山西地磁加卸载响应比方法短临指标研究

刘素珍，秦志民，张亮娥

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省医科大学，山西 太原 030001；3.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；4.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

地震孕育的物理实质就是震源区内介质的变形、损伤并导致失稳的一个力学过程。根据这一思路，提出一个定量的表征地震孕育过程失稳的参数—加卸载响应比[1]。受力学上加卸载响应比应用的启发，曾小平等[2]将这一方法运用于地磁分析中，把扰日太阳风视为加卸载量，地磁垂直分量日变化幅度作为响应量，视地磁垂直分量日变化幅度极大值为加载响应，之后出现的第一个极小值为卸载响应，这样就定义为地磁加卸载响应比法P(Z)。通过研究发现，地磁加卸载响应比的高值异常有较好的预报效能。随后，国内一些学者[3-8]将地磁加卸载响应比法广泛应用于日常预报工作中，并取得较好效果。其中，冯志生[5]研究江苏地磁台网1983—1997年的加卸载响应比高值异常与台站附近Ms4.6以上地震之间的关系发现，对发生在陆地或陆地附近海域的地震，震中位置一般均在地磁加卸载响应比高值区附近；地震发生在异常出现后10个月左右以内，但大部分在4个月左右以内，此方法提取的异常更具有短临性质；同时还对预报效能进行评价，提出适用于江苏地磁台的短临指标体系。

山西省地震局各台站在进行地磁观测以来，积累了丰富的观测资料。在电磁学科日常分析预报中，有必要建立一套适用于山西的地磁加卸载响应比映震指标体系，进而为山西地区的震情趋势判定提供参考依据。

1 山西地磁台站概况

山西地磁台网建设经历3个阶段，分别为模拟、“九五”和“十五”时期。目前，山西地磁台站分布如图1所示,有5个定点地磁观测台站(大同、定襄、昔阳、太原、临汾)。2014年在山西北部地区新建一个地磁台阵，由5个测点组成(代县、繁峙、怀仁、山阴、应县)。台网有地磁绝对观测、相对观测手段，共有15套观测仪器，分别为磁通门地磁经纬仪、质子旋进式磁力仪、GM4型磁通门磁力仪、FHD-2型质子矢量磁力仪。

图1 山西省地磁台站分布图Fig.1 Distribution of geomagnetic station in Shanxi Province

2 原理与方法

地磁加卸载响应比法(LURR)是指以太阳风为加卸载，将磁暴过程作为地磁场对太阳风的加卸载响应，计算、分析和研究磁暴、场暴时扰日变化的响应比值。地震孕震区地下介质电导率的物理性质会有相应反应，因而会使中低纬度地区地面任一测点记录到磁暴时扰日场Ds与此测点正常时期不同，并与稳定地区测点的Ds有差别。在地震前，这种差别会在磁暴过程的加卸载响应比值上有所反应。由于地磁垂直分量Z与地下介质及其变化较其他地磁分量的关系更密切，便取地磁垂直分量Z作为计算Ds的加卸载响应参量。

P(Z)=Ds(Z)+/Ds(z)-

，

(1)

式中：+为加载；-为卸载；Ds(Z)为地磁垂直分量Z的地磁扰动场日变幅；在实际应用时，Ds(Z)+为地磁垂直分量日变化幅度极大值；Ds(Z)-为Ds(Z)+出现之后的第一个极小值。

地磁日变化强弱用日变化幅度来表示，即日变化极大值与极小值的差，地磁日变化幅度具有不规则的逐日变化。但是，每月、每季度和每年日变化的均值有明显的规律性，表现出以年为周期的季节变化和以11年为周期的太阳周变化。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，地壳介质电导率变化在地磁垂直分量中表现最为突出。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。因此，地磁垂直分量加卸载响应比法能较好地提取出与地震有关的异常。

3 山西地磁加卸载响应比异常判别与地震的对应关系

3.1 地磁加卸载响应比异常的预报规则和映震效能

综合分析模拟和数字化地磁资料，笔者判定加卸载响应比异常的判定指标为：异常判定阈值为P0(Z)，若两个或者两个以上相邻台站在5 d之内出现超阈值P0(Z)，可将上述变化视为准同步异常变化，列为一次异常。一次异常出现后，2个月内再次出现异常，认定为一组异常。评价地磁加卸载响应比异常的映震效能，主要用参数对应率来表述，即异常对应地震次数与全部异常次数之比。

3.2 地磁模拟观测资料加卸载响应比异常与中强地震关系分析

收集整理山西地磁台模拟观测资料1987-1998共12年的P(Z)值，前人将P(Z)≥3.8的异常值与台站周围700 km范围内发生中强地震的主震进行对比分析(见表1)。

3.3 地磁数字化资料加卸载响应比异常与中等地震关系分析

笔者从国家地磁台网中心网站和国际公布地磁指数网站查询2008至2016年的Kp和Dst地磁指数，去掉存在磁暴强磁扰时段内的加卸载响应比高值异常，此高值异常可能是由磁暴等引起，异常信度降低。经过筛选，选取山西地区阈值P0(Z)为3.0比较合理。

山西地磁台2008年以来地磁加卸载响应比计算结果如第25页图2所示，将高值异常与周围显著地震统计的结果表明，地磁加卸载响应比高值异常与山西及周围地震有一定的对应关系(见第24页表2)。

