2.1 研究机理
地磁主磁场长期变化的时间特征可由长期变时间谱看出,其时间尺度为数十年甚至上万年(徐文耀,2003)。F的长期变化是相对较稳定且缓慢的,王振东等(2017,2019)利用CHAOS-6和IGRF-12模型对2010—2016年14个地磁台站的观测数据描述的F都呈现逐渐增大趋势。而F夜间每日一值的逐日变化基本可以将这个近似于线性增大的长期变化反映出来。因此,正常情况下,研究区内磁场趋势上升/下降时,各台站F每日一值一阶差分为正/负值。只有当研究区内局部干扰源对磁场产生影响、导致区域内部分台站磁场变化不同步时,各台站一阶差分值才会出现正、负值同时出现。当正、负台站相对集中,将研究区在空间上划分为2～3个区域时,说明有较大电流通过该区域,导致磁场发生有规律的变化,即为F每日一值一阶差分异常。本文以2013年5月19日各台站F每日一值一阶差分dF为示意做等值线图,从图2可见,dF在35°N左右以北为正、以南为负,正、负值台站间有明显的分界线(0值线),且将空间区域划分为2个区域,就是本文所研究的地磁场总强度F每日一值一阶差分异常现象。该异常出现后的64天和211天,在dF的0值线附近分别发生了2013年7月22日岷县6.6级地震和2013年12月16日湖北巴东5.1级地震。
图2 2013年5月19日F每日一值一阶差分等值线空间分布
Fig.2 The spatial distribution of the first order difference isoline of F daily value on May.19,2013
dF的0值线出现是由于0值线两侧台站dF变化不同步所致。为看清这种变化细节,笔者取0值线两侧的乌鲁木齐—拉萨、银川—邵阳、锡林浩特—泉州等3组台站(图2中黑线所指台站)的dF数据进行分析研究,其2013年5月7—29日的逐日变化曲线如图3所示。从图中可以看到,各台
图3 2013年5月7—29日所选取6个台站的F每日一值一阶差分曲线
Fig.3 First-order differential curve of F daily value of six stations from May.7 to May.29,2013
站dF在0值附近有轻微波动,且基本同步。5月19日,乌鲁木齐、银川和锡林浩特台dF同为正值(红点),均位于dF正值区,而拉萨、邵阳和泉州台dF同为负值(蓝点),均位于dF负值区。但如果不进行正负标识,仅从图3很难看出这种差异,这也是绘制空间等值线的原因。
研究区内各台站dF出现变化不同步的现象,那么各台站在日变化上必然是有所差别的。因此,取2013年5月17—20日乌鲁木齐—拉萨、锡林浩特—泉州2个台站对的地磁场总强度F日变化分钟值(去均值)曲线(图4)进行详细分析,乌鲁木齐、锡林浩特台位于0值线北侧,拉萨、泉州要位于0值线南侧。从图4可以看到,5月17日和20日世界时16～20时(图中黑框)2个台站对数据基本重叠,而18,19日数据重叠效果较差,变化不同步,导致19日dF在0值线两侧出现一正一负的现象。
表1为2013年5月18—20日所选乌鲁木齐—拉萨、银川—邵阳、锡林浩特—泉州3个台站对的dF数据,18日6个台站dF均为负值,20日均为正值,而19日位于0值线北侧台站dF为正,其南侧台站dF为负,与图4中展示的结果一致,但更为清晰。19日的dF是利用19日数据减去18日数据获取的,且18,19日磁场数据小于17和20日同时段数据(图4),因此综合分析认为18,19日有附加磁信号,对0值线南侧磁场的削弱效果大于其北侧,造成区域出现一阶差分异常现象。此外,涉县—信阳、兰州—成都、湟源—道孚、泾阳—钟祥等台站数据亦出现同样的现象,但由于这几个台站对距离0值线较近,其一阶差分异常现象没有图4所展示得明显。
表1 5月18—20日3个台站对的dF数据
Tab.1 Data of dF of three pairs of stations from May.18 to May.20,2013 单位:nT
