营口地磁谐波振幅比分析

张志宏，李 伟*，朱晓秋，李梦莹，黄明威

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.营口地震台，辽宁 营口 115100）

0 引言

地震孕育过程中，孕震区应力可引起地下电性结构、电导率等的变化，使感生的二次磁场发生变化，磁场变化不仅表现在地磁垂直分量上，也表现在地磁水平分量上。基于上述理论，Schmucke[1]引入了转换函数的概念。冯志生等[2]在地磁转换函数理论基础上提出了地磁谐波振幅比概念。近年来，许多地震研究者[3-9]总结出了中强地震发生前后地磁谐波振幅比的趋势性异常变化特征与地电阻率的趋势性地震异常特征相似，表现为下降—转折—恢复，持续时间为1年以上，地震对应震级与异常持续时间成正比关系。异常形成的机理也得到了一定的探讨，李琪等[10]研究认为地磁谐波振幅比的变化与电导率异常带的分布一致，倪晓寅等[11]推测异常的机理是台站观测区存在高导带。

辽宁地区是我国东部重要的地震监视区，做好地球物理场观测数据的深入分析是震情监视的重要保障，本文结合2008年营口地区300km内MS4.0以上地震的时、空、强特征，通过速率累积法[12]分析营口地磁谐波振幅比的变化趋势，从而探讨营口地磁谐波振幅比异常的可靠性和孕震机理。

1 方法原理

根据电磁感应理论，对于随时间周期变化的不均匀场源，视地球介质为均匀各向同性的平面导体条件下，地磁谐波振幅比的定义为:

式中，YZHx和YZHy分别为南北向和东西向的地磁谐波振幅比。Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分别为地磁场的垂直分量、南北向水平分量及东西向水平分量的谱值。

地磁谐波振幅比也可以表达为磁测深视电阻率:

式中，ω为圆频率，μ为磁导率，λ为整数。依据地磁测深视电阻率公式（2），地磁谐波振幅比能够反应介质深部电阻率的变化。可以说地磁谐波振幅比算法具有明确的物理意义。

利用《地震地磁数据分析预报程序》进行数据下载、计算及绘图工作。在“数据下载”菜单栏下载2014年至2020年营口地磁FHD分钟值数据，数据下载完成后进行谐波振幅比计算。具体计算步骤如下:（1）计算每天地磁三分量采样数据谱幅度；（2）获得二个方向5~65分钟各周期的地磁谐波振幅比；（3）按10分钟的频带宽度计算各频带地磁谐波振幅比的频带均值，获得10、20、30、40、50、60分钟的地磁谐波振幅比；（4）计算10、20、30、40、50、60分钟的逐日变化序列；（5）采用窗长一年的滑动平均法消除各频带地磁谐波比逐日变化序列的年变化。

2 计算结果与分析

2.1 营口台地质概况

营口地震台所在地区为大石桥市，在地质构造上属于郯城—庐江断裂带的北延带附近，台址附近出露的基岩是晚侏罗世粗粒花岗岩。该地区最发育的断裂是北东向断裂，由西向东依次是高升张家屯断裂、台安—大洼断裂、大湾—二界沟断裂、佟二堡—营口断裂、金州鞍山断裂、青山怀—八里断裂。佟二堡—营口断裂以西几条断裂是属于郯城—庐江断裂的北延。该区发育的另一组构造是北西西向构造带，它们分别是虎皮峪背斜，三道岭—周家堡子东西向挤压带，青花峪东西向断裂带，这组构造的特点是规模小，断裂多是隐伏断裂。营口地震台附近地区在历史上发生多次中、强地震，1859年9月19营口MS51/4地震、1885年4月7日营口MS51/2地震、1940年8月5日盖县熊岳MS53/4地震、1975年2月4日海城MS7.3地震以及1999年11月29日岫岩MS5.4地震。

2.2 营口台地磁谐波振幅比

营口台地磁谐波振幅比异常起始时间为

2018年初，截止到2020年3月末，异常仍然持续。计算曲线（图1）显示，NS向2018年初至2019年初10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟及60分钟周期段表现为上升，同一时间段EW向10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟及60分钟周期段表现为下降。2019年初至今NS向10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟及60分钟周期段表现为下降，同一时间段EW向10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟及60分钟周期段表现为上升。速率累加算法[12]结果显示，2018年3月以来10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟及60分钟周期呈持续下降趋势（表1）。

