黑龍江及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地磁“低點位移”異常分析

李繼業(yè) 任建輝 陳麗麗 胡濱生 陳長勇孟令蕾 杜天嬌 武曉軍 孫鵬宇

1)哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心，哈爾濱市世紀(jì)大道1號 150021

2)哈爾濱市通河地震臺，哈爾濱 150900

3)哈爾濱市延壽地震臺，哈爾濱 150700

4)安徽省滁州市地震局，安徽 239000

0 引言

地磁“低點位移”是丁鑒海于上世紀(jì)80年代地通過震磁理論的研究和地震預(yù)測實踐發(fā)現(xiàn)的一種用于地震活動短臨預(yù)測的地磁現(xiàn)象。丁鑒海等(1988、1991、1994、2003、2008)研究了中國地磁臺網(wǎng)幾十年觀測資料，發(fā)現(xiàn)了地磁垂直分量日變極小值出現(xiàn)時間的空間分布異常特征，即“低點位移”現(xiàn)象。他經(jīng)過大量震例總結(jié)后認(rèn)為，該異?，F(xiàn)象與6級以上強(qiáng)震發(fā)生似有較好相關(guān)性，發(fā)震日期為異常日后第27天或41天的前后4天，地點在低點位移突變分界線附近。黃雪香等(1991、1998、2000)對“低點位移”異常與地震對應(yīng)情況進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，通過對新疆天祝M6.2地震，北京沙河M4.0地震和大海坨山M4.5地震震前地磁“低點位移”異常研究發(fā)現(xiàn)，利用該方法不僅能對6級以上強(qiáng)震，還可以對重點監(jiān)視區(qū)一些中強(qiáng)地震活動做出有意義的短臨預(yù)測。張?zhí)K平等(2004、2008)利用甘肅及鄰近地區(qū)6個地磁臺站數(shù)據(jù)對青藏高原北部和甘肅地區(qū)5級以上中強(qiáng)地震進(jìn)行了震前地磁“低點位移”現(xiàn)象研究，并對該參量的空間分布進(jìn)行了分類。

隨著研究工作深入，地磁“低點位移”在地震預(yù)測中還面臨很多難題。由于以往研究區(qū)域較大，并且通常只有大地震發(fā)生時，才能引起較大范圍的地磁“低點位移”出現(xiàn)，因此對于中強(qiáng)地震可能需要在小范圍進(jìn)行深入研究。此外，地磁“低點位移”異常現(xiàn)象在我國不同地區(qū)有不同表現(xiàn)形式，反映不同地區(qū)、不同強(qiáng)度地震活動信息。例如異常所處地區(qū)不同，異?？臻g展布、形態(tài)也會不同，但若在同一地區(qū)出現(xiàn)不同形式的異常，又可能反映這一地區(qū)不同強(qiáng)度地震活動情況。因此，利用地磁觀測資料所提供地震活動信息，對地磁“低點位移”異常進(jìn)行分類，應(yīng)該有助于提高利用其對中強(qiáng)以上地震活動的判測能力。

1 臺站的分布及資料的選取

所用研究資料為國家地震前兆臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫2008～2011年東北3省以及內(nèi)蒙古、河北兩省及鄰區(qū)(35～50°N，115～135°E)15個臺站的地磁場總強(qiáng)度F的日變“低點時間”數(shù)據(jù)，因取值的空間范圍廣，可以滿足地磁“低點位移”技術(shù)的分析研究(圖1)。研究震例分別為2008年6月10日內(nèi)蒙古阿榮旗M5.2(簡稱阿榮旗地震)、7月7日黑龍江省龍江縣M4.6(簡稱龍江地震)、2009年8月5日吉林省撫松縣M4.6(簡稱撫松地震)和12月21日吉林省通榆縣M4.7地震(簡稱通榆地震)。

圖1 地磁臺站及震中分布圖

2 地磁“低點時間”提取和判別標(biāo)準(zhǔn)

以往對地磁“低點位移”現(xiàn)象研究多采用地磁垂直分量數(shù)據(jù)，由于研究區(qū)地磁記錄中地磁場總強(qiáng)度F的資料相對完整，且地磁場總強(qiáng)度F與地磁垂直分量Z存在以下關(guān)系

