廣西地區(qū)地磁異常與地震關(guān)系的研究*

閻春恒，孫學(xué)軍，齊貴華，韋仕根，黃惠寧，向 巍

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西南寧530022;2.廣西壯族自治區(qū)地震局邕寧地震臺，廣西南寧530200;3.廣西壯族自治區(qū)地震局河池地震臺，廣西河池547000)

0 引言

地震的發(fā)生不僅與震源區(qū)的孕震過程有關(guān)，而且與地體環(huán)境及日地空間環(huán)境因素密切相關(guān)，而變化磁場是把兩者聯(lián)系起來的天然媒介 (丁鑒海，1988)。地球變化磁場Z分量日變化幅度，包含了地球變化磁場的外場及地球內(nèi)部電性介質(zhì)感應(yīng)生成的變化內(nèi)場的信息，因此其可以反映地球內(nèi)部介質(zhì)電性性質(zhì)的變化 (馮志生等，2001)。震例研究表明，地磁場Z分量與地下介質(zhì)的關(guān)系最密切，特別是在中低緯度地區(qū)，地震的磁異常主要表現(xiàn)為地磁 Z分量異常 (馮志生等，2000，2006)?；诖耍覈鴮W(xué)者積極探討有關(guān)地磁日變方面的變化與地震的關(guān)系，如Z分量日變的低點位移與地震的關(guān)系 (丁鑒海，1988)，Z分量靜日變幅月均值與地震的關(guān)系 (姚法章，任麗君，1988)，地磁垂直分量日變幅逐日比及其與地震的關(guān)系 (馮志生等，2001)。諸多研究表明，中強(qiáng)地震前存在可靠的地磁短臨前兆 (劉心恒，周隕生，1995;魯躍等，1999;李樹華，陳燕，2003;李樹華，趙小艷，2011;丁鑒海等，2004;韓鵬等，2009;王武星等，2009;袁潔浩等，2014)。利用變化磁場特別是Z分量日變幅異常場預(yù)報地震，已成為我國日常地震短臨監(jiān)視預(yù)報有效的方法之一 (丁鑒海等，2006)。

廣西邕寧和河池地震臺已連續(xù)觀測近30年，期間廣西及鄰區(qū)發(fā)生了多次中強(qiáng)地震，為本研究積累了寶貴的基礎(chǔ)資料。本文基于廣西邕寧、河池地震臺和海南瓊中地震臺連續(xù)的地磁相對觀測資料，采用空間相關(guān)法分析3個臺站周邊中強(qiáng)地震前地磁Z分量日變化幅度變化特征，提取可能存在的異常指標(biāo)，為該地區(qū)中強(qiáng)地震的中短期趨勢預(yù)測和研究提供參考。

1 臺站概況及資料選取

廣西邕寧地震臺建于1972年5月，地處北西向百色—合浦?jǐn)嗔褞Ц浇?，出露巖石為白云質(zhì)灰?guī)r，屬國家基準(zhǔn)臺。廣西河池地震臺于1986年10月開始正式記錄，位于山字型宜山—柳城斷裂帶附近，出露地層為石灰系薄狀灰?guī)r，屬區(qū)域臺。海南瓊中地震臺建于1976年11月，位于五指山隆起巖體的北東距五指山20多千米處，基巖巖性為中生代第二期酸性弱磁性花崗巖，屬國家基準(zhǔn)臺。3個臺站均為有人值守臺，不同時段相對觀測使用的儀器基本相同 (表1)，每年開展地磁梯度測量，觀測環(huán)境和數(shù)據(jù)質(zhì)量均符合要求。瓊中臺 (QZ)距離邕寧臺 (YN)約440 km，距離河池臺 (HC)約660 km(圖1)，3個臺站所處地理位置相近，觀測資料具有較好的同步性，選用這3個臺站的變化記錄對地磁Z分量日變幅數(shù)據(jù)開展分析，能夠提取局部地磁異常場的信息。選取邕寧臺和瓊中臺資料研究時段為1984-01-01～2013-12-31，河池臺資料研究時段為1993-01-01～2013-12-31。除2005-06～2007-09海南瓊中臺因數(shù)字化改造出現(xiàn)部分時段缺數(shù)，其余時段3個臺站的資料連續(xù)率好，可靠性高 (圖2)。

