华南地区地磁预测方法预测指标体系的初步应用

倪晓寅，洪旭瑜

(福建省地震局，福州 350003）

0 引言

2016 年，中国地震局监测预报司决定开展新一轮地震预测指标体系清理和建设工作。2017 年开始，由福建省地震局预报中心牵头，集中福建、江西、广东、海南、广西和湖南六省区分析预报骨干人员，开展了华南地区地震预测指标体系清理和建设工作。2017 年10 月，华南地区各学科预测指标清理建设工作基本完成并投入应用，同时开始编写《华南地区地震预测指标体系》一书[1]，书中依据华南地区2008—2016 年的异常和震例，介绍了包括地磁低点位移法、地磁加卸载响应比法、地磁逐日比法和地磁测深视电阻率法等地磁预测方法，目前该书已经编写完成并出版。

2017 年华南地区电磁学科预测指标建立并应用于震情跟踪之后，华南地区陆续发生了多次中强以上地震，特别是2018 年11 月24 日台湾海峡6.4级的发生，标志着东南沿海地震带进入了新一轮5级以上地震活跃幕，之后华南地区相继发生了2019 年 10 月 12 日广西北流 5.2 级和广西靖西 5.2 级地震。

本文将在《华南地区地震预测指标体系》[1]和《地震电磁分析预测技术方法工作手册》[2]总结的地磁方法预测指标基础上，梳理和分析2018 年以来华南地区5 级以上地震前的地磁异常，并对华南地区地磁预测指标进行讨论和完善。

1 资料和地震

研究的地震为2018—2021 年华南地区（16°～30°N，104°～121°E）的5级以上地震（表1，图1）。

表1 华南地区2018—2021年5级以上地震Table 1 Earthquakes with M≥5 in south China from 2018 to 2021

采用资料：本文使用的数据为中国地磁台网全国157 个地磁台站产出的地磁三分量分钟采样数据（图1），这些观测资料分别来自于FHD 质子矢量磁力仪和磁通门磁力仪。

图1 地磁台站分布Fig.1 Distribution of geomagnetic stations

2 方法介绍

此处给出华南地区4 种地磁预测方法的定义、异常判据和预测规则。

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垂直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，两个区域之间突变分界线的低点时间相差2 h以上[3]。

其预测规则为①发震时间：异常出现后60 d内；②发震地点：异常预测线附近300 km 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

地磁加卸载响应比：

式（1）中，R（zmax）为地磁垂直分量日变幅极大值，称为加载响应，日期为加载日；R（zmin）为地磁垂直分量日变幅极大值之后第一个极小值，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。该方法的异常判据是，当3 个或3 个以上台站的加卸载响应比出现同步超阈值（3.0），异常面积大于15×104km2，且加载日Dst指数大于-30 nT。

预测规则为①发震时间：异常出现后9 个月内；②发震地点：阈值线两侧尤其是高曲率段两侧300 km 内（即预测区为外突尖或内凹最深点为圆心半径300 km 的圆）；同一天两个相距不超过400 km的异常区之间（预测区为两个异常区之间中心点为圆心的椭圆，椭圆短轴300 km，长轴450 km）；③发震强度：5.0级以上，异常面积越大，震级越大。

2.3 地磁逐日比法

地磁逐日比：

式（2）、（3）中，RZ为地磁垂直分量日变化幅度，t为观测日期。异常日期以t2日期为准，即分母数据的日期为异常日期。

异常判据：2 个或2 个以上的相邻台站逐日比出现同步超阈值（南北带3.0，东北2.9，华北2.9，华南2.8），异常前一天Dst 指数大于-70 nT，且异常面积大于11×104km2时作为异常。

预测规则同地磁加卸载响应比。

2.4 地磁测深视电阻率法

地磁测深视电阻率（旧称地磁谐波振幅比）YZHx和YZHy的定义为[4]

式（4）中，Z(ω)、Hx(ω)、Hy(ω)分别为地磁垂直分量、水平分量北向和水平分量东向的频谱值。对于随时间周期变化的不均匀场源，在地球介质为均匀各向同性平面导体的条件下，其满足

