地磁谐波振幅比异常与强地震

冯志生，李鸿宇，张秀霞，梅卫萍，叶碧文

(江苏省地震局，江苏 南京 210014）

0 引言

地磁谐波振幅比YZHx和YZHy的定义为：

式中的Z(ω)、Hx（ω）、Hy(ω)分别是地磁场的垂直分量、南北向水平分量和东西向水平分量的频谱，可以利用地磁三分量的分钟值或秒值采样数据计算获得。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条件下：

式中μ为磁导率，σ为电导率，ω为圆频率，λ为变化磁场的波数[1]。在这种情况下，YZHx（NS）和 YZHy（EW）与地下介质的电阻率 ρ呈正比， 即 YZHx（NS）和 YZHy（EW）随地球介质电阻率ρ的上下起伏变化而起伏变化。因此，从理论上讲，YZHx（NS）和YZHy（EW）的变化反映了地下深部介质电阻率的变化，并且该参量不受地表降雨等气象和人为环境因素的影响。

初步研究表明，在5～6级地震发生前后,地磁谐波振幅比异常变化特征与 （直流）地电阻率的特征类似[2]，主要表现为下降-转折-恢复上升的变化过程，地震基本发生在趋势性下降异常后的转折期、恢复上升期或恢复后的初期阶段。异常持续时间与震级关系符合地电阻率的异常持续时间与震级关系，即时间越长，震级越高。但是，地磁谐波振幅比可提供多个周期的变化信息，不同周期的信息有助于判定未来地震震级和发震地点，目前主要有如下研究结果：当仅有短周期出现异常时，异常持续时间一般较短，未来地震震级较低，一般在5级左右，且未来地震发震地点距台站较近，一般在100～300 km范围内；当长短周期都出现异常时，异常持续时间一般也较长，未来震级较高，一般在6级左右或更高，在此前提下，若南北向与东西向变化同步、长短周期变化也同步时，未来地震距离台站较远，一般在300～500 km范围，甚至更远；而当南北向与东西向变化不同步或长短周期变化不同步时，未来地震距台站较近，一般在100～300 km范围内[3、4]，事实上，以上规律也基本符合三维电磁感应的数值模拟计算结果[5]，即异常体边界附近YZHx（NS）与YZHy（EW）的变化不同步。

1 7级以上强震的异常特征

Yanagihara[6]计算了1900～1970年柿冈台（1912年之前在东京台观测，后因直流输电干扰搬至柿冈）周期为80 min的地磁垂直分量和南北向水平分量变化幅度比YZHx（NS）（图1a，是否消除年变不详），结果发现自1900年开始YZHx（NS）一直处于下降之中，约在震前的1920年左右开始转折恢复上升，1923年9月1日在距台站100 km处发生关东7.9级大地震，地震之后YZHx继续恢复上升并一直持续到约1940年，地震之前异常趋势下降时间至少23年，异常总持续时间约40年，下降幅度估计0.20(据图中曲线大致估算)。

陈绍明[7]计算了1971～1988年昌黎台周期 3～8 min的地磁垂直分量和南北向水平分量谱比YZHx（NS）（图1b， 是否消除年变不详）， 发现自 1972年开始 YZHx（NS）开始下降， 约在1975～1976年初开始转折恢复上升，1976年7月28日在距台站72 km处发生唐山7.8级大地震，地震之后YZHx（NS）继续恢复上升并一直持续到约1981年左右,地震之前异常趋势下降时间至少5年半，异常总持续时间约9年,下降幅度估计0.10以上 (据图中曲线大致估算)。这两个震例仅给出了YZHx（NS），并且仅有一个周期，因此不清楚YZHy（EW）的变化过程，也不清楚其它周期的变化过程及差异；图1b中北京台距离唐山地震约400 km，未出现类似变化。

图1 东京台、柿岗台、昌黎台和北京台地磁谐波振幅比变化与强地震Fig.1 Strong earthquake and variations of the amplitude ratios of geomagnetic harmonic waves at Tokyo,Kakioka,Changli and Beijing

