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2024 , Vol. 39 >Issue 4: 1369 - 1381

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0178

Application of abnormal changes in the lithospheric magnetic field in the northern section of the North-South Seismic Belt from 2020 to 2021 in earthquake prediction and forecasting

  • Yu ZHANG , 1, 2 ,
  • ShuangGui CHENG , 1, 2, * ,
  • WangSheng YAN 1, 2 ,
  • HuiYuan MA 1, 2 ,
  • Min YUE 1, 2 ,
  • Lei YANG 1, 2 ,
  • Guang LEI 1, 2 ,
  • Long YANG 1, 2
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Received date: 2023-06-18

  Online published: 2024-09-29

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Copyright ©2024 Progress in Geophysics. All rights reserved.
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Abstract

Severe changes in the local lithosphere, such as volcanic eruptions and earthquakes, can cause rapid changes in the regional lithospheric magnetic field. Geomagnetic scholars generally study the seismic magnetic relationship by monitoring changes in the regional magnetic field and selecting reasonable mathematical models.This article is based on the mobile geomagnetic observation data of the northern segment of the north-south seismic belt from 2020 to 2021. Through daily variation normalization correction, long-term variation correction, and stripping of the lithospheric magnetic field, the spatiotemporal distribution characteristics of the regional lithospheric magnetic field and the abnormal changes of magnetic elements at the locations of 7 moderately strong earthquakes are analyzed and studied. The results show that the horizontal vector of the lithospheric magnetic field in the study area forms several weak variation regions, The 7 moderately strong earthquakes discussed in this article all occurred within or at the edge of the weak variation zone of the horizontal vector of the lithospheric magnetic field, and there was a trend of turning, diverging, hedging, or magnitude mutation in the horizontal vector at the location of the earthquake; There is also a correlation between the annual variation contour lines of various elements of the lithospheric magnetic field and the location of earthquakes, as shown in the following: the "0" value line of the ΔD、ΔY、ΔZ、ΔF、ΔI、ΔX contour line shows a clear positional feature with moderate strong earthquakes, that is, the earthquake location is close to the "0" value line, and only from the distance between the earthquake location and the "0" value line, ΔD、ΔY、ΔZ is better ΔF、ΔI、ΔX, than three elements.This obvious change in seismic and magnetic characteristics has strong directionality in predicting the location of moderate to strong earthquakes; In addition, except for the Mangya earthquake with a magnitude of 5.5, all other earthquakes are relatively close to the anomaly areas designated based on the anomalies of the lithospheric magnetic field elements. Among them, the Menyuan earthquake with a magnitude of 6.9, the Malkang earthquake with a magnitude of 5.8/6.0, and the Zaduo earthquake with a magnitude of 5.9 are located within 30 km from the nearest abnormal change area of the lithospheric magnetic field, and the seismic effect is good.

Cite this article

Yu ZHANG , ShuangGui CHENG , WangSheng YAN , HuiYuan MA , Min YUE , Lei YANG , Guang LEI , Long YANG . Application of abnormal changes in the lithospheric magnetic field in the northern section of the North-South Seismic Belt from 2020 to 2021 in earthquake prediction and forecasting[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(4) : 1369 -1381 . DOI: 10.6038/pg2024HH0178

0 引言

人们从19世纪末就开始关注到地震会引起地磁场的异常变化，而震磁关系的理论与实验研究则始于20世纪50年代.近几十年来，美国(Johnston and Mueller, 1987；Fraser-Smith et al., 1900；Hayakawa et al., 1996)、日本(Johnston et al., 2006； Okubo et al., 2011)、中国(Xu et al., 2013； Han et al., 2014； Gao et al., 2020)等地的先进磁强计都观测到与地震活动有关的磁异常现象.在不断的研究实践中，研究人员提出了压磁效应、膨胀磁效应、感应磁效应(祁贵仲，1978；祁贵仲等，1981)、流变磁效应(郝锦绮等，1992)等理论，并将其用于解释震前观测到的地磁场异常变化.目前震磁观测的研究主要是以固定地磁台站为基础开展的，在我国以震磁前兆研究与地震监测预报为目的的地磁观测工作开始于1966年河北邢台7.2级地震(詹志佳等，1999)，在1978年河北唐山7.8级大地震后，为了适应我国大陆地震活动增强的形式，中国地震局(原国家地震局)先后在华北地区、川滇地区、郯庐断裂带等重点危险区布设了地磁监测网并编制了《地震地磁野外测量规范》(国家地震局，1986)，野外地磁监测网络是对固定地磁台站的重要补充.
目前中国地震局流动地磁监测网络是由中国地磁图的研究工作慢慢转变而成的(袁洁浩等，2018)，当中国地震局地球物理研究所领衔的团队在编制完成《2005.0年代中国地磁参考场(中国地磁图)》之时，发生了九江—瑞昌5.7级地震.研究团队认为地震周边区域存在以水平分量为主的异常表现(顾左文等，2006; 徐如刚等，2010).为继续追踪该异常的演化过程，探索有效的地震异常监测分析方法，中国地震局监测预报司首次开展了流动地磁矢量观测的地震监测工作.由此，流动地磁矢量观测由基础科学研究走向了地震监测和预测工作(顾左文，2017).地磁野外测点的网络由最初的华北地区和南北地震带逐渐扩展到全国，其中2013年增加了南北天山监测网络，2014年增加了阿尔金-祁连山监测网络，2016年又增加了贵州、广西、广东、福建、湖南和江西六省监测网络.就映震效果来说流动地磁矢量观测的地磁异常区在中国大陆，尤其是南北地震带上的发震地点有良好的反应，在地震的预测预报应用中起到了积极的促进作用.
本文基于2020—2021年南北地震带北段以及阿尔金-祁连山地区岩石圈磁场差值变化与2022年发生在研究区域≧5.5级的中强地震的关系，再结合中国地震局流动地磁团队划定的异常区域来归纳震前磁要素的异常特征, 为该区域中强震发震地点的预测提供震磁异常判断的佐证.