其中，I為地磁傾角。針對研究區(qū)地磁場要素特點，本文運(yùn)用地磁場總強(qiáng)度F的資料對研究區(qū)的地磁“低點位移”現(xiàn)象進(jìn)行研究，與運(yùn)用地磁垂直分量數(shù)據(jù)具有相同效果。

地磁日變化極小值出現(xiàn)的時間稱為“低點時間”?！暗忘c時間”對于某一區(qū)域來說相對集中且固定。將地磁場總強(qiáng)度分鐘值數(shù)據(jù)合并成整點值數(shù)據(jù)，然后用MAPSIS軟件繪制地磁場總強(qiáng)度整點值，找出每日變化的極小值。黑龍江及鄰近地區(qū)地磁場總強(qiáng)度F的“低點時間”一般在凌晨2～4時之間。地磁“低點位移”是指某一天在某個范圍內(nèi)，地磁日變極小值時間出現(xiàn)截然不同的2個(或2個以上)區(qū)域，其中每個區(qū)域內(nèi)極小值時間基本統(tǒng)一在某個時區(qū)里、各站點之間時差小于2h，兩大區(qū)域之間的時差大于2h以上，中間有一條明確的曲線把不同的時區(qū)分開(吳小平等，2004)。一般情況下，其中的某個區(qū)域地磁日變化極小值的時間呈“常規(guī)”分布，而另一區(qū)域則是違反其“常規(guī)”分布。相對于“常規(guī)”來說，這個異常有2種可能:一種是地磁日變極小值提前出現(xiàn)，稱之為極小值“超前”;另一種是日變極小值推遲出現(xiàn)，稱之為極小值“滯后”。把2種情況統(tǒng)稱為地磁“低點位移”異常，各大區(qū)域之間的分界線叫地磁低點位移異常分界線(黃雪香等，2000)。需要注意的是，不能用某一個臺站的單臺資料進(jìn)行異常的識別。因為即使在連續(xù)的靜日，低點時間也有可能有很大的差異，甚至可以相差幾小時。因此必須用分布在較大范圍內(nèi)的多臺資料進(jìn)行綜合分析，才能判斷某個地區(qū)、某個時段是否有地磁“低點位移”異常出現(xiàn)。

3 地磁“低點位移”的空間分布特征

張?zhí)K平等(2004、2008)根據(jù)不同地磁臺站在同一天出現(xiàn)的不同“低點時間”，將“低點時間”大致相同的臺站劃分到一個區(qū)域中，并根據(jù)地磁“低點位移”空間分布特征，將其分成4種類型:

(1)單臺型。震前某一個臺站地磁“低點時間”與其余臺相差2小時以上，出現(xiàn)這類異常的地震活動多發(fā)生于地磁“低點位移”形成偏離的單臺附近或與其它臺站的分界區(qū)域(圖2(a))。這種類型需要偏離單臺具有較好觀測質(zhì)量，確定時具有一定難度。

(2)2塊分界線型。震前地磁“低點時間”形成明顯分界線，把研究區(qū)分成2個區(qū)域，地震往往位于分界線附近(圖2(b))。此地磁“低點位移”類型在實際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用效果。

(3)3塊分界線型。震前地磁“低點位移”在空間分布上形成3個區(qū)域，出現(xiàn)這類異常，地震活動多發(fā)生于中間區(qū)域，但因范圍較大，判斷地點非常困難(圖2(c))，必須結(jié)合其他短臨前兆異常信息進(jìn)行綜合判斷。

(4)不確定型。震前地磁“低點位移”在空間分布上與上述3種能夠?qū)?yīng)，但震中位置與之不對應(yīng)。遇到這種情況，判斷發(fā)震地點十分困難，只能對發(fā)震地點進(jìn)行概率預(yù)測(圖2(d))。

4 震例分析

地磁“低點位移”方法主要應(yīng)用于一些M5.0以上地震活動的預(yù)測，但由于黑龍江及鄰近地區(qū)M5.0以上地震發(fā)生較少且提取資料有限，所以本文對2008～2011年黑龍江及鄰近地區(qū)4次M4.5以上地震進(jìn)行震例分析。

