营口地震台地磁数据加卸载响应比和逐日比异常核实

朱晓秋，王 琳，张璐雅，王东晨

（营口地震台，辽宁 营口 115000）

0 引言

在地震预报工作中，经过多年实践证明，地磁学方法是较为有效的一种利用地震前兆现象预报地震的方法，但多数预报方法更适用于地磁台站分布密集，台站间距较小的地区。辽宁地区中强震较多，而地磁台站相对较少，相距较远，地磁数据加卸载响应比和逐日比计算则可以最大限度地利用有限的观测资料探索地震对应关系。地磁加卸载响应比和逐日比分析，目前在全国地震系统应用较为广泛，已经成为一种用来进行中短期地震分析预测的地磁手段分析方法。2019 年9 月17 日，营口地震台工作人员在进行数据周分析发现，9 月12 日营口地震台FHD 质子磁力仪垂直分量Z 的加卸载响应比和日变幅逐日比结果均大于3.0 阈值，比值高达5.5，且本省大连及朝阳台地磁数据也同步出现高值异常，大连台为5.0、朝阳台为4.9，铁岭台地磁数据虽未超过阈值，但也达到了2.7，处于临界数值。此次超阈值现象值得关注。

1 异常确定

2019 年9 月12 日营口、朝阳和大连台地磁加卸载响应比和逐日比都是地磁日变化异常，反映的是地磁垂直变化分量Z 日变化畸变异常，是感应电流空间分布发生畸变所致。

经对比发现，除辽宁省地磁台站出现异常比值外，北京、河北、内蒙等省份的多个地磁台于9 月12 日同时出现了加卸载响应比和逐日比异常，这些异常应该认定为一组异常。多个地磁台站同时出现环境干扰或仪器故障的可能性较小。为进一步确认仪器运行状况和台站环境变化，发现异常后，台站工作人员查询了台站的地磁观测日志，同时查询国家地磁台网中心网站中关于高压直流输电干扰和磁扰活动指数等数据，经落实确认，营口地震台地磁数据在异常期间未出现环境干扰因素，仪器工作也处于正常状态。

图1 2019 年9 月辽宁异常台站垂直分量Z 加卸载响应比及逐日比时序曲线Fig.1 Vertical component Z-unloading response ratio and daily-to-day time series curve of Liaoning abnormal station in September，2019

初步分析认为，这次地磁数据加卸载响应比和逐日比异常是地震前兆异常的可能性较大。针对此次异常核实，主要从以下几方面进行：

（1）检查观测系统工作状态；

（2）调查环境干扰情况，地磁房内外有无磁性物体移动，磁房内外环境有无变化等；

（3）查询国家地磁台网中心网站中高压直流输电干扰数据、地磁暴数据；

（4）采用地磁分析方法进行数值计算分析；

（5）与其他地磁台的地磁加卸载响应比和逐日比对比分析；

（6）与学科组专家交流讨论。

2 台站背景资料

营口地震台位于大石桥市官屯镇石硼峪村。距营口市30km，距大石桥市10km，距石硼峪村约1km，占有两座小山，前山海拔高度是120m，坡度大约在45°左右，在前山海拔高度85m 处挖掘山洞，后山海拔高度是135m，坡度大约是20°。在地质构造上属于郯城—庐江断裂带的北延带附近，出露基岩为晚侏罗纪粗粒花岗岩。营口地区属于温带大陆性季风气候，光照充足，雨量适中。年平均气温在8.5℃～11℃之间，一月平均气温-8.5℃～-1℃，七月平均气温24℃～25℃，年平均降水量650mm ～700mm，无霜期165 天。该地区出露的地层由西向东，由新变老，它们的次序是第四系，白垩系、侏罗系、震旦系、前震旦系。台址附近出露的基岩就是晚侏罗世粗粒花岗岩。该地区最发育的断裂是北东向断裂，它们在该区由西向东依次是高升—张家屯断裂，台安—大洼断裂，大湾—二界沟断裂，佟二堡—营口断裂，金州—鞍山断裂，青山怀—八里断裂。佟二堡—营口断裂以西几条断裂是属于郯城—庐江断裂的北延。该区发育的另一组构造是北西西向构造带，它们分别是虎皮峪背斜，三道岭-周家堡子东西向挤压带，青花峪东西向断裂带，这组构造的特点是规模小，断裂多是隐伏断裂。该地区跨跃了李四光先生论述的新华夏构造体系中的第二个隆起区和第二个沉降区。大的构造应力背景是属于近东西向的挤压。北东向构造是本区的主要构造方向，其构造运动性质是继承性的。但活动缓慢且时间长久。北西向构造与北东向的构造都是同一个构造应力作用下的产物。现代构造运动表现为整个渤海周围都在缓慢上升，在上升的背景上又出现了相对的隆起区，这些隆起区基本上沿着下辽河冲积盆地四周分布。

