九寨沟7.0级地震前四川地区地磁异常分析

芮雪莲，廖晓峰，杨 鹏，黄岚俊

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2. 四川商务职业学院，四川 成都 611131)

地震与地磁的关系从19世纪末开始为人们所注目，至今已有百余年的历史，而有目的地进行震磁前兆观测与地震预报实践则开始于20世纪60年代，1966年以来，我国逐步建立了比较完善的震磁观测系统，在震磁效应理论研究和地震预报方面取得了很大的进展(丁鉴海等，1994)。地震地磁学主要研究内容是地震孕育、发生及震后调整过程中直接或间接引起的震磁效应及其机理。震磁研究需要从强的背景场中提取弱的震磁信息，这既受到观测条件、仪器精度等的限制，也要解决识别正常背景场和排除其他干扰等问题。地磁预报地震的方法主要针对两个方面：基本磁场预报地震方法研究与变化磁场预报地震方法的研究。而变化磁场在震前多表现为中短期异常，这是需要重点关注的。目前提取地磁变化磁场异常的方法可以分为频率域分析方法与时间域分析方法两大类。频率域分析方法利用频谱分析技术获取地磁三分量(Z、H、D)的谱值进而提取震磁异常信息，包含地磁谐波振幅比法(冯志生等，2004；戴勇等，2016；何畅等，2017a)与地磁垂直强度极化方法(李琪等，2015；何畅等，2017b)；时间域分析方法重点研究地磁垂直分量(Z)的日变化异常，包括日变形态、相位及幅度的畸变，主要方法有地磁低点位移法(丁鉴海等，2004)、地磁加卸载响应比法(王亶文，1995；冯志生等，2000)、地磁日变幅逐日比法等。本文主要分析九寨沟7.0级地震前四川地区地磁垂直分量日变幅逐日比的异常变化。

图1 四川地磁台站分布

1 观测数据

2017年8月8日21时19分，四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生M7.0地震。四川地区固定地磁观测台站及震中位置如图1所示，各台站与九寨沟地震震中距如表1所示。本文重点分析震前出现的局部地磁日变幅逐日比异常特征。四川地区地磁台站相对记录观测仪器类型包括GM4和FGM，采样率均为1 sps，连续记录垂直分量(Z)、水平分量(H)和磁偏角(D)的变化。

2 计算方法

地磁垂直分量日变幅逐日比是对地磁加卸载响应比的一种简化，是地磁场垂直分量某一天和后一天日变幅的比值(倪晓寅等，2017)，公式如下：

表1 台站与九寨沟地震震中距统计

(1)

其中，A为垂直分量(Z)日变幅，t1为时间，t2=t1+1，t2日期为逐日比日期。每日的日变幅度为一天中分钟值数据的最大值与最小值的差值，而日变幅度的准确性直接影响逐日比结果的可靠性，因此在计算各台站日变幅之前，需先对分钟值数据进行去噪处理。本文使用高阶傅里叶拟合滤波消除数据中的高频噪声。为了便于结果的对比分析，现将世界时数据转换为北京时，再进行日变幅与逐日比的计算。利用地磁日变幅逐日比方法判定四川地区地磁异常的阈值为3.0，当台站的逐日比值超过该阈值，且当3个及以上台站同步出现超过阈值的情况时，判定为有效异常。地磁逐日比异常在时间上具有多台同步的特点，相比于单台异常，多个台站同时出现异常的可靠性更高，可有效降低仪器故障与环境干扰的影响。

3 震例分析

对四川地区10个地磁台站的垂直分量数据进行日变幅逐日比计算，发现2017年2月7日成都、松潘、江油和崇州4个台站出现了同步的逐日比超阈值现象(见图2)，台站数量满足异常判据指标，因此判定此次多台同步逐日比高值为有效异常，具体异常信息见表2。根据逐日比计算公式可知，2月7日的异常为2月6日的日变幅与2月7日的日变幅的比值，图3给出了2月5～8日成都、松潘、江油和崇州4个台站垂直分量的预处理分钟值数据，可以看出，2月7日数据出现畸变，日变幅度明显缩小，这是导致日变幅逐日比出现高值的直接原因。

图2 成都市台(a)、松潘台(b)、江油台(c)、崇州台(d)2017年1～8月地磁垂直分量日变幅逐日比

表2 2017年2月7日日变幅逐日比比高值异常信息表

由于此次异常为多台同步异常，因此可以初步排除仪器故障与测区环境改变带来的干扰，为了进一步排除外空场活动对数据产生的影响，开展了磁暴调查工作，如图4所示(据世界地磁数据中心)，2017年2月1日至2月10日期间磁扰较为平静，6日至7日Dst<-30 nT，无磁暴发生，因此可排除空间环境的影响，表明此次日变幅逐日比高值很可能是变化磁场在震前的异常变化。

图3 成都市台(a)、崇州台(b)、江油台(c)、松潘台(d)2017年2月5～8日垂直分量预处理分钟值曲线

图4 2017年2月全球Dst指数曲线(数据引自世界地磁数据中心)

利用克里金插值法对2017年2月7日计算范围内台站的逐日比值进行空间插值，并绘制此次异常的空间等值线图(见图5)，此次异常高值区位于川北区域，异常出现后的182天发生了九寨沟7.0级地震，震中恰好位于阈值线上。

图5 2017年2月7日地磁逐日比异常空间等值线图

4 结论与讨论

本文分析了九寨沟7.0级地震前四川地区地磁垂直分量日变幅逐日比的异常变化，发现成都、松潘、江油和崇州4个台站在震前6个月出现了同步逐日比高值异常，异常台站集中于四川北部，震中位于异常阈值线上；此次异常的时空特征与倪晓寅等(2017)给出的南北地震带逐日比异常研究结果相符合。2017年2月7日逐日比异常主要由地磁垂直分量的日变幅度改变引起，通过异常时段的外空场活动调查，排除了空间环境对计算结果的影响。在地震孕育过程中，应力的积累会引起地下介质电导率等电磁性质的改变，从而使得感应磁场在局部出现异常变化(丁鉴海等，2004)，因此此次多台同步逐日比高值异常很可能是孕震区地下介质环境改变的一种表现。地磁日变幅逐日比异常具有时间上同步、空间上分布广的特征，对发震地点及震级指示不够明确，因此仅利用单一方法进行地震预报具有较大不确定性，在以后的工作中应注重多方法综合分析研究。