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地震地磁观测与研究
SEICMOLOGICAL AND GEOMAGNETIC
OBSERVATION AND RESEARCH
1999年 第20卷 第6期 No.6 Vol.20 1999

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地磁方法在地震预报中的应用

林云芳 曾小苹 续春荣 赵 明 李 琪

摘要 1989年以来，我们陆续提出转换函数法，空间相关和加权差分法，以及加卸载响应比法等3种地磁方法，将其用于200多个震例分析，其中有106个地震作了正式的年度预报，在97个次危险区预报中，有15个地震的时间、地点和震级三要素的预报较为成功。
关键词 地磁方法；地震预报；预报评估

Application of geomagnetic methods to earthquake prediction

Lin Yunfang1),Zeng Xiaoping1),Xu Chunrong2),Zhao Ming1) and Li Qi1)

1)Institute of Geophysics,China Seismological Bureau,Beijing 100081,China
2)Institute of Crustal Dynamics,China Seismological Bureau,Beijing 100085,China

Abstract：Since 1989,we have studied more than 200 earthquake cases by three kinds of geomagnetic methods which are the transfer function,the spatial correlation and weighted difference,as well as the load-unload response ratio.Among 97 earthquake predictions there are fairly successfully in predicting the three elements of earthquake.

Key words:geomagnetic method,earthquake prediction,evaluation of prediction effect

引言

地磁现象可反映上自日地空间，下至大气层和固体地球中发生的与电磁有联系的各种物理过程。对主磁场及其变化的研究，是了解地球深部地幔和地核内发生的物理过程的重要途径。利用变化磁场在地球内部的电磁感应现象，是研究地球内部电性结构及其变化的一种好方法。
地震磁现象的观测研究，迄今已有近百年的历史。本世纪50年代末，精度高，稳定性好的质子旋进式磁力仪(又简称“核旋仪”)的问世和广泛使用，改变了对地震磁现象的观测状况，获得了较为准确的地震磁现象的观测数据和较为可信的震例结果。
近年来，震磁关系的研究取得了一些进展。1987年以来，我们通过对中国地区地球磁场局部异常现象的研究，一边探索震磁关系，一边进行实验性的地震预报。1989年开始，我们陆续选用转换函数法，空间相关和加权差分法，以及加卸载响应比法等3种地磁方法，分析了1966年以来的200多个震例。对其中106个地震进行了年度预报，在97个次危险区趋势预报中，有15个地震的时空强三要素与实际发生的情况比较接近。

1 地磁转换函数法

1955年Rikitake & Yokuyama(1955),1959年Parkinson证实了地磁短周期变化的垂直分量ΔZ，水平分量ΔH和磁偏角ΔD具有以下稳定线性关系

(1)

其中A和B就是转换函数。
利用天然磁场作为入射信号，其特点是频带宽，分布广，近似平面波，有穿透力。对地面各测点记录到的天然磁场信号的分析得到的转换函数A和B，是地点(λ，)，深度(h)，频率(ω)或周期(T)和时间(t)的函数，即

(2)

由电磁波理论的趋肤效应可知，某一测点处(λ0，0)某一频率ωj的磁场F(ωj)的穿透深度为

(3)

此处μ和σ分别为介质的磁导率和电导率。不同频率的电磁波对地球的穿透深度不同，因此，可以利用各种不同频率的变化场的电磁感应获得地下不同深度的电导率的信息。分析和研究A和B及其参量随时间t的变化，则可了解和监视地震活动区地下电性结构和环境的变化，以期在地震发生前捕捉到这种变化，进行地震危险区的预报。
1987年以来，通过分析100多个震例后，我们认为复转换函数的模｜A｜和｜B｜，解矩阵方程(1)的总方差σz，以及Parkinson矢量的磁方位角αp及其变化等几个参量的变化异常与测点附近发生的地震有关。这些参量的定义为

A=Ar+iAi
B=Br+iBi (4)

