0 引言

尹祥础等(1991)提出了加卸载响应比理论, 宋治平等(1995, 1996)、冯志生等(2000)将其应用于地震活动性预测中, 并取得了较好的效果。地磁加卸载响应比法是利用地磁扰动场作为探测信号, 将能较好反映地震磁效应的Z分量作为响应函数来研究正常背景下的介质响应, 以提取因地震引起介质电导率变化所产生的响应比异常来预测地震。曾小苹等(1996)提出将磁暴过程作为地磁场对太阳风的加卸载响应, 研究了磁暴场暴时扰日变化D_s(Z)的响应比P(Z)的变化, 发现P(Z)高值变化与北京台周围550 km范围内M≥5.5中强地震的主震有较好的对应。冯志生等(2000)研究了P(Z)异常与江苏及周边地区M≥4.6地震间的对应关系。张建国等(2008)分析了河北省地磁台1982—2006年地磁加卸载响应比P(Z)与河北及邻区M≥5地震之间的关系, 并对其内检预报效能进行了评价。

2019年1月7日, 河北邯郸地区的广平台、涉县台地磁FHD质子仪Z分量数据同时出现了加卸载响应比高值变化。本文拟从观测系统检测、测区环境调查、空间事件分析、与台站其他观测对比及震例总结等方面对该变化进行研究。

1 台站概况

广平台地处冀南平原漳河故道沉积黄土覆盖层上, 此处为黄河、漳河携带沉积而成的扇形冲积平原的中下部, 海拔40.0—53.9 m, 地势平缓, 地面坡降为万分之三。历史上受黄河、漳河的影响, 特别是漳河的多次决口改道, 造成了微地貌的多种类型。台站位置第四系履盖厚约400 m, 表面为盐碱土层, 位于太行山断块、冀鲁断块及皖豫断块的交汇部位。广平台所处位置无断裂带穿过, 但在距其20 km范围内, 南有磁县—大名断裂, 西有广宗断裂, 东有馆陶西断裂(图 1), 在这些断裂带附近曾发生过1830年磁县7.5级、1889年10月大名5级、1900年安阳5级、1923年范县5级等地震。

涉县台地处涉县盆地南部边缘, 距涉县断裂(茨村—化肥厂—井店, 走向NE50°—60°, 倾向NE, 倾角60°—70°)近3 km(图 1)。新生代时期, 涉县盆地是在普遍抬升的过程中沿此断裂发生相对下降运动而形成的。台址西南不远处的山坡上, 出露为中奥陶系马家沟灰岩, 产状中缓, 构造不复杂, 无较大断层通过。涉县盆地南部河流阶地较为发育, 有一级、二级阶地, 尤其是三级阶地堆积达10 m厚的黄土, 而台址正位于二级阶地并靠近基岩出露的地方, 历史上在涉县断裂附近于1314年发生6级地震。

2 异常变化分析 2.1 异常概况

2019年1月7日, 邯郸地区的广平台、涉县台地磁FHD-2B质子仪Z分量加卸载响应比同步出现了高值异常, 其值分别为广平台P(Z)=4.5、涉县台P(Z)=5.6, 远高于阈值3.0(贾立峰等, 2015)的背景值变化(表 1, 图 2)。

2019年1月15日, 邯郸中心台技术人员对广平台、涉县台进行了现场核实, 分别从观测系统检测、周边环境调查、空间影响分析、与台站其他观测对比及震例总结等方面, 对异常进行了讨论与研判。

2.2 观测系统检测

对广平台、涉县台FHD仪公用接地地网电阻进行了测量, 发现结果小于规范要求的4 Ω; 对交流供电电压进行了测量, 其值分别为218 V、219 V, 满足220 V市电要求误差; 现场更换了UPS电源, 测得直流蓄电池电压分别为12.43 V、12.36 V, 该值在12—15 V仪器输入电压的正常范围内; 对仪器入网通信延时情况进行了测试, 测试结果合格。对机柜两侧的电源线和信号线进行了梳理, 电极信号线放在机柜左侧, 电源线和网线放在机柜右侧, 并仔细检查了室内外观测线路, 发现接头完好, 无破损, 外线路无损毁, 避雷装备线路等均正常, 因此排除了因观测线路、室内外开关、线路接头和辅助设备等故障而造成干扰的可能。

2.3 观测环境调查

依据GB/T 19531—2004《地震台站观测环境技术要求》(中国国家标准化管理委员会, 2004)中规定的避开干扰源的最小距离(表 2), 异常核实时通过走访发现, 广平台周围主要为农田和村庄, 在测区西南方向约400 m处有一所小学, 正北方向约300 m处为村庄, 距台站1 km范围内无大型建筑、厂矿、企业、铁路及电台和通讯设施等; 涉县台周边为山坡和农田, 台站距村庄1 km, 距青兰高速约1.3 km, 距涉县铁路4 km, 符合观测规范要求。因此, 通过巡查测区观测环境可知, 在距涉县台1 km范围内无明显干扰源。

