原平4.2 级地震前山西地磁台阵数据异常特征分析＊

张亮娥 陈常俊 宫静芝 郭 宇 范 磊 史舒婷

1) 山西省地震局太原地震监测中心站，山西太原 030025

2) 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025

0 引言

地磁场是地球最基本的物理场之一，早在一百多年前，人们就注意到地震前存在着大量地磁异常，开始建台站观测研究地磁场变化与地震活动的关系。我们知道，地震引起的异常信号幅度很小，需要先对观测资料进行干扰的剔除预处理[1-2]，再采用数学分析方法提取震磁异常信息。提取这些微弱的信号信息，通常采取相关法、差值法、加卸载响应比、地磁日变幅逐日比[3-6]等方法或利用夜间观测资料以减少空间、人为活动对变化磁场的影响；超低频（ULF，频段为0.005～10 Hz）电磁异常信号捕捉与分析是近年来国际研究的热点，可采用地磁信号谐波振幅比、极化、主波成分分析方法[7-8]；利用地磁观测数据反演等研究分析磁异常与孕震发震关联等方法。

通过研究，国内外学者已经发现在中强、大震前存在区域性地磁异常，但由于受观测点布局所限，许多异常出现是单点的，而这种单点震前变化易被人们质疑。中国大陆处于全球中纬度地区，外源场在地表面影响很大范围是均匀的，如果一个震中附近有多个地磁台站，一旦记录到不同程度的震前异常信号，无疑会大大增强地磁异常的可信度；台阵具有测点相对密集分布的特点，可以用于地磁场随空间变化的研究。“十五”之后我国陆续在甘肃天祝、四川西昌、重庆及云南建设了地磁台阵[9]。这些地磁台阵观测数据已取得了一定的研究成果：2013年3月3日普洱M5.5 地震，滇西北地磁台阵8 个测点前谐波振幅比出现高值异常[10]，地磁转换函数异常出现在震前1～2 个月[11]。

1 台阵观测资料

2014年9月，山西省地震局与中国地震局地球物理研究所合作在山西北部布设5 套GM4 磁通门磁力仪（采样间隔为1 s，观测周期从2 s 到数十分钟，仪器噪声≤0.1 nT），建设山西地磁台阵，测点间距40～70 km，传感器地埋深度2.5 m，观测该地区地磁场三分量（垂直分量Z、水平分量H、磁偏角θ）相对变化资料。

台阵前期勘选是采用G856 质子旋进磁力仪与GM4 磁通门磁力仪同步进行，完成勘选点背景噪声48 小时测试和10 m×10 m 范围内间隔1 m 自然磁场梯度测量，测试结果：各勘选点符合规范地磁场水平梯度≤5 nT，背景噪声≤0.1 nT 要求，符合地磁Ⅲ级固定观测网技术标准。勘选测点时，兼顾了区域断裂带构造特征原则，其中：代县测点选在代县中心地震台；繁峙测点位于恒山以南的忻定盆地边缘，盆地内主控断裂有恒山南麓断裂与五台山北麓断裂；山阴、应县、怀仁3 个测点依次位于恒山以北大同盆地边缘，大同盆地受盆地边界恒山北麓断裂与六棱山北缘断裂和口泉断裂控制位置，各测点位置见图1 所示。该区域内地质构造复杂，构造运动差异大，地震活动频繁。其中，忻定盆地曾发生7 级以上地震3 次；有地震史料记载以来，大同盆地发生5 级以上地震13 次，其中6.0～6½级地震3 次。

图1 山西地磁台阵分布图Fig.1 Distribution map of Shanxi geomagnetic array

台阵运行至今，各测点磁观测秒数据完整率平均达99.8%，5 个测点、15 个观测分量背景噪声水平与地磁台网平均背景噪声相当。5 个测点地埋传感器处日温差0.07～0.12℃之间，远低于地磁Ⅰ级定点地磁台站观测相对记录室日温差≤0.3℃要求[12]。

