辽宁省海城M4.4地震地磁异常ΔF的观测与分析

刘永强，李 伟，李东春

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

近年来的震例总结说明[1]，与地震有关的磁异常现象，特别是短周期异常，其空间分布范围不仅局限于震源区，震中附近磁异常与震中邻区的磁异常并存的现象已经是客观事实。地震的发生主要受构造运动控制，构造运动产生各种磁效应或磁异常，通常会叠加在地磁正常背景场之上，使地磁场产生变化。在一个地震的孕育过程中，地震前后，除了在震中及构造边缘出现地下介质特性变化、应力变化外，地磁场特性也发生变化。这种变化以通过地震前兆异常的形式表现出来，所以在区域应力场特别是在构造边缘及特殊构造部位，也会直接或间接地产生与地震相关的磁异常现象。

根据地震前兆研究与地震预报工作的需要，我局逐步建成了比较完善的地磁观测系统，在主要的地震活动区与构造带附近布设了较为密集的地磁观测网，以固定台站连续观测与流动地磁总场观测相结合，开展对震磁时空强的探索研究。野外流动监测以地磁场总强度为观测物理对象，以局部范围内的异常变化为对象，进而探讨磁异常变化与局部区域地震活动性的关系。本文通过2017年12月19日辽宁海城M4.4地震前后流动地磁实测数据结果分析，在研究地磁长趋势变化和地震中短期地磁前兆异常特征的基础上，得到了对震磁效应的新认识。

1 区域地震概况及地磁测网布设

1.1 海城M 4.4地震

2017年12月19日02时39分39秒辽宁海城市小偏岭镇发生M4.4地震（40.53oN，123.04oE，震源深度10km）。震中位于北西走向的海城河断裂东南段。海城地震区是活动性很强的NW向全新世断裂、海城河断裂与NNE向晚更新世金州断裂组成的共轭构造区，新构造运动强烈。沿海城河断裂地震分布极为密集、强度大、频度高，除1975年M7.3地震外，还发生过多次M5～5.9地震，小震活动十分频繁，地震呈密集条带状和团簇状分布，区域地震危险水平高。

1.2 流动地磁测量

流动地磁测区经升级改造后于2015年投入使用，共40个地磁测点，点距30km左右，测点基本覆盖测区内海城河断裂（F5）、牛居油燕沟断裂（F2-1）、庄河断裂（F6）、金州断裂（F3）等主要构造（图2）。测量要素为地磁场总强度，测量模式为复测，复测周期为90天。野外和日变站均使用加拿大产GSM-19T磁力仪进行观测，磁力仪分辨率和精度分布为0.1nT和0.5nT。

2 资料选取与数据处理方法

2.1 每期出测前后仪器比测

仪器比测是指普通测量仪器（被比测仪器）与标准仪器之间的对比测量，以获取普通测量仪器与标准仪器的测量差异及变化情况。地磁场总强度测量仪器的比测采用“交换同步测量方法”。设标准仪器为仪器1，被比测仪器为仪器2。在人工电磁和自然磁场环境较好的场地设置测量位置A和测量位置B，二者水平距离不大于30m。将仪器1置于主测点，仪器2置于辅助测点。仪器1与仪器2同步进行测量，各读取三组、每组10个有效观测数据。每组观测数据分别求组均值，依次记为F1A-1、F1A-2、F1A-3和 F2B-1、F2B-2、F2B-3。最后求取均值 F1A和F2B。将仪器1置于辅助测点、将仪器2置于主测点。重复以上测量过程，并求取均值F2A和F1B。仪器点位差X、和仪器差Y的计算公式：

计算三组点位差、仪器差的平均值的测量值。

2.2 通化参考数据的选取（日变站观测）

选用基本地磁台自设GSM-19t（052#）磁力仪进行地磁总强度的连续观测分钟值的测量。

2.3 野外测点数据采集

方法步骤同上（比测），测量结束后填写《地磁总强度测量记录表》并进行检查、复核。并完成野外观测数据集。

2.4 日变通化零日的选取和零时的计算

通化零时为距实际野外测量时间段最近的磁静日Q1或Q2。通化零时为日变站所处时区地方时00:00—03:00的平均值。

2.5 日变通化公式

式中，FP0为测点P的地磁测量值经日变通化处理到通化零时的结果数据，FPt为测点P在时间t时的地磁测量值，FSt为在时间t时的日变站观测数据，FS0为通化参考台所在时区地方时00:00-03:00的连续观测分钟值数据平均值。

2.6 日变通化值均方差计算

判断地磁观测数据日变通化处理有效性和可信度的主要指标之一是均方误差。

均方差计算公式：

其中δ通化为日变通化值均方差，Fi0为某测点第i个经日变通化处理到通化零时的结果数据，n为该测点地磁测量数组数。

2.7 差值计算方法

式中 ，ΔFi为i测点差值 ；ΔFai'为前期差值；ΔFbi'为后期差值；i 为测期第i测点。

2.8 邻期差值图和年变差值图的绘制

邻期差值图和年变差值图的绘制是观察偏离观察误差限度的测点随空间分布情况。分析测区内ΔFi的空间分布特征，以及ΔFi的空间分布在邻期和年变化上有何变化。

2.9 测区均方差

测区均方差δ测区是参量在正常情况下的均方差。当异常量a≥(2～3)δ测区时，在排除环境干扰因素和仪器偶然误差的情况下，应该被认为是地震磁异常。反应了流动地磁在本年度的邻期差值的变化情况。流动地磁测量就是利用异常量a与系统参量的均方差倍数关系，来预测发震震级。δ测区（均方差）测区均方差计算公式为：