2.4 空间事件影响分析

磁暴、亚暴、极光等具有同源性, 场源均起源于太阳日冕物质抛射事件, 是由太阳活动引起的固体地球外部的空间电流体系活动, 为大尺度空间同时发生的电磁现象(谢伦等, 2004)。2019年1月地球空间磁扰较为平静, 全球D_st指数最低值未超过-50 nT(图 3), 说明该时段内无明显的太阳日冕物质抛射(CME)发生(Gonzalez et al, 1994), 同时太阳低纬度冕洞抛射流引起的CIR区域也处于正常水平状态, 2019年1月1—10日的K指数不大于4(据http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html网站)。因此, 此次加卸载响应比异常受外空磁场扰动的影响较小。

2.5 高压直流输电影响分析

高压直流输电通常采用双极两端中性点接地方式。在正常运行状况下, 由于不平衡电流较小, 当额定电流不超过1 200 A时, 对距线路12 km之外的地磁观测基本不会造成干扰, 但在工程试运行阶段及运行出现故障时, 会产生较大的不平衡电流, 在输电线及换流站周围产生的干扰磁场将影响正常的电磁观测, 尤其是对输电线路两侧300 km内范围电磁观测的影响尤为剧烈(蒋延林等, 2014)。

目前, 河北省大部分电磁台站都受到高压直流输电的影响, 其中, 2018年广平台、涉县台受高压直流输电影响的情况如表 3所示。

统计发现, 2019年1月, 广平台、涉县台仅在5日受轻微高直输电干扰, 影响在1 nT以内(影响小, 可忽略不计)。数据经预处理之后, 数据曲线变化平滑, 符合自然条件下地磁Z分量的日变形态, 说明预处理之后高压直流输电对数据的影响不大, 而其他时段内也无高压直流输电的影响, 故可排除高压直流输电对加卸载响应比异常的影响。

2.6 与台站其他观测进行对比

为验证台站产出的地磁数据是否存在差异, 以进一步判断异常的可靠性, 与其他地磁观测仪同时段内数据进行对比发现, 涉县台3套地磁仪器(广平台无其他地磁观测仪器)除此次出现异常的FHD质子磁力仪外, 其余2套GM4地磁观测仪Z分量的加卸载响应比也出现了同样的高值异常, 且变化幅度和FHD观测仪基本一致(图 4)。

3 加卸载响应比异常与地震关系讨论

张建国等(2008)分析了河北省各地磁台1982—2006年地磁Z分量加卸载响应比与河北及邻区M≥5地震之间的关系认为, 当阈值P₀(Z)=3.6、至少有2个或2个以上台站同时满足P(Z)≥P₀(Z)时, 从1组异常内的第1次异常发生日开始计算(异常日以卸载日为准), 之后11个月内, 在最后1次异常高值点附近400 km范围内有发生M≥5地震的可能性, 并且研究结果具有较好的检验效果。

贾立峰等(2015)对河北省地磁加卸载响应比(LURR)阈值的研究认为, 阈值选取P₀(Z)=3.0较为合适, 即大于此值可认为是异常。此后, 贾立峰等(2016)基于该方法的研究结果, 对华北地区23个地磁台站2008—2014年数字化地磁观测相对记录数据进行分析, 结果显示华北地区7年内有38次共计10组加卸载响应比异常, 其中, 7组异常有震例对应, 在选定的24次震例中有16次震例出现震前异常。研究还发现, 各次异常发生时异常面积与最大异常强度成正比关系(图 5), 各组异常内累计异常台站数量与组内地震辐射能量有一定相关性(图 6)。

另《地震电磁预报指标体系规范》(电磁指标体系编写组, 2019)的计算结果表明, 2019年1月7日河北省共有5个地磁台站Z分量同步出现加卸载响应比高值变化, 分别为广平、涉县、红山、黄壁庄及文安台(图 7), 并形成一定地磁区域面积异常。

李霞等(2016)对甘肃岷县漳县6.6级、青海门源6.4级地震前加卸载响应比的研究认为, 异常高值的空间分布相对集中于震中区附近(最小震中距90 km, 最大震中距610 km), 震中位于异常高、低值转换带或过渡带附近, 且表现出一定时空同步性。

4 结论

通过对河北邯郸地区广平台、涉县台观测系统检测、周边环境调查、空间影响分析、与台站其他观测进行对比以及震例分析, 可得到以下结论。

(1) 观测仪器工作正常, 室、内外观测线路完好无损, 避雷装置正常。

(2) 测区周围主要是农田和村庄, 距台站1 km范围内无大型建筑、厂矿、企业及铁路等。

(3) 对空间事件(磁暴、亚暴、极光等)的分析认为, 空间干扰事件对广平台、涉县台地磁观测数据不存在影响。

(4) 对高压直流输电干扰的分析认为, 高压直流输电对广平台、涉县台该时段内的地磁观测数据影响较小。

(5) 基于地震地磁场异常(加卸载响应比等)的前期研究结果认为, 广平台、涉县台地磁加卸载响应比高值变化可能为地球物理异常。

因此, 2019年1月7日广平台、涉县台地磁Z分量加卸载响应比高值变化, 可排除观测系统问题以及台站周边环境、高压直流输电及空间事件活动等的影响, 结合以往地震地磁异常研究结果分析认为, 此次变化可能为一次地磁局部地球物理异常事件。

为进一步确定该异常研判的准确性, 今后可与周边相邻台站、其他观测手段资料进行联合对比分析, 或结合其他地震地磁分析方法(日变幅逐日比、谐波振幅比、空间相关等), 对地磁异常数据作深入研究。