4.1 阿榮旗地震

圖2 地磁“低點位移”空間分布特征

2008年6月10日14時5分，在內(nèi)蒙古鄂倫春自治旗與阿榮旗交界(49.0°N，122.7°E)發(fā)生M5.2地震，震源深度16km。對地震前40天黑龍江及鄰近地區(qū)地磁“低點時間”進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，阿榮旗地震前共出現(xiàn)2次地磁“低點位移”現(xiàn)象，分別在5月9日和5月20日，與地震的相隔天數(shù)各為32天和21天。

2008年5月9日，黑龍江省4個臺站、吉林省三崗臺以及內(nèi)蒙古滿洲里臺和錫林浩特臺“低點時間”為6∶00，其余臺站“低點時間”為3∶00，將整個研究區(qū)域分為2塊，但震中位置并不在分界線附近，呈不確定型(圖3(a))。5月20日，黑龍江省4個臺站、吉林省2個臺站以及遼寧省鐵嶺臺當(dāng)日出現(xiàn)了3次“低點時間”分別是2∶00、7∶00和14∶00，其余臺站“低點時間”為3∶00，將整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，呈2塊分界線型(圖 3(b))。

4.2 龍江地震

2008年7月7日14時32分，在黑龍江省龍江縣(47.0°N，123.4°E)發(fā)生M4.6地震，震源深度14km。對地震前40天黑龍江及鄰近地區(qū)地磁“低點時間”進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，龍江地震前共發(fā)生了3次地磁“低點位移”現(xiàn)象，分別出現(xiàn)在6月16日、6月21日和6月27日，與發(fā)震的相隔天數(shù)分別為21天、16天和10天。

圖3 阿榮旗地震前地磁“低點位移”空間分布圖

2008年6月16日黑龍江省德都臺、望奎臺和通河臺“低點時間”為1∶00，其余臺站“低點時間”為4∶00，將整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，呈2塊分界線型(圖4(a))。6月21日黑龍江省4個臺站、吉林省2個臺站以及遼寧省鐵嶺臺“低點時間”為2∶00，其余臺站“低點時間”為4∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，呈2塊分界線型(圖4(b))。6月27日東北3省所有臺站“低點時間”均為2∶00，其余臺站“低點時間”為5∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，呈2塊分界線型(圖4(c))。

4.3 撫松地震

2009年8月5日20時8分，在吉林省白山市靖宇縣與撫松縣交界(42.3°N，127.2°E)處發(fā)生M4.6地震，震源深度9km。對地震前40天黑龍江及鄰近地區(qū)地磁“低點時間”進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，撫松地震前共發(fā)生了8次地磁“低點位移”現(xiàn)象，與發(fā)震的相隔時間為29～1天(表1)。

表1 撫松震例“低點位移”與地震對應(yīng)關(guān)系

圖4 龍江地震前地磁“低點位移”空間分布圖

2009年7月7日黑龍江省通河臺和吉林省通化臺“低點時間”為1∶00;其余臺站“低點時間”為3∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖5(a))。7月10日黑龍江省4個臺站“低點時間”為2∶00，其余臺站“低點時間”為5∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖5(b))。7月13日吉林省通化臺和遼寧省大連臺、朝陽臺“低點時間”為1∶00，其余臺站“低點時間”為4∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖5(c))。7月16日東北3省所有臺站“低點時間”均為1∶00，其余臺站“低點時間”為4∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，但震中位置離2塊分界線較遠(yuǎn)，為不確定型(圖5(d))。8月4日黑龍江省4個臺站和吉林省2個臺站“低點時間”為1∶00，其余臺站“低點時間”為3∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖5(e))。7月14日、18日和20日這3天，滿洲里臺“低點時間”為5∶00，其余臺站“低點時間”為2∶00，但震中位置離滿洲里臺相對較遠(yuǎn)，為不確定型(圖5(f))。

4.4 通榆地震

2009年12月21日5時31分，在吉林省通榆縣、長嶺縣、內(nèi)蒙古科爾沁左翼中旗交界(44.5°N，123.0°E)發(fā)生M4.7地震，震源深度8km。對地震前40天黑龍江及鄰近地區(qū)地磁“低點時間”進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，通榆地震前共發(fā)生了13次地磁“低點位移”現(xiàn)象，與地震的相隔時間從震前40～2天不等(表2)。

