地磁加卸载响应比异常与东北地区中强地震关系探讨

周安聘，吴建霆，张环曦，纪春玲，李 凤，牛淑瑜

（1.河北省地震局石家庄中心台，河北 石家庄 050021；2.辽阳地震台，辽宁 辽阳 111002）

地磁加卸载响应比异常与东北地区中强地震关系探讨

周安聘1，吴建霆2，张环曦1，纪春玲1，李 凤1，牛淑瑜1

（1.河北省地震局石家庄中心台，河北 石家庄 050021；2.辽阳地震台，辽宁 辽阳 111002）

采用东北地区所有观测台站地磁垂直分量日变幅资料进行加卸载响应比方法的研究，选取资料范围为（35o～55oN；115o～135oE）；选取资料时段为2010—2014年,分析了东北地区M≥4.5地震前加卸载响应比高值异常特征,结果显示，加卸载响应比异常高值的出现对东北地区未来半年发生M≥4.5以上地震有一定的指示意义，尤其是M≥5.0地震，对应效果更为显著。

加卸载响应比；垂直分量；异常特征

0 引言

地震的孕育和发生是一个非常复杂的过程，由于影响因素较多，伴随这一过程产生的异常现象也就更加复杂。地震预报的最终目的是通过研究和地震孕育、发生过程有关的各种前兆现象，对地震进行科学预报。利用地磁异常变化与地震关系的探讨，是地震预报的一种行之有效的途径。对变化磁场在地球内部的电磁感应现象的分析，是研究地球内部电性结构及其变化过程的一种好方法。

尹祥础（1991）[1]提出了测震学的加卸载响应比理论，加卸载响应比是一种刻画震源区介质损伤程度的物理学参数,它通过随时间的变化来反映地震孕育的过程进行地震预测。宋治平等（1996）[2]已经将其理论应用在地震活动性预测地震中，有较好的效果，此方法在形变、地下水位、重力等参量方面的应用中也得到了较好的应用效果。曾小苹（1997）[3]将该方法应用到我国的华北和西南两个地震活动比较频繁的地区进行了内检，发现在中等强度以上地震前的10个月内都出现了较好的响应比P0（Z）值异常现象。冯志生（2000）等[4]应用地磁加卸载响应比方法，探讨了1983年至1997年江苏地区加卸载响应比异常及其与M4.6以上地震之间的关系，总结了江苏地区地磁异常特征；温少妍（2016）[5]通过对1990—1999年新疆地区部分中强地震前加卸载响应比时空演化特征进行分析,并基于该理论得到孕震积分的概念应用于震例中。

1 资料选取

2007年中国地震局实施“十五”数字化改造项目，东北地区四个省份分别对本省的地磁台网进行了改造，均新增了质子旋进式磁力仪（FHD-2型）进行观测，观测台网建成之初，各台站经常出现各种干扰，包括环境干扰，仪器故障干扰等问题，随着时间的推移，仪器运行慢慢稳定下来，2010年开始观测质量良好，数据可用性高。

本研究选取东北地区四个省份（黑龙江省、吉林省、辽宁省及内蒙古自治区东部地区）共11个数字化地磁台站的观测数据进行分析计算，以东北地区M≥4.5的中强地震作为研究震例。观测期间共发生M4.5～4.9地震1次，M5.0～6.0地震7次（其中2013年吉林松原5次M≥5.0地震为一组震群）。东北地区地磁台站和地震震中分布如图1所示。

图1 东北地区地磁台站及震中位置图Fig.1 Location map of geomagnetic station and epicenter in Northeast China

2 方法和原理

随着方法的拓展和发展，由尹祥础[1]提出的测震学加卸载响应比方法开始向地磁学学科渗透。太阳主要以两种形式对地球磁场产生影响，分别为紫外线辐射和粒子流辐射影响，导致变化磁场的形成，太阳静日变化Sq和磁暴D场是其中两种最主要的地磁场变化。从加载和卸载的观点看，太阳辐射对地球每天进行一次加载和卸载过程，是地球自转的缘故。在地磁上反映出来就是太阳静日变化Sq。高速等离子体离子流是太阳向星际空间辐射的结果，也就是太阳风形成的原因，其速度为200～400km/s至800～1000km/s左右，磁暴现象就是太阳暴风的地磁效应，其发生范围就是整个地球。前人曾经统计，得到大约56天太阳高速等离子体离子流便会对地球进行一次加载和卸载，结果使地球的磁场产生扰动。地磁场垂直分量相比于其他分量与地下介质的关系更密切，故取Z分量作为计算DS（Z）的加卸载响应比值P（Z参量）。P（Z）=DS（Z）+/DS（Z）-，其中DS（Z）为Z分量地磁扰动场的日变幅，下角标“+”表示加载，“-”表示卸载。