下角标r和i分别表示实部和虚部。

｜A｜=(A2r+A2i)1/2
｜B｜=(B2r+B2i)1/2 (5)

αp=arc tan(Br/Ar) (6)

(7)

(8)

其中m为第j周期的事件个数。
计算了全国30多个地磁台周期T=9～200 min的转换函数及其参量的逐月变化，分析和预报试验100多个震例后，曾小苹和林云芳(1995)初步总结以下几点。
(1)转换函数的模｜A｜和｜B｜的频率响应在震前两年至地震当月有增大趋势。个别周期的｜A｜或｜B｜有明显的偏离。
(2)T=9～200 min的｜A｜和/或｜B｜在震前有明显的增大或波动，其异常值超过(2～3)S，S为均方差(图1)。
(3)T=9～200 min的总方差σz的波动在震前3年至地震当月超过(2～3)S(图1)。

(a)

(b)

图1 1982～1998年崇明地磁台转换函数变化异常与地震(单位为km)
(a)｜B｜(T=20 min)；(b)｜A｜(T=150 min)；(c)σz(T=150 min)

(4)构造断裂处(如海岸、河床和南北断裂带附近等处)，Parkinson矢量在震前指向震中，多数在震后回到正常方位。
(5)多数地震前，｜A｜，｜B｜和σz的异常波动由深层(地幔)开始，逐渐“传播”到浅层地壳(曾小苹，林云芳等，1999)。
(6)未来6～12个月的地震震中位于地磁转换函数异常变化空间分布的“奇点”处，或等变线密集的中心处。
图1是崇明地磁台转换函数｜A｜，｜B｜及σz消除了长期变化和年变化影响后，变化幅度超过(2～3)S的异常与地震的关系。其中P为预报效果总评分的分数。

2 地磁加卸载响应比法

太阳以紫外线辐射和粒子流辐射两种方式影响地球磁场，形成变化磁场。前者主要形成Sq场，后者则为磁暴场D。曾小苹等(1996)提出将磁暴和一般磁扰过程作为地球磁场对太阳风加载和卸载响应的过程。磁暴场可分为以下几部分。

D=Dst+Ds+Dp (9)

其中Dst为暴时变化，Ds为扰日变化，Dp(B)为极区亚暴。
以垂直分量Z为例，取Z分量的Ds场作为计算加卸载响应比的参量，定义响应比

P(Z)=Ds(Z)+/D(Z)- (10)

如用日变幅ΔZ，(10)式即为

P(Z)=ΔZ+/ΔZ- (11)

其中下角标“+”和“-”分别表示加载和卸载。

加卸载响应比值P(Z)在正常情况下，应该主要是测点位置(λ，)和地下电导率(σ)的函数。对中低纬度地区正常情况下P(Z)=1～2。如果某测点正处于孕震地区，由于地下物质(多为热流体)的运动，必然会使地下电导率增加，导致P(Z)值增大，出现前兆异常。
地下构造的复杂性和地下介质的非均匀性，造成了孕震过程中多种物理和化学参量在时间和空间分布上的非均匀性，必然导致每一次地震事件发生前，在一定空间范围内P(Z)异常会多次出现，且各次P(Z)的空间分布图象有差别(图2)。

图2 1998年1月10日张北MS 6.2级地震前P(Z)的空间分布(预报评分P=84.3)
(a)P(Z)正常分布(1996年9月23日至9月25日)；(b)1996年11月15日至11月19日；
(c)1997年1月11日至1月13日；(d)1996年5月15日至5月17日；(e)1997年12月30日1998年1月1日

