地磁Z分量日变化空间相关性与东北地区中强震关系分析①

岳 力

(哈尔滨市应急救援保障中心通河地震台，黑龙江 哈尔滨 150900)

地磁台观测到的磁场信息包括稳定磁场和变化磁场，异常磁场变化叠加在地磁稳定磁场的长期变化之上，包括叠加在地磁的日变化上，可由地磁日变化中提取；叠在地磁场的短周期变化之上，可由地磁短周期变化中提取。由于区域应力场的作用，应力不断加强，导致地震区地下电导率的变化，因此，通过应磁效应等途径产生的附加磁场也会随之发生变化，这种变化可能在地磁数据观测上有所反应，使发生异常变化，有可能获得临震前的异常[1]。地震的孕育可能引起局部磁场发生变化造成临近台站之间磁场的空间相关性下降[2-4]。地磁日变化主要受约100 km 高空电离层电流体系控制，该电流体系又受太阳照射控制，因此，地磁日变化是一种依赖于地方时的周期变化。地磁Z分量日变化空间相关法是提取地磁Z分量日变化畸变的方法之一。中国位于地球中低纬度，在磁静日地磁垂直分量日变化形态类似V形，该V形态幅度夏季大冬季小，随纬度由南向北逐渐变小，相位上延迟1 h/15°，因此，在一个相当大的范围内，磁静日地磁垂直分量日变化形态是基本一致的，日变化基本不随着经度改变发生变化，有明显的相关性[5-6]。

1 研究区域与计算方法

利用中国东北地区(黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区)的哈尔滨台、三岗台、通河台等12个地磁观测台，其中大连台、德都台、三岗台、满洲里台使用地磁观测仪器为FHDZ-M15型；通河台、通化台、朝阳台、铁岭台、营口台、哈尔滨台、望奎台、锡林浩特台使用地磁观测仪器为FHD-2型。上述台站观测数据质量较好，数据可靠性较高。

地磁Z分量日变化空间相关分析采用2个台站地磁垂直分量每天的日变化曲线X和Y的相关系数ρXY描述这种相关性，相关系数在概率论的标准定义，

(1)

式中,Cov(X,Y)为X，Y的协方差，D(X)、D(Y)分别为X、Y的方差。如果ρXY=1说明两者相关，ρXY=0说明两者不相关。

地磁正常背景场的分布与变化具有空间上的相关性和时间上的延拓性，单台地磁日变幅逐日变化很复杂, 即使变化很大也不是地震前的异常，所以必须消除地磁正常背景场的变化。突出与地震有关的磁异常，最直接、最简单区分正常与异常的方法是与同纬度、同经度相比，出现局部或区域性变化才能做为与强震相关的异常现象[7]。选取参考台应是非震区和非异常区同时满足，研究区域内2个及2个以上台站与参考台站之间垂直分量相关窗长为21日滑动值，在同时间段内若出现形态一致性好的下降变化[8]，异常期间，存在完整的“下降一转折一回升”变化[9-11]。异常期间位于研究区域其他地区同一时间段未出现类似显著变化，即可认为此变化为地磁日变化空间相关异常[12]。

在参考台的选择上，计算分析东北地区12个地磁台站所处纬度，满洲里台所在位置为49.57°N，锡林浩特台所在位置为43.89°N，大连台所在位置为38.90°N，上述3个地磁台做为参考台分别与区域内其他地磁台进行地磁Z分量日变化空间相关分析，计算日变化相关曲线基本一致。选用锡林浩特台为参考台进行分析，锡林浩特台位于东北地区12个地磁台站所处纬度中间位置，能更好地分析地磁Z分量日变化空间相关性。另外，在每年1月、2月、11月、12月期间出现的地磁日变化空间相关性下降变化不列为异常[13]。磁暴虽然是全球性剧烈变化，但同步性很好，因此磁暴不会引起相关系数下降[14]。

2 震例选取与分析结果

分析Z分量日变化异常参考相关系数拟设定为ρXY=0.850，应用东北地区地磁数字化观测数据进行地磁Z分量日变化空间相关系数计算分析，经过统计得出在阈值选择为0.850时有较好映震效果。地磁Z分量空间相关系数ρXY一般在0.850均值线以上波动，而低于 0.850 属于震前短、临震异常。分析空间相关法震前异常指标，与地震是否有一定的对应关系[15]。本文中采用中国地震局MAPSIS2.7.7软件进行数据处理及画图分析。

