巧家Ms5.0 地震的地磁异常过程分析

尤 伟，赵育飞，周思远，倪 喆

(云南省地震局 信息中心，云南 昆明 650224)

20 世纪70 年代以来，流动地磁观测作为地震监测手段，主要用于地磁总强度（F）监测. 测区内各测期间的相邻差幅值常作为地磁异常指标，用于对比分析测区内发生的地震和对测区内进行地震预测. 如云南省地震局流磁组分析了1982 年7 月3日剑川5.3 级地震[1]，倪喆[2]利用总强度相邻差的变化分析了2013 年3 月3 日洱源5.5 级地震. 国外研究方面，1976 年美国研究者曾用24 台质子磁力仪，沿着圣安德烈断层，以一种特殊的排列布局方式，进行地震地磁监测，获得了1986 年7 月8 日北棕榈泉5.9 级地震后，距震中分别为3 km 和9 km的地磁场变化，变化幅度相应为1.2 nT 和0.3 nT，这是最早获得的期待已久的地震地磁观测数据[3].在前苏联的费尔干纳东北部地区，科学家们根据1973 年以来地磁场长期测量的结果，发现在1977变化了9 nT，而1978 年变化了16 nT，认为在阿莱（Alay）有一个异常区域. 于是从1978 年10 月中旬开始，在这一区域进行固定观测，观测到该地区与世界范围内的地磁活动性有2～3 nT 的差异，这一差异在1978 年10 月26 日 观测到，至10 月30 日异常达到最大值，达+23 nT，10 月31 日地磁异常开始减小. 科学家们果断地作出预报，在预报发布的6 h 后，于11 月2 日发生了阿莱7.0 级地震. 地震后，总强度变化量又恢复到正常水平[4].

2005 年底在中国地震局地球物理研究所编制完成《2005.0 中国地磁参考场（中国地磁图）》之时，发生了九江—瑞昌MS5.7 地震，研究团队仔细分析了震区及其周边的地磁基本场数据和模型，认为存在以水平分量为主的异常表现[5]. 为继续追踪该异常的演化过程，并探索有效的地震前兆异常监测分析方法，中国地震局监测预报司开展了流动地磁矢量观测的地震监测工作. 至此，流动地磁矢量观测由基础科学研究走向了地震监测和预测工作的应用[6]. 与地磁总强度的研究方法类似，地磁矢量的变化用于研究地震前兆异常，也是通过两期观测的相邻差来实现的[7].

本文分析和对比了巧家地震震中（27.18°N,103.16°E）周边约200 km 范围内，震前3 期和震后1 期的地磁总强度（F）、磁偏角（D）、磁倾角（I）及水平分量（H）等地磁要素的相邻差变化，发现巧家地震的震中在磁偏角、磁倾角的零变线上，且在水平分量弱变区域中. 这一现象对于日常监测和地震危险区的划定，以及中期地震预报具有一定参考价值.

1 观测资料的获取和数据处理过程

1.1 研究区域的测点分布 2020 年5 月18 日发生的巧家地震，震中位置在北纬27.18°，东经103.16°，在南北地震带地震地磁监测网区域. 地震地磁三分量观测每年观测2 期，第1 期在春季3—5 月间观测，第2 期在秋季8—10 月间观测. 地磁三分量监测点平均间距约70 km，鉴于巧家地震的震级是5.0 级（不算太大），选取24°～30° N，101°～106°E 区域内，即以震中为中心，东西向各约250 km，南北向各约300 km 范围内的地震地磁三分量监测点共59 个，用震前、震后共4 期的观测资料，进行巧家地震的地磁异常分析. 测点分布图见图1（地图的底图来源于2005 年11 月中国地震局编写的“基于GIS 的地震分析预报系统”应用程序）.