1 地磁野外测量概况

根据地震监测预报工作的需要，据统计截止2021年，中国地震局流动地磁团队在全国布设了1372个地磁测点，有13家省级地震局在全国开展地磁测量工作，其中在南北地震带、华北、南北天山等重点地区有比较密集的监测网络，青海西南部、西藏大部、新疆东部、内蒙古西部和北部因自然条件恶劣、交通不便等因素，测点分布较少或者无测点分布. 本文的研究区域(30.90°N—41.41°N，90.84°E— 103.93°E)为地震的频发区域，据统计，仅2022年发生4级以上地震40次，5级以上14次，5.5级以上地震7次，中国地震局流动地磁技术团队在该区域布设有162个测点，研究区域的西北部(新疆)和东北部(内蒙古)无测点分布，青海省的中部地区监测网络也较为稀疏(图 1).研究区域的测量单位主要有甘肃省地震局、青海省地震局和四川省地震局，测量目标为地磁矢量三要素，包括总强度F、磁偏角D、磁倾角I. 测量时间集中于当年5—8月，测量方式为同一测点重复观测，周期为一年.
图1 测点分布

Fig 1 Distribution of measurement points

各单位测量所需要的主要设备有GMS-19T质子旋进磁力仪、CTM-DI磁力仪, 其中GMS-19T质子旋进磁力仪主要用于总强度测量，CTM-DI磁力仪用于磁偏角、磁倾角的测量.GMS-19T质子旋进磁力仪、CTM-DI磁力仪精度高、性能稳定，便于携带，使用灵活简便，十分适合野外地磁观测，表 1为测量所需设备主要技术指标.
表1 各类设备主要技术指标

Table 1 Main technical indicators of various equipment

型号 分辨率 精度 采样率 记录方式 备注
CTM-DI磁力仪 0.1′ 0.2′ 人工读数 人工录入电脑 野外测量所需
GMS-19T磁力仪 0.01 nT 0.2 nT 人工读数 人工录入电脑 野外测量所需
GPS-差分仪 水平5 mm+10-6，垂直10 mm+10-6 0.2 s 无 自动存储 野外测量所需

2 地磁测量及资料处理

2.1 地磁测量

地磁测量的主要目标是获取区域或重要断裂部位磁场的异常变化，来服务于地震的监测预报和科研工作，因此测量必须确保资料的准确可靠.磁测资料的准确性受限于仪器设备、测量方法、测量环境以及资料处理等(詹志佳，1998).仪器设备是获取高质量地磁数据的决定性因素，以上论述已经对仪器设备的精度进行了详细的说明，各单位在测量前后都会对仪器设备进行比测，深入掌握本单位各套仪器设备的仪器差数据、仪器性能等，以便对磁测数据进行校正.以下简单解说地磁测量的步骤与注意事项：
(1) 选点：收集测量区域地震地质背景、地质构造、交通、水文、人口密度等基础资料，测点选在环境良好，无电磁干扰源的地点，选用弱磁性的石灰岩材料(磁化率参数)作为测桩/板.
(2) 建点：用指南针、水平仪校准测桩/板的方位，如是测板则需埋深20~30 cm以防破坏，副点建在距离主点20~30 m处，建点方法与主点相同.
(3) 梯度测量：在测量之前需要确定主副点梯度是否满足要求(复测时副点不需测量梯度)，在水平方向以测桩/板为中心沿东西和南北方向各10 m的十字交叉线上，以1 m为间距测量各点水平梯度；在垂直方向上在测桩/板正上方0.5 m、1 m、1.5 m、2 m为间距测量垂直梯度.测量时需保证主点GMS-19T磁力仪均匀读数，副点的GMS-19T磁力仪同步观测地磁场总强度，梯度测量完成后需交换主副点GMS-19T磁力仪进行地磁场强度观测，以便获取主副点的点位差及仪器差(仪器差与测量前比测结果一致).
(4) 建点之记：以上步骤完成后需要制作包含点位差、交通路线图、测点照片以及测点所处位置等详细基础信息的点之记.
(5) 测点经纬度、方位角的测量：目前各单位均使用GPS-差分仪测量经纬度、高程等信息.GPS-差分仪测量至少测量两组以确保地磁数据测量前后方位角满足小于6″的要求.
(6) 地磁场矢量要素的测量：在主点架设“无磁或弱磁”三脚架，距离主点200 m外架设标志点，测量6组地磁场三要素值，每组测量时间控制在4~9 min，有3名测量人员同步完成.
(7) 复测：对于在测量时出现的地磁场变化较大或数据处理后发现的单点引起的地磁数据局部异常的测点，均需及时落实地磁变化的异常并根据实际需要展开复测.
以上测量步骤都严格按照《流动地磁测量基本技术要求(试行)及其规范性附录》执行.

2.2 资料处理

在数据处理过程中，主要进行日变通化改正、长期变化改正和岩石圈磁场差值等处理步骤，其目的是消除外源磁场和主磁场等成分，建立岩石圈磁场年变化模型，进而描述岩石圈磁场时空变化特征，数据处理的过程采用标准的“流动地磁监测数据处理流程”(陈斌等，2017).具体方法如下:
(1) 日变通化改正：采用“地磁台网泰勒多项式空间参考场法”，利用观测区周边地磁台站连续观测分钟值数据，对地磁测量数据进行日变通化改正，达到消除外源场及规则的日变场成分的目的.其中心思想是测点某一地磁要素Ti时刻的测量值与Ti时刻通化值之差与距离测点最近台站(网)该地磁要素Ti时刻的测量值与日变通化日T0(地方时午夜00:00~03:00)的测量值之差相等，此步骤对通化日的选择较为严苛.表达式为：
其中M为地磁场某一要素值.
公式(1)中涉及到了三次近似处理：一是用台站日变通化日T0时刻的测量值替代台站日变通化日T0时刻的内源场值，这一近似要求对T0的选择较为严苛，一般选择磁场日变形态极为平静日的当地午夜00：00~03:00作为T0时刻，以求达到该时刻磁场测量值中包含的外源场部分最少；二是用台站T0时刻的内源场值替代台站Ti时刻的内源场值，这种近似要求T0距离Ti的时间长度不宜较长；三是用台站Ti时刻的外源场值替代测点同时刻外源场值, 采用这种近似处理是由于包含规则日变场的外源磁场空间分布较为均匀，空间信号尺度较大(陈斌等，2017).
(2) 长期变化改正：长期变化改正的目的是消除地球主磁场的变化成分.采用“1995.0—2021.0中国地区地磁场基本场长期变自然正交(NOC)模型”，对日变通化改正数据集进行长期变化改正，本文将日变通化后的数据集统一归算至2020.0地磁标准年代.
(3) 岩石圈磁场差值：以IGRF-12为该区域地球主磁场模型，将两期2020.0标准地磁年代长期变改正数据与IGRF-12(2020.0)主磁场模型的数据进行差值计算.将相邻两期岩石圈磁场相减，可获得相邻两期岩石圈磁场年度变化模型.本文即利用岩石圈磁场年变化量ΔM来分析岩石圈磁异常时空变化特征.本文中使用的岩石圈磁场年变化ΔM数据资料见表 2.
表2 岩石圈磁场要素年变化统计

