甘肃岷县、漳县6.6级地震地磁垂直分量日变化空间相关特征

戴 勇，高立新，赵 星，格 根

（内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

北京时间2013年7月22日7时45分，甘肃省定西市岷县、漳县交界（34.5oN，104.2oE）发生6.6级地震，震源深度为20km。这次地震发生在新构造活动强烈的青藏块体东北缘的甘肃东南部（简称甘东南）地区，区内存在多组活动断裂、地震活动频繁，是我国主要的地震区之一[1-4]。在该地震之前位于南北地震带（简称研究区）的地磁台站出现较为显著的异常变化，本文将着重采用地磁垂直分量日变化空间相关方法提取上述异常变化，并深入研究其时空特征。

地震地磁异常可导致地磁日变化形态畸变，这种畸变将导致日变化相关系数下降，基于这种思路，地震学者提出了地磁垂直分量日变化空间相关方法提取异常[5,6]。林美等[7]对1976—1979年云南省地磁台站的垂直分量每日整点值进行相关分析处理，这是我国地震学者最早采用地磁日变化空间相关方法处理地磁数据并提取异常的文献记载。冯志生等[5]应用江苏地磁台站垂直分量分量整点值资料，研究了江苏地区垂直分量分量整点值的相关性及在江苏地区地震预报中的作用，给出了该法在江苏地区的异常判据指标，即连续3日或者3日以上相关系数低于，且相邻台站也有类似变化，即视为异常，并应用该指标提取了1990—1997年的三个异常，其中两个异常有地震对应；另外发现在中高纬度地区每年的11月初至次年2月底，地磁垂直分量日变化相关性低，无法提取该时段前兆异常。冯志生等[6]应用 FHD 磁力仪垂直分量分钟值观测资料，初步分析了地震之前的日变化空间相关性异常，在该文献中首次采用延时技术消除了台站经度不一致造成的日变化相位差异对相关运算的影响，同时总结出1995年9月20日山东苍山5.3级、1996年11月9日南黄海6.1级等典型震例。在冯志生研究员针对地磁数字化资料特征开发了相关程序并在算法上进行了开拓性创新之后，张秀霞等[8]、王亚丽等[9]、邱桂兰等[10]采用地磁数字化观测资料相继在江苏、青海、四川等地区开展了日变化空间相关研究，在资料运用、技术方法、震例总结、指标建立等方面都取得了一定的成果，并积累了一批可贵的震例资料。地磁垂直分量日变化空间方法在地震预测中有较好的应用价值，但震例仍较少，本文主要对2013年岷县、漳县6.6级地震垂直分量日变化空间相关变化特征进行研究和总结，这是对空间方法的有效检验，同时所得震例也是对相关方法震例库的有效补充。

1 分析方法与资料选取

1.1 方法原理及主要算法

（1）地磁日变化空间相关分析方法[6]：

设A、B两台地磁场垂直分量为ZA、ZB，它们线性相关，即：

（2）当两个台站经度差相约在10o以内时可直接计算其相关系数，但当经度差更大时，计算前需将经度小的台站日变化曲线向后延时[6]，以便相位的一致，此时仅能采用分钟值的日变化曲线，而整点值数据因采样间隔太大无法采用延时技术进行修正。可用两种方法确定延时量，第一个是根据两个台站的经度差按每经度4分钟计算理论上的延时量；第二个是通过对比不同延时量的相关性，按相关性最佳确定延时量。两者的结果不完全相同，一般而言，后一方法确定的延时量误差较大，因为两个台站的空间相关性不但与所取观测时段有关，还与所取观测时段的长短及观测环境和观测场地构造有关，一般来说延时量应与理论值较接近。

（3）地磁日变化空间相关方法计算所得结果噪声较大，在此采用滑动平均方法对空间相关系数结果进行滤波，其中，窗长为9天，步长为1天。

1.2 资料选取

我国目前台站的磁通门磁力仪、FHD质子矢量磁力仪、dIdD悬挂式磁力仪（Suspended dIdD）等仪器的地磁垂直分量日变化曲线都可用于分析，为方便延时处理一般应采用分钟值进行分析，因有世界时与北京时区别，准备资料时需注意时间统一。虽然地磁观测有绝对观测与相对观测之分，但无论是绝对观测还是相对观测都可用于该方法分析。

本研究首先处理了位于南北地震带（22o～42oN，94o～115oE）73个台站地磁垂直分量数据。南北地震带内有19个地磁台站数据观测质量欠佳或者长期缺数等，具体为临汾、卢氏、当阳、韶关、天水、黄羊、红沙、松山、古丰、芦阳、西宁、大武、西昌、卫城、石门坎、会理、永胜、楚雄、德令哈，另外红山台作为参考台，上述台站不参与分析。根据数据结果连续性、稳定性等，最终选取了51个台站作为地磁日变化空间相关时空分析的计算台站（图1）。

