松原M5.7地震前地磁异常研究

张 丽，张志宏，李梦莹，黄明威

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

根据麦克斯韦方程组给出的磁场的动态与源（电荷、电流）之间的密切联系，也就是说，归根结底电磁场是有源的；但是，另一方面电磁场的理论揭示，当电磁场的源消失后，电磁场可以继续存在，并通过电场和磁场的相互转化而向外传播，从这一点上说，它又是不依赖于源而存在的。地震电磁学是研究地震孕育和发生过程中出现的有关电磁现象的学科，地球电磁学的电磁场时空变化规律、电磁感应分析方法和地壳磁异常（岩石圈磁异常）分析方法被广泛应用于地震电磁学。我国位于中低纬度地区，观测和研究发现地震之前一些台站地磁垂直分量日变化形态会发生畸变，通过剔除或压制正常地磁日变化，可提取这些畸变异常，这些畸变异常周期范围大约在数十分钟到数小时。与局部变化磁异常在垂直分量中表现最突出现象一样[1]，与地震有关变化磁异常也是在垂直分量中最明显，究其原因可能是因为浅源地震的孕育与发生过程位于地壳及上地幔顶部附近，与其有关变化磁异常的电流源主要也位于该区域[2]。与局部变化磁异常在垂直分量中表现最突出现象一样，与地震有关变化磁异常也是在垂直分量中最明显，究其原因可能是因为，浅源地震的孕育与发生过程位于地壳及上地幔顶部附近，与其有关变化磁异常的电流源主要也位于该区域[2]。地磁低点位移法、地磁垂直分量日变化空间相关法和地磁垂直分量每日一值相关法是提取相位畸变变化的分析方法，地磁垂直分量日变化幅度逐日比法和加卸载响应比法则是提取这种幅度畸变的分析方法。地震地磁日变化分析资料主要来自我国的磁通门磁力仪分钟采样资料和FHD 质子矢量磁力仪分钟采样资料，并且基本只用到垂直分量观测资料，其中每日一值空间相关法只能使用FHD 质子矢量磁力仪夜间分钟采样资料及基准台站质子磁力仪的夜间观测资料。但是用一种地磁分析方法去提取地震三要素有一定的局限性，例如地磁日变化低点位移法主要指出异常区为出现低点时间突变的分界线附近，优势预测时间是低点突变时间后的第27 天或41 天正负4 天，但是存在预测范围较大的缺点。

2018 年5 月28 日松原M5.7 地震是东北地区继1975 年2 月4 日海城7.3 级地震震级最大的一次浅源地震。据中国地震台网测定，震中位于45.27°N，124.71°E，震源深度为10 km。主震后余震超过823 次，其中ML3.0（含）以上余震8 次。东北地区属于古亚洲洋与滨太平洋两大构造域的构造作用叠加区。前中生代时期，其地质构造格局为以南北分异为主，南部为华北陆块区，北部为兴蒙造山区，总体上以古亚洲洋构造域东部的华北与西伯利亚两大古陆、中间地块与造山褶皱带交织分布为特征。2018年5 月28 日吉林松原发生了5.7 级地震，地震发生在松辽断陷盆地中央沉降带内，位于北东向松原—肇东断裂带和北西向第二松花江断裂带交汇部位。震中区断（坳）陷盆地基底之上的中生代沉积层厚约4000 m。上部第四系沉积层在震中区厚度约80 m。深部地质构造单元位于松辽平原上地幔隆起区NNE 向中央隆起带的东部斜坡带上。地震活动图像显示，松原地区的地震活动空间分布主要沿北东向松原（扶余）—肇东断裂带分布，且具有丛集分布特征，主要分布在前郭县查干花和松原市宁江区这两个区域，地震活动明显受北东向断裂控制。本文利用加卸载响应比法与地磁低点位移法提取幅度畸变，通过变化磁场畸变分析震前6 个月内松原及邻区地磁异常信息。

1 异常提取

1.1 地磁加卸载响应比异常提取

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。地磁加卸载响应比P 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。异常判据阈值均为P0（Z），以相邻多个台站同步出现超过阈值P0（Z） 为异常成立。计算2018 年5 月28 日松原M5.7 地震前6个月东北地区12 个地磁（FHD/M15）加卸载响应比，克里金插值（弥补台站稀疏的缺点）绘制加卸载响应比和地震空间分布图，提取异常当天研究区域内所有台站的加卸载响应比，绘制加卸载响应比和地震的空间分布图（图1）。