式（5）中，μ为磁导率；σ为电导率；ω为圆周率；k为变化磁场的波数，此处为常量；YZHx和YZHy称为地磁测深视电阻率的南北向和东西向，其与介质的电阻率呈正比，即当地球介质电阻率下降时，YZHx和YZHy也随之下降。

地磁测深视电阻率的计算结果为10～60 min 6个周期（10 min 间隔）2 个方向共12 条时序曲线，其异常形态一般表现为同一周期的2 个方向趋势变化不同步，因此可通过计算同一个周期2 个方向的速率累加曲线（一个周期一条曲线）来辅助判断是否出现异常，速率累加曲线的概念和计算过程参考文献[2]，本文不再赘述，其异常判据为：速率累加曲线持续上升为正常，持续下降和水平波动为异常，异常持续时间大于1 年，6 条曲线（周期）至少2 条曲线出现异常为异常成立。

地磁测深视电阻率的预测规则为：①发震时间：速率累加异常确认后2 年内发震；②发震地点与发震强度震级与震中距存在线性关系，4～5 级250 km 以内、5～6 级 300 km 以内、6 级以上 400 km以内。

3 震前异常

表1 列出的4 个地震前，共有3 种方法在震前出现了异常，这3 种方法分别是地磁低点位移法、地磁加卸载响应比法和地磁测深视电阻率，以下将对出现的异常进行列举说明。

3.1 台湾海峡6.2级地震

震前出现一项地磁异常，为漳州台地磁测深视电阻率异常（图2，计算使用FHD-2B分钟值数据）。异常表现为10、20 和30 min 周期的地磁测深视电阻率南北向和东西向趋势变化不同步，10、20 和30 min周期的速率累加曲线2016年1月开始出现趋势下降和水平波动，持续至震后的2018 年12 月结束。该异常为震前提出，震前分析认为此次异常对应漳州台200 km 范围内的5.0 级左右地震或台湾西带的6.0 级以上地震，考虑到距离漳州台最近的西北方向龙岩台未出现异常，地震发生在漳州台东南侧海域（图2 红色月牙型区域，以漳州台200 km 范围内的圆形区域去掉以龙岩台为圆心200 km 直径的区域。）或台湾西带的可能性更大，后续地震发生在预测区内，距离台站159 km。

图2 漳州台地磁测深视电阻率和速率累加曲线（2014—2019年）Fig.2 Curve of apparent resistivity of geomagnetic sounding and it's rate accumulation at Zhangzhou Station from 2014 to 2019

3.2 广西北流5.2级地震

震前于2018 年12 月4 日出现了一次地磁加卸载响应比异常，异常区域位于广西及其周边地区，异常阈值等值线（3.0）在北部湾出现了显著的内凹，按照该方法预测规则将内凹中心点为圆心半径300 km 的区域作为预测区域，在预测区内相继发生了三亚4.0 级和北流5.2 级地震。北流5.2 级地震发生的时间略超出了2018 年12 月4 日地磁加卸载响应比的异常有效期（预测时间截止2019 年9 月4 日），但考虑到地震发生的位置位于预测区内且华南地区属于少震弱震区，所以仍然认为该异常对应了北流5.2级地震。

图3 漳州台地磁测深视电阻率异常预测区域和预测震级Fig.3 Predicted area and predicted magnitude based on the anomaly of apparent resistivity of geomagnetic sounding at Zhangzhou Station

3.3 广西靖西5.2级地震

震前 2 d（2019 年 11 月 23 日）出现了 1 次低点位移异常，异常线经过滇西—川滇交界—滇桂交界，在异常线的东端附近发生了广西靖西5.2 级地震。

图4 2018年12月4日地磁加卸载响应比异常空间分布和预测区Fig.4 Spatial distribution of the load-unload response ratio anomaly and the predicted area on December 4th，2019

图5 2019年11月23日地磁低点位移异常Fig.5 Displacement anomaly of geomagnetic low-point on November 23rd，2019

