张志宏，顾 娜，崔政东

（1. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2. 铁岭地震台，辽宁 铁岭 112000）

0 引言

地球电磁学的基础是1862 年麦克斯韦电磁场理论。地震是地球内部介质相互作用的结果，孕震的过程伴随着介质电磁性质的改变。上世纪70 年代至今，震磁观测进入了快速发展阶段。地磁观测台网主要集中在地震活动区或构造活动带等试验场地，观测方式为固定台站连续观测和周期流动观测相结合。震磁前兆信息的提取与研究大体可分为地磁背景场的研究、排除干扰提取震磁信息方法的研究、震磁前兆现象的研究。我国地震预报人员先后提出了地磁低点位移法[1]、地磁加卸载响应比法[2]、地磁逐日比法[3]、地磁垂直分量日变化空间相关法[4]等提取地震异常的方法。这些方法目前已作为地震中短期和短期异常分析在我国日常地震预测中得到了广泛的应用。冯志生等[5]在应用加卸载响应比法过程中，发现前后两天地磁Z 分量日变幅比值的高值与其台站周边地震有很好的对应效果，并用该方法分析了江苏地区地磁Z分量日变幅逐日比与周边地震的关系，总结了逐日比异常的时空变化特征。倪晓寅等[6]研究了2008 年汶川M8.0 地震前的地磁日变化异常，地磁异常后发现2 月5 日南北带大部分地区地磁Z 分量日变畸变显著，逐日比计算结果显示：9 个地磁台的逐日比超过了3.0，震中位于逐日比为2.8 的等值线区域；芮雪莲等[7]利用逐日比法提取了2017 年四川九寨沟M7.0 地震前6 个月的高值异常；张志宏等[8]总结了东北地区地磁加卸载相应比的预报效能，结果表明地磁场Z 分量能够提取到较好的前兆异常信息。

2011 年3 月11 日日本宫城县以东太平洋海域Mw9.0 地震后东北地区5 级地震进入了活跃期，截至目前东北地区共发生了5 级以上地震10 次。因此，研究东北地区中短期震磁异常具有重要意义。2021 年2 月26 日辽宁铁岭、吉林三岗、通化地磁逐日比分别为3.83、3.07、3.22，超过了正常背景值2 倍左右。基于此，本文通过分析相关台站原始数据和异常台站观测系统可靠性，结合东北地区已有震例探讨此次异常的预测意义。

1 数据处理及方法原理

1.1 地磁逐日比法

地磁日变化的强弱用日变化幅度来表达，即日变化极大值与极小值差。地磁日变化幅度具有不规则的逐日变化。地磁日变化主要取决于外空电流体系产生的变化磁场（外空变化磁场） 及地下介质电导率，并且地壳介质电导率变化在地磁Z 分量中表现最突出。因此，地磁Z 分量日变化幅度前后几天的差异或者来自外空变化磁场的改变，或者来自地壳介质电导率的改变，而后者则可能与地震有关。

地磁Z 分量日变化幅度逐日值P（Z）表述为：

式中，RZ（t1）为t1观测日地磁垂直分量的日变化幅度，t2=t1+1。

1.2 克里金插值法

为了弥补研究区固定地磁台网离散的缺点，对加卸载响应比值进行密集规则网格化插值处理，得到直观的二维等值线空间分布。1951 年南非工程师Krige D G 首先提出了克里金法（Kriging），相比三角网线内插法、最小曲率法、反距离加权法和多项式拟合等常规插值法，克里金插值法在保持原场特征的同时更加合理的解释了地球物理异常[9]。

该方法是运用变异函数理论对有限区域内区域变化的变量无偏最优化估计。其优点在于考虑待插值点与邻近观测数据点位置的同时，对邻近点之间的空间位置也有所参考，使其误差接近于零[10]。

设定一个研究区为D，区域化变量为Z（X，Y）[ Z（X，Y）∈D ]在采样点（ii=1，2，…，n）处的属性值为Z（ii=1，2，…，n），待插值点ZO的插值结果则可以表述为：

式中，λi（i=1，2，…，m）是待确定权重系数，m 为已知采样点。

根据 Kriging 原理，Z（X，Y）满足二阶平稳假设，即：

根据无偏性要求可推导得到权重系数方程为：

式中，μ 为拉格朗日常数；γ（hi-hj）为样本点间的半变异函数值；r（h0-hj）为已知点与待插值点之间的半变异函数值。求解权重系数λi后可得到待插点估计值ZO。