Table 2 Annual variation statistics of magnetic field elements in the lithosphere

测点号 东经/(°) 北纬/(°) ΔD/(′) ΔI/(′) ΔF/nT ΔX/nT ΔY/nT ΔZ/nT
注：表 2中ΔD、ΔI、ΔF、ΔX、ΔY、ΔZ分别表示岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、总强度、北向分量、东向分量、垂向分量的年变化量.
CGSG046 96.98 41.21 1.39 -0.18 3.55 4.38 10.67 1.75
BGSG001 95.29 41.08 0.55 0.31 -3.92 -6.27 4.28 -1.09
CGSG051 96.15 40.95 0.22 0.16 -4.94 -4.60 1.71 -3.13
CNMG093 103.57 40.72 0.80 0.48 6.28 -3.55 6.54 9.30
CGSG041 99.41 40.72 1.24 0.09 2.01 -0.05 9.73 2.47
CGSG055 94.99 40.55 -0.13 0.35 -0.37 -5.16 -0.99 2.39
CGSG052 96.76 40.42 -0.25 0.29 -3.24 -5.74 -1.95 -0.54
CGSG053 95.82 40.24 -0.07 0.03 -0.28 -0.60 -0.51 0.02
BGSG002 99.02 40.17 0.58 0.31 1.37 -3.73 4.68 3.71
CGSG056 94.82 40.05 -0.03 0.11 -4.40 -3.72 -0.24 -2.95
CNMG092 103.77 40.03 -0.07 -0.25 11.39 9.07 -1.08 7.91
CGSG058 94.05 39.93 -0.19 0.24 -2.30 -4.54 -1.46 -0.09
CGSG044 96.75 39.81 0.82 0.20 0.06 -2.66 6.68 1.63
CGSG042 97.66 39.73 0.32 0.27 0.45 -3.60 2.67 2.60
CNMG101 100.55 39.72 1.98 0.01 0.85 0.85 16.01 0.79
BNMG016 103.14 39.70 0.52 0.47 7.08 -2.92 4.32 9.95
CNMG097 102.73 39.56 1.51 0.38 -6.51 -8.11 12.67 -2.52
CNMG099 101.29 39.55 1.94 0.08 3.13 0.96 15.69 3.39
CGSG040 99.04 39.54 1.37 -0.19 4.14 5.11 10.99 2.00
CGSG078 99.74 39.48 1.12 -0.03 2.99 2.21 9.06 2.33
CGSG057 94.26 39.42 0.38 -0.02 2.51 1.63 3.12 1.96
CGSG054 95.58 39.22 -0.46 0.05 -4.64 -3.02 -3.72 -3.61
CNMG098 101.61 39.21 0.77 0.09 -2.67 -2.31 6.35 -1.60
CGSG070 100.49 39.09 1.43 0.38 3.75 -3.02 11.83 6.35
CGSG038 102.59 39.02 1.55 0.28 0.57 -3.03 13.03 2.81
CGSG037 103.65 38.91 1.37 0.59 -1.03 -8.21 11.85 4.04
CQHQ048 95.49 38.83 0.13 0.45 -0.63 -6.56 1.07 3.18
CQHQ050 94.41 38.81 -0.93 -0.23 -3.23 1.45 -7.64 -4.64
CGSG043 96.37 38.78 0.44 -0.04 -2.62 -0.74 3.68 -2.58
CQHQ043 98.51 38.76 0.18 0.40 -2.95 -7.09 1.64 0.83
CQHQ044 98.03 38.69 0.42 0.37 -4.84 -7.47 3.63 -1.13
BQHQ009 93.25 38.65 -0.50 0.24 -5.41 -6.01 -4.19 -2.69
CGSG019 102.24 38.56 0.98 0.41 -2.41 -6.64 8.40 1.41
CGSG020 101.43 38.46 0.73 0.09 -1.86 -1.99 6.20 -0.83
CQHQ041 99.63 38.41 1.19 0.22 1.81 -1.83 9.94 3.39
BGSG004 103.28 38.38 1.10 0.18 1.60 -1.21 9.29 2.87
CQHQ045 98.26 38.34 -0.42 0.38 -4.42 -7.61 -3.37 -0.58
BQHQ005 94.72 38.22 -0.05 0.43 -5.04 -8.55 -0.46 -0.67
CQHQ010 100.19 38.17 0.58 0.37 0.39 -4.67 5.05 3.43
CQHQ081 92.42 38.07 0.37 0.30 -5.10 -6.74 3.06 -1.86
CQHQ042 98.84 37.97 0.73 0.50 -3.34 -8.48 6.36 1.42
CGSG018 102.12 37.89 0.22 1.18 7.99 -11.61 2.32 16.74
CQHQ047 95.41 37.80 -0.40 0.22 1.72 -2.13 -3.35 3.34
CGSG017 102.72 37.79 -0.05 -0.03 1.73 1.30 -0.47 1.21
CQHQ009 100.53 37.76 0.60 0.35 -3.87 -6.63 5.28 -0.32
CQHQ046 96.46 37.75 1.06 -0.13 -5.43 -1.00 9.01 -5.71
CNMG083 103.91 37.74 -0.42 0.01 4.96 2.35 -3.67 4.27
CQHQ008 101.27 37.73 0.22 0.32 -7.62 -8.28 2.21 -3.76
CQHQ049 93.58 37.71 -0.38 0.13 -7.70 -5.78 -3.20 -5.45
BQHQ008 97.32 37.38 0.12 0.20 -0.87 -3.07 1.07 0.93
CQHQ015 98.08 37.34 -0.02 0.60 -2.06 -9.12 -0.04 3.40