图1 南北地震带地磁台站分布及岷县、漳县6.6级地震震中分布图Fig.1 The distribution of geomagnetic stations in northsouth seismic zone and the epicenter of Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake

2 地磁垂直分量日变化空间相关异常特征

2.1 时序特征

（1）为确定该地磁垂直分量日变化空间相关系数时间序列曲线变化的背景值和异常判定的阈值，计算了没有异常且其间研究区内未发生显著地震的时间段内的相关系数平均值和R-2δ，本震例中，均值、阈值计算时间段为2013年5月1日至6月20日，主要结果见表1。

表1 南北地震带地磁垂直分量日变化空间相关异常参数

曲线名称（计算台-参考台）台间距（km）震中距（km） 背景值 阈值 异常时段超阈值天数（天） 变化幅度（%）石柱-新沂 1048 617 0.95 0.94 13 -2.90238通海-新沂 1896 1169 0.91 0.88 15 -13.279太原-新沂 644 822 0.95 0.92 9 -5.47698桃源-新沂 900 933 0.95 0.92 6 -4.41428巫山-新沂 884 655 0.96 0.95 11 -3.18392乌加河-新沂 1187 764 0.92 0.87 2 -6.49843万州-新沂 1015 579 0.94 0.88 0 -1.83398仙女山-新沂 1138 650 0.95 0.93 11 -3.43506浚县-新沂 388 925 0.97 0.95 7 -3.29789信阳-新沂 479 949 0.97 0.96 4 -1.68012银川-新沂 1172 478 0.92 0.89 4 -4.07429英鸽-新沂 1385 280 0.92 0.87 6 -9.31752榆林-新沂 892 643 0.93 0.89 0 -3.40442邕宁-新沂 1614 1373 0.94 0.91 14 -8.16323肇庆-新沂 1395 1514 0.94 0.92 14 -6.74609中卫-新沂 1226 355 0.92 0.87 0 -4.76522钟祥-新沂 640 879 0.96 0.94 0 -1.5055邵阳-新沂 1039 1068 0.95 0.93 9 -4.28789成都-红山 1237 406 0.93 0.90 10 -8.31162察隅-红山 1872 913 0.88 0.81 10 -23.6886道孚-红山 1436 489 0.92 0.89 12 -10.9614丹江-红山 615 711 0.95 0.92 0 -1.40817都兰-红山 1481 587 0.91 0.87 8 -7.30938定襄-红山 164 876 0.99 0.98 0 -0.53644大同-红山 323 1009 0.97 0.95 0 -0.69383恩施-红山 925 686 0.94 0.90 0 -2.80963奉节-红山 879 650 0.94 0.90 0 -2.76347涪陵-红山 1085 615 0.93 0.90 5 -4.72353广平-红山 107 999 0.99 0.99 0 0.10452格尔木-红山 1763 870 0.92 0.88 10 -11.6793固原-红山 777 238 0.95 0.93 1 -2.14858贵阳-红山 1409 912 0.89 0.84 8 -12.3777河池-红山 1550 1157 0.91 0.87 11 -22.4985横梁-红山 1037 294 0.93 0.89 1 -3.98996呼和浩特-红山 453 910 0.97 0.95 7 -2.65767湟源-红山 1201 360 0.92 0.88 4 -4.86708汉中-红山 784 270 0.95 0.92 0 -0.5921乾陵-红山 662 368 0.96 0.94 5 -2.57229周至-红山 703 358 0.94 0.92 9 -5.43623泾阳-红山 613 416 0.96 0.94 2 -2.13512九峰-红山 767 1063 0.94 0.90 0 -3.03567嘉峪关-红山 1455 790 0.90 0.86 8 -9.53749洛阳-红山 375 756 0.96 0.92 0 0.5232临夏-红山 1041 149 0.93 0.90 8 -5.42678兰州-红山 981 177 0.93 0.90 7 -4.77382木里-红山 1636 786 0.91 0.88 13 -14.4451南山-红山 1718 921 0.88 0.84 10 -14.4608山丹-红山 1204 549 0.93 0.90 8 -5.57893寺滩-红山 958 300 0.93 0.90 8 -5.27355涉县-红山 132 884 0.99 0.99 9 -0.47172十堰-红山 645 640 0.95 0.92 0 -1.76178石柱-红山 987 617 0.94 0.90 0 -3.67377通海-红山 1864 1169 0.89 0.84 12 -15.9738太原-红山 198 822 0.99 0.98 9 -5.79944桃源-红山 998 933 0.92 0.87 0 -4.14432巫山-红山 838 655 0.94 0.90 0 -3.29868乌加河-红山 721 764 0.95 0.93 3 -3.15813