图2 东北地磁台站Z分量加卸载响应比变化逐日曲线（P0（Z） = 3.5）Fig.2 Variation ofZcomponent loading and unloading response ratio at the Northeast Geomagnetic Station （P0（Z） =3.5）

3 异常特征分析

3.1 异常判定标准分析

从图2可以得到，在对异常进行分析判断的时候，如何选择阈值、如何对异常变化的真实性进行分组、如何认定短期内多次异常变化现象等，这些都会对异常跟踪效果产生影响，会出现虚报、漏报等情况。所以，可以对阈值进行尝试，对多个某一时段内同时出现异常高值分组，根据本研究区域实际，总结适合于区的异常特征指标：（1）必须要出现2个及2个以上观测台站同时满足P（Z）≥P0（Z），这样的话，就可以排除掉观测台站自身可能出现的故障而造成的异常变化；（2）获得了本研究区M4.5以上地震对应的加卸载响应比值阈值为P0（Z）=3.5；（3）如果异常与异常之间出现的时间差不超过6个月，就把这两个异常看作是同一组异常[5]。从图2可以看出，所有台站阈值P（Z）都在1.0～2.0之间波动。异常判别的时候，关键是选取合适的阈值。经过多次反复尝试发现，在震前有较好对应的关系数值为P（Z）≥3.5，各种映震指标分别为对应率72%、虚报率28%，所以我们将阈值P0（Z）=3.5作为判断标准，只要P（Z）≥3.5，我们就将其作为异常判定指标，对东北地区发生的M≥4.5地震的发生进行跟踪，结果发现在选取的时段内出现了7组异常（注：1次异常出现后在6个月内出现多次异常的为1组，异常事件以第一次异常出现的时间为准），其中较好地对应地震次数为4次，虚报次数为2次，见表2。表明加卸载响应比异常信度还是较高的（有效时段共有4组，共8个地震）。根据上述异常判定标准，在有效时间段内出现的异常变化及对应的地震情况如表1所示。

表1 东北地区数字化地磁Z分量加卸载响应比异常与M4.5以上地震对应关系

3.2 时间特征分析

在表1异常统计的提前时间可以发现，在报对的4组地震中，都发生在首次异常出现后的6个月内，其中，异常提前时间最早为五大连池4.7级地震，异常出现提前时间为6个月，为莫力达瓦M5.0地震前，异常出现时间为3.5个月，最短异常提前出现时间为吉林松原5个M5.0震群前，异常出现最短，时间为28天，地震发生前，震中周围出现了多种流体和电磁测项的异常，而且经过统计得到，各测项异常参数都是历史的最大值。综合分析得到，本研究区异常出现后6个月内发生M4.5以上地震的可能性比较高。

3.3 异常幅度特征分析

表1中可以看到，在五大连池M4.7地震前，震中距离最近的两个台站为满洲里台和德都台，异常幅度为6.91和5.88，其异常幅度最大，但异常量与震中距成反比，震中距越大，异常量越减小，营口、大连和锡林浩特台甚至没有出现异常现象；同样情况，在内蒙古莫力达瓦M5.0地震前同样发现这种规律，满洲里和德都台震中距最近，其异常幅度最大，分别为6.44和5.17，其他观测台站则随震中距越大，异常量越小；吉林松原M≥5.0震群发生前同样也是如此，通化台站异常量最大为8.2。上述预报正确的4个震例里，距离最远的台站分别为大连台、满洲里台、大连台、锡林浩特台，震中距分别为931km、1003km、1243km、706km，震前该四个台站都没有出现显著异常。最后得出结论，假若地磁台站与震中超过一定距离的时候，准同步的高值异常将不会出现。

4 内检效能评价

丁鉴海（1994）[6]提出了对预测效能进行内在估计的内检公式。2010年1月至2014年9月期间，东北地区共发生M4.5级以上地震8次，其中8次报对，2次虚报，0次漏报，见表1。通过下面的公式进行效能估计。