CQHQ007 101.43 37.24 0.19 0.35 -2.30 -5.91 1.80 1.12
CGSG016 102.85 37.24 -0.30 0.08 4.28 1.14 -2.64 4.29
CQHQ013 98.93 37.23 -0.29 0.53 -3.50 -9.09 -2.33 1.65
CQHQ005 102.06 37.17 -0.33 0.22 -0.38 -3.22 -2.70 1.56
CQHQ012 99.71 37.16 0.81 0.64 -4.11 -10.61 7.18 2.04
CQHQ011 100.54 37.16 0.05 0.51 -6.88 -10.47 0.82 -1.42
CQHQ014 98.39 37.09 0.52 0.41 -4.07 -7.52 4.67 0.07
CQHQ006 101.06 36.89 0.26 0.46 0.61 -5.62 2.39 4.46
CQHQ017 98.92 36.76 0.48 0.68 -4.57 -11.41 4.46 2.08
CQHQ018 99.76 36.74 -0.08 0.68 0.38 -8.82 -0.47 6.22
CGSG015 103.35 36.65 0.49 0.02 6.88 3.74 4.12 5.90
CQHQ019 100.57 36.55 0.73 0.70 -3.77 -11.07 6.66 2.97
CQHQ004 102.15 36.52 0.87 -0.16 -1.58 1.49 7.56 -2.70
BQHQ004 98.62 36.45 0.19 0.08 1.29 -0.31 1.63 1.78
CQHQ055 94.38 36.43 -0.14 0.20 -2.33 -3.94 -1.28 -0.17
CQHQ016 98.18 36.43 1.00 0.23 3.72 -0.80 8.84 5.13
CQHQ067 95.60 36.41 -0.04 0.35 1.80 -3.56 -0.28 4.54
CQHQ057 96.34 36.39 0.14 0.22 0.42 -2.62 1.23 2.27
BQHQ003 100.99 36.38 0.55 0.43 -2.35 -6.73 5.07 1.78
CQHQ072 99.52 36.34 -0.15 0.43 4.83 -3.00 -1.26 7.81
CQHQ058 96.99 36.25 0.50 0.45 -1.87 -6.87 4.51 2.41
CQHQ075 100.37 36.10 0.46 0.54 -0.64 -7.28 4.26 4.25
CQHQ003 101.45 36.07 0.10 0.28 0.16 -3.52 1.02 2.61
CQHQ002 102.05 36.02 0.01 0.21 -0.90 -3.23 0.22 1.12
CQHQ066 94.83 36.01 -0.34 0.31 -0.18 -4.14 -2.95 2.60
CQHQ056 97.71 36.00 -0.67 0.08 -5.52 -4.22 -5.85 -3.88
CGSG082 103.40 35.97 0.12 0.04 6.85 3.41 0.95 5.99
CQHQ074 99.55 35.80 0.78 0.77 -4.81 -12.49 7.25 2.89
CQHQ065 94.32 35.72 -0.46 0.41 -0.76 -5.75 -4.02 3.05
CQHQ076 101.08 35.70 0.46 0.49 0.03 -6.15 4.32 4.40
CGSG014 102.83 35.67 0.18 0.00 8.54 4.93 1.42 7.02
CQHQ001 101.97 35.46 0.51 0.35 -1.04 -4.99 4.76 2.36
CQHQ064 93.62 35.44 -0.05 0.39 -1.31 -5.70 -0.43 2.38
CGSG013 102.92 35.36 0.61 0.35 1.04 -3.60 5.60 3.98
CQHQ024 99.98 35.36 0.07 0.63 -7.60 -12.41 0.93 -0.54
CGSG012 103.87 35.31 0.32 0.13 6.25 2.07 2.73 6.29
CQHQ025 99.00 35.28 1.79 0.67 -8.24 -12.93 16.47 -0.68
CQHQ023 100.58 35.24 0.24 0.59 -3.23 -9.23 2.47 2.62
CGSG072 102.44 35.13 0.22 0.29 4.88 -0.76 1.98 6.58
CQHQ026 97.80 35.11 -0.15 0.79 0.21 -9.94 -1.19 7.32
CQHQ059 93.03 35.09 -0.51 0.28 -6.58 -7.40 -4.59 -2.80
CQHQ020 101.45 35.02 -0.38 0.20 -0.62 -2.97 -3.40 1.28
CQHQ078 94.75 34.92 -0.52 0.58 -3.49 -9.31 -4.70 2.36
CGSG033 102.99 34.86 0.14 -0.12 2.60 3.09 1.16 1.00
CQHQ027 98.32 34.84 0.25 0.19 -6.22 -5.89 2.36 -3.38
CQHQ022 100.79 34.73 0.24 0.75 1.39 -8.49 2.47 7.93
CQHQ021 101.59 34.71 0.30 0.23 -3.93 -5.04 2.94 -1.13
CGSG032 103.55 34.66 0.53 -0.20 5.83 6.23 4.58 2.81
CQHQ034 99.73 34.64 -0.55 0.82 -3.92 -12.66 -4.68 4.27
CQHQ028 98.02 34.64 0.55 0.34 -1.49 -5.00 5.07 1.87
CGSG034 102.27 34.60 0.68 0.13 5.99 2.13 6.10 6.03
CQHQ054 95.45 34.56 -0.09 -0.04 -3.18 -1.41 -0.77 -2.91
CQHQ033 99.20 34.50 1.18 0.41 -2.81 -6.47 10.93 1.45
BQHQ002 92.73 34.48 -0.65 0.13 -4.90 -4.52 -5.96 -2.75
BQHQ007 100.23 34.45 0.20 0.22 -10.26 -8.79 2.13 -6.23
CGSG079 101.29 34.24 0.31 0.13 4.90 1.40 2.82 5.13