营口地震台是综合观测台站，也是国家定点地形变观测基本台站。测震及地球物理场观测手段齐全，地球物理场观测项目主要包括地倾斜、地应变、地磁场及地下流体等前兆手段。出现异常信息的仪器为FHD-2B 型分量质子旋进式磁力仪，该仪器于2005 年严格按照堪选要求新建地磁观测室，经测试符合地磁场观测要求。2006 年安装，2007 年试观测，2008 年正式观测至今。此仪器运行稳定、工作正常，观测数据连续可信精度高。仪器测量范围20，000～70，000nT，分辨力0.1nT，观测精度F≦0.5nT；H≦0.5nT；D≦0.15′，采样率1 次/分。FHD-2B 分量质子磁力仪既可以作为绝对观测仪器使用，又可以作为相对观测仪器使用。作为相对仪器使用时，可以对磁场三分量进行分钟值采样的连续记录；作为绝对仪器使用时，可以观测出地磁总强度F 和水平分量H 的绝对值，虽然其观测的磁偏角是相对变化量，但因为具有自我校正功能，因此，也可以对磁偏角连续观测数据的长期漂移做出自我校正。

图2 营口地震台地磁房平面图、位置示意图及地磁场强度等值线图Fig.2 The plan view and the position diagram of the geomagnetic room，the contour map of the geomagnetic field intensity of Yingkou Seismic Station

3 异常调查分析

3.1 采用资料、分析计算过程、初步判断

3.1.1 采用资料

质子矢量磁力仪（FHD）产出的地磁总强度F 和水平分量H 的分钟值，计算得到地磁垂直分量Z 的分钟值数据。

3.1.2 计算过程

从数据库下载地磁垂直分量Z 的世界时分钟值数据，然后把世界时转换为北京时，计算出每天的日变幅度，最后计算得到地磁逐日比和加卸载响应比数据。地磁逐日比、加卸载响应比方法针对的是地磁日变异常的分析，属于非原始曲线分析方法，需要根据一定的计算结果来确定地磁场是否存在地震前兆异常。

地磁垂直分量Z 日变幅逐日比法是冯志生研究员在应用地磁垂直分量Z 日变幅加卸载响应比法时发现的一个新的预测分析方法，将逐日比定义为Y，A（t1）及A（t2）分别为前后两天的Z 分量日变幅计算结果，Y 的计算过程见以下公式：

分析时使用的依据为地磁逐日比异常判据指标：

（1）三个和三个以上台站同步出现超3.0阈值；

（2）异常日前日Dst 指数低于-70nT 且小于异常日Dst 指数时不作为异常；

（3）异常区域面积小于8 万km2不作为异常。地磁加卸载响应比的定义为：

其中，Ds（Z）为Z 分量地磁扰动场的日变幅，标志“+”表示加载，“-”表示卸载。在实际运用中可将地磁场垂直分量日变幅ΔZ+和ΔZ-看作是太阳风对地磁场的加载和卸载，此时计算公式可简化为：