计算东北地区2008～2017年地磁Z分量日变化空间相关系数，结合同期东北地区19次MS≥4.5浅源地震震例进行分组映震分析。其中2013年10月31日～11月23日在吉林省前郭尔罗斯蒙古族自治县共发生6次MS≥4.5地震，其中最大震级为11月23日发生的MS5.8地震，本文中将该震群设为一组，共分13组进行映震分析(表1)。

表1 2008～2017年东北地区MS≥4.5地震目录

2.1 第1组、第2组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2008年6月10日内蒙古自治区阿荣旗发生MS5.2地震，2008年7月7日黑龙江省龙江县发生MS4.6地震，两次震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，分别为2008年4月2～13日铁岭台、通化台、三岗台、通河台、望奎台、德都台、满洲里台7个台站出现异常，异常持续时间为12 d；2008年5月17～31日通化台、三岗台、通河台、望奎台、德都台5个台站出现异常，异常持续时间为15 d。第1次异常结束至2次发震分别为58 d、85 d； 第2次异常结束至2次发震分别为10 d、37 d。上述2次地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。3月地磁日变化空间相关性呈下降变化，是否为地震前异常变化，需进一步分析(图1～2)。

2.2 第3组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

图1 第1组 、第2组地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图 (a) 大连 (b) 营口 (c) 朝阳 (d) 铁岭 (e) 通化(f) 三岗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 满洲里Fig.1 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 1 and 2图2 第1组 、第2组震中分布图Fig.2 Epicenter distribution map of group 1 and 2

2009年5月10日黑龙江省安达市发生MS4.5地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2009年4月7日～5月10日大连台、营口台、朝阳台、铁岭台、通化台、三岗台、通河台、望奎台、德都台、满洲里台10个台站出现异常，异常持续时间为33 d，异常结束至发震为0 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内(图3～4)。

图3 第3组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图(a) 大连 (b) 营口 (c) 朝阳 (d) 铁岭 (e) 通化(f) 三岗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 满洲里Fig.3 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 3图4 第3组 震中分布图Fig.4 Epicenter distribution map of group 3

2.3 第4组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2009年12月21日内蒙古自治区科尔沁旗发生MS4.7地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，由于在每年1月、2月、11月、12月期间内出现的地磁日变化空间相关性下降变化不列为异常。该现象发生在11月、12月，因此此次空间相关性下降变化不为该次地震震前异常变化(图5)。

图5 第4组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图

2.4 第5组、第6组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2010年3月10日黑龙江省友谊县发生MS4.6地震，2011年1月15日黑龙江德都市发生MS4.7地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数均出现低于0.850现象，由于在每年1月、2月、11月、12月期间内出现的地磁日变化空间相关性下降变化不列为异常。该现象发生在11月、12月、次年1月、2月，因此这两组空间相关性下降变化不属于震前异常变化(图6～7)。

2.5 第7组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2012年6月18日黑龙江省萝北县发生MS4.8地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2012年4月19日～5月1日大连台、营口台、朝阳台、铁岭台、通化台、三岗台、通河台7个台站出现异常，异常持续时间为12 d，异常结束至发震为57 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。3月地磁日变化空间相关性下降变化，是否为地震前异常变化需进一步分析(图8～9)。

图8 第7组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图(a) 大连 (b) 营口 (c) 朝阳 (d) 铁岭 (e) 通化(f) 三岗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 满洲里Fig.8 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 7图9 第7组 震中分布图Fig.9 Epicenter distribution map of group 7

2.6 第8组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2013年1月23日辽宁省灯塔县发生MS5.1地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，由于在每年1月、2月、11月、12月期间内出现的地磁日变化空间相关性下降变化不列为异常。该现象发生在11月、12月，因此此次空间相关性下降变化不为该次地震震前异常变化(图10)。

