2020, Vol. 40
2. 中国地震台网中心，北京市三里河南横街5号，100045
地磁场按时间变化特点可分为稳定磁场和变化磁场，稳定磁场由基本磁场和地壳磁场组成，变化磁场由空间电离层电流体系及其在地球内部的感应电流体系产生[1]。众多地震学家在研究变化磁场与地震之间的关系时发现，在很多较大地震震前出现了地磁日变化异常。地磁日变化异常指的是数分钟至数十天的磁变化异常，主要包括相位畸变、幅度畸变、相位和幅度同时发生畸变等，基于地磁日变化异常特征，地震学者们提出的分析方法主要有地磁低点位移法、地磁日变化幅度逐日比法、地磁加卸载响应比法、地磁日变化空间相关法和地磁每日一值空间相关法等，其中地磁低点位移法用于提取相位畸变异常[2-7]。由于地磁垂直分量与地下介质的关系最为密切，在研究日变化形态异常与地震之间的关系时，一般采用垂直分量日变化作为研究对象[3]。
据中国地震台网中心测定，北京时间2018-05-28 01:50吉林松原(45.27°N，124.71°E)发生5.7级地震，震源深度13 km，震中位于第二松花江断裂和扶余-肇东断裂交汇区附近，震源机制解显示地震为走滑型[8]。在松原5.7级地震发生前，中国大陆出现2次地磁低点位移异常，且2次低点位移分界线均穿过东北地区。本文将着重研究松原5.7级地震前中国大陆地区地磁垂直分量日变化的时空演化特征，并尝试分析其产生原因。
1 方法原理与资料分析 1.1 方法原理按照低点时间将某个大地区划分为几个小区域，每个区域内低点时间相差在2 h以内，区域之间的低点时间相差2 h以上，中间存在明显的突变分界线，则为低点位移现象。主要预测规则为：1)预测震级一般为6级及以上强震，但在少震及地磁台网稀疏的地区则为5级；2)预测时间为异常后的第27天或第41天(±4 d)；3)预测地点在分界线附近。2015年，冯志生研究员带领全国地磁指标建设组对2008年以来的地磁数字化资料进行处理，并总结低点位移震例，初步建立了新的判定依据和预测指标，一定程度上减少了地震的虚报。
本文在原有的地磁低点位移方法基础上，采用新的技术重点研究松原5.7级地震前中国大陆地磁低点时间的时空演化特征，以期归纳出更符合地磁日变化异常物理机理的前兆异常特征，并在此基础上尝试给出新的地磁低点位移异常判据。
1.2 数据选取及处理本文研究范围为中国大陆地区(15°~57°N，70°~140° E)，以地磁台站垂直分量日变化低点时间为研究对象，从中国地震台网中心前兆数据库中获取地磁垂直分量分钟值数据，对于干扰严重的数据予以舍弃。若同一台站拥有几套地磁观测仪器[9]，仅选取其中1套观测质量较好的仪器数据进行分析。由于仪器故障等原因，不同日期选取的地磁台站略有不同。通过批处理的方式提取研究区内符合条件的所有台站地磁垂直分量低点时间，同时将其转为北京时间，并以××.×× h的形式表示。采用克里金方法[10]对中国大陆低点时间数据进行空间插值处理，所用变异函数为线性模型，斜率为1，各向异性参数中比率为1，角度为0[11]，生成的GRD数据经向点数为1 001个，纬向点数为601个，经向和纬向点间距均为0.07°。
为检验空间插值结果的可信度，本文以2018-04-09为例，分析利用克里金空间插值处理后理论低点时间残差绝对值结果。由图 1可知，克里金空间插值的残差绝对值位于0~0.000 2 h区间数据个数占总数的82%，说明空间插值的结果可靠。图 2为残差绝对值的空间分布，其中新疆、西藏、东北、海南、台湾等地区残差绝对值较大，主要与地磁台站密度较为稀疏有关。
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图 1 克里金空间插值残差统计结果 Fig. 1 Statistical results of interpolation residuals in Kriging space |
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图 2 克里金空间插值残差空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of interpolation residuals in Kriging space |
另外，位于东北地区的通河台及其以东区域的残差绝对值最大(图 2)，主要是因为通河台以东区域无地磁台站，区域内插值结果为采用外推算法计算的结果。