分析时使用的依据为地磁加卸载响应比的异常判据指标：

（1）阈值为3.0，超过阈值记为一次异常；

（2）若三个或者三个以上相邻台站在2 天之内出现超阈值，视为准同步异常变化，作为一次异常；

（3）一次异常出现后，两个月内再次出现的异常，认定为一组异常，其后依次类推；

（4）当极大值日DST 指数小于-30nT 时，不作为异常。

本次异常台站计算得出的地磁逐日比、加卸载响应比结果使用的均是台站布设的FHD 质子旋进式磁力仪所产出的分钟值采样数据。

3.1.3 初步判定

2019 年9 月8 日至15 日营口、大连、朝阳和铁岭台的Z 分量时间序列，可以看出4 个台站的日变曲线从8 日至15 日并未全部展示出典型的北半球中低纬度台站应有的双峰单谷形态，尤其12 日数据畸变比较明显。地磁场是地球基本场之一，在一定的范围内其变化形态是高度一致的，而此次出现该异常的台站同步性较一致，因此，初步判断此次异常为局部地区的地震前兆异常。

图3 2019 年9 月8-15 日辽宁地磁台观测地磁垂直分量Z 时间序列Fig.3 The time series of the geomagnetic vertical component Z observed by Liaoning Geomagnetic Station on September 8-15，2019

4 观测系统可靠性调查与分析

4.1 环境干扰调查

依据地磁观测规范要求，营口地震台的工作人员对仪器系统进行了全面检查，仪器工作参数正常，数采工作稳定；同时对仪器探头部分进行了检查，探头所在地磁房室内环境良好，房屋顶棚四角有渗雨的痕迹但并不严重；各数据线接触点稳固，没有虚接或松动；仪器底脚螺丝未发现生锈痕迹及松动情况；仪器北南向和东西向水泡居中，水平状态正常；数据线的走线和布局情况正常。分析认为可以排除为仪器观测系统故障等情况。对环境调查主要针对台站附近基建等环境改变情况，营口地震台远离市区，整体观测环境较好，地磁房周围无明显的干扰源，地磁开始观测以来，基本上没有受到过干扰。

图4 磁房内外环境及仪器工作状态检查Fig.4 The internal and external environment and the working status inspection of the magnetic room

4.2 观测资料一致性分析

分析2019 年9 月9 日至14 日营口、大连、朝阳及铁岭台Z 分量时间序列曲线，从曲线可以看出，4 台站的Z 分量日变曲线形态一致性很高，符合典型的北半球中低纬度双峰单谷日变形态，而9 月12 日，4 台站仪器的Z 分量曲线虽然形态保持一致，但已不再符合典型Z 分量日变形态，处于一种畸变状态。

图5 2019 年9 月9-14 日营口、营口—大连、营口—朝阳、营口—铁岭地磁垂直分量Z 时间序列对比曲线Fig.5 Comparison of the time series of Yingkou，Yingkou—Dalian，Yingkou—Chaoyang，Yingkou—Tieling vertical component Z from September 9 to 14，2019

4.3 高压直流输电影响分析

高压直流输电通常采用双极两端中性点接地方式，在正常运行状况下，由于不平衡电流很小，当额定电流不超过1200A 时，对距离线路12 公里之外的地磁观测基本不会造成干扰，但在工程试运行阶段及运行出现故障时，会产生较大的不平衡电流，在输电线及换流站周围产生的干扰磁场将影响正常的电磁观测，尤其是对输电线路两侧300 公里内范围的电磁观测影响尤为剧烈。

2011 年以来，辽宁省各地磁台站受到来至呼伦贝尔—辽阳高压直流输电线路干扰影响，此干扰影响范围广泛，主要表现为Z 分量的台阶变化，需要在预处理中及时准确的进行改正。2019 年度未受呼—辽高压直流输电线路系统影响。此外，近年来高压直流输电频繁出现，在此之前也并未造成该方法的异常现象。

通过查询国家地磁台网中心网站中高压直流输电干扰数据（资料来源于http://10.2.201.72:8080/hvdc/hvdcflex/hvdcflex.html），确认在地磁数据异常期间无高压直流输电干扰。