表2 通榆震例中“低點位移”與地震對應(yīng)關(guān)系

2009年11月11日黑龍江省4個臺站以及吉林省三崗臺和內(nèi)蒙古的滿洲里臺“低點時間”為4時;內(nèi)蒙古錫林浩特臺“低點時間”為12∶00，其余臺站“低點時間”為7∶00，把整個研究區(qū)域分為3塊，震中位置在3塊分界線附近，并未出現(xiàn)在中間區(qū)域，為不確定型(圖6(a))。11月18日東北3省10個臺站“低點時間”為3∶00;內(nèi)蒙古的錫林浩特臺“低點時間”為4∶00;其余臺站“低點時間”為9∶00，把整個研究區(qū)域分為3塊，“低點時間”在空間分布上屬于典型的3塊型，但震中位置并未出現(xiàn)在中間區(qū)域，為不確定型(圖6(b))。11月28日黑龍江省德都臺以及內(nèi)蒙古滿洲里臺、錫林浩特臺“低點時間”發(fā)生大尺度變化，為11∶00，其余臺站“低點時間”為2時，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖69(c))。12月1日黑龍江省4個臺站“低點時間”發(fā)生大尺度變化，為14∶00，其余臺站“低點時間”為3時，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖6(d))。12月14日黑龍江省4個臺站“低點時間”為9∶00，其余臺站“低點時間”為3∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖6(e))。12月16日黑龍江省4個臺站以及內(nèi)蒙古的滿洲里臺“低點時間”發(fā)生大尺度變化，為18∶00，其余臺站“低點時間”為3∶00，把整個研究區(qū)域分為2塊，震中位置在分界線附近，為2塊分界線型(圖6(f))。11月15、23日和12月4日內(nèi)蒙古滿洲里臺出現(xiàn)“低點位移”現(xiàn)象，其“低點時間”為 8∶00 ～10∶00，其余臺站“低點時間”為 2∶00 ～4∶00，但震中位置離滿洲里臺較遠(yuǎn)，為不確定型(圖6(g))。12月7、15、17和19日內(nèi)蒙古滿洲里臺出現(xiàn)了大尺度“低點位移”現(xiàn)象，其“低點時間”為 19∶00～21∶00，其余臺站“低點時間”為 2∶00 ～4∶00，但震中位置離滿洲里臺較遠(yuǎn)，為不確定型(圖6(h))。

圖5 撫松地震前地磁“低點位移”空間分布圖

圖6 通榆地震前地磁“低點位移”空間分布圖

另外，在通榆地震前，除上述區(qū)域性“低點位移”外，2009 年 11 月 8、9、10、14、21、24、26日和12月5、13日，研究區(qū)所有地磁臺站在當(dāng)天均出現(xiàn)了大尺度的“低點位移”現(xiàn)象，但“低點時間”分界線并不在這個大區(qū)域內(nèi)，這個現(xiàn)象可能與其它地區(qū)的地震活動或非震因素(如:太陽黑子、磁暴等)相關(guān)。