克里金插值法的半变异函数可表述为：

式中，h 为滞后距离；Nh为滞后距离数量；Nk为求取半变异函数值距离为h 的样本对数目。

2 计算结果与分析

2.1 异常提取

地磁日变化主要受到100km 左右高空电流体系控制，该电流体系又受到太阳照射的控制，因此，全球各地的地磁日变化在时间和相位上不同步。我国位于北半球中低纬度，地磁Z 分量日变化为“V”字形。“V”字形幅度由南到北逐渐减小，且呈现冬低夏高特征。但在几百公里的空间范围内，其相位差比较小[5]。

地磁逐日比的理论基础是磁静日一定区域内每日地磁日变化幅度有明显的相关性，因此，正常背景下的同一较小范围区域磁场逐日比值接近于1。图1 是2021 年1 月以来大连、营口、铁岭、朝阳、通化、三岗台逐日比时序曲线，从计算结果可以看出6 个固定地磁台逐日比的正常背景在（0，2.0） 的区间范围。从表1可以看出2021 年2 月26 日6 个地磁台逐日比均超过了2.0，其中铁岭、三岗、通化逐日比超过了3.0 的高值。图2 可以看出2021 年2 月26日全国范围内辽宁及邻区逐日比超出正常背景值，从区域逐日比可以看出辽宁铁岭为当日最高值 （3.83）。

表1 辽宁及邻区地磁Z 分量日变幅逐日比

图1 2021 年2 月26 日辽宁及周边地磁日变幅逐日比值Fig.1 Daily ratio of daily variation amplitude of geomagnetism in Liaoning and its surrounding areas on February 26，2021

图2 2021 年2 月26 日全国地磁日变幅逐日比值计算结果Fig.2 Daily ratio calculation results of national geomagnetic daily amplitude on February 26，2021

2.2 台站观测环境及观测系统分析

地磁场畸变异常与其它前兆异常有明显的区别，磁场畸变具有持续时间短、分布范围广的特点使得单台异常可靠性的判定难度较高。但是，一定区域内多个台站同时段磁场畸变只需要考虑空间电磁环境、高压直流等区域干扰。因此，异常核实分为两个方向：第一，场地观测系统我们只需要分析逐日比最高的铁岭台；第二，空间电磁环境和高压直流输电的干扰范围只分析辽宁及邻区。

2.2.1 台站地质概况

铁岭台位于阴山东西构造带的东端，铁岭—靖宇隆起与开原—营口大断裂的交接部位东侧。台址附近岩性单一，缺少其它时代的沉积岩层和较大岩浆体出露。区域内较大规模断裂为NE 向铁岭—开原断裂，为郯庐断裂北延带的组成部分。历史上沿断裂在铁岭和开原地区发生过多次5 级左右地震，是控制区域内中强地震的主要地震构造。距台0.5km 处有一八宝岭沟断裂，断裂走向310°，倾角50°。台址区域除基岩为变质花岗岩略有磁性外无其他磁性物质，磁场梯度为1～10nT/m。

2.2.2 仪器运行状态

铁岭台采用FHD 质子矢量磁力仪进行地磁观测，产出F、H、D 三分量分钟值数据。仪器分辨力为 0.1nT，观测精度 F ≤0.3nT，H ≤0.6nT，D≤0.1′。异常期间仪器工作参数正常，数采工作稳定，数字面板显示正常，无故障。对仪器系统中线圈部分进行了检查，各数据线接触点稳固良好，没有虚接或松动；数据线走向和布局情况正常，仪器北南向和东西向水泡居中，水平状态正常。供电系统中交流供电、直流供电无故障。分析认为可以排除为仪器观测系统故障等情况。

2.2.3 仪器频响曲线或放大倍数调查

根据国家地磁台网中心要求，将每月标定改为季度标定，并简化了标定程序，如果年底进行方位角调整，则需要进行一次完整标定。2020 年按照季度进行了五次标定，结果均符合要求，详情见表2。

表2 铁岭地震台地磁FHD-2 标定统计表（2020 年）

2.2.4 附近基建等环境状态

环境调查主要针对台站附近基建等环境改变情况，经调查台站附近无新修建的大型机械工厂、变电站、铁塔、民用和工业用电设施、电气化铁路等影响因素。由于处于冬季，台站周边无大型建筑施工，无大型车辆出入等。线圈所在地磁房内环境良好，未发生破坏现象，观测墩无塌倾、破裂现象，观测仪器无异动现象，磁房外环境无变化。图3 是铁岭台后边冬季至春季观测环境对比图，由图可以看出，台站周边环境无明显变化。