图1 研究区域测点分布图Fig. 1 Distribution map of survey points in the study area

1.2 使用仪器和测量过程 地震地磁野外三分量观测是在野外的固定测点上观测7 个地磁要素中的磁偏角（D）、磁倾角（I）、总强度（F）. 其它4 个地磁要素可通过三角函数利用D、I、F计算而得. 测量时段应尽量避免在地磁日变化较大的中午、磁扰、磁暴时[8]，一般在地方时早上09:00 前，下午16:00 后最为理想. 总强度用加拿大GEM 公司制造的标准质子磁力仪GSM-19T 仪器观测，该仪器灵敏度<0.1 nT，分辨率可达0.01 nT，在仪器工作范围内绝对精度可达0.2 nT. 磁偏角、磁倾角用地磁绝对测量仪器CTM-DI 观测，测量精度达0.1′. 其中，磁偏角测量还需要在主测点和GPS 测点同时架设GPS，测量主测点到GPS 测点的大地方位角用于计算磁偏角[9]. 为提高测量精度，消除偶然误差，每个测点均进行6 组D、I、F观测，并对6 组观测数据分别进行通化，然后计算通化平均值及标准差. 本文用于计算相邻差的所有数据，均指各测期、各测点、各分量通化平均值.

为了尽可能地减小地磁日变化差异的影响，应当尽量利用离测点最近的地磁台（或日变站）的观测数据进行通化处理，将一个测区每期的各个测点在不同时间t的观测值通化为某一天特定时刻t0的观测值[10]. 在夜间，地磁日变是最平稳的，所以通化的t0时刻的磁场值应该是夜间磁场值[11]. 本文采用地磁台北京时间00:00—02:59 的分钟值的平均值作为“通化零值”.

现以磁偏角D的通化为例，设地磁台在通化日的北京时间00:00—02:59 的“通化零值”为D0，在野外观测时段地磁台的分钟值的平均值为D1，野外观测值为D野，通化值为D，那么：

这样，野外各测点在不同日期、不同时刻的观测值可以归算到同一天的同一时刻，数据更具有可比性，其他分量同理.

为了消除偶然误差并提高观测精度，一般进行6 组观测，并计算通化值的平均值和通化均方误差. 根据多年的通化情况，磁偏角、磁倾角、总强度的通化均方误差分别约为δD= 0.10′，δI= 0.06′，δF=0.31 nT.

用于计算相邻差的地磁各要素值均指该要素通化值的平均值.

地磁场总强度F在水平面上的分量H叫做水平分量，为了在水平面上表示H变化的大小和方向，需要将H分为南北分量和东西分量. 南北分量即X分量，向北为正，东西分量即Y分量，向东为正.X、Y计算公式为：

所以ΔH由ΔX及ΔY组成，即：

本论文基于分段插值和广义重心坐标，针对包含悬浮节点的不协调网格，提出采用退化多边形思想的有限元方法，不需要在局部或整体区域上添加单元或者重新划分网格，可以直观地处理各种复合网格情况，并且由于形函数的常数性质，建立系数矩阵时速度更快，由于规避了钝角三角形等形态不佳的情况，在精确度方面比经典方法好。所提出的方法可望扩展到更加复杂的四面体不协调网格问题，其误差估计也与经典有限元法相似。

其中，ΔH、ΔX、ΔY分别表示磁场强度在水平分量、北向分量、东向分量的变化量，单位均为 nT .

1.4 相邻差的计算 相邻差即地磁场观测值的变化，本文采用各测点通化值与测区通化平均值的差值的变化计算相邻差. 在研究区域，取每期各测点通化值的平均值为参考值，各测点通化值与平均值的差叫做该测点的对比差，即与平均值比较得到的差值. 一般情况下，各测点之间的点位差是不变的，即对比差是一个常数. 所以，相邻两期对比差相减得到相邻差，理论上是零. 本文是根据测区内各测点各分量的相邻差，即包括总强度相邻差ΔF、磁偏角相邻差ΔD、磁倾角相邻差ΔI的等值线图和X-Y水平面上水平分量的相邻差ΔH矢量图，分析地磁场变化与巧家地震的关系.

现仍然以磁偏角D为例，说明相邻差的计算过程. 设研究区域内各测点的通化值为D1，D2，D3，···，Dn，那么测区内通化值的平均值（D均）为：

各测点通化值Di相对于平均值（D均）的差值即对比差（Di对比）为 ：

每个测点两期的对比差相减，即为相邻差（ΔDi），

文中其它地磁分量的相邻差ΔI、ΔF、ΔH以同样的方法可以计算. 其中，ΔH由ΔX和ΔY的矢量和组成.

相邻差计算必须满足4 个条件才具有可比性：① 测点完全相同，即在任意两期的相邻差计算中，本期使用了哪些测点的数据，上期也应该使用这些测点的数据；②点位没有变动，即参与计算的任何1 个测点，两期的观测都在同一个位置进行；③点位环境没有变化；④同一个测点前后两期的参考地磁台（通化台）相同.