4.4 地磁场空间天气影响确认

磁暴是地球磁场的剧烈扰动，磁暴是全球性的，而且几乎是同时的。依地磁扰动的程度分为小磁暴、中等磁暴、大磁暴和特大磁暴。国际上采用Dst 指数来描述磁暴，-50nT ＜Dst≤-30nT 为小磁暴，-100nT ＜Dst≤-50nT 为中等磁暴，-200nT ＜Dst≤-100nT 为大磁暴，Dst≤-200nT 为特大磁暴。2019 年9 月地球空间磁扰较为平静，全球Dst 指数变化较为稳定，均值在-20nT 左右。异常日前日Dst 指数为-22nT；异常日DST 指数极大值出现在11 时，指数为-18nT，未超过-50nT。此结果说明当月无明显的太阳日冕物质抛射（CME）发生，同时太阳低纬度冕洞抛射流引起的CIR 区域也处于正常水平状态。9 月12 日地磁场扰动较为平静（该信息来源自http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html），无磁暴发生，因此本次异常受外空磁场扰动的影响较小。

图6 2019 年9 月Dst 指数分布Fig.6 Dst index distribution in September，2019

4.5 多台数据分析

分析邻近地区各台地磁数据，9 月12 日北京、河北、内蒙等省份的多个台地磁数据也同时出现了加卸载响应比和逐日比异常。

通过对河北红山、昌黎、承德、丰宁和文安台地磁数据对比分析发现，出现了同步Z 分量地磁加卸载响应比及日变幅逐日比高值异常。本次地磁超阈值异常涉及全国30 余个台站，异常面积228 万km2。

图7 2019 年9 月河北异常台站垂直分量Z 加卸载响应比及逐日比时序曲线Fig.7 The loading and unloading response ratio of the vertical component Z and daily variation ratio time series curve of Hebei abnormal Seismic Station in September，2019

5 基于地磁场基本理论分析

据冯志生、戴苗、倪晓寅等研究得出，地磁加卸载响应比法和逐日比法在原理上都是直接使用地磁Z 分量的日变幅度作为源数据进行一定的计算分析，其过程较为简单直接，得出的结果确实可以反映地磁场的异常变化，能提取震前异常，有较好的地震预测效果。

5.1 方法本身可靠性分析

紫外辐射和冕洞粒子流辐射是太阳影响地球磁场的两种主要辐射形式，从而使地磁场出现变化磁场（丁鉴海，1994）。地球自转使太阳的紫外辐射对地球每天加卸载一次，其地磁效应即是Sq；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，冕洞朝向地球的平均间隔大约为5 至6 天，因此粒子流的加卸载一次即为5 至6 天。另一方面地震是一种非线性失稳现象，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。因此可通过计算地磁加卸载响应比P（Z）值和日变幅逐日比Y 值来得到其异常信息。

5.1.1 地磁Z 分量加卸载响应比

太阳风对地球磁场平均每5 至6 天有一次强的冲击，并使得地球磁场产生强烈扰动，从而形成对地球磁场的周而复始的加载与卸载过程，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之差。考虑到地磁垂直分量较其它分量与地下介质的关系更密切，可取地球磁场垂直分量日变幅度最大值与其后的最小值为太阳风对地球磁场的加卸载响应比即：

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。

预测判据及规则：规定区内有相邻2 个或2 个以上台站同时出现P>P0（P0=3.0 为阈值）时异常成立，相邻两次异常时间间隔不超过两个月的异常划为同一组，一次异常前后两个月内无其它异常时，该异常单独计为一组异常，在一组异常中第一次异常出现之后3 个月内，在区内易于发生Ms4.5 级以上的地震，震中一般在异常高值点附近200km 之内，少数达300km。

5.1.2 地磁Z 分量逐日比

地磁垂直分量日变化幅度逐日比P 定义为：

式中，RZ（t1）为t1观测日地磁垂直分量日变化幅度，t2=t1+1。

两种方法异常判据阈值均为P0（Z），以相邻多个台站同步出现超过阈值P0（Z）为异常成立，地震发生阈值线附近，震级为5 级以上；地震发生在异常出现后半年以内，且大部分发生在4 个月以内，该方法提取的异常更具有短临性质。