图10 第8组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图

2.7 第9组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2013年6月20日内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗发生MS5.0地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2013年5月1～14日通河台、望奎台、德都台3个台站出现异常，异常持续时间为14 d，异常结束至发震为36 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。3月地磁日变化空间相关性下降变化，是否为地震前异常变化需进一步分析(图11～12)。

2.8 第10组、第11组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2013年11月20日黑龙江省桦南县发生MS5.1地震，2013年11月23日吉林省前郭尔罗斯自治县发生MS5.8地震，两次震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2013年8月19日～9月11日通河台、望奎台、德都台3个台站出现异常，异常持续时间为23 d，异常结束至发震为70 d和73 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。由于在每年1月、2月、11月、12月期间内出现的地磁日变化空间相关性下降变化不列为异常。该现象发生在11月，因此此次空间相关性下降变化不为该次地震震前异常变化(图13～14)。

图11 第9组地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图 (a) 大连 (b) 营口 (c) 朝阳 (d) 铁岭 (e) 通化(f) 三岗 (g) 通河 (h) 望奎 (i) 德都 (j) 满洲里Fig.11 Curves of spatial correlation coefficient of daily variationof geomagnetic Z component in group 9图12 第9组震中分布图Fig.12 Epicenter distribution map of group 9

图13 第10组、第11组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图 Fig.13 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 10 and 11图14 第10组、第11组震中分布图Fig.14 Epicenter distribution map of group 10 and 11

2.9 第12组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

第12组，2015年10月21日吉林省松原市发生MS4.5地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2015年9月8日～10月16日大连台、营口台、铁岭台、通化台、通河台、满洲里台6个台站出现异常，异常持续时间为38 d，异常结束至发震为5 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内(图15～16)。

2.10 第13组震例震前地磁Z分量日变化异常变化分析

2017年7月23日吉林省松原市发生MS4.9地震，震前计算地磁Z分量日变化空间相关系数出现低于0.850现象，2015年4月27日～5月7日营口台、朝阳台、铁岭台、通化台、三岗台、通河台、德都台6个台站出现异常，异常持续时间为10 d，异常结束至发震为77 d。该地震震中位置位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。3月地磁日变化空间相关性下降变化，是否为地震前异常变化需进一步分析(图17和18)。

图15 第12组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图Fig.15 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 12图16 第12组 震中分布图Fig.16 Epicenter distribution map of group 12

图17 第13组 地磁Z分量日变化空间相关系数曲线图Fig.17 Curves of spatial correlation coefficient of daily variation of geomagnetic Z component in group 3图18 第13组 震中分布图Fig.18 Epicenter distribution map of group 13

通过有映震关系共8组数据分析，分别统计出映震前的异常台站个数、异常持维时间、异常结束至发震时间(表2)，分析地磁Z分量日变化异常与映震的关系。

表2 分析统计表

地磁Z分量日变化空间相关分析对4～11月发生的MS≥4.5地震映震效果较好，在13个组别中映震率为69.2%。11月至次年4月发生的MS≥4.5地震映震效果较差，在13个组别中漏报率为30.8%。3月相关性下降是否为地震前异常变化需进一步分析。

3 结 语

东北地区中强地震震前地磁场有异常波动，说明震前地磁台站及周围地区的磁场发生变化，从而反映地磁异常现象是客观存在的。通过上述13个组别进行分析，本文中分析结论认为：(1) 将分析Z分量日变化异常参考相关系数设定为0.850，对东北地区MS≥4.5地震映震效果较好，映震率为69.2%、漏报率为30.8%。(2) 由于东北地区处于高纬度地区，通过分析发现每年3月地磁日变化空间相关性由低纬度向高纬度逐渐升高，造成低纬度台站出现较低的相关性变化。(3) 通过分析发现东北地区中强地震震前有3个及以上台站Z分量日变化相关性出现完整的“下降一转折一回升”变化，在异常变化结束后发生地震。(4) 东北地区中强地震震前Z分量日变化相关性异常变化持续时间为10～38 d。(5) 结合异常台站与震中位置空间分析得出中强地震震中位于异常台站合围区域及合围区边缘200 km范围内。通过对东北地区各台站地磁观测数据分析，在东北地区中强震震前有明显地磁异常变化，结合东北地区前兆资料分析，综合分析异常信息，以便得到更充分、全面的结果。