图1 营口地磁谐波振幅比及其速率累加结果Fig.1 Amplitude ratio of geomagnetic harmonic and its rate accumulation results in Yingkou

表1 营口台谐波振幅比异常信息表

2.3 台站观测环境及观测系统分析

2.3.1 仪器运行状态

营口地震台是综合观测台站，也是国家定点地形变观测基本台站。测震及地球物理场观测手段齐全，地球物理场观测项目主要包括地倾斜、地应变、地磁场及地下流体等地球物理观测手段。出现异常信息的仪器为FHD-2B型分量质子旋进式磁力仪，该仪器于2005年严格按照堪选要求新建地磁观测室，经测试符合地磁场观测要求。2006年安装，2007年试观测，2008年正式观测至今。此仪器运行稳定、工作正常，观测数据连续可信精度高。仪器测量范围20，000～70，000nT，分辨力0.1nT，观测精度F≤0.5nT；H≤0.5nT；D≤0.15′，采样率1次/分。FHD-2B分量质子磁力仪既可以作为绝对观测仪器使用，又可以作为相对观测仪器使用。作为相对仪器使用时，可以对磁场三分量进行分钟值采样的连续记录；作为绝对仪器使用时，可以观测出地磁总强F和水平分量H的绝对值，虽然其观测的磁偏角是相对变化量，但因为具有自我校正功能，因此，也可以对磁偏角连续观测数据的长期漂移做出自我校正。

日常工作中定时查看仪器的运行状态，定时检查台站供电情况，定时对仪器时钟进行检查和校准。每天登录FHD网页主页查看仪器参数及运行情况，发现问题，及时处理。台站观测人员对仪器系统进行了全面检查，仪器工作参数正常，数采工作稳定，接线无松动；同时对仪器探头部分进行了检查。探头所在地磁房室内环境良好，房屋顶棚四角有渗雨的痕迹但并不严重；隔震槽内无杂物；探头墩无破裂或倾斜；各数据线接触点稳固，没有虚接或松动；仪器底脚螺丝未发现生锈痕迹及松动情况；仪器北南向和东西向水泡居中，水平状态正常；数据线的走线和布局情况正常（图2）。

图2 营口质子磁力仪（FHD-2B）Fig.2 Yingkou proton magnetometer（FHD-2B）

2.3.2 仪器标定

营口地震台质子磁力仪（FHD）是2007年6月开始正式运行，纳入“十五”数据库。根据营口地震台地磁观测场地的环境噪声、观测仪器运行状况分析认为，此仪器观测资料连续可靠，质量良好。2019年营口地震台FHD质子磁力仪原始观测数据的H/D/F连续率分别为:99.92%、99.93%、99.63%。2019年营口台连续率和完整率较好，主要因为全年仪器无重大故障出现。主要断记原因为:7月15日受雷电天气影响，12时06分至12时34分，错误数据，缺数处理；7月28日全天，因数据噪声较大，调整数采参数，产生数据畸变，缺数处理；12月29日完整标定，标定期间数据缺记。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。2018年按照季度进行了四次标定，结果均符合要求。2018年12月29日，根据学科组要求进行了一次完整标定，调整观测方位角，使得D值在零分附近变化，将方位角由233°05′调整为232°55′。2019年按照季度进行了四次标定，结果均符合要求。2019年12月29日，根据学科组要求进行了一次完整标定，调整观测方位角，使得D值在零分附近变化，将方位角由232°55′调整为232°45′。调整后D分量均值在+3′左右。

2.3.3 仪器噪声

2019年，营口地震台FHD各分量平均噪声值高于台网的平均值，年度资料评比中噪声扣分问题严重，分析原因一是仪器探头和数采之间距离过远，数据线过长造成；二是观测室内布局不合理，各种数据线及电源线交错复杂，容易产生相互的干扰。辽宁7月起开始进入秋季温度逐渐降低，受温度影响数据经常出现单点较大尖峰突跳，频率较高，2019年7月28日台站工作人员对数采参数进行校准，并重新归置通信及电源线路后噪声明显减小。

2.3.4 台站周边环境

如图3所示营口地震台地磁房位于半山腰，车辆等大型设备无法靠近，山上有农户进行耕种，有可能经过地磁房附近，经检查地磁房周围无明显铁器存在，例如农户使用的铁锹、锄头等便携式务农工具。地磁房（探头）距办公楼内的观测室（数采）51m，地埋数据线110m；地磁房距测震摆房、陆态网络观测室及GPS天线墩20m，陆态网项目2012年投入使用；地磁房距极低频观测室36.5m，距极低频北端电极15m，极低频项目2013年投入使用。