其中总的预报时间段为57个月，预报所占用的时间段为13.7个月。

通过计算可知，自2010年1月至2014年9月期间，东北地区数字化资料应用地磁日变化幅度地磁加卸载响应比方法的内检预报效能R约为0.75。可以看出东北地区应用家卸载响应比法预报M≥4.5以上地震效能非常高。

5 结论

（1）东北四省的地磁台站多位于松辽盆地边缘，这些地带处正地磁梯度转换带上，属于构造较为敏感地区。因此，中等强度地震前多数震中距为500km左右的台站易于出现地磁场异常，最大的可能就是孕震体孕震过程中地球介质深部电阻率出现了下降变化[8]或者外空磁场发生了变化[9]。东北地区属少震、弱震区，但从2010年以来发生了多个M4.5级左右的中强地震，由表1可以看出，地磁异常现象是客观存在的，M≥4.5级地震前地磁场异常现象出现的概率为75%。

（2）对震例进行总结，东北地区日变幅在正常情况下P（Z）值在1.0～2.0之间波动，P0（Z）=3.5作为异常判定指标，同时至少有2个及以上台站同时满足该阈值会有较高的对应率，虽然有一定的虚报率，但这可以作为东北地区地磁加卸载响应比异常判定指标。

（3）对时间特征进行分析，发现如果一组异常的第一次异常出现日开始计算，东北地区六个月以内有M4.5地震发生的可能性。

（4）从空间和异常强度指标上看，距离震中较近的台站异常量较大，异常量随着震中距的增大逐渐变小，超过一定距离便会消失，这符合“大多数异常高值区与震中较吻合”的规律[7,9]。

（5）在研究时段内，东北地区共发生M4.5以上震例4组（8个），异常指标共出现6组，4组异常对应4组地震，2组异常属于虚报，其内检预报效能R为0.75，有效性较高。

[1] 尹祥础, 尹灿. 非线形系统的失稳前兆与地震预测[J].中国科学（B辑），1991，5（5）: 512-518.

[2] 宋治平.加卸载响应比与其他地震前兆时空演化研究及其应用[M].国家地震局地球物理研究所，1966（10）：18-19.

[3] 曾小苹, 林云芳, 续春荣, 等. 地磁方法预报灾害[M]. 纽约: 联合国开发计划署，1997: 26-35.

[4] 冯志生, 林云芳, 王建宇，等. 江苏地磁加卸载响应比的异常标志体系[J]. 地震，2000，20（2）: 61-68.

[5] 温少妍, 唐兰兰, 刘月，等. 新疆中强地震前加卸载响应比时空演化特征分析与检验[J]. 地震工程学报, 2016,38|（1）， 65-70.

[6] 丁鉴海，卢振业，黄雪香.地震地磁学[M].地震出版社，1944.

[7] 张建国, 闫俊岗, 王静, 等. 地磁加卸载响应比方法在地震预报中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 2008, 28（2）: 45-50.

[8] 徐常芳. 地壳内高导层成因高温高压下及电阻率(二)[J]. 地震学报，1996，18（3）: 352-357.

[9] 冯志生, 王建宇, 梅卫苹, 等. 江苏地区地磁Z21测值空间相关异常及其标志体系[J]. 地震地磁观测与研究,2000，21（1）: 44-49.

Abstract:The relation between high anomalies of Z component of geomagnetism at seismological stations in Heilongjiang province and its neighbouring area for earthquake ofM≥4.5 from 2010 to 2014.The results show that the anomaly high value of response ratio has certain instruction significance to impending of earthquake withM≥4.5 in short term in Yunnan area,especially the impending of earthquake withM≥5.0.

Key words:loading and unloading response ratio；vertical component；abnormal characteristics of geomagnetism

Discussion on the Relationship Between Geomagnetic LURR Anomaly and Strong Earthquakes in Northeast China

ZHOU An-pin1, WU Jian-ting2, ZHANG Huan-xi1, JI Chun-ling1, LI Feng1, NIU Shu-yu1
（1. Shijiazhuang Central Station of Hebei Seismological Bureau，Hebei Shijiazhuang 050021，China ;2. Liaoyang Seismic Station，Liaoning Liaoyang 111002，China )

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.005

1674-8565（2017）03-0028-05

2017-03-28

2017-06-14

周安聘（1984-），男，河北省邢台市人，毕业于防灾科技学院，本科，助理工程师，现主要从事地震前兆台网管理方面的工作。E-mail: 568950612@qq.com