自1984年有地磁觀測資料以來，挑選這3個臺站周邊一定范圍內(nèi)的地震作為研究震例，挑選原則是M4.4～4.9、M5.0～5.9、M6.0～6.9地震到臺站的距離分別不超過 200 km、300 km、500 km，獲得7次震例共10個M≥4.4地震，其中1個為雙震，2個為M≥5強(qiáng)余震 (圖1、表2)，震中位于廣西及北部灣海域。

圖1 研究區(qū)斷裂、地震和臺站分布圖Fig.1 Distribution map of faults，earthquakes and stations in the study region

圖2 地磁Z分量日變化幅度曲線Fig.2 Daily variation amplitude curve of geomagnetic Z component

表1 河池、邕寧和瓊中臺不同時期相對觀測設(shè)備信息表Tab.1 Relative observation equipment information of Hechi，Yongning and Qiongzhong stations in different period

表2 1984～2013年廣西及北部灣海域中強(qiáng)震例Tab.2 The selected moderate and strong earthquakes in Guangxi and Beibu Gulf from 1984 to 2013

2 空間相關(guān)法

地磁正常背景場的分布與變化具有空間上的相關(guān)性和時間上的延拓性。單臺地磁日變幅逐日變化很復(fù)雜，即使變化很大也不能算作地震前的異常，必須消除地磁正常背景場的變化，突出與地震相關(guān)的磁異常 (丁鑒海等，2004)。采用空間相關(guān)法分析異常體內(nèi)外同時觀測到的地磁場Z分量資料，可得到異常體的地震磁異常信息 (馮志生等，2005;蔣延林等，2005)。該方法的優(yōu)點是即使兩個臺站距離較大或長期變化不太一致，也能較好地消除正常背景場和長期變化的影響，進(jìn)而反映出微弱的震磁信息。

設(shè)A、B兩個臺站地磁垂直分量日變化幅度為ZA、ZB，且成線性相關(guān) (馮志生等，2000)，即

3 結(jié)果分析

采用磁電異常分析軟件，選取窗長N為21 d(馮志生等，2000)，計算了邕寧臺和河池臺Z分量日變化幅度相對海南瓊中臺Z分量日變化幅度的空間相關(guān)系數(shù) (圖3)。統(tǒng)計每次中強(qiáng)震例前后空間相關(guān)系數(shù)是否存在顯著異常、異常持續(xù)時間及其變化與地震活動的相關(guān)性，所選取的7次震例前地磁空間相關(guān)曲線異常特征及其映震信息見表3，表中Δ表示震中距，To為發(fā)震時間，Tb為異常開始時間，Te為異常結(jié)束時間，(Te-Tb)為異常持續(xù)時間，(To-Tb)為出現(xiàn)異常至發(fā)震的時間間隔，Rm為空間相關(guān)異常的最小值，Ro為發(fā)震時刻的空間相關(guān)系數(shù)。最后分析地震異常與中強(qiáng)地震的關(guān)系，并對空間相關(guān)法預(yù)報效能進(jìn)行評估。

3.1 中強(qiáng)地震前地磁空間相關(guān)曲線變化特征

(1)1988年11月10日北部灣5.0級地震前約1個月邕寧臺空間相關(guān)曲線迅速下降至0.87，此后緩慢恢復(fù)，低值異常持續(xù)近2個月，在異?；厣^程中發(fā)生5.0級地震，發(fā)震時刻相關(guān)系數(shù)為0.93，震后近半年內(nèi)曲線出現(xiàn)較大幅度的波動。

(2)1993年2月10日大化4.5級地震前兩個多月，邕寧臺空間相關(guān)曲線出現(xiàn)持續(xù)近1個月的低值異常，異常最低幅值為0.9，異常結(jié)束后45 d，在大化水庫庫區(qū)發(fā)生4.5級地震，震后空間相關(guān)曲線出現(xiàn)小幅波動并很快恢復(fù)正常。此次地震發(fā)生時河池臺只積累了2個多月的觀測資料，從震前該臺的空間相關(guān)曲線來看，與邕寧臺存在同步性很好的低值異常變化過程。

