2019年甘肃张掖5.0级、夏河5.7级地震前地磁低点位移时空分布特征

裴东洋 戴勇 王磊 格根

（中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局）

0 引言

地震与地磁场的关系是地震电磁学的主要研究方向之一（冯志生等，2019）。地震地磁场异常主要研究方法有地磁日变化、磁扰动、基于磁测深的异常分析方法等等，这些方法已在国内外得到广泛应用（丁鉴海等，2009；艾萨· 伊斯马伊力等，2020）。其中，地磁低点位移法具有较显著的地震短期预测意义。“地磁低点位移”现象是指一个大区域的地磁垂直分量日变化极小值出现时间（简称低点时间）明显地与另一个大区域的低点时间不同，而每个大区域内部低点时间又基本一致，2 个区域之间有明显的突变分界线（简称低点位移线）,并且2 个区域之间的低点时间相差2 h 以上（冯志生等，2009）。国内在地磁低点位移现象形成机理及与地震间的关系的研究中已取得一些进展（李军辉等，2013）。赵洁等（2005）认为，地下深部高温物质的对流施加于地壳时，会引起地壳构造变动而形成地磁低点位移异常。张学民等（2008）研究了地磁低点位移的频谱特征及机理，认为低点位移发生时，8.5 h、13.7 h 周期的频谱值增加，地磁低点位移的发生与空间电子密度的增加间有较好的对应性。冯志生等（2009）依据分布于低点位移线两侧的台站观测到的地磁垂直分量日变化反相位畸变变化，推测在低点位移线下方有外空变化磁场感应电流聚集。丁鉴海等（1988，2008）研究了1966—2008 年低点位移异常与地震间的相关性，发现低点位移法可预测强震，特别是对6 级以上地震效果较好。

据中国地震台网正式测定，2019 年9 月16 日20 时48 分甘肃张掖市甘州区（38.6°N，100.35°E）发生5.0 级地震，震源深度11 km。此次地震前29 天，即8 月18 日在甘肃中部地区有明显的地磁低点位移现象。10 月28 日1 时56 分，甘肃甘南州夏河县（35.1°N，102.69°E）发生5.7 级地震，震源深度12 km。此次地震前42 天，即9 月16 日在甘肃中东部有明显的地磁低点位移现象。2 次地震震中位于地磁低点位移线明显转折处附近。本文拟在地磁低点位移法的基础上，研究低点位移异常日地磁垂直分量低点时间的梯度分布特征，并分析地磁低点位移异常与中强地震间的关系。

1 原理与资料

1.1 原理

丁鉴海等（1988，2003，2004，2008）通过统计单台地磁垂直分量低点时间的平均分布和多台低点时间的空间变化规律给出了低点时间的分布规律及低点位移的判定标准、预测规则，即单台低点时间集中分布在固定时间段内，一般为地方时12 h 左右。空间上低点时间主要分布特征为随经度而变化，经度相差15°时，低点时间相差1 h。如果偏离此时间过多，则认为单台低点发生位移。

随着地震地磁台网密度增加、震例积累、低点位移形成机理研究的深入，一些研究者对现有异常判定方法和预测规则作了进一步完善。戴勇等（2019）提出低点时间变化的梯度值可以大幅缩小预测区域，梯度值1.5 h/（°）可以作为判定异常的阈值。本文将基于上述低点位移梯度方法，分析2019 年甘肃张掖5.0 级、夏河5.7 级地震前低点时间变化的梯度分布特征，研究低点时间梯度带与中强地震震中分布间的关系，以期给出新的地磁低点位移判定指标。

1.2 资料选取及处理过程

选择中国大陆（15°—55°N，70°—140°E）地磁台站垂直分量低点时间数据作为研究对象，数据来源于中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）。在数据处理过程中对于同一台站有多套仪器的情况，若仪器记录数据真实有效且无明显干扰，取各仪器记录的低点时间的平均值为该台站的低点时间。对于存在轻微干扰的台站，采用低通滤波滤除干扰，若滤波后已无明显干扰则纳入研究范围；否则，不采用此台站数据。若因仪器故障导致当日缺数情况严重或干扰严重，则不采用此台站数据。