5.2 历史资料分析

据冯志生、戴苗、倪晓寅等利用地磁加卸载响应比对2008 年以来华北地磁Z 分量数据进行分析，研究发现异常出现后6 个月以内可能发生4.0 级以上地震。从华北地区地磁加卸载响应比异常和地震的对应关系，本区发生35 次M4.0 以上地震，报对地震次数为5 次，对应率是14%。本区出现异常4 次，有地震对应的异常3 次，对应率75%。地磁逐日比对2008 年以来华北地磁Z 分量数据进行分析，研究发现异常出现后6 个月以内可能发生4.0 级以上地震。从华北地区地磁逐日比异常和地震的对应关系，本区发生M4.0 以上地震35 次，报对地震10 次，对应率是29%。本区出现异常8 次，有地震对应的异常5 次，对应率62%。

分析结果表明地磁加卸载响应比和逐日比两种方法在华北地区有一定的适用性。

通过对辽宁地区2010 年至2019 年地磁Z分量的加卸载响应比及日变幅逐日比数据分析，辽宁地区地磁台垂直分量Z 数据加卸载响应比及日变幅逐日比对应出现超阈值异常分别为17次和4 次。

2013 年1 月23 日的灯塔5.1 级地震和2017 年12 月19 日的海城4.4 级地震是辽宁地区近几年来较为典型的地震事件，我们对地震之前12 个月的加卸载响应比及日变幅逐日比进行了分析。

图8 2010 年至2019 年辽宁地磁台站加卸载响应比及逐日比曲线Fig.8 Loading and unloading response ratio and daily ratio curve of Liaoning geomagnetic station from 2010 to 2019

分析认为，2013 年1 月23 日的灯塔5.1 地震前，2012 年7 月和10 月辽宁各地磁台站出现了两次加卸载响应比异常，但逐日比并未出现异常变化，即震前6 个月内出现了加卸载响应比异常；2017 年12 月19 日的海城4.4 级地震前，2017 年11 月辽宁各地磁台站出现了一次比较同步的加卸载响应比异常，但逐日比并未出现异常变化，即震前1 个月内出现了加卸载响应比异常。结合冯志生、戴苗、倪晓寅等研究结果表明，在辽宁地区地磁加卸载响应比方法有一定的适用性。但由于仪器运行以来，周边地区发生4 级以上地震次数较少，因此对比震例分析并不是很充分。

图9 2012 年和2017 年辽宁地磁台站加卸载响应比及逐日比曲线Fig.9 Loading and unloading response ratio and daily ratio curve of Liaoning geomagnetic station in 2012 and 2017

6 异常分析与性质判定

经过认真核实并与专家讨论认为2019 年9月12 日营口地震台出现地磁Z 分量加卸载响应比和日变幅逐日比高值超限异常是地震前兆异常的可能性较大。主要依据如下：

（1）经过实地调查，认为2019 年9 月12日营口地震台地磁数据加卸载响应比和日变幅逐日比高值超限异常变化与观测系统和观测环境无关；

（2）通过查询高压直流输电干扰和磁暴数据，确认异常期间未出现此类影响；

（3）通过与本省及邻省地磁数据资料对比，可判断该变化是较大区域同步异常变化。

7 结论与建议

结论：仪器工作状态检测和观测环境排查结果表明：数据变化期间观测仪器和系统工作正常，磁房附近未发现干扰源；且本省及邻省地磁数据同步出现地磁加卸载响应比和逐日比高值超限异常。综合分析认为：2019 年9 月12日营口地震台出现的地磁加卸载响应比和逐日比高值超限异常是地震前兆异常。

在辽宁地区地磁逐日比和加卸载响应比异常判定方法有一定的适用性，但由于辽宁省内地磁台站密度不高，对异常分析认定会有一定影响，下一步还需要继续跟踪并深入研究此异常的发展变化。