2 时空演化特征 2.1 低点时间实测值空间分布松原5.7级地震前，中国大陆地区出现过2次低点位移，分别是2018-04-13和2018-04-24，且2次分界线都穿过震中地区，本文重点研究松原5.7级地震前地磁实测低点时间的时空演化特征。图 3分别为2018-04-09~04-13和2018-04-24中国大陆地区实测低点时间的空间分布特征，由图可知，中国大陆地区实测低点时间分布的逐日差异性大，2018-04-09全国实测低点时间主要在12.00 h之后，仅内蒙古中西部和福建、江西交界地区实测低点时间在12.00 h之前(图 3(a))；2018-04-10实测低点时间为12.00 h的等值线呈近NS向，将中国大陆分为两大区域，等值线以东和以西区域内实测低点时间分别在12.00 h之前和之后(图 3(b))；2018-04-11全国大部分地区实测低点时间在12.00 h之后，仅胶东半岛、华东和东南沿海实测低点时间在12.00 h之前(图 3(c))；2018-04-12中国大陆大部分地区实测低点时间为12.00 h之前的区域由前1 d的区域向南扩大至广西等、向北至东北辽宁(图 3(d))；2018-04-13和04-24中国大陆均存在显著的实测低点时间高梯度带，松原5.7级地震震中位于该梯度带上及附近，且均位于实测低点时间为12.00 h的等值线上(图 3(e)、3(f))。通过对比发现，正常日期间实测低点时间的空间变化平缓，异常日期间实测低点时间在一定区域内变化剧烈，形成高梯度带，若选用实测低点时间为12.00 h的等值线作为低点位移分界线(简称“分界线”)，则新采用的2次分界线均穿过松原5.7级地震震中。本文采用等值线作为分界线，既具有物理意义，也能为自动寻找分界线提供可能。
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图 3 地磁垂直分量日变化实测低点时间空间分布 Fig. 3 Measured low-point time spatial distribution characteristics of geomagnetic vertical component diurnal variation |
低点时间具有经度效应，其经度延时为4 min/(°)[12]，这一效应给低点位移分界线的自动选取增加了难度，本文通过分析具有正常日变形态的理论低点时间的空间分布特征来讨论经度效应。
图 4为2018-04-09~04-13和2018-04-24中国大陆地区理论低点时间的空间分布，结果显示：1)参与计算台站的改变并不影响理论低点时间的空间分布；2)除去中国大陆边缘，等值线走向基本与经度线平行；3)中国大陆东、西跨度大，经度引起的低点时间差距超过4 h，经度效应影响地磁低点位移分界线的自动识别。
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图 4 地磁垂直分量日变化理论低点时间空间分布 Fig. 4 Theoretical low-point time spatial distribution characteristics of geomagnetic vertical component diurnal variation |
低点时间表征日变形态的相位特征，去除经度效应后的低点时间为负、0 h和正分别表示日变相位的提前、正常和延后。由图 5可知，在2018-04-09~04-12正常日期间，低点时间的空间分布虽逐日变化较大，但均未出现显著高梯度带，且东北地区容易出现日变化相位延后的特征；2018-04-13和2018-04-24低点位移异常日期间，低点时间的分布特征基本一致，低点时间为0 h的等值线沿纬向展布且横跨中国大陆东西部。若以去除经度效应后低点时间为0 h的等值线作为分界线，则松原5.7级地震震中分别位于2018-04-13分界线上和2018-04-24分界线附近；2018-04-13低点时间的空间分布中，高梯度带主要位于吉林、黑龙江，0 h等值线穿过该梯度带，松原5.7级地震震中位于梯度带上；2018-04-24低点时间的空间分布中，高梯度带主要位于河南、山东、河北和辽宁，0 h等值线穿过该梯度带，松原5.7级地震震中位于高梯度带东侧。