式中， δ测区为测区均方差 ；ΔFai为前期 i测点的地磁总场a期（后期）差值；ΔFbi为本期i测点的地磁总场b期（前期）差值； n 为测区的测点数量。

3 地震前后地磁异常变化特征分析

3.1 地磁异常测点磁环境调查与测点梯度复测

2017年12月5日至7日对异常点的磁环境进行了勘测并对地磁异常点进行了梯度测量。桂云花PLNL015、魏屯PLNL014、张家沟PLNL040测点附近未发现人工电磁干扰源等电磁外界干扰。梯度测量结果满足中国地震局监测预报司《流动地磁测量基本技术要求》，测点点位差均（桩差）≦0.5nT。

图1 2017年11月震前流动地磁场总强度邻期差值变化平面图Fig.1 The adjacent difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake in November, 2017

3.2 震前地磁异常特征

应用2017年11月流动地震地磁监测的第四期常规复测结果，应用sufer绘图软件绘制了辽宁地球物理场流动地磁场总强度的邻期差值图及年变差值图。

魏屯PLNL014出现了较大的磁异常，正变化量高达3.5nT，桂云花PLNL015正变化2.8nT。与其相邻的张家沟PLNL040测点出现了-2.4nT的负变化。正变化与负变化形成了明显的磁异常梯度带，并以张家沟PLNL040测点为中心形成了半径为20km的低位负异常区（图1）。本期监测任务完成后，经过资料处理后及时对该异常进行了落实，在排除了测点环境变化及干扰和仪器偶然误差的前提下，证实了该异常的实际存在。该磁异常区处于海城河断裂南部，梯度带（零线）距海城河断裂30km，异常中心点距海城河断裂50km。因此，对该异常的跟踪监测与分析，可以得到相应的震磁信息。从地震前的平面差值图及震前年变差值图看，测区自北向南呈现由低向高的正变化趋势，正变化通过了海城河断裂后急剧下降至张家沟测点的最大负异常，这种负异常保持了43天后发震。

图2 2016.11—2017.11震前流动地磁场总强度年变差值变化平面图Fig.2 The annual difference value changing map of the mobile geomagnetic total intensity before the earthquake from November, 2016 to November, 2017

图3 1711期震前测区差值异常图Fig.3 The abnormal curves of the difference value in the surveying area before the earthquake(1711)

3.3 震前测区差值异常量变化特征

图3中，测区内魏屯PLNL014测点的正异常量超过三倍均方差。桂云花PLNL015测点的正异常量接近三倍均方差。田庄台PLNL020测点的负异常经落实系环境干扰所致。张家沟PLNL040测点的负异常量超过三倍均方差。其余各测点变化量较小，系正常的地磁活动。

表1 震前测区邻期差值时序变化表

表1中的数据为2017年度（震前）的整个测区所有测点的差值数据。在表1 中，磁异常变化较大的差值数据是2017年11月测期相对2017年9月测期的差值数据。其中张家沟PLNL40测点的负异常量为-2.4nT，正异常测点为测点魏屯PLNL014的3.5 nT和测点桂云花PLNL015的 2.8nT。该实测差值数据为判定该异常区域及异常量提供了基础数据。

表2是震后加强观测后的主要磁异常测点及临近测点差值时序变化数据。

3.4 地震前后差值变化对比分析

双岭PLNL016测点的负变化在增加，表明震前的低位负异常区有向北漂移的迹象，故将持续关注和重视该变化的变化趋势。其余各测点相对九月测期的变化比较稳定。

震前桂云花PLNL15测点的震前正变化量为2.8nT,震后异常量转变为0.2 nT，表明桂云花PLNL15测点磁异常基本恢复到震前原有的量级。

表2 震后测区地磁场总强度差值时序变化

魏屯PLNL014测点震前异常量3.5nT,震后异常量为2.6nT，表明魏屯PLNL014测点的磁异常在震后呈现了下降的趋势。

地震前张家沟PLNL40测点的负异常量为-2.4nT,震后异常量为1.0nT。表明张家沟PLNL40测点震前的负异常在震后已经转变为正异常。

综合上述基本变化特征，从区域性异常来看，震后正异常区基本稳定，低位负异常区消失。

测区基准地磁点石门水库PLNL032下汤池PLNL033地处测区中部平原，磁环境良好。在表中可以看出该地震对基准点也产生了一定量的影响，但总体来看，震前震后的基准点相对稳定。相对九月测期的差值呈现下降的趋势。

4 结论

（1）地磁场总强度随时间的变化的地磁异常可以作为地震预报分析方法的一种有效手段。本文根据震前和震后异常区的变化特征和发展趋势分析，低位负异常区与该地震有着密切的关联，并认定该异常是19日的海城M4.4地震的前兆因子，也是震磁短周期前兆异常变化的重要表现。震中区域应力场的特殊构造部位已经完成了一次能量释放后，就现有的变化水平来看，近期地磁活动恢复至平静期，没有发震的磁背景，今后将继续密切关注其变化趋势。

（2） 通过本次震例反应出流动地磁测点密度不足，特别是构造边缘和构造特殊部位应加密地磁测点，有助于增大信息量，拓展研究空间，提升流动地磁监测能力，发挥在地震预报中的作用，以满足利用地磁异常预判地震三要素的需要。

（3）流动地震地磁监测是地震预报的前兆预测重要手段之一，弥补了由于台站数量不足的缺陷，对区域性磁异常的判定和验证方法灵活有效。这次成功监测到震前的磁异常信息，是对传统流动地磁监测的认可和肯定，也证实了传统流动地磁监测到的短周期异常变化在地震预报中的作用和重要意义。