图3 铁岭台周边观测环境航拍图Fig.3 Aerial chart of observation environment around Tieling Seismic Station

2.2.5 直流输电干扰调查及异常期间磁暴调查

铁岭台自2011 年以来受到呼伦贝尔—辽阳高压直流输电线路干扰影响。通过查询国家地磁台网中心网站（http://10.2.201.72:8080/hvdc）中高压直流输电干扰数据，2018 年7 月至今，铁岭台未受到呼伦贝尔—辽阳高压直流输电线路干扰影响，确认在地磁数据异常期间铁岭台无高压直流输电干扰。根据磁暴信息网址（http://wdc.kugi.kyoto -u.ac.jp/dstdir/index.htm）l查询2021 年2 月26 日前后磁暴指数Dst 可知，2 月 25 日磁暴指数 Dst=-46nT，2 月 26 日磁暴指数Dst=-33nT，Kp＜5。因此，异常日属于磁静日。

3 历史数据分析

逐日比高值本质是变化磁场幅度畸变异常，磁暴干扰或者地震前兆信息能够引起同一时段多个台站逐日比异常。因此，逐日比前兆异常成立条件可以设定为：① 逐日比超过研究区的阈值；② 异常日为磁静日；③ 异常台站超过2 个。按照上述异常成立约束条件基本可以有效的排除磁暴、人为活动等区域干扰。为了研究逐日比异常与地震时空特征的关系，我们统计了异常后6 个月内东北地区5 级地震（表3），统计结果显示2008 年以来东北地区共出现11 次异常，其中6 次异常对应了7 次地震。

表3 2008 年以来东北地区地磁逐日比超阈值（3.0） 及6 个月内发生5 级以上地震统计表

我们利用克里金插值的原理模拟了研究区异常日的逐日比空间分布，对应地震震中的空间位置。图4 可以看出2008 年3 月1 日异常台站主要集中在环渤海地区，异常后79 天和101天发生了 2008 年 5 月 19 日珲春 M6.2 地震和2008 年6 月10 日阿荣旗M5.2 地震，两次地震距离异常区超过了300km。图5 是2008 年4 月7 日异常，异常区集中于阿荣旗M5.2 地震震中的东南区域，2 次地震位于异常区内部。图6是2009 年1 月18 日环渤海及辽蒙地区异常，90 天内发生了珲春M5.3 深震，震中远离异常区。图7 是2013 年10 月3 日辽南及河北东北部异常区，21 天和51 天分别发生了珲春M5.3和松原M5.8 震群。图8 和图9 分别是2015 年12 月 23 日和 2018 年 2 月 20 日异常区及对应地震。

图4 2008 年3 月1 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.4 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on March 1，2008

图5 2008 年4 月7 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.5 Interpolation map of daily geomagnetism ratio in Northeast China on April 7，2008

图6 2009 年1 月18 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.6 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on January 18，2009

图7 2013 年10 月3 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.7 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on October 3，2013

图8 2015 年12 月23 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.8 Interpolation map of daily geomagnetic ratio in Northeast China on December 23，2015

图9 2018 年2 月20 日东北地区地磁逐日比值插值图Fig.9 Daily ratio interpolation map of geomagnetism in Northeast China on February 20, 2018

从异常区域与震中的空间位置可以看出，6次异常中 2008 年 3 月 1 日、2009 年 1 月 18 日、2013 年10 月3 日3 次异常与断裂带分布联系不明显，有待去讨论和研究。2008 年4 月7 日和2015 年12 月23 日对应3 次地震震中位于异常区，2018 年2 月20 日异常台站位于郯庐断裂带北端，是2018 年5 月28 日松原M5.7 地震震前异常的可能性较高。

4 结论与讨论

太阳活动、电离层、地球内部介质电磁性质变化等综合作用，使得我们能够观测到变化磁场的幅度畸变异常。逐日比方法能够量化磁场幅度畸变量，结合异常后期发生的地震三要素可以归纳出异常与地震的时空关系。

本文通过对铁岭台观测系统、周边环境变化的调查和分析认为：2021 年2 月26 日铁岭、通化、三岗逐日比高值异常属于地震前兆异常的可能性较高，结合东北地区已有观测数据的逐日比结果和对应5 级地震的时空关系可以推测出此次异常与2018 年2 月20 日逐日比高值异常类似，可能预示着异常日后中短期内郯庐断裂带北端相关区域地震活动有增强的趋势。