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图 5 地磁垂直分量日变化低点时间空间分布 Fig. 5 Low-point time spatial distribution characteristics of geomagnetic vertical component diurnal variation |
为定量描述低点时间的空间变化程度，本文引入梯度值[4]。在2018-04-09~04-12正常日期间，中国大陆大部分区域去除经度效应后低点时间梯度值小于0.5 h/(°)，但在2018-04-09、2018-04-11和2018-04-12，甘青川交界地区去除经度效应后低点时间梯度值仍处于0.5~1.0 h/(°)之间，2018-04-09、2018-04-11和2018-04-12华北北部地区去除经度效应后低点时间梯度值处于0.5~1.0 h/(°)之间，2018-04-10和2018-04-12云南和辽吉蒙交界地区梯度值处于0.5~1.0 h/(°)之间。
甘青川交界等地区去除经度效应后低点时间梯度值易出现高于其他地区的现象，这可能与该地区地下存在高导带有关。2018-04-13低点位移异常日期间，吉林-京晋冀蒙-苏鲁豫皖-甘肃中部形成去除经度效应后低点时间梯度值大于0.5 h/(°)的区域，其中梯度值大于1.0 h/(°)的区域主要位于吉林地区，松原5.7级地震震中位于该区域边缘(图 6(e))；2018-04-24低点位移异常日期间，吉林-京津冀交界-苏鲁豫皖交界-甘青交界形成梯度值大于0.5 h/(°)的带状区域，其中梯度值大于1.0 h/(°)的区域为蒙冀交界-苏鲁豫皖交界，松原5.7级地震震中位于其边缘(图 6(f))。
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图 6 地磁垂直分量日变化低点时间梯度空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of low point time gradient of geomagnetic vertical component |
对2018-04-13异常期间中国大陆区域地磁垂直分量的日变进行统计，发现其具有分区特征，区域分界线走向与低点位移分界线走向基本一致(图 5(e))。低点时间为正的区域内日变形态基本呈“W”型，图 7(a)和7(b)显示的是位于该区域的通河和哈尔滨日变曲线，其低点时间延后；低点时间为负的区域内日变形态基本呈“V”型，图 7(c)和7(d)显示的是位于该区域的营口和大连日变曲线，其低点时间提前。2018-04-24中国大陆区域地磁垂直分量日变也存在分区特征，区域分界线走向与低点位移分界线走向基本一致。对于地磁低点位移异常期间日变形态存在分区特征，冯志生等[7]进行过机理解释，推测在低点位移分界线下方有一引起日变化畸变的电流通过，该电流产生的磁场在分界线两侧方向相反，导致分界线两侧日变形态分别呈“W”型和“V”型，低点时间也在分界线两侧分别出现延后和提前[13]。
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图 7 地磁垂直分量2018-04-13日变曲线 Fig. 7 Diurnal variation curves of vertical component of the geomagnetic field on April 13, 2018 |
1) 松原5.7级地震前，中国大陆东部出现2次地磁低点位移异常，分别为2018-04-13和2018-04-24，若用实测低点时间为12.00 h的等值线作为位移分界线，则松原5.7级地震震中位于2条分界线交汇处。戴勇等[4]在研究岷县-漳县6.6级地震时发现，采用实测低点时间等值线作为低点位移分界线可减小人工勾绘低点位移分界线的主观性，本文研究结果再次证明了该结论。但由于实测低点时间具有经度效应，给分界线的自动识别带来难度，本文采用实测低点时间减去理论低点时间的方法去除经度效应，并以去除经度效应后低点时间为0 h的等值线作为位移分界线，处理后的低点时间具有明确的物理意义，其值为负、0 h和正分别表示日变相位的提前、正常和延后。2018-04-13和2018-04-24去除经度效应后低点时间分布特征基本一致，0 h等值线横跨中国大陆东、西部且沿纬向展布，若以其为位移分界线，则松原5.7级地震震中位于2018-04-13的分界线上和2018-04-24的分界线附近。