BGSG005 102.40 34.22 0.40 -0.08 5.53 4.47 3.50 3.66
CQHQ029 97.78 34.20 0.18 0.92 -1.79 -12.34 1.88 6.97
CGSG031 103.25 34.04 0.74 0.23 1.51 -1.68 6.91 3.37
CGSG030 103.93 34.02 0.48 -0.20 -1.51 1.76 4.35 -3.07
CGSG035 102.08 33.96 0.11 0.07 11.19 5.98 0.81 9.54
CQHQ035 99.88 33.95 0.24 0.29 -7.73 -8.24 2.47 -3.42
CQHQ053 96.45 33.89 0.15 0.42 -0.73 -5.50 1.47 3.25
BQHQ006 95.70 33.87 -0.46 0.41 -5.04 -8.10 -4.12 -0.23
CQHQ030 97.14 33.79 1.05 0.46 -3.48 -7.50 9.85 1.44
CQHQ032 98.98 33.67 0.89 0.76 1.73 -7.90 8.46 8.36
CSCC004 103.00 33.55 0.59 -0.10 -1.83 0.34 5.56 -2.41
CQHQ039 100.93 33.49 0.68 -0.45 -3.20 3.64 6.30 -6.71
CQHQ061 91.94 33.47 -0.73 0.54 -7.93 -11.38 -6.75 -1.24
CQHQ040 101.49 33.45 0.75 0.28 1.71 -2.08 7.08 3.95
CQHQ037 100.12 33.44 1.04 -0.48 -3.04 4.23 9.65 -6.91
CQHQ082 96.18 33.40 0.25 0.49 -4.40 -8.64 2.45 1.14
CSCC006 102.50 33.34 0.58 -0.41 -4.07 2.58 5.38 -7.01
CSCC002 103.79 33.33 0.70 0.32 -4.15 -6.22 6.80 -0.19
CQHQ031 97.49 33.22 -0.33 0.21 -5.88 -6.17 -3.02 -2.68
BQHQ001 97.05 33.03 0.17 0.45 -6.98 -9.71 1.80 -1.22
CSCC012 98.09 32.96 -0.43 -0.16 0.94 2.41 -4.14 -0.77
CSCC005 103.10 32.96 0.26 -0.40 3.02 6.65 2.22 -1.36
CQHQ052 95.98 32.96 0.13 0.61 -4.16 -9.75 1.30 2.42
CQHQ051 96.43 32.95 -0.17 0.56 -1.25 -7.44 -1.49 4.29
CQHQ038 100.81 32.92 -0.22 0.24 -0.13 -3.00 -1.95 2.18
CSCC008 101.73 32.92 -0.08 -0.11 4.41 4.08 -0.89 2.37
CQHQ077 95.35 32.88 -1.04 0.76 -7.29 -13.61 -9.70 1.43
CSCC007 102.48 32.78 0.97 0.10 0.93 -0.25 9.21 1.66
BXZZ013 91.90 32.77 0.54 -0.48 7.84 10.59 5.08 1.57
CSCC009 99.81 32.56 0.19 -0.23 1.39 3.67 1.75 -1.15
BSCC003 103.59 32.53 0.61 -0.02 -0.61 0.12 5.73 -0.69
CSCC011 98.44 32.49 1.22 0.60 0.93 -6.21 11.79 6.42
CXZZ001 97.98 32.48 0.33 1.10 -0.39 -13.14 3.41 10.22
CXZZ033 91.68 32.18 1.24 -0.52 7.72 10.84 11.76 1.06
CSCC060 100.30 32.09 0.94 0.17 -0.79 -2.17 9.07 0.98
CXZZ030 90.85 31.98 -0.34 0.04 12.88 7.85 -3.26 10.23
CXZZ028 94.11 31.92 -0.23 -0.38 6.06 8.32 -2.32 0.95
CSCC059 100.87 31.90 0.52 0.37 -2.66 -5.81 5.20 1.53
CSCC057 102.17 31.90 0.27 0.02 -0.18 -0.36 2.59 0.15
CSCC046 99.29 31.89 -0.64 0.13 3.69 0.67 -6.14 4.12
CSCC045 98.59 31.88 0.98 0.08 0.00 -0.70 9.50 0.75
CXZZ027 92.86 31.85 -0.28 0.28 9.44 2.84 -2.71 9.93
BXZZ012 94.87 31.68 -1.71 -1.18 -0.05 13.28 -16.61 -11.42
BXZZ011 91.86 31.67 0.01 -0.46 10.67 12.11 0.09 3.72
CSCC087 100.01 31.64 0.35 0.54 1.99 -4.81 3.51 6.75
CSCC055 102.46 31.50 0.04 -0.32 0.03 3.67 0.23 -3.10
BSCC002 100.54 31.49 0.71 0.25 -0.29 -2.79 7.04 2.17
CSCC056 102.08 31.47 -0.56 -0.12 0.21 1.31 -5.47 -1.01
CXZZ023 95.58 31.40 -0.51 -0.29 11.37 10.59 -5.05 5.86
CSCC052 103.49 31.38 0.55 0.00 0.69 0.59 5.30 0.55
CSCC043 99.57 31.20 0.12 0.35 -0.82 -4.40 1.26 2.76
CXZZ021 97.08 31.19 -0.83 -0.25 18.37 14.78 -8.30 11.39
CXZZ022 96.50 31.09 -1.83 -0.53 6.57 10.11 -18.12 -0.31
CXZZ024 91.78 31.06 -0.34 -0.64 4.90 10.34 -3.32 -2.54
CSCC051 103.14 31.00 0.53 -0.19 -1.81 1.07 5.20 -3.19

