2020年10月15日地磁垂直强度极化异常与玛多M7.4地震

冯丽丽，管贻亮， 樊文杰，贺曼秋，李霞，何畅，廖晓峰，艾萨·伊斯马伊力，袁文秀，刘素珍，冯志生

(1.青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站,青海 格尔木 810001；2.青海省地震局，青海 西宁 810001；3.山东省地震局，山东 济南 250014；4.云南省地震局，云南 昆明 650224；5.重庆市地震局，重庆 401147；6.四川省地震局，四川 成都 610041；7.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830001；8.浙江省地震局，浙江 杭州 310013；9.山西省地震局，山西 太原 030021；10.江苏省地震局，江苏 南京 400071)

0 引 言

在地震预报研究中，地震地磁异常的观测与提取一直是学者们关注的热点问题之一。近年来，利用地磁观测资料提取地震异常的方法得到了广泛的应用。在日常跟踪分析中常用的方法主要有地磁谐波振幅比[1-4]、垂直分量日变幅加卸载响应比[5-8]、垂直分量日变幅逐日比[9-11]、低点位移[4,12-15]、日变化空间相关[16-18]、垂直强度极化[19-24]等。

其中极化法(Polarization)由Hayakawa等[25]提出,因其能够反映地震地磁扰动异常的产生、传播和分布特征,在国内外地震电磁扰动信息提取中得到了广泛应用[19-20,26-31]。但因台站分布的限制，以往的研究主要以单台为主，对震磁异常的空间特征研究十分有限。

我国地磁台站连续观测仪器主要有磁通门磁力仪、质子矢量磁力仪以及OVERHAUSER磁力仪，其中磁通门磁力仪能够产出的秒采样观测数据可供我们开展地磁垂直强度极化分析。2010年以前，磁通门磁力仪数量较少，仅有约110套，且在西北地区分布十分稀疏。随着大规模的台网建设，截止2021年，国家地震前兆台网中心数据库中磁通门磁力仪总数量为192套，地磁台站的数量已经达到空前的规模。产出的数据可供我们开展地震地磁扰动空间特征研究工作。

基于上述台站数据，地磁垂直强度极化法得到了大力发展。通过回溯整理2015～2018年期间中国大陆地磁垂直强度极化高值异常，并分析其与后续地震的时空关系，建立了完整的地震预报指标体系[32]，并从2019年开始应用于地震系统震情跟踪工作中。本文将介绍2020年10月15日地磁垂直强度极化异常与玛多7.4级地震的时空关系，以及该方法在此次地震前的应用情况。

1 数 据

中国大陆110°E以西区域共有120套磁通门磁力仪，其空间分布见图1，其中42个地震台站拥有2套以上仪器。对于有2套以上仪器的地震台站仅选择其中1套仪器记录数据连续性和完整性较高的进行分析，则有49套仪器不参与后续计算分析。甘肃磁通门台阵共有9个台组成，由于总体断记较多，数据连续性不高，我们仅从中选取了英鸽地震台1套仪器产出的数据。

本文最终选择了2020年1月1日以来，中国大陆西部63套磁通门磁力仪产出的秒采样观测数据开展分析。在玛多地震发生时，有14套仪器因观测时间过短、观测仪器故障或缺数等原因导致无法得到分析结果，因此最终参与研究分析的仪器共49套。

图1 中国大陆110°E以西地区磁通门台站

中国大陆东部(110°E以东)地区也有数十台磁通门观测仪，但本文中未涉及这些仪器产出的资料的分析结果，主要原因有三：一是东西部在台站密度和强震背景上均存在较显著的区别，且根据以往震例总结的经验[32]，东部极化高值与地震的对应关系较差；二是极化分析采用的是秒钟值数据，数据量和计算量较大，暂时未得到明确的分析结果；三是对部分东部台站资料的对比研究发现，与西部台站极化分析结果相关系数较低[24]。因此目前跟踪过程仅采用中国大陆西部资料。

2 方 法

极化法即地磁垂直分量与水平分量幅度比值分析方法，由Hayakawa等[25]首次提出，其数学表达式如下：

(1)

式中，Z(ω)为地磁垂直分量的谱幅度值;H(ω)为地磁水平分量的谱幅度值；Hx(ω)为地磁南北分量谱幅度值；HY(ω)为地磁东西分量谱幅度值。地磁分量单位为nT，ω为圆频率。由于其反应了磁场能量在垂直方向与水平方向的分配比例，为了与水平椭圆极化法进行区分，我们将其称为地磁垂直强度极化法。

2.1 数据处理

数据处理的主要步骤如下：第一步，将磁通门三分量Z、Hx和Hy每天的秒资料按15 min每段分为96段，计算各段垂直矢量和水平矢量的傅里叶谱幅度；第二步，将每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)内各频点的极化值的均值作为当日极化值，以半年为周期对逐日极化值曲线进行傅氏拟合(数据一般不短于半年)，获得其年变化曲线，并计算两者残差的均方差；第三步，对每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)内各频点的极化值曲线中减去傅氏拟合得到的年变化曲线，消除其中的年变化成分；第四步，仅保留各频点极化值曲线中高于二倍残差均方差的部分，剔除低值部分；第五步，对筛选出高值后的每天5～100 s(0.01～0.2 Hz)内各频点的极化值的均值作为当日极化值再次进行傅氏拟合后发现仍然存在年变化，因此再次对年变化进行了扣除，最终处理得到了地磁垂直强度极化高值序列YZH。