为认识P(Z)的时空分布规律，寻求P(Z)异常与地震的关系，继林云芳等(1996)和续春荣等(1998)之后，我们计算了全国54个地磁台的P(Z)值(表1)。

表1 P(Z)值的计算统计

地 区 台站数 计算P(Z)值时段 共计(年)
北 京 1 1965～1998 34
上 海 1 1974～1998 25
华 北 20 1974～1998 25
华 东 13 1986～1998 13
西 南 11 1986～1998 13
西 北 7 1986～1998 13
华 南 1 1986～1998 13
以华北地区为例，我们对1966年邢台MS7.2大震后至1998年华北地区21个地磁台附近发生的MS=3.4～7.8(ML=4.0～7.9)的157个地震进行了震例分析，得到的初步结果是：①P(Z)异常与震级的关系；②P(Z)异常空间分布尺度；③前兆异常出现时间与震级的关系；④发现了地磁效应的“震中区”(震中及其附近范围)和“盲区”(距震中100 km以外的某一范围)，在该两个区内，震前不出现P(Z)异常值。进而解释了为什么有的距震中近的台站震前无异常，而较远处的台站却有异常的奇怪现象；⑤发现P(Z)异常的时间尺度、空间尺度与震源体尺度之间存在很好的相关关系。这些结果将另文讨论，同时使我们在定量判断前兆异常和震磁关系的研究中有了新的认识。
3 空间相关和加权差分法

引起地磁变化的因素很多，主要来自磁层(P)、电离层(Q)、地核(C)和地下局部异常(N)。因此，地面任一测点所测磁场值主要含有以上4种源场，以垂直分量Z为例

Z=ZP+ZQ+ZC+ZN (12)

正常情况下，中低纬度地区地球磁场的空间分布明显地呈线性相关关系，表现为相关系数R=0.90～1.00。通过对每日北京时21 h 00 min的总强度(F)，垂直分量(Z)和水平分量(H)实测值计算的每月空间相关系数RF，RZ和RH，研究其变化与地震的关系。
假定一方面可将非地下局部异常视为空间均匀的，至少在相距不太远的测点对之间可视为是空间均匀的。另一方面，几乎所有的震例证实了地震是一种局部地区的地球物理现象，因而地磁效应也局限在某一范围内，我们称之为“磁异常区”。大量震例结果表明地磁Z分量对磁异常区的反应较其他分量更敏感、更明显，多数地震前10～11个月(个别地区为14～16个月)RZ开始由0.90以上降至0.7～0.85。据此，我们推测震前孕震地区地下介质电导率增大，致使地面测点观测到了Z的异常变化，形成了前兆磁异常区。
分析了1994年12月～1998年11月发生在华北，华东和西南地区8个MS=5.7～7.3(ML=6.0～7.4)的强震后，我们发现与强震有关的前兆磁异常区的异常Rz值，即Rza值随地区而异。西南和华北地区Rza=0.70～0.80，而华北地区Rza=0.80～0.85。下图为1994年12月30日发生在四川马边MS=5.7(ML=6.0)级地震前几个月Rz的空间分布图。该地震的预报评分P=96.5。

图3 1994年12月30日马边MS5.7地震(*)与Rz的空间分布(预报评分：P=96.5)
(a)1994年8月(正常)；(b)1994年5月；(c)1994年6月；(d)1994年11月；(e)1994年12月

利用核旋仪测量地磁总强度F之差(简单差分)的变化异常来发现地磁异常，这方面的报道很多(Honkura,1981)。由于简单差分法忽略了外空源场对地面不同测点作用的差别。特别是平均高度约在110 km上空的电离层电流体系对相距几十千米至二三百千米的两测点的不同影响，在震磁关系的研究中是不容忽略的。为此，Rikitake提出了更为合理的加权差分法。通过对中国100多个核旋测点1990年10月～1998年12月资料的分析研究结果表明，加权差分法是一种在局部范围内提取地震前兆信息的较为合理而简便的方法(林云芳等，1992)。
在使用加权差分法时，需注意两点：①加权因子α的选取；我们采用二测点间线性相关关系Y=a+bX中的回归系数b，取其在正常情况和无震时的平均值作为α；②α值的适用时间应为3年至几十年。这是因为Fujita(1973)和Rikitake(1985)指出，外源场与地核源场的变化不同，局部地区磁异常的时间尺度必须小于地磁长期变的时间尺度。