在图1 的59 个测点中，共用了4 期的数据，计算了3 个时段各地磁要素的相邻差. 按相邻差计算应该满足的条件，3 个时段用的测点数及这些测点所在的经纬度范围见表1.

表1 巧家Ms5.0 地震前后的3 个时段计算相邻差的测点数及经纬度范围Tab. 1 The number of points used to calculate the adjacent difference and their latitude and longitude range in the three periods before and after Qiaojia Ms5.0 earthquake

2 巧家地震前后的地磁场变化分析

2.1 总强度（F）的变化F的相邻差ΔF在巧家地震前后的等值线图见图2. 在第1 时段（图2（a）），ΔF变化等值线图明显表明研究区域的异常区分为周边区域和中部区域，周边区域为几个正异常区，中部区域为负异常区，巧家地震在总强度负异常区域的中心，也即在负异常最大值处，约为7 nT，属于比较大的异常；在第2 时段（图2（b）），ΔF异常区基本按东西划分，西边为负异常，东边为正异常，正负异常最大幅值相当，均为10 nT 左右，区域大小也相当，震中在ΔF零值线上，且震中附近ΔF等值线很密；至第3 时段（图2（c）），尽管震中周围出现几个幅值不等的异常区域，但震中几乎在ΔF零值线上，即震中附近地磁场总强度F在震前、震后与研究区域F平均值保持同样的变化量.

图2 ΔF 等值线图Fig. 2 Contour map of ΔF

2.2 磁偏角（D）的变化D的相邻差ΔD在巧家地震前后的等值线图见图3. 由图3 可知，在第1 时段（图3（a）），研究区内大部分区域磁偏角基本没有变化，震中也位于ΔD接近零变的区域. 东部边界呈现负异常，边界处负异常最大. 北部有较大正异常区域，距震中东北部约120 km 处是最大正异常区，但最大值的幅值并不大. 在第2 时段（图3（b）），巧家地震前的磁偏角虽然有明显的几个异常区，但幅值都不大，且正负异常区域相当，正负异常幅值相当. 幅值较第1 时段明显降低，最明显的特点是震中在ΔD变化零值线上，且震中周围ΔD等值线较密. 至第3 时段（图3（c）），正负异常幅值再度缩小，异常基本按东西分布，即西部表现为负异常，东部表现为正异常，巧家地震震中ΔD在0.2′左右，考虑到地磁场变化的复杂性及测量误差，这一幅度并不明显.

图3 ΔD 等值线图Fig. 3 Contour map of ΔD

2.3 磁倾角（I）的变化I的相邻差ΔI在巧家地震前后的等值线图见图4. 由图4 可知，在第1 时段（图4（a）），大部分区域磁倾角变化很缓和，基本没有变化，震中也位于ΔI零变区域内. 负异常区位于震中东北约180 km 处，且在边缘处最大，震中南部为正异常区，距震中约150 km 处的南面为最大正异常区域；至第2 时段（图4（b）），地磁倾角异常基本呈东西分布，西边为正异常，东边为负异常，异常幅值较第1 时段略有降低. 其中，震中东北区域的负异常和西南区域的正异常在范围和幅值上相当，而西北区域的正异常又和东南区域的负异常相对应，震中在ΔI零变线上，且震中周围ΔI等值线较密. 至第3 时段（图4（c）），正负异常幅值进一步缩小，虽然图4（c）看到有几个正负异常区，但总幅值仅在-0.6′～ 0.6′之间. 巧家地震震中在ΔI零变区域.