(3)1994年12月31日和1995年1月10日，北部灣先后發(fā)生了6.1、6.2級地震，并分別在3月23日和5月7日發(fā)生5.1級和5.2級強(qiáng)余震。4次地震前，河池臺和邕寧臺空間相關(guān)系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的異常變化。6.1級地震前26 d，河池臺和邕寧臺同步出現(xiàn)低值異常，持續(xù)時間為1個月，最低異常值分別為0.83和0.89，在低值異常轉(zhuǎn)折回升過程中，發(fā)生了北部灣6.1、6.2級雙震。震后較長時間內(nèi)空間相關(guān)曲線出現(xiàn)波動，3月7日至5月17日出現(xiàn)了兩次同步性較好、幅值低于0.9的異常變化過程，在低值異常轉(zhuǎn)折回升過程中，分別發(fā)生了5.1和5.2級強(qiáng)余震。

(4)1998年3月4日起，河池臺和邕寧臺空間相關(guān)曲線同步出現(xiàn)快速的大幅下降，最低值分別降至0.8和0.76，此后緩慢恢復(fù)，4月25日回歸正常狀態(tài)，整個過程持續(xù)近兩個月。在曲線恢復(fù)過程中，發(fā)生環(huán)江4.9級地震。

(5)2005年10月27日平果4.4級地震前6 d，河池和邕寧臺空間相關(guān)曲線出現(xiàn)趨勢下降，降至0.96時，發(fā)生了4.4級地震，震后空間相關(guān)曲線仍持續(xù)近1個多月的下降，分別降至最低值0.77、0.88。2個月后，空間相關(guān)曲線逐漸恢復(fù)正常。

(6)2010年9月18日龍灘庫區(qū)4.4級地震前5個月，河池臺空間相關(guān)曲線出現(xiàn)明顯低值異常，持續(xù)時間近2個月，出現(xiàn)0.89、0.88兩次低值異常過程;邕寧臺空間相關(guān)系數(shù)也出現(xiàn)了相同形態(tài)的下降過程，兩次下降過程的最低值分別為0.92和0.94，異常幅度較河池臺的略小。異常結(jié)束后100 d，龍灘庫區(qū)發(fā)生4.4級地震。

(7)2012年10月10日起，河池臺和邕寧臺同步出現(xiàn)空間相關(guān)系數(shù)低值異常，異常持續(xù)時間近3個月，初期波動性緩慢下降，至12月上旬分別達(dá)到最低值0.86和0.87，此后緩慢回升至背景值。異常結(jié)束后45 d，平果地區(qū)發(fā)生4.5級地震。

3.2 地磁空間相關(guān)異常與中強(qiáng)地震關(guān)系分析

表3統(tǒng)計信息顯示，研究震例震中距Δ介于50～505 km。當(dāng)Δ＜270 km時，空間相關(guān)異常最小值在 0.76～0.90之間，平均為 0.84。當(dāng)Δ＞270 km時，空間相關(guān)異常最小值在0.83～0.92之間，平均0.88。即異常幅度與震中距呈負(fù)相關(guān)性，當(dāng)震中距相對較小時，觀測到的異常幅度相對較大。

表3 邕寧和河池臺空間相關(guān)系數(shù)異常信息統(tǒng)計Tab.3 Abnormal information statistics of spatial correlation index of Yongning and Hechi stations

圖3 邕寧臺 (黑色線)、河池臺 (紅色線)相對瓊中臺的地磁Z分量日變化幅度空間相關(guān)曲線Fig.3 Spatail correlation curve of daily variation amplitude of geomagnetic Z components of Yongning Station(black line)，Hechi Station(red line)relative to that of Qiongzhong Station

M≤5地震的空間相關(guān)系數(shù)低值異常持續(xù)時間為24～88 d，平均2個月;空間相關(guān)異常最小值為0.76～0.92，平均為0.85。M＞5地震空間相關(guān)系數(shù)低值異常持續(xù)時間為23～48 d，平均37 d;空間相關(guān)異常最小值為0.83～0.90，平均0.87。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，M≤5地震均位于陸區(qū) (其中大化4.5級和龍灘4.4級地震位于水庫地區(qū))，而M＞5地震均位于北部灣海域。以上統(tǒng)計結(jié)果可能反映，不同震例前地磁空間相關(guān)曲線變化特征，不僅與震級及震中距有關(guān)，可能還與地震孕育環(huán)境有關(guān)。

