东北地区地磁LURR中强震指标研究

张志宏，李梦莹，钱 蕊，黄明威

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震地磁日变化异常分析方法采用数十天到数分钟地磁场观测资料，并且主要用到的是地磁垂直分量观测资料。我国位于北半球的中低纬度，地磁垂直分量日变化主要有以下几点特征：地磁Z分量日变化形态类似V型，其日变化幅度由南到北逐渐变小，与经度无关，极小值时间低点时间由东向西延迟4分钟/经度（低点时间跟着太阳走），与纬度无关，但地磁Z分量日变化形态在几百公里范围内是基本一致的，或者说是相关的。地震地磁日变化异常分析方法的基本思路是通过剔除或压制正常地磁日变化，提取地磁垂直分量日变化形态发生的畸变，这些畸变异常的周期范围大约在数十分钟到数小时。

冯志生等［1］研究地磁LURR发现阈值线两侧反相位现象：表明孕震过程中，异常时段沿阈值线附近有临时感应电流的存在，导致阈值线两侧地磁场日变幅相位变化。张建国等［2］应用加卸载响应比方法，研究河北省各地磁台1982—2006年地磁Z分量垂直分量日变幅极值比的高值异常与河北省及邻近地区M≥5.0地震之间的对应关系；余怀忠等［3］使用库伦应力算法，得到美国南加州4次M>6.5地震以及2008年中国汶川M8.0地震的加卸载响应比临界区域和时间序列，发现其地震前兆变化明显，对目标地震的位置、震级预测明确。

本文通过运用地震地磁日变化地磁LURR异常分析方法，对2008年以来东北及邻区地磁观测台站（图1） 数字化（FHD/M15） 分钟值数据进行分析，总结地磁LURR在东北地区中强地震前异常特征及映震效能。

图1 东北及邻区地磁台站分布图Fig.1 Distribution map of geomagnetic station in Northeast China

1 原理与计算方法

太阳风主要以两种形式影响地磁场，一方面，地球自转使太阳的紫外线辐射对地球磁场每天加载、卸载一次，其地磁效应即是地磁变化中的太阳静日变化；另一方面，平均大约每5～6天地球被强烈的太阳暴风（太阳辐射的速度为800～1000 km/s高速等离子体粒子流） 产生的地磁效应——全球同时发生的磁暴现象加载、卸载一次［4］。其中磁暴场D的构成为：

式中，Dst为暴时变化，Ds为暴时扰日变化，Dp为极区亚暴。

地球自转使太阳的紫外线辐射对地球每天加卸载一次，其地磁效应即是；太阳暴风粒子流辐射的地磁效应就是全球同时发生的磁暴现象，由统计可知，平均大约5～6天地球便会被太阳高速暴风粒子流加卸载一次［5］。另外，考虑到地震是一种非线性失稳现象，在孕震区地下介质系统由稳态变为非稳态的过程中，介质的物理性质，其中包括电导率将会发生相应的反应。因而可以认为，不同的地磁测点，稳定地区和非稳定地区暴时扰日变化不同，同一地磁测点非稳定时期暴时扰日变化与正常时期的变化又不同［6］。因此，可通过计算地磁LURR来得到其异常信息。

地磁日变化的强弱用日变化幅度来表达，即日变化极大值与极小值差。地磁日变化幅度具有不规则的逐日变化。地磁日变化主要取决于外空电流体系产生的变化磁场（外空变化磁场）及地下介质电导率，并且地壳介质电导率变化在地磁垂直分量中表现最突出。因此，地磁垂直分量日变化幅度前后几天的差异或者来自外空变化磁场的改变，或者来自地壳介质电导率的改变，而后者则可能与地震有关。

地磁LURR定义为：

式中，RZ（max） 为地磁垂直分量日变化幅度极大值，RZ（min） 为RZ（max） 出现之后的第一个极小值。

2 异常提取

2.1 背景值计算

计算2008年以来东北地区12个地磁台观测数据（分钟值采样率）地磁LURR均值及均方差（表1），其中望奎地磁台数据记录较少不作为研究台站。

表1 东北地区地磁台站（FHD/M15） 极值比背景值

2.2 选取研究地震

选取东北地区2007年以来M≥4.9浅源地震作为研究地震（表2）。

表2 东北地区2007年以来M≥4.9地震

3 地磁LURR结果统计与分析

3.1 异常提取指标

假设以东北地区2倍最低地磁LURR为3.06作为阈值PO，考虑到不同地区的多个地磁台出现观测系统误差的可能性极小，因此把磁暴、异常台站地质构造之间的关联性作为异常确定条件。

3.2 震例分析与讨论

2013年1月23日。辽阳灯塔发生5.1级地震，震中位于北纬41.5°、东经123.2°，震源深度7 km。辽宁省大部分地区有震感。灯塔5.1级地震发生在NE向营口—佟二堡断裂北端。震源机制解表明为走滑型，精定位结果为NE向破裂。地震前6个月内地磁LURR仅有1次大于PO，地球空间环境调查表明超阈值时期无磁暴的发生，因此可以把这次超阈值作为一次前兆异常。异常时间为2013年1月1日，异常台站及地磁LURR值分别为：三岗（3.2）、铁岭（3.7）、营口（5.4） （图2），异常台站比例为25%。三个异常台站分布于郯城—庐江断裂带的北延带附近。震中距分别为营口（104km）、 铁岭（106km）、 三岗（318km）。 从地质构造及介质导电率的角度分析此次地震，震中位于营口—佟二堡断裂北端，因此监测该断裂的台站的异常幅度应该是最高的，随着震中距的变化异常幅度应该成线性正比关系，此次地震前异常计算结果符合线性正比的关系。