图4 ΔI 等值线图Fig. 4 Contour map of ΔI

2.4 水平分量（H）的变化H的相邻差ΔH在巧家地震前后的矢量图见图5. 由图5 可知，在第1 时段（图5（a）），ΔH绝对值在0.45～26.86 nT 之间. 研究区域大部分范围H变化都比较平缓，震中附近变化也不大. 震中周围ΔH分布呈螺旋状，震中位于螺旋中心东北约70 km. 震中东部、东南部有2 个较明显异常区，方向相反，并在震中以东打破了ΔH分布整体呈螺旋状的特征. 在第2 时段（图5（b）），ΔH绝对值在1.80～17.04 nT 之间. 震中周围约70 km范围内，ΔH绝对值变化并不明显，震中附近东西两边ΔH呈相互对立状态，也即ΔH矢量方向相反. 震中东南约100 km 处ΔH最大，并与西南区域朝东北方向的异常相对立. 震中以北异常形态从东往西逐渐从“西南方向—朝西方向—西北方向”转移. 总体来看，水平方向异常形态呈现出“震中较小，距震中100～200 km 最大，且正负异常在方向和幅值上有相互对立”状态. 至第3 时段（图5（c）），ΔH绝对值在0.43～12.36 nT 之间. ΔH分布呈螺旋状，震中位于螺旋状的中央，大体呈反时针旋转. 在变化幅度上，震中附近约50 km 范围内ΔH大多在2 nT 以内，离震中越远，ΔH也越大.

图5 ΔH 矢量图Fig. 5 Vectogram of ΔH

2.5 巧家地震的地磁异常过程总结

2.5.1 总强度 在第1 时段，震中处于负异常区域的中心，周边为几个正异常区. 至第2 时段，震中在ΔF零变线上，且零变线两侧ΔF的梯度较大，正负异常区域的界线明显. 至第3 时段，零变区域或弱变区域范围扩大，且震中处于零变区域中央.

2.5.2 磁偏角和磁倾角 在3 个时段中，震中附近ΔD、ΔI都在零变区域或接近零变的区域，3 个时段正负异常幅值均递减. 在第1 时段，震中周围零变区域较大，且研究区内大部分区域变化平缓.至第2 时段，零变区域缩小，分别出现几个正负异常区，零变线两侧梯度增大，正负异常区界线明显，震中位于零变线上. 至第3 时段，正负异常幅值变小，零变区域增大，震中依然在零变区域中. 这一状态一直持续到震后.

2.5.3 水平分量 在3 个时段中，研究区域正负异常幅值均呈递减趋势，震中附近一直处于ΔH的最小值. 在第1、第3 时段，ΔH以震中为中心呈螺旋状分布，距震中越远，ΔH越大. 而在第2 时段，ΔH变化没有“螺旋状”，但有一个很明显的特点是震中附近东西两边ΔH呈相互对立状态，也即ΔH矢量方向相反.

3 讨论和结论

3.1 讨论 本文共用了4 期地磁三分量观测资料研究了巧家Ms5.0 地震的地磁异常过程，其中第4期的资料是巧家地震后专门加测的. 地磁总强度从震前14 个月至震前10 个月，震中在最大负异常区域，约为-7 nT. 从震前10 个月到震后，其变化特点也和其他分量一致，即正负异常区域变得十分明显，震中在零变线上或零变线附近. 从各个时段、各分量变化幅值范围来看，巧家地震的异常在震前14个月开始出现，以地磁场总强度变化和水平分量变化较为明显. 对于其它的震例，以及未来发生的地震，也可以用同样方法研究地磁异常过程.

根据苏树朋等[12]的研究，在大华北地区，测区内1980 年1 月1 日以来发生的5 级以上地震共26 次. 其中大部分地震在岩石圈磁场中表现出较明显的位置特征 ，它们主要发生在D要素，I要素，或者F要素的 “零”值线附近和高梯度带2 个位置.本文的研究结论与之非常吻合.

本文所采用的相邻差计算方法是以测区各测点通化平均值为参考，如果以某一个固定的连续观测台站数据作为参照，进行相应的计算和分析，是否也会得出类似的地磁异常过程，需要实际计算分析后才能确定. 另外，本文研究区域内测点数量实际上比较稀疏，如果再加密测点，进行更精细的测量和计算分析，又是否还得出类似的地磁异常过程，仍需要做进一步的研究.

3.2 结论 2020 年5 月18 日发生的巧家Ms5.0 地震，从震前14 个月到震后的3 个时段，尽管正负异常区域有所变化，异常幅值有所下降，但震中位置都在磁偏角、磁倾角的零变线上或零变区域中，也在水平分量变化相对较小的区域. 距震中越远，这几个地磁要素的变化有增大的趋势. 在未来的地震预测工作中，这一结论对于划定地震危险区及中长期预报具有参考意义，即对地磁学科来说，地震并不一定发生在异常大的区域，而更应该关注“零变区域”.