表1 山西地磁台模拟资料地磁加卸载响应比异常对应地震统计表Table 1 Anomalous loading-unloading response ratio anomalies of data of simulated Shanxi geomagnetic stations corresponding to seismic statistics

表2 山西地磁台数字化资料地磁加卸载响应比异常对应地震统计表Table 2 Anomalous loading-unloading response ratio anomalies of digital data of Shanxi geomagnetic stations corresponding to seismic statistics

3.4 计算结果及分析

由图2可见，山西地区地磁加卸载响应比P(Z)值一般在1～2之间波动，高值异常通常分布在震中及其附近区域内，对应地磁台400 km范围内发生的中等地震，对应1 000 km左右的强地震。详细分析如下:

2008年2月5日大同和太原2个台站的P(Z)值分别为3.0和3.6，均为高值，当天无强磁扰现象；2月12日太原、定襄和临汾台的P(Z)值都超过了阈值，但是当天有强磁暴，所以，2月12日的加卸载响应比高值异常信度降低。2月5日地磁加卸载响应比高值异常出现97 d后，发生汶川Ms8.0地震。

2008年12月6日，大同、定襄和太原3个台站的P(Z)值分别为2.9、2.7和3.2，当天的地磁场平静；2009年1月1日临汾台的P(Z)值为3.1，地磁场平静；两次异常相差25 d，认定为一组异常。首次异常出现112 d后发生2009年3月28日原平Ms4.3地震。

2010年10月1日、11月7日大同、定襄和太原3个台站的P(Z)值最大分别为3.5、3.6和3.2，均为高值，两天都无强磁扰。异常相差36 d，将10月1日和11月7日的异常认定为一组异常。首次异常出现114 d后发生2010年1月24日河津Ms4.8地震。

2010年3月27日，定襄、太原和临汾3个台站的P(Z)值分别为3.1、3.8和3.2，2010年5月4日大同、定襄、太原和临汾4个台站的P(Z)值分别为4.3、3.1、4.0和4.2，都超过了阈值。2010年3月27日和5月4日地磁场平静。首次异常出现8 d后发生2010年4月4日大同Ms4.5地震，69 d后发生6月5日阳曲Ms4.6地震。

2011年6月8日定襄台的P(Z)值为4.3，2011年8月2日临汾台的P(Z)值为4.1，这两日都无磁暴干扰，虽然只有单台异常，但因异常日在两月之内，临汾台距离2011年10月13日的河南范县Ms4.0地震只有40 km，所以，将2011年6月8日和8月2日的P(Z)值异常认定为一组异常。

2012年10月11日大同和定襄台的P(Z)值分别为3.8和3.3，2012年12月19日大同、定襄和太原台的P(Z)值分别为2.6、3.5和3.7，地磁场平静，将这两次异常认为是一组异常。异常出现190 d后发生2013年4月20日芦山Ms7.0地震。

2014年8月28日大同、定襄、太原、临汾和昔阳5个台站的P(Z)值分别为3.3、4.3、4.2、3.5和3.3，但是当天有强磁暴，所以，8月28日的加卸载响应比高值异常信度降低。2014年9月1日，只有临汾台的P(Z)值为高值，9 d后发生2014年9月6日河北涿鹿Ms4.3地震，由于震中距较远，且是单台加卸载响应比高值，故不作为地震前兆异常。

2015年12月27日定襄、太原和临汾3个台站的P(Z)值分别为4.0、3.5和3.7，2016年1月1日大同和昔阳的P(Z)值分别为3.9和3.4，1月1日山西地磁台阵的代县、繁峙、怀仁、山阴和应县5个子台都出现超阈值异常如第25页图3所示，其后相继发生2016年3月12日运城Ms4.4和2016年4月7日原平Ms4.2地震。但在2015年12月27日和2016年1月1日有磁扰现象，这两日加卸载响应比高值异常信度降低。

图2 山西定点地磁台加卸载响应比曲线Fig.2 The loading-unloading response ratio curve of the geomagnetic station in Shanxi Province

图3 山西地磁台阵加卸载响应比曲线Fig.3 The loading-unloading response ratio curve of the geomagnetic array in Shanxi Province

4 结论与讨论

(1) 通过分析计算山西地磁加卸载响应比，得出异常与其对应地震的概率为75%。说明加卸载响应比在山西地区可以作为一种有效的预测方法。经过多年样本数据分析，选出山西的异常判据阈值P0(Z)为3.0。同时给出异常判据，若两个或者两个以上相邻台站在5 d之内出现超阈值3.0，可将上述变化视为准同步异常变化，列为一次异常。一次异常出现后，若两个月内再次出现异常，认定为一组异常。

(2) 研究发现，在每一组地磁加卸载响应比高值异常中，必有大同地磁台高值异常出现。这可能与大同台所处的构造环境有关[9]，它处在六棱山北麓断裂、团堡断裂和大王村断裂交汇部位附近，台站周围发生多次大同-阳高中强震群，震区介质比较破碎敏感，对于区域应力变化反应灵敏[10-11]。

(3) 分析表明，地磁加卸载响应比异常一般为中短期异常，预测发震时间在7个月之内。山西地磁加卸载响应比高值异常通常分布在震中及其附近区域内，对应地磁台400 km范围内发生的中等地震，对于震级较大的汶川Ms8.0和芦山Ms7.0地震，其分布空间范围也较大，达到1 000 km左右。表明震前由于地球介质电导率发生变化引起地磁台站及其周围地区的地磁场变化，反映出震磁异常现象是存在的[12-14]。