注：①台间距指的是计算台与参考台之间距离；②震中距指的是甘肃岷县6.6级地震震中与地磁台站距离

（2）图2、图3显示的是2013年1月开始至10月31日南北地震带部分地磁垂直分量日变化空间相关系数曲线。6月23日至7月19日位于南北地震带的成都、察隅、道孚、都兰、格尔木、贵阳、河池、周至、临夏、兰州、木里、南山、通海、太原、浚县、英鸽、邕宁、肇庆等地磁台站与新沂、红山之间相关系数曲线出现准同步的下降变化。异常期间，存在一个完整的“下降—转折—回升”变化，其起始时间为6月23日，结束时间为7月19日，转折时间为7月5日，具体异常参数如表1所示。距上述异常结束1个月内，研究区内发生岷县、漳县6.6级地震。

（3）以新沂、红山作为参考台的地磁垂直分量日变化空间相关异常超阈值天数均在2天至15天，6天以上的比例分别为76%、83%。

（4）由于每年11月至次年2月（图2、图3），中低纬度地区地磁垂直分量日变形态较弱、信噪比低等，其空间相关系数较差，相关系数曲线波动变化往往淹没了异常变化，因此在采用地磁日变化空间相关方法时，将每年11月至次年2月列为无效时间段，不进行分析。

2.2 空间分布特征

（1）2013年5月1日至6月20日，南北地震带内计算台与参考台之间地磁垂直分量空间相关系数曲线无异常，其间无显著地震发生。该段期间的相关系数平均值等值线图显示的是南北地震带地磁垂直分量空间相关空间分布背景特征（图4a、图5a）。无异常期间，空间相关系数等值线分布总体是依赖于参考台位置，距离参考台越远，系数越小。

图2 甘肃岷县、漳县6.6级地震前地磁垂直分量日变化空间相关系数曲线（参考台及其数据：新沂FHD-2垂直分量）Fig.2 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of FHD-2 at Xinyi Station）

图3 甘肃岷县、漳县6.6级地震前地磁垂直分量日变化空间相关系数曲线（参考台及其数据：红山GM4垂直分量）Fig.3 Spatial correlation coefficient curves of geomagnetic vertical component diurnal variation before Minxian-Zhangxian M 6.6 earthquake（Reference station data: vertical component of GM4 at Hongshan Station）

（2）经过去背景和归一化后的2017年7月5日南北地震带空间相关系数等值线图显示，两个参考台的等值线图中在异常期间均存在高梯度带，且梯度带走向一致，不受参考台位置的影响。另外要说明的是，此梯度带同时也是异常台站集中区域边缘。岷县6.6级地震震中位于高梯度带附近。

图4 地磁垂直分量空间相关等值线图（背景）Fig.4 Correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation

图5 2013年7月5日地磁垂直分量空间相关等值线图（去背景且归一化）Fig.5 Normalized correlation coefficient contour map of geomagnetic vertical component diurnal variation with background values removed（20130705）

3 结论与讨论

（1）在2013年岷县、漳县6.6级地震前，参与分析的51个地磁台站中，成都、察隅、道孚、都兰、格尔木、贵阳、河池、周至、临夏、兰州、木里、南山、通海、太原、浚县、英鸽、邕宁、肇庆等地磁台站与新沂、红山两个参考台之间垂直分量日变化相关系数在同时段内均出现形态一致性好且超阈值的下降变化。对异常期间南北地震带相关性空间扫描发现，经去除背景值和归一化之后的相关系数等值线图中出现了有别于背景分布的高梯度带，岷县、漳县6.6级地震震中位于异常台站集中的区域边缘。

（2）研究人员在总结了南北地震带岷县、漳县6.6级地震等震例基础之上，得到南北地震带地磁垂直分量日变化空间相关异常判定依据，即为：选取研究区外2个或2个以上数据质量好的台站作为参考台站，研究区内3个及3个以上台站与上述参考台站之间垂直分量相关系数九日滑动值在同时间段内若出现形态一致性好的下降变化，下降幅度超过2倍均方差，异常持续时间达到6天以上，同期位于研究区外的地区未出现类似显著变化，即可认为此变化为地磁日变化空间相关异常。

（3）冯志生等[6]通过对江苏地区的观测资料分析发现在中高纬度地区每年的11月初至次年的2月底之前，地磁Z分量日变化较弱，信噪比低，相关性低，本研究对全国大部分地磁台站2008年以来地磁垂直分量和总场（限北方地区）数据进行了日变化空间相关计算，所得结论与冯志生等[6]结论一致，该方法是无法提取每年的11月初至次年的2月底地磁异常。

（4）磁暴虽然是全球性剧烈变化，但同步性很好，因此磁暴不会引起相关系数下降。但钩扰是中低纬度地区的局部性变化，与地震地磁异常等局部性变化一样，将导致地磁垂直分量日变化相关系数的下降，这可能是相关曲线上时常出现单独一日相关系数下降现象的原因，分析人员需注意区别。

（5）地磁低点位移[11-12]、加卸载响应比[13]、逐日比[14]、每日一值空间相关[15]与地磁日变化变化空间相关方法等，都是用于提取日变畸变[16-17]，上述四种方法异常特征产生机理是相近的。