4 对预报效果的评估

我们采用了一种比较简单而实用的评估预报地震效果的方法(朱若敏等，1998)。该方法由联合国经济与社会事务署(UNDESA)全球计划项目推荐的方法—地震短临及年度预报意见评定标准，简称“ESTAPE”。按该方法中的“地震三要素年度预报评分表”对每个年度的预报与实际发生地震的误差，计算评分。
地震三要素的预报误差计算按要求：①预报地点误差ΔR：一律取年度预报中所圈定危险区的几何中心的地理位置(λ0，0)与实际发生的震中位置(λ，)两点间的距离，单位为公里；②地震震级误差：一律采用面波震级MS。震级误差ΔMS=｜MS－MS0｜，MS0为预报震级的中值；③在一个次预报的危险区中，如发生多个地震，取分数最高的那个地震计分；④时间误差：在年度预报中，凡在所预报年的1月1日～12月31日内发生的地震，时间误差ΔT=0月。
由ΔT，ΔR和ΔMS查表所得分数分别为PT，PR和PM。考虑到预报地震三要素的难度各异，引入难度因子αT，αR和αM分别为0.3，0.4和0.3。预报效果以总分P计

P=αTPT+αRPR+αMPM (13)

1989年10月开始，我们用本文所述方法每年10～11月向主管部门(中国地震局地球物理所和中国地震局)正式提交地震趋势意见。1995年开始，每年年中(6月下旬)对下半年再提出补充预报意见。1989～1998年9年中，共提出了97个次危险区，其中虚报34个次，占预报总个次的34.0%。按ESTAPE表2计算的预报评分P≥60，85和90分的地震个次数分别为54，14和9，所占预报总个次的百分比分别为55.4%，14.4%和9.3%。图4显示了9年来P值按分数档次的结果。
表2列出了P≥85分的14个震例及预报效果计分。

表2 预报评分P≥85的14个震例

No 年-月-日 φ(°N) λ(°E) MS 地 点 ΔT/月 ΔR/km ΔMS PT PR PM P 方法
1 1990-2-10 31.7 121.0 5.1 江苏常熟 0 39 0.4 100 90.2 80.0 90.1 1
2 1991-3-26 40.0 113.9 5.8 山西大同 0 45 0.2 100 88.7 90.0 92.5 1
3 1991-5-30 39.7 118.3 5.2 河北陡河 0 55 0.3 100 86.4 85.0 90.1 1
4 1991-6-16 38.9 105.7 5.1 内蒙古阿左旗 0 92 0.4 100 77.9 80.0 85.2 1
5 1992-4-23 22.3 99.1 6.7 中缅边界 0 95 0.2 100 83.0 92.3 90.9 1,3
6 1993-1-27 23.1 101.1 6.3 云南普洱 0 39 0.2 100 92.8 92.3 94.8 1,3
7 1994-1-12 39.1 75.4 5.6 新疆喀什 0 31 0.1 100 92.2 95.0 95.4 1,3
8 1994-12-30 29.0 103.6 5.7 四川马边 0 5 0.2 100 98.7 90.0 96.5 1,3
9 1995-7-22 36.4 103.3 5.8 甘肃永登 0 29 0.3 100 92.7 85.0 92.6 1,3
10 1996-2-28 29.0 104.6 5.4 四川富顺 0 66 0.4 100 83.8 80.0 87.5 1,3
11 1996-11-9 31.8 123.1 6.1 长江口 0 87 0.6 100 84.4 76.7 86.8 1,3
12 1997-1-21 39.6 76.9 6.2 新疆伽师 0 42 0.2 100 92.2 92.3 94.6 1,2,3
13 1998-4-14 39.7 118.5 4.7 河北古冶 0 12 0.8 100 96.9 60.0 86.8 1,2,3
14 1998-3-19 40.1 76.7 6.0 新疆阿图什 0 165 0.0 100 71.8 100 88.7 1,2,3
注：最后一栏“方法”中的1，2，3分别表示转换函数法，加卸载响应比法，以及空间相关和加权差分法