3 岩石圈磁场的变化特征及异常区域判定

3.1 岩石圈磁场矢量与地震的分布

地磁场是矢量场，一般用总强度F、磁偏角D、磁倾角I、北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z、水平分量H七要素来表达地磁场的强度和方向等信息.在不同的坐标系下地磁要素也不同，地磁场七个要素之间并不互相独立(丁鉴海等，2011).在直角坐标系下，我们可以根据地磁要素之间的关系解算出水平分量的变化量ΔH、东向分量的变化量ΔY、北向分量的变化量ΔX和垂直分量的变化量ΔZ，水平矢量为东向分量和北向分量的合成，经过研究和震例总结认为水平矢量的变化与发震位置对应关系较好，主要表现在发震位置周边水平矢量会形成方向转变和量级突变的弱变化区域，笔者认为弱变化反应的是地下应力或应变能变化的一种过渡状态，是潜在孕震区域岩石圈磁场异常变化的表现.因为地震过程是岩石圈能量的积累、聚集、和释放的过程，伴随此过程，孕震区及周边地下介质的物理状态将会改变，例如温度、应力、应变状态等，而这些会引起岩石磁化率的变化，并将反映为局部的磁异常(白春华等，2023；王安琪和冯彦，2023；冯丽丽，2015).弱变化区域一般包括以下两种形式：一是水平矢量在大范围内呈现出方向的一致性且大小相当，局部方向发生改变且大小减小，这个“局部位置”为弱变化区域；二是水平矢量在大范围内呈现出内、外两个区域，外部方向一致大小相当，而内部方向无规律且大小变小，内、外区域的交汇区域为弱变化区(倪喆等, 2014, 2017；王璨等，2018；赵慧琴等，2021)，以下讨论的弱变化区均根据以上两种形式绘制.
图 2a显示水平矢量的大小存在着明显的分界，研究区域的西部、北部、中部小于东部和南部，在青海、西藏交接地带、玛沁地区出现量级突然增大的情况；水平矢量的方向除在青海、西藏交接地带出现反向对冲外其余区域均表现出北东向和北南向的整体趋势.依据对上述弱变化的理解在研究区域绘制了数个大小不等的弱变化区，可以看出2022年发生的德令哈6.0/5.8级地震、门源6.9级地震、杂多5.9级地震、马尔康6.0/5.8级地震均落在弱变化区内部或者边缘地带，茫崖5.5级地震距离弱变化区较远，虽不能确定其原因但该区域测点稀疏，边界效应无法很好约束是一种解释.从图件中还可以发现在地震震中及周边水平矢量出现了转向、对冲或发散的现象，因此笔者认为水平矢量转向、对冲、发散以及弱变化区是中强地震预测的重要参考指标.
图2 岩石圈磁场矢量分布

Fig 2 Vector distribution of magnetic field in the lithosphere

图 2b显示垂直矢量并不存在整体的优势方向，在青海和西藏的交界地带矢量量级出现了增大的情况，这与水平矢量在该区域的表现较为相似.从图 2b中可以看出德令哈6.0/5.8级地震、门源6.9级地震、杂多5.9级地震、马尔康6.0/5.8级地震震中周边100 km范围内出现了对冲现象，茫崖5.5级地震周边未出现对冲或量级突变的变化.

3.2 岩石圈磁场要素零值线与地震的分布

许多学者认为地震能量在某一区域内的输入、集中和转移能够引起局部的岩石圈磁场的变化(倪喆等，2014；陈斌，2011；赵慧琴等，2017；宋成科等，2017)，因此通过监测岩石磁场的局部异常变化来研究震磁关系是有理论基础的，也得出许多结论，如1900年以来华北地区7.0级以上地震震中分布与岩石圈磁异常场磁偏角、北向分量、东向分量以及垂直分量“0”值线的分布位置关系密切(顾春雷等，2012).本节以岩石圈磁场要素“0”值线与地震的发震位置的关系展开分析.图 3a—f分别为磁偏角分量的变化量ΔD、磁倾角分量的变化量ΔI、总强度的变化量ΔF、北向分量的变化量ΔX、东向分量的变化量ΔY及垂直分量的变化量ΔZ的等值线分布, 从图 3可以看出，ΔD和ΔY的等值线分布即图 3a和图 3e极为相似，ΔF和ΔX分量的等值线分布即图 3c和图 3d也较为相似.震中位置与岩石圈磁场各要素零值线的距离统计如表 3所示.从表 3可以看出茫崖5.5级地震发震位置距离各要素的“0”值线在60~210 km之间，比其他中强震与各要素的零值线距离远得多，虽不能确定造成这种现象的原因，但茫崖5.5级地震震中及周边测点稀疏，只在震中东北部有测点分布以至无法做到有效的边界约束是一种解释.马尔康6.0/5.8级地震震中距离岩石圈磁场各要素的“0”值线在10~50 km，杂多5.9级地震震中距离岩石圈磁场各要素的“0”值线在10~60 km，门源6.9级地震震中距离岩石圈磁场各要素的“0”值线在10~120 km、德令哈6.0/5.8级地震震中距离岩石圈磁场各要素的“0”值线在50~150 km，因此笔者认为岩石圈磁场要素“0”值线是地震预测的一个重要指标.从表 3中还可以看出，ΔD、ΔY、ΔZ要素“0”值线距离本节所讨论的中强地震震中位置较ΔI、ΔF、ΔX均近，因此笔者也认为就地震预测预报而言，ΔD、ΔY、ΔZ要素“0”值线的分布与发震位置距离的相关性和准确性优于其他三个磁要素“0”值线的分布.
图3 岩石圈磁场各要素等值线分布

ΔD、ΔI间距为0.1′，ΔF、ΔX、ΔY、ΔZ间距为1 nT.

Fig 3 Isoline distribution of various elements of the lithospheric magnetic field

ΔD、ΔI spacing is 0.1′, ΔF、ΔX、ΔY、ΔZ spacing is 1 nT.