4 分析和讨论

地磁场的周期成分非常丰富，各个周期成分的变化反映了地球内部与外空场中各种电磁物理变化过程，所以强震的孕育和发生过程中发生的地下介质电磁性质变化和其他伴生电磁现象往往能从地磁场中提取到信号，地磁预测方法就是提取震前地磁场中异常信息的方法。在这些方法中，地磁测深视电阻率异常反映的是地下介质电阻率的各向异性变化，而地磁加卸载响应比、逐日比和地磁低点位移属于地磁日变化异常，异常期间的日变化形态均存在不同程度的地磁垂直分量“反相位”现象，反相位的分界线往往与地磁低点位移线、加卸载响应比和逐日比的阈值线走向相关，理论上这些异常现象都是由异常线附近孕震过程中出现的地下短时感应电流引起的[2]，因此此类地磁日变化异常的异常线往往与地壳和上地幔中的高导带走向一致[5]。

在总结预测指标和实际应用过程中我们发现，华南地区在半年时间内出现地磁加卸载响应比和逐日比异常频次增高现象时，后续地震活动水平会显著上升。根据统计，2008—2020 年华南地区共出现了9 次地磁加卸载响应比和8 次逐日比异常，平均 3 年出现 4 次异常。但 2012 年 8 月至 2013 年 2 月半年时间内连续出现了4 次地磁加卸载响应比、逐日比异常，对应了2012年8月—2013年9月华南地区的 4 次 4.0 级以上地震；2018 年 12 月至 2019 年 2月共出现了5 次地磁加卸载响应比、逐日比异常，2019 年华南地区发生了3 次4.5 级以上地震。而在这两个时段前，华南地区还分别出现了2 次地磁测深视电阻率和1 次地磁测深视电阻率异常。上述现象说明，在地震孕育过程中，孕震区及其周边地下介质由于构造运动的差异性其电性首先出现了各向异性变化，这种各向异性变化反映在地磁测深视电阻率上就表现为同一周期不同方向的趋势变化不同步。而整个地震孕育过程的区域差异性运动，使得地下物质（包括地下流体和热物质）不断地发生运移和性质改变，孕震区流体或热物质的侵入使得高导层（带）的分布不断发生变化，当有短时感应电流在高导层（带）通过时，电流的感应磁场叠加在地磁场信号中被地表台站记录，从而在地表台站出现各类地磁日变化异常。

华南地区地磁预测指标体系自建立并开始应用以来，共出现地磁加卸载响应比1 次、地磁逐日比异常5 次、地磁低点位移异常5 次以及地磁测深视电阻率2 次，虚报率分别为0、40%、80%和50%，漏报率分别为67%、100%、67%和67%（表2）。其中地磁逐日比报对的2 次异常为跨区域异常，对应的地震并不位于华南地区，因此漏报率为100%。

表2 华南地区地磁预测方法应用情况（2018—2021年）Table 2 Application statistics of geomagnetic prediction methods in South China from 2018 to 2021

从全国范围内地磁预测方法的实际应用上看，大量的震例表明强震前地磁异常对发震地点的指示意义较好，在西部6 级以上和中国大陆东部5 级以上地震前往往会出现多次地磁异常[6-9]，可通过综合分析这些异常分布及其预测区的方式对未来的发震震中进行判定。但受地理位置影响，华南地区大部分中强以上地震发生在沿海地区及其海域，震中多位于地磁台网边界或者网外区域，因此不利于震前的异常提取。2018 年以来华南地区发生的3 次5 级以上地震在震前均只提取到一项地磁异常，和这3次地震发生在地磁台网边界附近或台网外存在一定的关系。

5 结论

2018—2021 年华南地区发生了3 次5 级地震，3 次地震前均在震前提出了地磁异常，这证明了我们建立的地磁预测方法和预测指标得到了实际的检验。但这些指标仍然存在很大缺陷，也并不是固定不变的，未来随着震情的发展和研究的深入会不断对这些预测方法及其预测指标进行改进和完善。华南地区属于少震弱震区，地磁台站分布相对比较稀疏，又位于中国大陆边界，中强以上地震多发生在海域，不利于震前地磁异常的提取。未来应深入开展地震地磁物理机制的研究，进一步增强发震地点判定的精确度，同时在应用过程中可以放宽预测指标的时间和震级，适当延长预测时间和降低预测震级。

致谢：文中用到的地磁数据来自于中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心，中国地震台网中心姚丽提供了低点位移数据和震例，江苏省地震局李鸿宇提供了磁测深视电阻率计算绘图程序，在此一并表示感谢！