图2 灯塔M5.1地震震前异常及震中空间分布图Fig.2 Earthquake anomaly and epicentral space distribution map of the Dengta M5.1 earthquake

图3 通辽M5.1地震震前异常及震中空间分布图Fig.3 Earthquake anomaly and epicentral spatial distribution map of Tongliao M5.1 earthquake

2013年4月22日内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗甘旗卡镇发生了M5.3地震，震中位于北纬42.90°、东经122.35°，震源深度10 km。地震发生在赤峰—开原断裂中部。该断裂处于岩石圈厚度变异带，断裂两侧岩石圈厚度差异显著，是华北块体和东北块体的地理分界，也是兴蒙造山带和华北地台这2个Ⅰ级板块的分界线。地震前6个月内地磁LURR高于设定PO有3次，异常时间为2013年2月4日、2月21日、3月4日（图3）。三次异常台站都无法对赤峰—开原断裂形成有效的监测控制，而且震中距离较近的地磁台站都没有出现低假设阈值，尽管空间天气磁暴指数Dst＜2，说明异常日没有磁暴干扰，但是把这三次异常做为前兆异常有待商榷。

2013年6月20日莫力达瓦M5.0地震震中位于近NE向嫩江断裂与EW向滨州断裂交汇区域附近，震源机制结果显示为走滑破裂，其EW节面与滨州断裂相一致。震前6个月内地磁LURR高于假设PO有1次，地球空间环境调查表明超阈值时期无磁暴的发生。异常时间为2013年 6月 3日 （图 4），异常台站及地磁LURR值分别为：德都（3.2）、望奎（3.1）、通河（3.2），异常台站比例为25%。震中距分别为：德都（155 km）、望奎（381 km）、通河（555 km）。此次地震震中最近的三个台站同时出现了超设定阈值的异常，但是三个地磁台与已知监测断裂带关联性又不大。所以综合考虑把此次异常作为一次地震的地磁前兆异常可能还需要充分的证据证明异常台站与监测断裂带的互通性。

图4 莫力达瓦M5.0地震震前异常及震中空间分布图Fig.4 Earthquake anomaly and epicentral space distribution map of Molidawa M5.0 earthquake

2013年10月31日、2013年11月22日和23日吉林前郭地区陆续发生了5.5、5.0、5.3、5.8、5.0级地震，这5次地震均发生在NE向扶余—肇东与NNW向查干泡—道字井断裂交汇部位。地震前6个月内地磁LURR高于PO的有1次，时间为2013年7月2日（图5）。地球空间环境调查表明超阈值时期无磁暴的发生。异常台站及地磁LURR值分别为：锡林浩特（3.1）、 德都 （3.3）、 望奎 （3.4）、 通河 （3.6），异常台站比例为33.3%。震中距分别为：锡林浩特（640km）、德都（457km）、望奎（269km）、通河（336 km），此次地震的震中位于望奎台监测断裂南段。综合震级及台站监测断裂的地理位置可以认为此次异常为前兆异常。

图5 前郭M5.7地震震前异常及震中空间分布图Fig.5 Earthquake anomaly and epicentral spatial distribution of Qianguo M5.7 earthquake

2017年7月23日松原M4.9地震前6个月内地磁LURR高于PO异常有3次，异常时间分别为2017年2月15日、2017年2月21日、2017年4月27日（图6）。 2月15日、2月21日异常台站距离震中较远，松原M4.9地震震中200 km范围内的地磁台站响应比值反而较低，空间天气指数Dst<2。4月27日异常台站有6个，其中，德都、满洲里、锡林浩特台距离大于300 km。

图6 松原M4.9地震震前异常及震中空间分布图Fig.6 Earthquake anomaly and spatial distribution of the epicenter of Songyuan M4.9 earthquake

2018年5月28日松原M5.7发生在扶余—肇东断裂与松花江第二断裂交汇部位，根据中国地震台网中心结果，震源机制解为走滑型。地震前6个月内地磁LURR高于PO有1次，异常时间为2018年2月21日（图7）， 空间天气指数Dst<2。异常台站及地磁LURR值分别为：大连（4.0）、营口（3.7）、铁岭（3.3），占总研究台站的25%。震中距分别为：大连（681 km）、 营口 （543 km）、 铁岭 （341 km）。此次地震震前多数台站的地磁LURR值是不存在的，即日变幅度太小计算的响应比值太小，这与2013年前郭M5.7震群前异常台站有相似的特点，异常持续时间都为100天左右。

图7 松原M5.7地震震前异常及震中空间分布图Fig.7 Earthquake anomaly and epicenter space distribution of Songyuan M5.7 earthquake

4 映震统计

东北地区2008年以来共发生浅源地震8次（表3），假设按照设定指标去提取东北地区地磁LURR异常，结果表明漏报3次地震，漏报率37.5%，其中松原M4.9地震有两次虚报。

5 结论与讨论

震源区介质受到压力后岩石磁性变化的物理机制是地磁LURR的理论本质，通过研究分析东北地磁LURR高值异常与中强地震的空间、时间的对应关系可以得出东北地磁LURR异常指标有：

（1） 地磁LURR最佳阈值取东北地区最低2倍响应比值（3.06）；

（2） 异常台站占比需达到25%，即至少3个台站以上；

表3 地磁加卸载响应比高值异常与地震对应统计表

（3） 异常持续时间1～4个月，为中短期前兆异常。

地震异常的确定是地磁LURR预报地震的关键因素，利用疑似异常台站监测断裂之间的地理位置是异常核实的重要关注点。