表3 震中岩石圈磁场要素变化统计表

Table 3 Statistical table of changes in magnetic field elements in the epicenter lithosphere

地震 震中
水平矢量的变化形态 与弱变化区的距离/km 垂直矢量的变化形态 与ΔD“0”值线距离/km 与ΔI“0”值线距离/km 与ΔF“0”值线距离/km 与ΔX“0”值线距离/km 与ΔY“0”值线距离/km 与ΔZ“0”值线距离/km
门源MS6.9 转向 70 对冲 50 120 40 120 50 10
德令哈MS5.8/6.0 转向 40 对冲 50 40 140 150 50 80
马尔康MS5.8/6.0 发散/变小 0 无异常变化 10 50 30 10 10 50
杂多MS5.9 转向对冲 0 变小 60 50 10 20 60 50
茫崖MS5.5 转向 170 无异常变化 60 170 210 210 60 150

3.3 岩石圈磁场异常变化区域的划定及地震预测效能分析

根据以上两节的分析，笔者认为可以通过以下顺序和要素的异常变化来综合判断岩石圈磁场异常变化区域：(1)通过水平矢量方向在局部的明显变化包括转向、对冲、发散以及量级突变的变化来确定弱变化区域，笔者认为可以将弱变化区域理解为某种意义上应力集中变化的缓冲区；(2)在弱变化区域内部或者边缘地带找出弱变化最明显的区域；(3)用与其他岩石圈磁场分量零值线的距离来验证和调整弱变化最明显的区域；(4)结合区域构造地质背景以及目前的震磁研究结论和断层的复发周期等再次分析调整异常区域，具体步骤以及判定异常区域所参考的要素统计见表 4.
表4 岩石圈磁场异常区判定要素统计表

Table 4 Statistical table of elements for determining magnetic field anomalies in the lithosphere

要素名称 判定参考依据 备注
水平矢量 方向(旋转、对冲、旋涡、发散等)；量级突变 异常区判定最基本、重要要素；弱变区的生成
弱变区 1.矢量在大范围内呈现出方向的一致性且大小相当，但在局部方向发生改变且大小减小；2.矢量在大范围内呈现出内、外2个区域，外部方向存在一致性且大小相当，而内部方向无规律且量级小 地震大概率发生弱变区内部或者边界
垂直矢量 方向对冲、发散；量级突变 异常区判定重要要素
ΔD/ΔY/ΔZ/ΔF/ΔI/ΔX分量零值线 中强地震大概率发生在等值线零值线附近 验证矢量判定结果；重要的异常判定要素
地质背景 1.中强地震大概率发生在主断层上；2.考虑断层活动周期等；3.地震大概率发生在地震活动性强的区域 验证矢量判定结果以便综合分析异常区
其他前兆研究成果等 参考重要断层周围区域其他地球物理异常如流体、形变等地球物理异常变化 验证矢量判定结果以便综合分析异常区
依据表 4中的主要异常区判定要素以及行业专家的意见，中国地震局流动地磁团队2021年10月在研究区域划定了5个面积大小不等的岩石圈磁场异常变化区，如图 2和图 3所示.经震后统计，门源6.9级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区30 km，马尔康5.8/6.0级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区20 km，杂多5.9级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区20 km，德令哈6.0/5.8级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区160 km，茫崖5.5级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区280 km，茫崖5.5级地震震中附近测点稀少，本文所讨论的岩石圈磁场异常模型对该地震预测意义不大.因此笔者认为利用岩石圈磁场要素异常变化判定的异常区在该区域2022年中强地震发震地点的预测上效果良好.

4 结论与讨论

2022年发生在研究区域的7次大于5.5级的中强地震，在震前岩石圈磁场各要素均发生了不同程度的异常变化，总体来说异常主要表现以下几个方面：
(1) 矢量方向和大小的局部异常变化，水平矢量均出现了转向、发散、对冲或量级突变的趋势，也形成了数个水平矢量的弱变化区域，笔者认弱变化区域的可以理解为某种意义上应力集中变化的缓冲区，7次中强震均发生在弱变化区内部或边缘地带，对中强震发震地点预测有较强的针对性.
(2) 本文涉及到的中强地震在岩石圈磁场中表现出较明确的位置特征，发震位置与ΔD、ΔY、ΔZ、ΔF、ΔI、ΔX“0”值线均较近，因此上述要素“0”值线分布是中强地震预测有一定的指示意义, 且单从发震位置与“0”值线的距离看，ΔD、ΔY、ΔZ要优于ΔF、ΔI、ΔX三个要素.
(3) 2022年发生的7次中强地震中，门源6.9级地震、马尔康5.8/6.0级地震、杂多5.9级地震发震位置与最近的岩石圈磁场异常变化区距离在30 km之内，德令哈6.0/5.8级地震距离最近的岩石圈磁场异常变化区160 km，茫崖5.5级地震震中附近测点稀少，本文所参考的异常磁要素对该地震预测意义不大，因此笔者认为利用岩石圈磁场异常磁要素划定的异常区域映震效果良好.
大部分在地表容易造成破坏的地震均发生在岩石圈层，所以岩石圈磁场异常变化应该与在地表造成破坏性的地震具有相关性，但是青海西藏新疆等省份部分区域受制于自然环境恶劣、交通落后等，地磁测点的密度受到了很大的限制，以致岩石圈磁场的空间分辨率相对较低，不足以准确表达该地区岩石圈磁场时空分布.另外本文所讨论的地震预测只是对岩石圈磁场各要素等值线或矢量图进行了形态分析总结，并未对发震位置周边岩石圈磁场要素的观测值进行异常的定量分析，也未对地震的震级给出预测的方法，对于如何对数据做异常的阈值确定、震级确定等仍需要深入研究.

本文使用的流动地磁数据由13家省级地震局共同处理完成，作者在此表示感谢.同时感谢中国地震局流动地磁技术团队在异常研判方面做出的努力，感谢两位审稿专家提出的意见以及编辑部的大力支持.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
Bai C H Kang G F Gao G M . Response of geomagnetic jerk features to the geomagnetic secular acceleration in the China region Chinese J. Geophys. 2023 66 9 3747 3760

DOI

Chen B Yuan J H Wang C . Data processing flowchart of Chinese mobile geomagnet monitoring array Journal of Seismological Research 2017 40 3 335 339

Ding J H Lu Z Y Yu S R. A Brief Treatise on Seismomagnetism Hefei China University of Science and Technology Press 2011 1 11

Fraser-Smith A C Bernardi A McGill P R . Low-frequency magnetic field measurements near the epicenter of the MS7.1 Loma Prieta earthquake Geophys. Res. Lett. 1990 17 9 1465 1468