以往震例表明，震前的极化异常在不同地震台站出现时间可能略有差异，在研究异常空间特征时，可能因为前后出现时间的差异导致异常的空间范围与实际不相符的情况，因此对逐日值进行了5日滑动平均处理，得到YZH1。

2.2 归一化

因观测环境及仪器的差异，各地震台YZH1波动范围不尽相同。在提取YZH1高值进行空间特征研究时，可能出现因台站差异导致的失真现在。为了消除台站影响，需要对各地震台YZH1进行归一化。为了使结果更直观，还对归一化后的结果进行了置零处理。具体算法为：

(2)

称YZH2为归一置零极化值，当其高于0，等价于YZH1高于2倍方差。在空间上对现有台站的归一置零极化值进行克里金法数学插值，即可得到大陆西部地区每日的地磁垂直强度极化空间分布。

3 异常时空特征

在地磁垂直强度极化异常跟踪过程中，发现10月15日前后中国大陆西部共有21个台站出现极化值高于2倍均方差的高值异常，占参与计算地震台站的43%。

3.1 空间特征

图2 2020年10月15日地磁垂直强度极化异常空间分布

青海中部至广西北部异常区内YZH2最大地震台站为甘肃天水地震台，达到1.37此外，青海地区大武、都兰、贵德等地震台均存在YZH2>0.2的高值异常且异常幅度较大。在四川、重庆及广西部分地震台站也出现了YZH2大于0的高值。新疆乌鲁木齐、云南丽江、西藏察隅、内蒙古乌加河等地震台YZH2>0.2，但上述地震台站均为单点异常。

表1 2020年10月15日中国大陆西部 各地震台YZH2统计表

利用中国大陆西部49个地震台站在2020年10月15日的YZH2值插值后获得了异常空间分布图(图2)。按照以往惯例，认为YZH2高于0.2的区域为高值异常区，则图中存在4个高值异常区。其中有一个大范围异常区，空间从青海中部一直延伸至广西北部，异常面积58万 km2。根据以往震例，推测其目标震级约为M6.6[32]。新疆中部、西藏东部与内蒙中部地区也存在3个小面积高值异常区，但因属单台异常或异常区面积太小，此处不再讨论。

玛多M7.4地震震中位于2020年10月15日大面积高值异常区西南边界位置，震中处YZH2为0.06。

3.2 时间特征

对部分相对高值台站绘制的2020年以来YZH1时序图可以看出，2020年1～8月，各台极化值较为平稳，未出现大幅同步波动。2020年9月中旬多台同步出现小幅度高值，至10月出现更大面积的同步高值现象，且幅度较大。此后YZH1时序曲线较之前出现大量小幅波动，与之前的平稳变化有明显差别，直至2021年5月初再次出现小幅增高现象。2021年5月22日发生了玛多M7.4地震。异常出现时间与发震时间差为219天。以往震例来看，异常出现时间与发震时间差一般为7～183天[32]。此次发震时间超出了以往最长发震时间36天。

图3 2020年1月～2021年5月部分 台站YZH1时序图

图4 2020年10月地磁Dst指数与Kp指数(3小时) 变化曲线

对异常出现时段的地磁指数调查结果表明(图4)，高值异常期间的Dst指数在±15以内，Kp指数小于2，表明该时段地磁场活动较弱。这与前人的研究结果[19]是一致的，即极化高值期间为外源场弱活动时段。

4 结论与讨论

研究结果表明，自2020年9月起，中国大陆西部地磁垂直强度极化出现多台同步小幅升高，至2020年10月15日出现了显著高值异常，甘肃、青海、四川、重庆、广西等多个地震台出现高值异常，插值高值区在空间上从青海中部一直延伸至广西北部，面积约580 000 km2。结合以往震例展开分析，认为在高值区边缘7～183天可能发生M6.6左右地震。异常出现后219天，2021年5月22日发生了玛多M7.4地震，震中位于该高值异常区的西南边界，基本符合震前预判的结果，但时间超出36天，且震级高于预期。本次异常分析及跟踪过程为我们进一步利用该方法开展震情跟踪工作积累了宝贵经验。

值得注意的是，从YZH1时序曲线来看，上述异常从2020年9月开始发展，直到2021年5月22日发震，似乎存在某种特征性过程，以往研究中没有发现类似特征。如果能够对这种特征性过程开展分析，并对其产生的机理进行讨论，将对震前电磁场辐射特征研究及地震预报工作产生积极的推动作用。

根据本次异常和以往研究的结果来看，极化高值异常区面积有可能较大，很难根据该异常判断具体的发震位置，给震情跟踪应用造成了一定的困难。要解决该问题需要尝试多种途径。此次玛多地震震中位于异常区边界线附近，事实上，以往研究结果也显示有多个震例位于异常区边缘[24]。但对这一现象尚未开展深入系统的研究。

本次玛多地震前震中附近不仅出现了极化高值异常，在震前3年至数月时间尺度内还出现了多项电磁异常，在电磁综合分析中利用异常叠加的方法，对震中位置进行了较为准确的预测。震中附近还伴随有地震空区等具有明确地点指示意义的异常。结合上述多种方法可以开展震中预测研究工作。