極化方法應(yīng)用于地磁臺陣的震例分析1

李 琪 楊 星 蔡紹平

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極化方法應(yīng)用于地磁臺陣的震例分析1

李 琪1）楊 星2）蔡紹平2）

1）中國地震局地球物理研究所，北京100081?2）云南省地震局監(jiān)測中心，昆明650224

利用云南地磁臺陣5個(gè)測點(diǎn)的秒采樣觀測數(shù)據(jù)，提取了發(fā)生在云南臺陣附近賓川S5.0級地震前的地磁異常信號。通過對地震前后2個(gè)月內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)極化值SZ/SH時(shí)間序列的分析，發(fā)現(xiàn)極化值Z/H的幅度在震前半個(gè)月有明顯的增強(qiáng)，而且異常幅度和震中距成反比。同時(shí)，通過4個(gè)測點(diǎn)極化值Z/H時(shí)間序列與Dst指數(shù)的對比，確定了這種異常幅度的增強(qiáng)并不是由空間電流體系引起的。

極化方法 地磁臺陣 震例分析

引言

地磁臺站記錄到的地磁變化信號主要受到外源場和內(nèi)源場兩種場源的影響。其中：外源場起源于地表以上的空間電流體系，這些電流體系主要分布在電離層、磁層和行星際空間；而內(nèi)源場則包括地球巖石剩余磁化強(qiáng)度和在地磁場磁化作用下的感應(yīng)磁化強(qiáng)度。提取地震發(fā)生前地磁異常信號的前提條件，最重要的是突出源于震源區(qū)的異常信號和抑制來源于外源場的信號。由于地震引起的地磁異常信號的幅度很小，所以在對地磁資料進(jìn)行預(yù)處理之后，還需要采用相對復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析才能提取到震前的地磁異常變化。在短周期地磁異常信號的提取方面，極化方法是國際上用得最多，被普遍認(rèn)為是地磁異常提取效果很好的方法（Hayakawa等，1996；Akinaga等，2001）。所謂極化是指Z/H或Z/G的比值，其中Z、H和G分別為地磁場垂直分量、水平分量和總水平分量的譜密度。極化方法利用巖石圈ULF（Ultra Low Frequency：超低頻信號，頻段為0.005—10Hz）電磁信號的特征，即垂直分量比水平分量相對較大，從而把巖石圈ULF電磁信號與源于空間電離層的ULF電磁信號區(qū)別開來。例如Li等（2011）利用新疆喀什和天津靜海的數(shù)據(jù)，計(jì)算了2個(gè)不同震例發(fā)生前后的極化值，提取到了比較可靠的地磁異常信號。

如果只有1個(gè)臺站觀測到了震前的地磁異常信號，這種異常的可靠性經(jīng)常被人質(zhì)疑。過去采用極化方法分析的震例，由于受地磁臺站數(shù)目和間距的限制，只能分析震中附近1個(gè)臺站的觀測數(shù)據(jù)。由于中國大陸位于全球的中緯度地區(qū)，所以引起地磁場短周期變化的外源場在地面很大范圍內(nèi)是近似均勻的，如果在震中附近有多個(gè)地磁臺站，而且這些地磁臺站監(jiān)測到了不同幅度大小的震前異常信號，無疑會大大增加這種地磁異常信號的可信度。但由于極化方法能提取到的震前地磁異常信號范圍有限，只有在震級和震中距滿足0.025≤-4的情況下，才有90%的地震震前會出現(xiàn)ULF異常信號（Hattori，2004），所以只有密集分布的地磁臺陣才可能滿足在震中周圍有多個(gè)地磁測點(diǎn)的要求。

在中國地震局地球物理研究所承擔(dān)的地震行業(yè)科研專項(xiàng)“地磁臺陣式地震短臨跟蹤技術(shù)研究”支持下，從2009年3月開始在云南省陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)地磁觀測點(diǎn)，并在云南省的西北角組成了一個(gè)小口徑地磁臺陣。在地磁臺陣運(yùn)行期間，2009年11月2日在云南省大理白族自治州賓川縣發(fā)生了S5.0級地震，地震震中位于北緯26.00°、東經(jīng)100.70°。本文利用上述地磁臺陣獲取的地磁異常信號對此次地震進(jìn)行了研究，文中對云南地磁臺陣各個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采用極化方法進(jìn)行分析，并對比了不同臺站的極化曲線在地震前后的變化，以期能得到有意義的研究結(jié)果。