DOI

Gao Y X Zhao G Z Chong J J . Coseismic electric and magnetic signals observed during 2017 Jiuzhaigou Mw 6.5 earthquake and explained by electrokinetics and magnetometer rotation Geophys. J. Int. 2020 223 2 1130 1143

DOI

Gu C L Zhang Y Gu Z W . Relationship between zero-value-line of abnormal geomagnetic field in lithosphere and strong-moderate earthquake epicenters in North China seismic region Northwestern Seismological Journal 2012 34 2 174 179

Gu Z W Zhang Y Yao T Q . Observation and analysis of geomagnetic abnormity associated with the MS=5.7 Jiujiang-Ruichang Earthquake Acta Seismologica Sinica 2006 28 6 611 621

Han P Hattori K Hirokawa M . Statistical analysis of ULF seismomagnetic phenomena at Kakioka, Japan, during 2001-2010 J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014 119 6 4998 5011

DOI

Hayakawa M Kawate R Molchanov O A . Results of ultra-low-frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993 Geophys. Res. Lett. 1996 23 3 241 244

DOI

Johnston M J S Mueller R J. Seismomagnetic observation during the 8 July 1986 magnitude 5.9 North Palm Springs earthquake Science 1987 237 4819 1201 1203

DOI

Johnston M J S Sasai Y Egbert G D . Seismomagnetic effects from the long-awaited 28 September 2004 M 6.0 Parkfield earthquake Bull. Seismol. Soc. Amer. 2006 96 4B S206 S220

DOI

Ni Z Chen S G Yuan J H . Research on anomalies variation of lithosphere magnetic field before and after Lushan MS7.0 Earthquake Journal of Seismological Research 2014 37 1 61 65

Okubo K Takeuchi N Utsugi M . Direct magnetic signals from earthquake rupturing: Iwate-Miyagi earthquake of M 7.2, Japan Earth Planet. Sci. Lett. 2011 305 1-2 65 72

DOI

Qi G Z. On the Dilatancy-magnetic effect Acta Geophys. Sin. 1978 21 1 20 35

Song C K Ni Z Su S P . The relationship between anomalies variation of lithosphere magnetic field and structure of lithosphere magnetic Journal of Seismological Research 2017 40 3 357 361

Wang A Q Wang Y. Preliminary study on global lithospheric magnetic field that suitable for China based on aeromagnetic data and geomagnetic models Progress in Geophysics 2023 38 4 1507 1516

DOI

Xu G J Han P Huang Q H . Anomalous behaviors of geomagnetic diurnal variations prior to the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake (Mw9.0) Asian Earth Sci. 2013 77 59 65

DOI

Xu R G Zhang Y Gu C L . Tracing and analyzing anomalies of horizontal geomagnetic component before and after the MS5.7 Jiujiang-Ruichang earthquake Progress in Geophysics 2010 25 4 1175 1179

DOI

Zhao H Q Yun M Su S P . Lithospheric magnetic field variation and pre-seismic anomaly characteristics in North China Area from 2015 to 2016 Journal of Seismological Research 2017 40 3 368 371

Zhao H Q Zhang H Y Li B . Variation and pre-seismic anomaly characteristics of the lithospheric magnetic field in Hebei Province and its surrounding areas China Earthquake Engineering Journal 2021 43 5 1008 1013

白 春华 康 国发 高 国明 . 中国地区地磁急变特征对地磁场长期加速度的响应 地球物理学报 2023 66 9 3747 3760

DOI

陈 斌. 自然正交分量方法在地震地磁监测中的应用 地震研究 2011 34 4 466 469

陈 斌 袁 洁浩 王 粲 . 流动地磁监测数据处理流程 地震研究 2017 40 3 335 339

丁 鉴海 卢 振业 余 素荣. 地震地磁学概论 合肥 中国科学技术大学出版社 2011 1 11

顾 春雷 张 毅 顾 左文 . 华北地震区岩石圈磁异常场零值线与中强震震中分布关系 西北地震学报 2012 34 2 174 179

顾 左文 张 毅 姚 同起 . 九江-瑞昌MS5.7地震地磁异常的观测与分析 地震学报 2006 28 6 611 621

顾 左文. 近年来流动地磁观测在地震监测中的发展及其预测应用 地震研究 2017 40 3 333 334

国家地震局. 地震地磁野外测量规范 北京 地震出版社 1986

郝 锦绮 黄 平章 周 建国. 岩石流变磁效应-震磁效应的一种可能机理 中国地震 1992 8 2 53 60

倪 喆 陈 双贵 袁 洁浩 . 芦山7.0级地震前后岩石圈磁场异常变化研究 地震研究 2014 37 1 61 65

倪 喆 陈 斌 袁 洁浩 . 岩石圈磁场水平矢量异常特征及其在地震预测中的应用 国际地震动态 2017 38 8 124 125

祁 贵仲. "膨胀"磁效应 地球物理学报 1978 21 1 20 35

祁 贵仲 侯 作中 范 国华 . 地震的感应磁效应(二) 地球物理学报 1981 24 3 296 309

宋 成科 倪 喆 苏 树朋 . 岩石圈磁场异常变化与岩石圈结构的关系 地震研究 2017 40 3 357 361

王 安琪 冯 彦. 基于航空磁测数据和全球模型的适用于中国地区的岩石圈磁场模型初步研究 地球物理学进展 2023 38 4 1507 1516

DOI

徐 如刚 张 毅 顾 春雷 . 九江-瑞昌MS5.7地震前后地磁场水平分量异常追踪与分析 地球物理学进展 2010 25 4 1175 1179

DOI

詹 志佳 张 洪利 赵 从利 . 北京磁测预报地震效能分析 地震地磁观测与研究 1998 19 6 12 17

詹 志佳 赵 从利 张 洪利 . 全国地磁测量与地震预测研究 地震地磁观测与研究 1999 20 6 22 28

赵 慧琴 云 萌 苏 树朋 . 2015-2016年大华北地区岩石圈磁场变化及震前异常特征 地震研究 2017 40 3 368 371

赵 慧琴 张 海洋 李 博 . 河北及周边地区岩石圈磁场变化及震前异常特征 地震工程学报 2021 43 5 1008 1013

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