图3 营口台磁房及其他地球物理观测场地示意图Fig.3 Schematic diagram of Yingkou magnetic room and other geophysical observation sites

地磁房周围及整个台区近三年没有新建建筑物及新手段投入运行。分析认为台区观测环境未发现明显改变，可以排除台区内存在干扰源。台站周边主要环境干扰为矿山开采（图4），距本站南偏东约2.4km有一矿石开采区（A区），2009年开采量较大，为每日3000~4000吨，2010年后日开采量约为400~600吨，至2013年后基本停止开采，总开采面积约2×103m2。在台站北偏东方向约3km左右有两个矿山开采（B区），自2009年开采，日开采量约300~600吨，并持续至今，开采面积达到了2×104m2。

图4 营口地震台附近矿山位置示意图Fig.4 Schematic map of mine location near Yingkou Seismic Station

2.3.5 居民用电及直流输电干扰调查

近年来，营口地震台所处大石桥市经济发展迅猛，按照城市发展规划需要，在营口地震台所处大石桥官屯镇新建了一批工厂，其中包括碎石厂和水泥厂等需使用大型设备及用电量较大的厂矿企业，这些企业在进行特殊作业时有可能对营口地震台地磁观测造成影响。我们对附近厂矿企业进行了走访,未发现明显对地磁观测造成干扰的设备；同时咨询了电业部门，目前营口地震台供电线路上未外挂其他大型用电设备，按照与电业部门签订的协议为专线供电，因此市电影响可以排除。高压直流输电查询网站（http://10.2.201.72:8080/hvdc）查询结果

显示（表4），呼辽高压直流供电线路对营口台观测产生影响。呼辽线路干扰时间与此次异常出现时间不吻合，且上述干扰一般持续时间很短。因此认为高压直流输电不是产生此次异常的原因。

表4 营口台高压直流干扰信息（201801—202003）

3 讨论

根据台站及周边观测环境的调查可以看出:营口台周边矿山开采是唯一较大的人为干扰。营口谐波振幅比法是基于天然源磁场信号的磁测深原理，FHD质子矢量磁力仪分钟值采样资料对应的深度较深，在数十公里到数百公里[2-4]。因此，距离台站3km的矿区B持续开采对营口台地下介质电导率的影响有限。同台地球物理场异常通常具有同步性，营口台有形变SQ-70模拟水平摆倾斜仪观测，翟丽娜等[13]在对比营口台周边地表集中荷载模型和二维有限载荷模型的基础上，结合营口台SQ-70模拟水平摆倾斜仪2009—2016年异常变化时段受矿山开采影响的实例，采用二维有限不规则荷载模型定量计算了矿山开采的不同阶段对石英摆倾斜量的影响程度。结果表明了2013年以后营口石英摆观测值与矿山开采引起地表倾斜的理论值相差较大。因此，营口台周边矿山开采干扰对营口地磁谐波振幅比的计算结果影响程度有限。

图5 可以看出，2008—2018年营口谐波振幅比NS和EW向的除10min周期的其他周期一致性较高，异常主要是NS和EW的10min周期的不同步，并且10min周期两个方向不一致。从速率累加可以看出:2018年前的不一致异常持续时间短（表5），异常期发生在周边300km的MS4.0以上地震11次，其中7次能够对应10min周期不一致的窗口期，4次地震属于对应不明显（表5-6）。

表5 2008—2020年营口地磁谐波振幅比异常及对应300km范围内M S≥4.0地震统计

图5 2008—2014年营口地磁谐波振幅比Fig.5 The geomagnetic harmonic amplitude ratio in Yingkou from 2008 to 2014

综合以上结果可以看出，如果营口地磁谐波振幅比2011—2014的10min周期不一致的异常对应灯塔MS5.1地震和通辽MS5.3地震，那么此次异常持续的时间更久，对应地震的震级可能更高。

表6 2008—2020年营口地磁台300km范围内M S≥4.0地震统计

4 结论

根据营口地磁谐波振幅比计算结果，结合台站周边环境干扰、仪器观测系统的可靠性分析可以看出，营口地磁谐波振幅比异常可靠性较高。结合台站周边300km范围内的地震可以得出，异常较多的对应了营口地区的MS4.0地震，异常持续阶段发震概率大于异常恢复阶段。