点位移异常出现在2010年5月9日，低点位移线呈EW走向，沿山西太原盆地南段穿过，异常出现27天后在低点位移线的西侧发生了阳曲MS4.6地震，地震震中距异常线 100 km 范围之内。

图2 震前异常等值线及低点位移线（a）2009年9月23日加卸载响应比异常；（b）2010年1月低点位移异常；（c）2009年11月10日加卸载响应比异常；（d）2010年2月15日低点位移异常；（e）2010年5月6日逐日比异常；（f）2010年5月9日低点位移异常Fig.2 Anomaly contours and low-point displacement before the earthquake

3.4 2010年10月24日太康MS 4.7地震

2010年10月24日太康MS4.7地震震区位于河南地区太康隆起与周口坳陷交界处的逊母口凹陷内，震中位于研究区南部，周围台站相对稀疏。在该地震发生前仅发生1次逐日比异常，地震震中距阈值线200 km范围之内。山西及邻区中强地震前地磁异常统计结果见表1。

表1 山西及邻区中强地震前地磁异常统计Table 1 Statistics of geomagnetic anomalies before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

4 综合预测分析

利用单一异常进行地震预测时存在预测时间较长、预测范围较大和预测震级较宽泛等问题。在时间预测上，低点位移的预测时效为2个月，加卸载响应比、逐日比的均为 7个月，这会产生对发震时间把握不准等问题；在地点预测上，以距阈值线、低点位移线200 km范围内为主要发震位置，会产生预测范围较大等问题；在震级上几种方法都缺乏精确的震级指标，预测震级相对宽泛。图3为山西及邻区中强地震前地磁所有异常的预测时间进程图，每条线代表1条异常，线条长度代表异常的预测有效期。从图3可知，河津MS4.8地震前共出现4次地磁异常。首先，2009年9月出现1次加卸载响应比异常，随后2010年1月陆续出现3次低点位移异常。大同MS4.6地震、阳曲MS4.6地震震前也陆续出现了加卸载响应比、逐日比、低点位移等异常。随着发震日期的临近，处于有效预测期限内的异常数量逐渐增多，异常逐渐增加也预示着发震概率在逐步增加。

图3 2009—2011年山西及邻区中强地震前地磁异常预测进程Fig.3 Time prediction process of geomagnetism anomaly from 2009 to 2011

图4为中强地震前地磁异常的空间分布叠加。从叠加效果来看，河津MS4.8地震前叠加区域主要集中在吕梁隆起区南段的临汾盆地（黑色椭圆），河津地震恰发生在临汾盆地的河津—侯马洼陷内[图4（a）]；大同MS4.6地震前叠加区域主要集中在忻定盆地北段恒山断裂两端（黑色椭圆），而大同地震发生在恒山北麓断裂的大同盆地内[图4（b）]；阳曲MS4.6地震前叠加区域主要集中山西中部太原盆地东部区域（黑色椭圆），而阳曲地震发生太原盆地内[图4（c）]。相对于单一异常，利用前述3种异常进行地震预测时，异常集中地区发震的可信度更高，预测范围也明显缩小。

图4 山西及邻区中强地震前地磁异常预测线空间分布（a）河津地震；（b）大同地震；（c）阳曲地震Fig.4 Spatial distribution map of anomaly prediction lines before moderate-strong earthquakes in Shanxi and adjacent areas

5 讨论及结论

从利用单一异常的地震预测区域来看，其范围较大，可信度不高；从预测时间来看，加卸载响应比、逐日比属于中期预测指标，低点位移属于短期预测指标。通过综合分析地磁异常的预测时间及预测地点，得出如下结论。

当3个以上台站地磁加卸载响应、逐日比、地磁低点位移同时超过阀值时，则地磁加卸载响应、逐日比异常可能为震前异常，且为中期预测指标，有效预测期为7个月左右；地磁低点位移异常为短期预测指标，有效期为2个月左右。

随着发震日期临近，异常数量会明显增多，这提高了地磁单一方法的可信度，也预示着该区域发震概率增加。

从发震地点来看，地震易发生在异常预测线集中交汇地区，这缩小了预测范围，且更加精确可信。

山西及邻区中强地震前出现了多项地磁异常，这表明该区域地壳深部电性状况可能发生改变。变化磁场的感应场反映到地磁日变化上，从而使震前出现多项地磁异常。

利用地磁异常综合分析方法后对地震发震时间、地点的预测有了一些改进。但研究中也有一些不足，如太康MS4.7地震前仅出现1次逐日比异常，推测这可能与周围台站稀疏以及地下介质的复杂性有关，需进一步开展研究；同时，地磁加卸载响应比和逐日比均是基于Z分量日变幅比值得到的，还需利用谐波振幅比、空间相关法等地磁方法进行综合分析。

江苏省地震局冯志生研究员、上海市地震局朱培育工程师为本研究提供了计算程序，在此一并表示感谢。