图2给出了喀什台1984～1999年、采用磁变仪资料计算所得地磁谐波振幅比YZHx（NS）和YZHy（EW）的逐月变化及台站附近700 km内7级以上地震，图中平滑线为手工描绘，图中左侧数值为各曲线的周期，单位：min，震级之后的数值为震中距，单位：km，计算过程参见有关文献[3]。由图2可见，15年内台站附近100 km内唯一的7级以上地震是1985年8月23日新疆乌洽7.4级地震，而另一次显著地震事件是1996年3月19日距台站约90 km的6.9级地震，其后此地从1997年初开始发生6级强震群，它们都发生在YZHx（NS）和YZHy（EW）的转折期或恢复上升期。另外4次地震距离台站较远，但其中的3次也都是发生在YZHx（NS）和YZHy（EW）的转折期、恢复上升期、或恢复后的初期阶段，分别是1985年7月29日的阿富汗7.0级地震、1996年11月19日的新疆喀喇昆仑山7.1级地震和1998年5月30日新疆兴都库什地区7.1级地震；只有1992年8月19日的吉尔吉斯斯坦 7.5级地震发生在YZHy（EW）高值期间，但此次地震之前YZHx（NS）一直处于自1984年左右的由低值转折后的恢复上升阶段，而YZHy（EW）在1989年即已恢复，2个方向表现出不同步，但该地震距台站仅约335 km。

由图2可见， 1996年3月19日6.9级地震前，YZHy（EW）异常持续时间至少4年，异常总时间约5年，长周期（40和58 min）的下降幅度在0.10以上，短周期（15、19和40 min）在0.20以上，该异常可能还与1996年11月19日的新疆喀喇昆仑山7.1级地震和1998年5月30日新疆兴都库什地区7.1级地震有关。由图可见，无法确定1985年8月23日新疆乌洽7.4级地震和1985年7月29日阿富汗7.0级地震前的异常持续时间，但异常幅度肯定大于1996年3月19日6.9级地震前幅度。

图2 喀什台地磁谐波振幅比变化与强地震Fig.2 Variations of the amplitude ratios of geomagnetic harmonic waves at kashi and strong earthquake

图3给出了云南地区4个台站1990～1999年、采用磁变仪资料、周期为50 min的地磁谐波振幅比YZHx（NS）和YZHy（EW）的逐月变化及其间各台站周围500 km以内地震，图中震级之后的数值为震中距，单位km，计算过程参见有关文献[3]；由于其间7级以上地震较少，我们给出了6.5级以上地震。由图可见，除1992年2个地震发生时，腾冲台的YZHx（NS）和YZHy（EW）及永胜台的YZHx（NS）处于下降过程外，其它的地震与异常的关系都符合地震发生在YZHx（NS）和YZHy（EW）趋势性下降之后的转折期、或恢复上升期、或恢复后的初期阶段。

由图3可见，云南地区4个台站的地磁谐波振幅比从1991年左右开始趋势下降，并在1995～1996年分别开始转折，其间发生1995年7月12日孟连7.3级地震、1996年2月3日丽江7.0级地震和1995年10月24日武定6.5级地震，震前异常持续时间在4年左右，幅度在0.10以上。

图3 云南地区地磁谐波振幅比变化与6.5级以上地震 （周期=50 min）Fig.3 Variations of the amplitude ratios of geomagnetic harmonic waves in yunnan area and earthquakes（M≥6.5）(T=50 min)

根据以上分析可以初步发现，7级以上地震与地磁谐波振幅比趋势性异常的关系与5～6级地震的关系基本一样，即地震基本上都是发生在地磁谐波振幅比趋势性下降之后的转折期、恢复上升期、或恢复后的初期阶段，震前异常持续一般都在4年以上，异常幅度较大， 一般都在0.10～0.20以上。

2 汶川8级地震前跟踪分析反思

从2008年4月开始，我们开始尝试采用全国“九五”期间建成并正常运行的FHD质子磁力仪和磁通门磁力仪的三分量分钟值采样资料，计算地磁谐波振幅比，进行地震异常跟踪分析。在2008年5月12日四川汶川8级地震前，我们发现四川成都台的地磁谐波振幅比有异常迹象，在4月份的分析中我们给出了如下分析预测意见：从2006年下半年开始，该台的变化都处于下降之中，部分短周期在2007年上半年开始转折恢复上升，目前长周期部分的下降也可能已达底部，有转折上升的可能；另外，该台自2006年下半年以来，其短周期部分的变化的同步性较差，表明未来一段时间台站附近地震活动增强的可能。但总体上，由于长周期部分的下降有可能达到底部，未来一段时间该台附近500 km以内有发生5级以上地震的可能。