图4 2013年5月17—20日0值线两侧的2个台站对F分钟值变化曲线
Fig.4 The minute value variation curve of F between two pairs of stations on both sides of the zero value line from May.17 to May.20,2013
2.2 异常与地震对应结果
异常和震例统计中,时间上,以8个月为期,异常出现后最短发震时间为0天,最长为240天。考虑到8个月时间覆盖期较长,且根据统计结果发现有震异常中6个月内发震数占总发震数目的73%,是一个较为合理的占比,因此认为发震优势时段为异常出现后6个月内。地点上,结合磁异常震例分析认为距0值线300 km较为合适。震级上,由于地磁场变化具有区域效应,小震对地磁场影响较小且磁场变化混乱,因此对震级选择较高,以105°E为界限,不同地区震级范围分别为:大陆东部MS≥5.0地震、大陆西部及国界周边MS≥6.0地震、台湾地区MS≥6.5地震。幅度上(正值台站差分均值减去负值台站差分均值),对当日1～4 nT dF幅度值进行详细分析发现,小于3 nT时一阶差分等值线紊乱,大于3 nT空间上无变化,但提取异常天数急剧减小,因此幅度以3 nT为标准。
按照以上判据标准,统计研究区2008—2018年共4 017天内,满足判据的dF异常共有174组,占总天数的4%,排除57组负值台站分布散乱未能找到明显分界线的天数,共有117组满足时间判据标准,仅占总天数的3%,说明此现象不是频繁出现的。117组异常中,在异常出现后8个月内有满足震级和距离判据标准的地震发生有96组异常,异常和地震的对应率为82%。满足判据标准的地震共90次,55次地震前有dF异常现象出现,漏报地震35次,漏报率为39%; 大陆区域满足判据标准的地震共51次,漏报地震12次,漏报率为24%; 有异常对应的55次地震中,仅有6次地震为海域地震,占报对地震总数的10%,其余异常对应地震发生于中国大陆区域或者国界附近。这是由于大陆区域台站分布相对密集,对此信号捕捉能力较强,而海域仅沿海台站对其有指示意义,对信号的捕捉能力较弱。
2.3 震例分析
挑选具有代表性的几个异常震例进行详细分析,包括2008年5月12日汶川8.0级地震、2016年7月31日广西苍梧5.4级地震、2018年9月12日陕西宁强5.3级地震,对震前F每日一值一阶差分异常现象进行分析。
(1)2008年4月4日中国大陆地区出现F每日一值一阶差分正、负值台站分布较为集中的现象,正、负台站分界线(0值线)大致为NW—ES走向,如图5a所示。2008年5月12日及2008年11月10日在分界线边缘分别发生汶川8.0级地震和青海海西6.3级地震,2个地震震中均位于分界线附近300 km的范围内,发震日期距离异常日的天数分别38天和220天。
(2)2016年4月3日中国大陆地区出现F每日一值一阶差分正、负值台站分布较为集中的现
图5 2008年4月4日(a),2016年4月3日(b)及2018年7月14日(c)F每日一值一阶差分等值线空间分布
Fig.5 The spatial distribution of the first order difference isoline of F daily value on Apr.4,2008(a),on Apr.3,2016(b)and on Jul.14,2018(c)
象,正、负值台站分界线大约为南北转东走势,东南部地区一阶差分为负值,其余地区为正值,如图5b所示。2016年7月31日广西苍梧5.4级地震震中位于正、负分界线上,且分界线两侧一阶差分正、负值台站均匀分布,发震日期和异常日间隔为94天。
(3)2018年7月14日中国大陆地区出现F每日一值一阶差分正、负值台站分布较为集中的现象,正、负台站分界线(0值线)在中纬度地区呈W型走势,且0值线两侧一阶差分正、负值台站均匀分布,如图5c所示。2018年9月12日陕西宁强5.3级地震震中位于0值线边缘,发震日期距离异常日天数为60天。
