松原M 4.9地震地磁異常特征研究

張 麗，張志宏, 李夢瑩，黃明威

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0　引言

目前對震磁關(guān)系的解釋主要有“壓磁效應(yīng)”、“感應(yīng)磁效應(yīng)”和“膨脹磁效應(yīng)”三種理論。最早對孕震過程引起的地磁異常變化的解釋是壓磁效應(yīng)。國際上對壓磁效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)早有廣泛研究。由于受到壓力后巖石磁性變化的物理機(jī)理是清楚的，因此，人們期待著測出它所產(chǎn)生的磁場變化，用于地震預(yù)測。

地震是地球介質(zhì)中的突發(fā)性剪切破壞（失穩(wěn)），地震的孕育過程則是震源區(qū)的損傷過程。在損傷力學(xué)中用損傷變量D來刻畫介質(zhì)的損傷程度，當(dāng)D達(dá)到其閾值時(shí)，發(fā)生災(zāi)變性破壞（地震）。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：巖石進(jìn)入損傷階段后，試件的加載變形模量小于卸載變形模量，二者的比值反映了材料的損傷程度.因此，加卸載響應(yīng)比能夠刻畫震源區(qū)介質(zhì)的損傷程度，從而可用于預(yù)測地震。地磁極值比的理論基礎(chǔ)是加卸載響應(yīng)比理論[1]，地磁日變化的強(qiáng)弱用日變化幅度來表達(dá)，即日變化極大值與極小值比。地磁極值比異常提取等方法此前在遼寧地區(qū)已有一定的研究，如張穎等[2]曾通過應(yīng)用地磁極值比方法對遼寧及鄰區(qū)地磁觀測資料進(jìn)行分析， 選取了P(Z)為2.8的地磁極值比異常閾值，以此來研究遼寧及鄰區(qū)加卸載響應(yīng)比，結(jié)果表明加卸載響應(yīng)比是較好反應(yīng)地下介質(zhì)導(dǎo)電性的響應(yīng)比P(Z)作為響應(yīng)函數(shù)，以其時(shí)間變化和空間分布作為背景，對研究震前異常有較好的效果。郭曉燕等[3]曾利用相同方法對遼寧地區(qū)地磁資料進(jìn)行分析，分析得出當(dāng)遼寧地區(qū)P(Z)閾值選取為2.9時(shí)，加卸載響應(yīng)比對遼寧地區(qū)ML4.0以上地震有較好的對應(yīng)關(guān)系。雖然前人對遼寧地區(qū)地磁極值比閾值相關(guān)方法的研究已取得了一定的成果，對于震級(jí)的判定有較好的指數(shù)意義，但對與發(fā)震地點(diǎn)的判定卻存在較大的困難。

地磁低點(diǎn)位移是指地磁垂直分量日變極小值一般出現(xiàn)在地方太陽時(shí)12時(shí)前后，當(dāng)?shù)卮艌鍪艿酵鈦硪蛩氐挠绊憰r(shí)，日變極小值將會(huì)偏離這個(gè)時(shí)間，這種偏離現(xiàn)象叫地磁日變極小值位移，即“地磁低點(diǎn)位移”。丁鑒海[4]等研究地磁低點(diǎn)位移現(xiàn)象認(rèn)為一個(gè)大區(qū)域的地磁臺(tái)站低點(diǎn)時(shí)間明顯的與另一個(gè)大區(qū)域的臺(tái)站不同，突變分界線的異常大于兩小時(shí)，這種少見的異?，F(xiàn)象與強(qiáng)震發(fā)生有較好的相關(guān)性，其發(fā)震日期為異常日后的第27天或41天前后4天，強(qiáng)震發(fā)震地區(qū)在低點(diǎn)位移分界線附近。通過前人對地磁地點(diǎn)位移的相關(guān)研究成果表明，地磁低點(diǎn)對于發(fā)震時(shí)間和發(fā)震地點(diǎn)的判定具有較好的指示意義。

2017年7月23日松原發(fā)生M4.9地震，此次地震距2013年11月23日吉林松原M5.8震群約90km，距離扶余—肇東斷裂4km。本文通過運(yùn)用地磁極值比和地磁低點(diǎn)位移研究方法，對2017年發(fā)生的松原M4.9地震前東北及鄰區(qū)地磁觀測臺(tái)站數(shù)字化觀測資料進(jìn)行綜合分析研究，以此來綜合分析松原M4.9地震前東北吉林區(qū)地磁異常變化，探究地磁多方法綜合運(yùn)用在地震三要素預(yù)報(bào)方面的研究意義。

1　原理與計(jì)算方法

1.1　地磁極值比原理與計(jì)算方法

太陽以紫外線輻射和粒子流輻射兩種形式影響地球磁場，形成變化磁場，其中最主要的地磁場變化是太陽靜日變化Sq和磁暴場D的變化。由于地磁垂直分量Z與地下介質(zhì)及其變化較其它地磁分量的關(guān)系更為密切，我們?nèi)分量作為計(jì)算Ds(z)的加卸載響應(yīng)比又叫做地磁極值比：