全国地震地磁台站分布极不均匀，其中，华北、东南、南北地震带地区台间距多为几十千米，而新疆维吾尔自治区、西藏自治区、青海省、内蒙古自治区台间距多为几百千米（戴勇等，2019），故无法直接采用梯度法进行计算。综合考虑不同插值方法的效果，在计算过程中采用克里格方法（吴长祥等，2008；姜金征等，2015）对中国大陆低点时间数据进行空间插值处理。对于位于地震台网内部的区域，采用内插算法；对于位于台网外部的区域，则采用外推算法。在插值处理过程中，对网格数据文件间隔调试结果显示，间隔大小对整体特征影响不大（戴勇等，2019；格根等，2020），最终确定经向点数为1 401 个，纬向点数为801 个，经向、纬向点间距均为0.05°的密度较合适。

低点时间随经度变化的特征称为经度效应（丁鉴海等，1988；冯志生等，2009）。梯度计算过程中，首先将120°E 经线作为基准线以剔除经度效应；再对研究区内每个网格点计算经度向、纬度向梯度值的矢量和，将其作为该网格点的梯度值；最后绘制中国大陆地磁低点时间梯度空间分布图。

2 2019 年甘肃2 次5 级以上中强地震震例

2.1 张掖5.0 级地震前地磁低点位移特征

2019 年9 月16 日张掖5.0 级地震前29 天，即8 月18 日中国大陆出现明显的地磁低点位移现象。低点位移线经过内蒙古西部、甘肃中部、宁夏南部、山西南部、河北南部，将中国大陆明显分为2 个区域，2 个区域低点时间相差约4 h。通过分析世界地磁中心网站（http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html）提供的磁暴环电流Dst指数和中国科学院国家空间科学中心网站（http://www.sepc.ac.cn/）提供的Kp指数发现，8 月18 日前后几天Dst指数绝对值均小于20 nT（图1），Kp指数均小于5，中国大陆地磁台站没有受到明显磁暴、亚暴现象的影响。因此认为，此次低点位移异常真实存在，符合地磁低点位移法的判别方法。

图1 2019 年8 月磁暴环电流Dst 指数变化Fig.1 Magnetic storm ring current index variation curve in August 2019

对2019 年8 月的低点时间进行梯度法计算。扫描结果显示，无地磁低点位移异常时中国大陆大部分区域梯度值小于1.0 h/（°）。如图2 所示，以8 月10 日为例，中国大陆地磁台站低点时间空间分布没有出现明显的分区特征，同时也没有出现明显的高梯度带。8 月18 日出现地磁低点位移异常当天，同步出现了大于1.0 h/（°）的高梯度带，其局部地区梯度值大于2 h/（°），高梯度带主要分布在甘肃中部地区（图3）。9 月16 日张掖5.0 级地震震中在高梯度带边缘1.0 h/（°）等值线附近，该处也是低点位移线出现明显转折的位置。

图2 正常日中国大陆地磁低点时间、梯度分布（以2019 年8 月10 日为例）Fig.2 Distribution of low-point time and gradient of geomagnetism in Chinese mainland at nonanomalous date (on 10 August 2019)

图3 2019 年8 月18 日中国大陆地磁低点位移线分布及低点时间梯度分布特征Fig.3 Distribution characteristics of low-point displacement line and low-point time’s gradient in Chinese mainland on 18 August 2019

2.2 夏河5.7 级地震前地磁低点位移特征

2019 年10 月28 日甘肃夏河5.7 级地震前42 天，即9 月16 日中国大陆出现明显的地磁低点位移现象，低点位移线经过西藏自治区、青海省、穿过甘肃省东南、经过宁夏回族自治区、陕西省，在内蒙古自治区中部结束，将中国大陆明显分为2 个区域，2 个区域低点时间相差约2 h。通过分析磁暴环电流Dst指数和Kp指数发现，9 月16 日前后几天，Dst指数绝对值均小于20 nT（图4），Kp指数均小于5，中国大陆地磁台站没有受到明显磁暴、亚暴现象的影响。因此认为，此次低点位移异常真实存在，符合地磁低点位移法的判别方法。

图4 2019 年9 月1—29 日磁暴环电流Dst 指数变化Fig.4 Magnetic storm ring current index variation curve in September 2019

对2019 年9 月的低点时间进行梯度法计算。扫描结果显示，无地磁低点位移异常时中国大陆没有出现梯度值大于1.0 h/（°）的区域。如图5 所示，以9 月20 日为例，中国大陆地磁台站低点时间空间分布没有出现明显的分区特征，同时也没有出现明显的高梯度带。9 月16 日出现地磁低点位移异常当天，同步出现了梯度值大于1.0 h/（°）的高梯度带，其主要分布在甘肃中东部地区（图6）。10 月28 日夏河5.7 级地震震中在高梯度带边缘1.0 h/（°）等值线附近，该处也是低点位移线出现明显转折的位置。