5 地磁“低點位移”預(yù)測地震機(jī)理分析

前人在關(guān)于地磁“低點位移”的成因和異常機(jī)理的研究方面已經(jīng)得到了大量的結(jié)果。丁鑒海等(2008)認(rèn)為造成地磁“低點位移”異常的周期成分包含1～3h周期;張學(xué)民等(2008)則發(fā)現(xiàn)地磁“低點位移”日8.5h和13.7h周期的頻譜值增加，且“低點位移”的發(fā)生與赤道附近空間電子密度Ne的增加有很好的對應(yīng)性;馮志生等(2009)依據(jù)Biot-Savart定律(Duma et al，2003)推測，在“低點位移”異常期間，在“低點位移”下方有一個引起地磁垂直分量日變化畸變的電流通過;陳化然等(2009)利用地磁內(nèi)外源場分離的方法，反演地震前地下和空間等效渦旋電流體系的演化圖像，分析認(rèn)為內(nèi)、外場等效渦旋電流體系的變化可能是地磁“低點位移”異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一。關(guān)于地磁“低點位移”與地震活動的關(guān)系，筆者較為認(rèn)同丁鑒海提出的“感應(yīng)-觸發(fā)”機(jī)制。即孕震區(qū)如果磁場強(qiáng)度發(fā)生劇烈突變，將導(dǎo)致附加應(yīng)力場或感應(yīng)電流增強(qiáng)，從而降低巖石強(qiáng)度，加速臨震蠕動階段的不穩(wěn)定狀態(tài)。地磁“低點位移”現(xiàn)象可以看作一種區(qū)域性的特殊磁擾，“低點位移”分界線附近附加應(yīng)力最強(qiáng)。當(dāng)“低點位移”分界線經(jīng)過震源區(qū)時，其對地震的發(fā)生會起到一定的調(diào)制和觸發(fā)作用。地磁“低點位移”現(xiàn)象與地震活動預(yù)測，一方面是通過感應(yīng)磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)震源區(qū)的短期變化，通過地磁“低點位移”分界線來劃分大區(qū)域應(yīng)力場或構(gòu)造塊體微動態(tài)活動;另一方面地磁“低點位移”現(xiàn)象又作為一種特殊的區(qū)域磁擾和突變外因，對由孕震到臨震階段的震源區(qū)起到調(diào)制和觸發(fā)的作用。

6 討論與結(jié)論

本文通過統(tǒng)計阿榮旗、龍江、撫松和通榆地震等震前發(fā)生地磁“低點位移”次數(shù)、異常與地震發(fā)生的時間間隔加以統(tǒng)計，并對每次地磁“低點位移”異常類型進(jìn)行分析，獲得了一些認(rèn)識，并嘗試性地給出如下結(jié)論:

(1)地磁“低點位移”現(xiàn)象是客觀存在的一種少見的地磁異?，F(xiàn)象。黑龍江及鄰區(qū)幾次中強(qiáng)地震前均有地磁“低點位移”異常出現(xiàn)說明了其與中強(qiáng)地震的發(fā)生應(yīng)有一定的相關(guān)性。地磁“低點位移”現(xiàn)象除與地震、地質(zhì)構(gòu)造活動有關(guān)外，還可能與季節(jié)、氣候和一些強(qiáng)大的地磁場活動有關(guān)，其自身應(yīng)有一定的規(guī)律性。

(2)黑龍江及鄰區(qū)“低點位移”出現(xiàn)時間為中強(qiáng)地震前1～40天，優(yōu)勢時間為震前14～33天(占研究震例的70%)，這與6級以上強(qiáng)震，“低點位移”出現(xiàn)在震前第27天或41天的前后4天的認(rèn)識存在差異。黑龍江及鄰區(qū)“低點位移”出現(xiàn)次數(shù)也存在差異，內(nèi)蒙古阿榮旗地震和黑龍江龍江地震前地磁“低點位移”發(fā)生次數(shù)較少，吉林撫松地震和吉林通榆地震前地磁“低點位移”發(fā)生的次數(shù)要明顯多于前2個震例，這可能與地磁臺站的分布有關(guān)。震例顯示，震中附近地磁臺站越密集，則震前地磁“低點位移”被“捕獲”的次數(shù)越多。

(3)黑龍江及鄰近地區(qū)發(fā)生地磁“低點位移”以2塊分界線型居多(占54%)且與震中位置對應(yīng)較好(占85%)。出現(xiàn)2塊分界線型，則震中位置大多數(shù)(占70%)出現(xiàn)在未發(fā)生“低點位移”的分界線一側(cè)，其在中強(qiáng)震活動預(yù)測中更具參考意義。發(fā)生單臺型地磁“低點位移”次數(shù)雖多，但全部出現(xiàn)在同一臺站(滿洲里臺)且與震中位置距離較遠(yuǎn)，對本地區(qū)中強(qiáng)地震活動預(yù)測的幫助不大;3塊分界線型與不確定型發(fā)生次數(shù)較少，對本地區(qū)中強(qiáng)地震預(yù)測的作用，需要進(jìn)一步的震例分析總結(jié)。

(4)該方法需要進(jìn)一步研究區(qū)域地磁“低點位移”的基本特征并不斷充實震例，才能更好地應(yīng)用于區(qū)域地震活動的預(yù)測研究中。