图1 东北加卸载响应比等值线分布图Fig.1 Isoline distribution map of load-unload response ratio in Northeast China

1.2 地磁低点位移异常提取

地磁低点位移异常反应的是地磁垂直分量日变化畸变的相位变化信息，地磁日变化在相位上的特点常用极大值和极小值出现时间来表达，即极大值时间和极小值时间，地磁低点位移法采用的是地磁垂直分量日变化极小值时间，简称低点时间。低点时间跟着太阳走出现在地方时12 时左右，由东向西延迟4 分钟/经度，与纬度无关。地磁低点位移异常是指，一个大区域的低点时间明显地与另一个大区域的低点时间不同，而每个大区域内部低点时间又基本一致,两个区域之间有明显的突变分界线，两个区域之间的低点时间相差一般要求在两小时以上[3]。低点位移法自1966 年邢台地震试验场初步创立以来，该方法已得到长足的研究，对异常的形成及预报地震的机理也有了初步认识。

2 异常分析

2.1 地磁加卸载响应比异常分析

加卸载响应比值的大小主要受到磁暴及场地观测环境的影响。其中地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后，引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件，地磁暴的强度等级一般用Kp 指数。从震前6 个月内加卸载响应比值计算结果（表2）可以看出，震前有7 次超阈值的异常比值，其中4 次异常日Kp 指数小于2、3 次异常日Kp 指数小于5。场地观测环境主要是高压直流输电干扰，高压直流供电正常工作时电流基本上是从两条架空的线路经过，电流方向相反，大小基本相等。只有很少一部分不平衡电流入地（小于30A）。但一旦出现故障，就会出现很大的不平衡电流，对线路两侧台站的地磁观测和电场观测造成干扰。从震前6 个月内高压直流干扰调查可以看出01 月05日三岗受到的高压直流干扰，其余6 次超阈值异常无干扰。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）地磁加卸载响应比均值及均方差（表1），去除磁暴干扰数据后计算结果东北地区极值比均值区间为［1.53，1.75］，2 倍均值＞3，经验阈值取3.0 提取异常。

表1 东北地区地磁台站加卸载响应比背景值

表2 震前6 个月内研究区加卸载超阈值异常统计表

2.2 地磁低点位移异常分析

丁鉴海等[3]研究了1966—2008 年逾40 年间低点位移异常和地震相关性发现，低点位移法预报强震，特别是6 级以上地震效果较好。地震一般发生在异常线附近，在分析的54 次5.8级以上地震中，90%的震中位于异常线两侧一倍台间距内。167 例震例中，至少有66%的地震发生在异常出现后27 和41 天前后4 天的时间段内。丁鉴海等[3]的功率谱分析结果表明，与低点位移异常有关的主要为1～3h 磁扰周期成分，其探测深度为地壳至上地幔。冯志生等[2]研究发现，引起低点位移异常的是低点位移线两侧台站出现的反相位变化，推测外空变化磁场感应电流因某种原因聚集在低点位移线下方，进而产生反相位畸变变化。2018 年2 月21 日我国北部存在地磁低点位移异常，东北地区以三岗以北为异常区，异常台站为通河、德都、望奎、满洲里。

3 结论与讨论

松原2018 年5 月28 日5.7 级地震前6 个月内地震地点位移只有1 次，加卸载响应比高于研究区2 倍平均值的异常有6 次，其中单台异常次数4 次，2 个台站异常次数1 次，3 个台异常次数1 次。 既有地磁低点位移异常又有加卸载响应比异常的异常1 次，为2 月21 日异常。加卸载异常中单台异常只有1 月5 日三岗台属于此次地震震中地质构造单元台站。 2 月14 日加卸载朝阳、大连异常，异常台站不属于此次地震震中地质构造单元台站。2 月21 日加卸载大连、营口、铁岭异常，异常台站虽然不属于扶余—肇东断裂，但是异常台站成线性分布，延长线经过了震中位置。地磁场是地球内部磁性岩石及分布在地球内部和外部电流体系产生的各种磁场成分的叠加。由于磁场起源的不同，各种磁场成分的空间分布和时间变化规律也大不相同，按照场源的划分，此次地震场源为外源磁场。外源场起源于地表以上的空间电流系，这些电流体系随着时间变化较快，变化磁场的畸变具有短时性。此次地震地磁异常属于区域磁异常，其特点是与构造单元有关，面积为几十至几百平方公里。