其中，DS(z)為Z分量地磁擾動(dòng)場的日變幅，下角標(biāo)“+”表示加載，“-”表示卸載。

1.2　地磁低點(diǎn)位移原理與計(jì)算方法

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

其中I為磁偏角。地磁日變化極小值出現(xiàn)的時(shí)間稱為“低點(diǎn)時(shí)間”，東北地區(qū)地磁場低點(diǎn)時(shí)間一般在凌晨2—4時(shí)之間。地磁“低點(diǎn)位移分界線”是指某一天在某個(gè)范圍內(nèi)，地磁日變極小值時(shí)間出現(xiàn)截然不同的2個(gè)（或2個(gè)以上）區(qū)域，其中每個(gè)區(qū)域內(nèi)的極小值時(shí)間基本統(tǒng)一在某個(gè)時(shí)區(qū)內(nèi)、各計(jì)算臺(tái)站之間時(shí)間差小于2小時(shí)，兩大區(qū)域之間的時(shí)差如果大于2小時(shí)以上構(gòu)成的明顯分界線叫做地磁低點(diǎn)位移分界線。

2　地磁“低點(diǎn)時(shí)間”提取和判別標(biāo)準(zhǔn)

通過計(jì)算2017年6月東北地區(qū)10個(gè)分鐘值采樣率地磁臺(tái)站地磁低點(diǎn)位移，結(jié)果顯示2017年6月18日東北地區(qū)出現(xiàn)了以鐵嶺臺(tái)與三崗臺(tái)為明顯分界線的地磁低點(diǎn)位移異常(圖1)，利用地磁低點(diǎn)位移異常預(yù)測一次未來地震，發(fā)震的第一優(yōu)勢時(shí)間為7月11日—19日，第二優(yōu)勢時(shí)間為7月25日—8月2日，震中可能位于地磁低點(diǎn)位移分界線兩側(cè)300km范圍內(nèi)。

圖1　2017年6月18日東北地區(qū)地磁低點(diǎn)位移異常分布圖Fig.1　 Abnormity distribution of geomagnetic low-point displacement in Northeast China on June 18th, 2017

3　東北地區(qū)地磁極值比異常提取

通過計(jì)算2017年4—7月內(nèi)東北地區(qū)10個(gè)分鐘值采樣率地磁臺(tái)站Z分量日變幅極值比，結(jié)果顯示2017年4月27日三崗、德都、哈爾濱、滿洲里、錫林浩特地磁極值比明顯高于東北地區(qū)地磁極值比閾值（圖2）。

圖2　東北地區(qū)地磁極值比等值線分布圖Fig.2　 The contour map of the geomagnetic extreme value ratio in Northeast China

4　地磁低點(diǎn)位移法與地磁極值比法綜合分析

基于預(yù)測時(shí)間與預(yù)測區(qū)域有交集的思路，地磁低點(diǎn)位移與地磁極值比兩個(gè)方法的綜合預(yù)報(bào)結(jié)果表明：

（1）6月18日東北地區(qū)地磁低點(diǎn)位移異常表明7月11日—8月2日這一時(shí)間區(qū)間內(nèi)東北遼吉交界地區(qū)存在中強(qiáng)地震的可能，4月27日地磁極值比高值異常表明東北地區(qū)未來6個(gè)月內(nèi)閾值線附近存在中強(qiáng)地震的可能，兩種預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)時(shí)間的交集為7月至8月?；厮?月23日松原M4.9地震來看發(fā)震時(shí)間在兩種預(yù)報(bào)方法的交集時(shí)間內(nèi)。地磁低點(diǎn)位移預(yù)報(bào)時(shí)間更加接近發(fā)震時(shí)間。

（2）兩種地磁異常提取方法的預(yù)報(bào)區(qū)域交集（圖3）表明黑吉交界地區(qū)存在中強(qiáng)地震可能，回溯松原M4.9地震震中來看震中在交集區(qū)域內(nèi)。

（3）極值比計(jì)算結(jié)果（表1）表明松原M4.9地震距離最近的臺(tái)站為三崗臺(tái)（震中距=159km），極值比最大的臺(tái)站為滿洲里臺(tái)（P(Z)=5.6）。

圖3　東北地區(qū)地磁極值比與地磁低點(diǎn)位移及震中分布圖Fig.3　 The geomagnetic extreme value ratio and the lowpoint displacement in Northeast China and the epicenter map

表1　東北地區(qū)地磁臺(tái)站加卸載響應(yīng)比比值

5　結(jié)論與討論

通過對松原M4.9地震前地磁異常特征分析，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）震前地磁極值比多臺(tái)會(huì)出現(xiàn)超閾值的異常;

（2）震前地磁低點(diǎn)位移有異常存在;

（3）震前地磁極值比與地磁低點(diǎn)位移兩種異常分析手段同一區(qū)域出現(xiàn)后存在中強(qiáng)地震發(fā)生的可能性，地磁低點(diǎn)位移時(shí)間更加接近發(fā)震的時(shí)間;

（4）兩種預(yù)測方法綜合預(yù)測震中的效果較差，預(yù)測面積過大。由于利用多種方法綜合預(yù)報(bào)在東北地區(qū)震例較少，有待進(jìn)一步探討和研究。

參考文獻(xiàn):

[1]尹祥礎(chǔ)，等.2008.加卸載響應(yīng)比20年及其展望[J]．國際地震動(dòng)態(tài)，2008，352（4）：1-17.

[2]張穎，查楠，侯萬凱. 數(shù)字化地磁加卸載響應(yīng)比異常特征與地震關(guān)系的研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2010，04：1-5.

[3]郭曉燕，賈麗華，賈曉東，等.遼寧地區(qū)地磁加卸載響應(yīng)比方法應(yīng)用研究[J].地震地磁觀測與研究，2010，06：28-31.

[4] 丁鑒海，車時(shí)，余素榮，等．地磁日變地震預(yù)報(bào)方法及其震例研究[M]．北京：地震出版社，2009．