图4给出了当时成都台地磁谐波振幅比逐月变化，采用资料为成都台FHD质子磁力仪每天的分钟值资料，采用富氏谱，其它计算过程参见有关文献[3]。

图4 成都台地磁谐波振幅比变化与地震Fig.4 Variations of the amplitude ratios of geomagnetic harmonic waves at Chengdu and earthquakes

我们作出以上分析预测意见的主要依据是：从2006年下半年开始，其短周期部分的变化有异常，与长周期的同步性较差，按以往震例，这种变化对应台站附近100～200 km以内5级左右地震，我们查阅了历史地震，发现该台附近地震很少，因此仅作出了“未来一段时间台站附近地震活动增强的可能”这样的结论。

在4月份的分析中，我们注意到该台南北向和东西向在2002年底至2003年初转折之后有一个长时间的恢复性趋势上升过程，并具有长短周期变化同步、南北向与东西向变化也同步的现象，按以往震例，这种异常变化形态表明未来地震距离该台站的应较远，一般在300～500 km范围内，按异常持续时间，震级应在6～7级，图中2004年5.6级地震可能是其中之一，但震级偏低。我们未依据该异常给出成都台附近有更大地震的预报意见，主要是出于以下二点考虑：

（1）从2003年初开始的恢复性长时间趋势性上升异常在2006年初可能已基本结束，因此已过预报期。

（2）参加分析的全国约二十几个台中，2003～2006年的变化形态大部分与成都台类似，但并未发生大的地震。因此，一方面觉得此方法效果可能不佳，加之初次在全国面上开展此项工作，对该方法总体上缺乏信心；另一方面，分析认为这种面上的同步变化可能还与变化磁场的场源尺度系数的长期变有关。

综上所述，可能应该将2003～2006年初的长时间趋势性恢复上升变化与2006年初开始出现的YZHy（EW）短周期趋势下降变化一并考虑，但这还需要更多的资料积累及理论研究。

3 结束语

从以上初步分析可以发现，7级以上地震的地磁谐波振幅比趋势性异常特征与5～6级地震的特征基本一样，即地震基本上都是发生在地磁谐波振幅比趋势性下降之后的转折期、恢复上升期及恢复后的初期阶段，异常幅度较大，一般在0.10～0.20以上。

7级及以上地震的（直流）地电阻率异常震前持续时间一般为1～2年[2]，但此处给出的几个7级以上地震的地磁谐波振幅比异常震前持续时间都在4年以上，其中1976年7月28日唐山7.8级大地震约5.5年，2008年5月12日四川汶川8级地震可能约6.5年，而1923年9月1日关东7.9级大地震的异常震前持续时间达23年。究其原因，可能是目前的（直流）地电阻率异常是地表地电阻率异常，而地磁谐波振幅比异常是深部地电阻率异常，他更有可能是反映的震源区异常，因为震源区异常出现的更早。

[1]北京大学地球物理教研室，中国科学技术大学地球物理教研室编.地磁学教程[M].北京：地震出版社，1986.

[2]汪志亮，郑大林，余素荣主编.地震地电阻率前兆异常现象[M].北京：地震出版社，2002.

[3]冯志生，梅卫萍，张秀霞，等.中强震前地磁谐波振幅比的趋势性变化特征初步研究 [J].西北地震学报， 2004，26(1)：50-56.

[4]冯志生，居海华，李鸿宇，等.地磁谐波振幅比异常特征的进一步研究及定性解释[J].华南地震,2009， 29(1)： 17-23.

[5]龚绍京，陈化然.水平场转换函数空间分布特征的数值模拟[J].地震学报， 2001，23(6)：637-644.

[6]Yanagihara,K.，T.Nagano,Time change of transfer function in the central Japan anomaly of conductivity with special reference to earthquake occurrences[J].Geomag.Geoelectr.,1976， 28： 157-163.

[7]陈绍明，谢美娟，杜锡武.地磁短周期变化预报方法的研究[J].地震，1991，11（5）：19-25.