图4 地磁方法预报地震效果评分(1990～1998)

5 问题与讨论

(1)1989年以来，我们采用转换函数法，加卸载响应比法，以及空间相关和加权差分法3种地磁方法分析研究了200多个震例，9年内，正式提交的97个次危险区有106个地震，其中对14个地震的时空强三要素预报较成功。表现在预报评分P≥85分(表2)。由于地下构造和介质分布的非均匀性，孕震过程的复杂性，地面测点分布的非均匀性，以及观测条件的限制，加上我们对震磁关系认识有限，使得目前的预报水平不高，表现在1989～1998年的9个年度中，虚报率为34.0%(33/97)，及格率为55.7%(54/97)，较成功率仅为14.4%(14/97)。
(2)总结经验，设3种地磁方法中的参量出现的异常量为a，当a≥(2～3)S后，有可能在磁异常区附近发生地震，S为参量在正常情况下的均方差。一般a≥2 S对应6级左右的中强震，a≥3 S对应6级以上的强震，或小于6级的近震。
(3)各个方法的异常出现时间不一。转换函数｜A｜或｜B｜为震前3年至地震当月；σz为震前2年至发震当月。空间相关法为震前14～10个月至震后1个月，加权差分法为震前6个月至发震当天。加卸载响应比法为震前1.5年至震前3天。
(4)各 方法所能控制的空间范围与地震的强度和地下构造有关。对MS=6～7.8的强度，最远的控制距离为550 km左右。对MS=3.5～5.0的地震，约为100～300 km。对MS=5～6的地震，约为300～350 km。
(5)出现在103 km量级的空间尺度范围内的特大磁异常，往往与未来8个月内该地区发生的罕见的气象巨灾有关(曾小苹，1992；曾小苹，1996)。
(6)我们推测，孕震区地幔物质的运动和岩石圈内的构造运动，使地下物质的孔隙和裂隙增大、运动、变形。这给地下水和深部热水汽的侵入创造了条件，导致地下介质的电导率增大，造成孕震区地磁场出现前兆异常。
根据电磁感应理论，转换函数和加卸载响应比方法所用资料分析的周期推算出地下电导率的深度约为700～1 000 km，而空间相关和加权差分法所用的核旋测值为地磁场的绝对值，其年变和长期变本身就与地核和地幔深度的物质运动有关。因此，可以推测孕震区地幔物质的运动对地震的形成和发生是有贡献的。也就是说，地震的“源”有可能来自深部的地幔处。

中国地震局地球物理研究所论著编号 99AC2060
作者单位：林云芳 曾小苹 赵 明 李 琪（中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所）
续春荣（中国北京 100085 中国地震局地壳应力研究所）

参考文献

续春荣，林云芳，吕桂芳等.1998.地球磁场对太阳风的加卸载响应与川滇中强地震.中国地震，14(2)：190～196
林云芳，续春荣，张继红等.1996.地球磁场对太阳风的加卸载响应与华北地震.空间科学学报，16，增刊，17～21
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曾小苹，林云芳.1995.地磁短周期变化异常对中国中强地震的响应.地震，1，29～36
曾小苹，林云芳，赵明等.1999.地球磁场局地异常与云南地震.地震地磁观测与研究，20(1A)：116～120
曾小苹，续春荣，赵明等.1996.地球磁场对太阳风的加卸载响应与地震.地震地磁观测与研究，17(1)：49～53
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曾小苹，林云芳，续春荣.1992.地球磁场大面积短暂异常与灾害性天气相关性初探.自然灾害学报，1(2)：59～65
曾小苹，林云芳，续春荣等.1996.地球磁场、天气、气候和气象灾害.见：中国科学院地球物理所“地磁大气空间研究及应用”编委会主编，“地磁大气空间研究及应用”，地震出版社，北京：393～396
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