2016年4月7日，山西原平发生M4.2 地震（38.9°N，112.9°E），震源深度11 km。地震发生在台阵以南距离代县地磁测点仅20 km。表1 是山西地磁台阵各测点基本信息及与原平地震的震中距。我们对2015年8月以来至发震前，5 个测点与大同地磁观测点震前记录（12 个月）数据进行多种方法的分析计算，发现各测点震前观测数据Z分量的相关性、加卸载响应比、极化值都存在一定异常变化。

表1 山西地磁台阵各测点信息及与原平地震的震中距Table 1 Information of each measuring point of Shanxi geomagnetic array and epicenter distances from Yuanping earthquake

2 数据处理方法

山西原平M4.2 地震发震时间为2016年4月7日，选取资料时间段2015年10月—2016年9月，观测数据覆盖地震前后。

2.1 地磁Z 分量相关性

在一个不大的范围内（孔径≤200 km），磁静日垂直分量Z日变化基本是同步的，因此，采用相关系数R可反映两个台站磁日变化的同步性，如果一个台站处于“磁异常区”可能会造成磁日畸变，相关系数R变小。其次，磁静日垂直分量Z日变化幅度具有季节性，即夏季大，冬季小，每年11月—次年2月，地磁Z分量日变化幅度较小，相关系数R亦变小，震磁异常幅度不大情况下往往会被这种季节性的影响淹没。不同台站地下电性结构的差异性对磁扰时段反映也会有差异，计算相关系数R会减小，若排除冬季时段、地磁扰动影响（K指数≤5）时，计算相关系数R减小，则可判定为数据异常。

式中，R为相关系数，X、Y分别为两个台站垂直Z分量磁日观测均值，Xi、Yi分别为两个台站垂直Z分量某一时刻观测值。

以大同台（40.14°N，113.24°E）为参考站点，选取2015年10月—2016年9月台阵各测点磁日垂直Z分量与大同台磁日垂直Z分量数据进行相关分析。

2.2 加卸载响应比

磁暴可看作是太阳风对地球磁场加卸载响应过程[13]，测点磁暴时扰日场与该测点正常时期是不同的，由于地磁垂直分量较其他分量与地下介质的关系更密切，采用地球磁场垂直Z分量日变幅度最大值（A+）与其后第一个最小值（A-）之比为太阳风对地球磁场的加卸载响应比，即：

式中，P(Z)是磁垂直Z分量日变加卸载响应比，A+是磁日变最大值，A-是磁日变最小值。

异常指标：P(Z)≥P0（阈值），P0根据研究区域内历史震例获得。震例总结表明，一般情况下，加卸载响应比P(Z)＜2.5，大多数为1.5～2.0，加卸载响应比提取到地磁异常通常在震前10 个月以内，异常阈值P0=3.5[14]。

2.3 极化值法

极化值法是利用岩石圈ULF 电磁信号特征，即垂直分量Z比水平分量H幅值相对较大，从而把岩石圈ULF 电磁信号与源于空间电离层的ULF 电磁信号区分开来。经分析发现，空间电离层与磁层ULF 磁场极化值Yzh（垂直分量与水平分量的全矢量谱比值）一般小于1，而来自震源区震前磁场极化值Yzh≈1 或Yzh＜1，我们认为Yzh可能提取了与孕震产生破裂过程的电磁辐射信息参数，一些震例分析显示，Yzh值在震前有增高现象。异常有效时间为2 个月[7]。

地磁垂直Z分量与水平H分量的全矢量谱比值Yzh定义为（在一些文献中该参数称为极化值）：

式中，Z(ω)为地磁垂直分量谱值，H(ω)为地磁水平分量全矢量谱值，Hx(ω)为地磁水平分量NS 向谱值，Hy(ω)为地磁水平分量EW 向谱值。

选取了台阵各测点2015年10月—2016年9月预处理秒数据进行全矢量谱比值Yzh计算。

3 结果分析

3.1 地磁Z 分量相关性分析

数据分析发现除冬季时间（11月—次年2月）外，台阵各测点数据与大同台磁Z分量日变化相关系数R≥0.98，磁场扰动有时会使得计算相关系数波动有下降趋势。3月17日台阵各测点与大同台磁垂直Z分量日变化相关系数R逐步减小（代县：0.906；山阴：0.968；繁峙：0.911；应县：0.944；怀仁：0.933），而且代县、繁峙测点3月17日相关性较差。为排除外源场的影响，图2 中最下面子图给出与相关系数R同时段的每日最大K指数，K指数越小，磁场越平静，当日最大K指数为4，为非扰日，数据变化正常，于是排除因磁场外界扰动造成相关系数低的原因，20 天之后，2016年4月7日原平发生M4.2 地震。