綜上所述，廣西及北部灣海域發(fā)生顯著地震前，廣西河池臺和邕寧臺地磁Z分量日變幅空間相關(guān)曲線均出現(xiàn)了不同程度的低值異常變化，異常持續(xù)時間通常為1～3個月，異常最低幅值為0.76～0.92，發(fā)震時刻的空間相關(guān)系數(shù)在0.91～0.98之間。7次震例對應(yīng)的空間相關(guān)曲線異常形態(tài)存在差異，1次在異常下降過程中、3次在異?；謴?fù)過程中及3次在異常結(jié)束后3個月內(nèi)發(fā)震，即廣西及北部灣海域中強(qiáng)地震通常發(fā)生在邕寧臺和河池臺的空間相關(guān)曲線同步出現(xiàn)低值異常持續(xù)過程中或異常結(jié)束后3個月內(nèi)，且低值異常持續(xù)時間超過1個月、異常最小幅值≤0.9。該定量指標(biāo)可供研究區(qū)震情跟蹤參考。

3.3 地磁空間相關(guān)法在廣西及鄰區(qū)的預(yù)報效能評估

為了衡量地震預(yù)測水平和檢驗地震短期預(yù)報效能，目前多使用R評分的辦法 (許紹燮，1989):

式中，R值為扣除了隨機(jī)概率的預(yù)報成功率。R值越大，預(yù)報效果越好。1993～2013年3個臺站均有資料記錄，研究區(qū)內(nèi)應(yīng)預(yù)報震例6次，報對6次;預(yù)報研究的總時間為19.5年 (扣除2006-07-01～2007-12-31臺站數(shù)字化改造時段)，期間邕寧臺和河池臺出現(xiàn)了14次空間相關(guān)系數(shù)小于0.9、持續(xù)時間1～3個月的同步異常，考慮異常跟蹤過程的持續(xù)性，按平均每次異常持續(xù)過程為4個月進(jìn)行統(tǒng)計，則空間相關(guān)法對廣西地區(qū)M≥4.4地震的預(yù)報效能檢驗R值為0.76，表明該方法對廣西地區(qū)中強(qiáng)地震具有較好的映震效果。

4 討論與結(jié)論

本文采用空間相關(guān)法計算了1987～2013年廣西邕寧臺和河池臺的地磁Z分量日變化幅度相對海南瓊中臺的空間相關(guān)系數(shù)，分析了空間相關(guān)曲線異常變化特征與廣西及北部灣海域中強(qiáng)地震的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對地磁空間相關(guān)法在廣西及鄰區(qū)的預(yù)報效能開展了評估。研究結(jié)果表明:

(1)廣西邕寧臺、河池臺和海南瓊中臺的地質(zhì)構(gòu)造條件和地理位置相近，這3個臺站進(jìn)行空間相關(guān)結(jié)果，能夠靈敏地反映局部地區(qū)地磁場的微弱變化，發(fā)現(xiàn)潛在的震磁信息。統(tǒng)計結(jié)果顯示，廣西及北部灣海域發(fā)生顯著地震前，廣西邕寧臺和河池臺地磁Z分量日變幅空間相關(guān)曲線均出現(xiàn)了不同程度的低值異常，異常變化特征與震級、震中距、孕震環(huán)境等因素相關(guān)。鑒于本研究區(qū)分震級和震中距的地震樣本量偏少，此方面更深入的分析研究有待進(jìn)一步開展。

(2)本文獲取的量化指標(biāo)對廣西及北部灣海域中強(qiáng)地震的預(yù)報效能評分為0.76，具有較好的映震效果。需要指出的是，有7次同步的低值異常出現(xiàn)后研究區(qū)未發(fā)生中強(qiáng)地震。通常孕震區(qū)的分布范圍、地球物理場異常持續(xù)時間與未來主震震級相關(guān)。因此，這些未對應(yīng)廣西及北部灣海域中強(qiáng)地震活動的顯著低值異常，可能反映了震中位于研究區(qū)外的強(qiáng)震的磁異常信息。

(3)本文對研究區(qū)內(nèi)地磁Z分量日變幅空間相關(guān)曲線異常特征與地震活動之間可能存在的內(nèi)在關(guān)系開展初步研究，并對獲取的量化指標(biāo)開展了預(yù)報效能分析評估，然而利用日變化異常預(yù)測地震的機(jī)理仍是一個復(fù)雜的科學(xué)問題，需要長期不懈的探索和科學(xué)資料的積累。

江蘇省地震局馮志生研究員為本研究提供了空間互相關(guān)計算程序及相關(guān)指導(dǎo)，海南省地震局葉向頂高級工程師提供了海南瓊中臺地磁觀測資料，審稿專家提出了中肯的修改意見和建議，在此表示衷心感謝!

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