2) 2018-04-09~04-12正常日期间，中国大陆区域未出现大于1 h/(°)的高梯度区域，2018-04-13和2018-04-24异常日期间，中国大陆区域出现梯度值大于1 h/(°)的区域，松原5.7级地震震中位于2018-04-13高梯度区边缘和2018-04-24高梯度区东侧。
3) 对比正常日和异常日低点时间梯度的空间分布发现，梯度能客观、有效地反映出地磁低点位移的异常特征。虽然台站的不均匀效应在一定程度上影响了梯度信度，但通过实践检验发现，梯度是能反映异常特征的，并为低点位移发震地点的判断提供了不可缺少的判定依据。因此，建议地震学者引入“梯度”这一物理量进行地磁异常分析，并在今后通过加大地磁台网建设、优化台站布局等措施进一步提高梯度异常信度。
4) 在2008年汶川8.0级地震中，地磁低点位移异常日期间垂直分量日变形态具有空间分区特征，且其分界线与地磁低点位移分界线走向基本一致[14]，利用加卸载响应比、日变化空间相关、日变化幅度逐日比等方法获得的数据中也观察到类似现象[2, 5, 15]。本文研究区内的分界线若是闭合的，则闭合圈内台站地磁垂直分量日变化曲线多呈“W”型形态，圈外台站地磁垂直分量日变化曲线一般呈“V”型形态，若闭合圈内地磁日变化出现畸变，说明有一外加磁场叠加在正常磁场之上，且外加磁场的方向与主磁场一致，对于北半球来说是向下的。由毕奥-萨伐尔定律[12]可知，产生畸变磁场的等效电流是沿顺时针方向的环电流，电流路径基本沿着分界线走向，该等效电流主要是由电离层中的等效电流感应引起的。引起地磁垂直分量日变形态畸变的环形电流有别于正常情况下由电离层电流感应引起的等效环形电流，前者是短暂不稳定的，后者相对稳定，产生的磁场与电离层电流体系产生的磁场共同叠加在主磁场、岩石圈磁场等之上，形成相对稳定、规则的“V”型日变形态。研究表明，地壳和上地幔存在高导层，但由于深大断裂等切割，高导层并不连续[16]，这就意味着地球表层存在很多高导通道，但通常情况下高导通道并不能形成闭合回路。地壳、地幔存在慢地震、蠕滑等多种形式的构造运动，恰巧由于构造运动造成不连续点处热物质上涌或流体重新分布等，使得不连续点变成连续点，高导通道组成闭合回路，在这种情况下由电离层的电流感应产生地下电流，并形成磁场叠加在日变形态上，使圈内地磁日变形态消减，圈外地磁日变幅度进一步增加。由于地壳、地幔处于不断的构造运动中，闭合回路显得脆弱，其中1个或几个点断开，回路将不复存在，感应电流将消失，畸变磁场也将随之消失。在采用地磁日变化方法进行研究时，得到的异常分界线往往是一条不闭合的曲线，主要是由于闭合曲线范围超过了研究区范围，而感应电流只能产生在闭合的回路中。
5) 图 8为2018-04-13和2018-04-24异常日期间地磁低点位移分界线和梯度为1.0阈值线的分布，其中位移分界线采用的是去经度效应后低点时间为0 h的等值线。低点位移异常日期间，中国大陆地区存在3个分界线和阈值线同时交汇的综合区，其中综合交汇区3由于梯度为1.0阈值线过短，异常信度较低，而位于信度较高的综合交汇区1内发生了松原5.7级地震，综合交汇区2内并未发生地震。
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图 8 地磁低点位移分界线和梯度为1.0h/(°)阈值线分布 Fig. 8 Distribution of geomagnetic low point displacement boundary and the gradient threshold lines |
6) 通过研究松原5.7级地震，可为地磁低点位移异常的判别和预测指标的建立提供自动化、定量化的新技术途径：将传统的“区域间低点时间差超过2 h”的判别标准改为“梯度值超过1.0 h/(°)”；将人工勾绘低点位移分界线改为由去经度效应后的低点时间为0 h的等值线作为低点位移分界线，实现了自动化，得到的低点位移分界线也更科学、合理；研判未来发震地点时，在考虑低点位移分界线基础上考虑梯度阈值线，可大大缩小预测发震区的范围，提高预测准确度。
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2. China Earthquake Networks Center, 5 Nanheng Street, Sanlihe, Beijing 100045, China