图5 正常日中国大陆地磁低点时间分布和梯度分布特征（以2019 年9 月20 日为例）Fig.5 Distribution of low-point time and gradient of geomagnetism in Chinese mainland on nonanomalous date (20 September 2019)

图6 2019 年9 月16 日中国大陆地磁低点位移线分布及低点时间梯度分布Fig.6 Distribution of low-point displacement line and low-point time’s gradient in Chinese mainland on 16 September 2019

2.3 异常日地磁垂直分量日变化特征

根据低点位移形成机理认为，异常日台站地磁垂直分量日变化形态畸变是由于感应电流重新分布而造成的（冯志生等，2009；戴勇等，2019）。异常日在低点位移线下方短时间形成高导通道，感应电流在高导通道内聚集产生的磁场造成低点位移线两侧台站地磁垂直分量日变化形态畸变和低点时间偏移。

以2019 年8 月18 日低点位移异常为例，低点位移线两侧200 km 范围内，山丹地震台、湟源地震台、固原地震台、中卫黑山嘴地震台等的垂直分量明显出现日变化形态畸变和低点时间偏移的现象，具体结果如图7 所示。由图7 可见，低点位移线两侧台站地磁垂直分量日变化形态均由无异常日的“V”字型转为“W”型，低点位移线上方固原地震台、中卫地震台、大同地震台等低点时间出现明显滞后（偏移），低点位移线下方低点时间基本在地方时12 时左右，未出现明显偏移。

图7 2019 年8 月18 日地磁低点位移线两侧200 km 范围内台站地磁垂直分量日变化Fig.7 Daily variation pattern of geomagnetic vertical component of stations within 200 km on both sides of low-point displacement line on 18 August 2019

综上所述，低点位移异常日在低点位移线附近台站地磁垂直分量日变化形态出现明显畸变，低点时间相较无异常日明显偏移。低点位移线下方感应电流形成的磁场在台站本身地磁垂直分量上叠加，造成垂直分量日变化形态由“V”字型转变为“W” 字型。低点位移线转折较明显的位置有利于感应电流形成的磁场互相叠加，容易形成高梯度带，该处也是中强地震容易发生的位置。

3 结论与讨论

（1）2019 年8 月18 日中国大陆地区出现明显地磁低点位移现象，在甘肃中部地区存在明显地磁低点时间高梯度带。此次低点位移发生后29 天，即9 月16 日发生张掖5.0 级地震，地震震中在低点位移线发生明显转折处及低点时间高梯度带1.0 h/（°）等值线边缘；9 月16 日中国大陆地区再次出现明显地磁低点位移现象，在甘肃东南部地区存在明显地磁低点时间高梯度带。此次低点位移发生后42 天，即10 月18 日甘肃夏河发生5.7 级地震，地震震中同样在低点位移线发生明显转折处及低点时间高梯度带1.0 h/（°）等值线边缘。通过以上2 次震例的分析认为，在甘肃中东部地区，出现低点位移的情况下对低点时间进行梯度分析能够有效缩小发震地点预测范围，高梯度带边缘可能是易发生中强地震的位置。

（2）低点位移异常日低点位移线200 km 范围内台站地磁垂直分量日变化形态、日变化幅度、低点时间等相较无异常日都有明显变化。低点位移线下方感应电流形成的磁场在台站地磁垂直分量上叠加，当二者方向相同时，造成垂直分量日变化形态“V”字型幅度变大，当二者方向相反时，造成垂直分量日变化形态由“V”字型转变为“W”字型；日变化幅度由于感应电流产生的磁场叠加相较无异常日呈现明显的偏大或偏小；低点位移线两侧低点时间变化不一致，其中，某一侧相较无异常日出现明显偏移，而另外一侧低点时间未发生明显变化。2 个震例中低点位移线上方的台站低点时间明显滞后于当地时间12 h，而低点位移线下方台站低点时间变化不大。低点位移线转折较明显的位置有利于感应电流形成的磁场互相叠加，容易形成高梯度带，该处也是中强地震容易发生的位置。

（3）每年8—9 月中国大陆地磁低点时间分布扫描结果显示，存在多次低点位移线经过甘肃中东部地区的异常。其中，仅有2019 年8 月18 日、9 月16 日的低点位移异常同时伴有低点时间高梯度带存在，而众多低点位移异常中仅有这2 次异常分别对应了张掖5.0 级、夏河5.7 级地震。因此，对低点时间进行梯度分析能够改进地磁低点位移方法在地震预测中的应用，有利于减少虚报率。