图2 大同台为参考点各测点磁Z 分量数据相关性R 和K 指数曲线Fig.2 The correlation R and index K curves of the magnetic Z component data at each measurement point using Datong station as a reference point

根据总结震例，发现磁垂直Z分量日变化相关提取的异常越大，距离震中越近，不难发现本次地震距离代县台最近，异常也最明显，但繁峙测点并非是除代县外离震中最近测点，出现异常亦相对明显，这有可能与两个测点处于同一构造带有关联。

3.2 加卸载响应比分析

距离震中最近的代县台在震前6 个月的2015年10月10日，数据加卸载响应比达3.9，超出3.5 的异常阈值，而其他测点均低于阈值，2016年4月7日原平发生M4.2 地震，震中距离异常测点约20 km，异常指标与其后发震时间、地点基本吻合。另外，2015年12月23日各测点均超出临界阀值，数据变化较大，而在23日前后几天测点周边存在磁干扰，不作异常考虑。图3 为各测点2015年8月—2016年9月磁Z分量数据加卸载响应比曲线。

3.3 极化值法

震例总结表明，极化值方法提取的异常一般为震前2 个月[7，15]。图4 给出了各地磁测点极化值的时间序列。本文把3 倍均方差作为阈值，从图4 中可以看出，2016年1月中旬震前2 个多月时间，各测点均出现高于极化阈值的异常变化，1月底除繁峙测点外，其他测点均出现高于极化阈值的异常变化，而2016年3月初震前1 个月，只有距离震中最近代县台出现高于极化阈值的异常变化。

图4 各测点2015年10月—2016年9月极化值变化时间序列Fig.4 Time series of polarization value changes at each measuring point from October 2015 to September 2016

4 讨论

（1）原平M4.2 地震震级虽然不大，且发生在地磁台阵外围，通过不同数据处理方法，发现台阵各测点数据不同程度存在有震前的异常变化，距离震中越近测点，异常反应越明显。磁台阵数据出现异常比单个台站出现数据异常提高了识别可信度，所以，在潜在震源区及周边开展加密观测对地震预测研究有积极意义。

（2）极化值方法提取的异常范围有限，一般情况下，震级M和震中距Δ应满足0.025Δ≤M-4[15]；地磁垂直Z分量日变化相关提取M5.0 地震的异常范围最大半径约100 km[16]，所以，加密布设地磁台阵可以满足这种需求，在中强以上地震频发区、潜在震源区建设密集型地磁台阵是未来震磁预测预报研究的一种形式。

（3）相关性分析方法受地磁冬季时间（11月—次年2月）日变幅减小影响，称冬季无效期；地磁扰动造成相关系数R减小，勘选台阵测点场地磁扰动背景噪声应尽可能小，应≤1 nT，四周无大型厂矿；而7 级地震异常范围可达200 km[16]，故地磁台阵选建最大孔径半径200 km 为宜。

（4）加卸响应比是指地磁场垂直Z分量日变幅的变化，而垂直分量日变幅受季节影响，即冬季小，夏季高，所以加卸响应比“异常”是否受季节影响还需要进一步研究。

（5）地磁场垂直Z分量数据携带来自地下构造活动的信息。通过上述方法分析，相关系数R和加卸载响应比P(Z) 均与地磁场垂直Z分量有关，前者与采样日相关，而后者是在日变幅基础上再计算分析；极化值方法是地磁场垂直Z分量与H水平分量谱比值。无论哪种分析方法都会存在一定的局限性，因此，对磁数据出现“异常”的分析判定，应采取多测点、多分析方法并结合其他学科（电磁、形变、流体）综合分析判定，才会更接近真相，更具有说服力。