1 云南地磁臺陣概況

在賓川地震發(fā)生之前，建設(shè)完成的云南地磁臺陣包括布設(shè)在云南西北角的4個(gè)觀測點(diǎn)（測點(diǎn)平均間距為100km左右）以及云南南部的一個(gè)觀測點(diǎn)，臺陣布設(shè)及賓川地震震中位置如圖1所示。各個(gè)測點(diǎn)的經(jīng)緯度以及距離賓川地震的震中距如表1所示。

在堪選過程中對云南臺陣各個(gè)觀測點(diǎn)的磁場梯度和背景噪聲進(jìn)行了嚴(yán)格測試，測點(diǎn)的觀測場地滿足10m×10m范圍內(nèi)地磁場總強(qiáng)度分布均勻，且水平梯度△h≤5nT/m，電磁環(huán)境滿足背景噪聲小于0.1nT的要求，符合地磁三級固定觀測網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，在每個(gè)觀測點(diǎn)都安裝了一套由中國地震局地球物理研究所研制生產(chǎn)的GM4磁通門磁力儀，其采樣間隔為1s，觀測周期從2s到數(shù)10min，可覆蓋ULF信號的周期范圍，該儀器的“峰-峰”值噪聲小于0.1nT，低于歷史震例發(fā)現(xiàn)的震前ULF地磁異常信號的幅度（李琪等，2008），適于ULF地磁異常信號的提取。

地磁臺陣的各個(gè)測點(diǎn)于2009年3月至2009年9月陸續(xù)建成（其中最晚建成的一個(gè)測點(diǎn)是下關(guān)），并從2009年9月12日開始正式產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)，所以，本文的分析是從2009年9月開始。另外，由于原始觀測數(shù)據(jù)不可避免地會受到一些外界人為活動(dòng)的干擾，所以對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，刪除了一些明顯不屬于天然磁場的尖峰和臺階，生成了預(yù)處理秒采樣數(shù)據(jù)。下文進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析都是基于預(yù)處理秒采樣數(shù)據(jù)完成的。

表1 滇西北地磁臺陣經(jīng)緯度以及距離賓川地震的震中距

2 計(jì)算方法

為避開日間的人為和工業(yè)干擾，筆者選取當(dāng)?shù)貢r(shí)間的子夜0—2點(diǎn)（也就是世界時(shí)的17:00:00—18:59:59）的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算流程為：①以30min，也就是1800s為分段長度，對各個(gè)測點(diǎn)垂直分量Z、水平分量H和總水平分量的預(yù)處理秒數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，這樣每天的數(shù)據(jù)就包括4個(gè)30min的數(shù)據(jù)段；②計(jì)算出每段數(shù)據(jù)的傅立葉譜幅值，并把每天4段數(shù)據(jù)計(jì)算出的幅值在頻率域求平均；③計(jì)算垂直分量Z、水平分量H和總水平分量G在頻段0.007—0.015Hz內(nèi)的譜值積分，可得到對應(yīng)的譜密度Z、H和G；⑤計(jì)算每天的極化值Z/H和Z/G，并進(jìn)行3日滑動(dòng)平均得到最后的計(jì)算結(jié)果。

3 震例分析

根據(jù)對過去典型震例的統(tǒng)計(jì)可知，極化方法提取到的地磁異常變化通常在震前2個(gè)月到數(shù)天出現(xiàn)（李琪等，2008）。圖2給出了此次地震前后2個(gè)月內(nèi)各個(gè)地磁測點(diǎn)的極化值Z/H時(shí)間序列和Dst變化曲線，圖中箭頭所指為發(fā)震日期。文中把均值加上3倍均方差作為閾值，在圖2中用橫虛線標(biāo)示。另外，從圖2中可以看到，在震前半個(gè)月下關(guān)、洱源和麗江的極化值出現(xiàn)高于閾值的地磁異常變化，而距離較遠(yuǎn)的云龍和石屏整體雖然在震前半個(gè)月的數(shù)據(jù)變化形態(tài)和前面3個(gè)測點(diǎn)差不多，但是擾動(dòng)水平不高。把位置相對較為集中的下關(guān)、洱源、麗江和云龍4個(gè)測點(diǎn)震前的極化值Z/H變化的峰值提取出來，圖3為這4個(gè)測點(diǎn)震前異常幅度與震中距的對應(yīng)關(guān)系。從圖3可以看到，異常幅度和震中距呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.71；距離震中越近，異常幅度越大，反之，異常幅度越?。煌瑫r(shí)二者的關(guān)系近似于線性相關(guān)。另外，考慮到極化值Z/G的時(shí)間序列變化曲線和極化值Z/H類似，這里不再贅述。

為了排除外源場的影響，圖2中最下面的子圖還給出了和極化值同時(shí)段的Dst指數(shù)。中低緯地磁場活動(dòng)強(qiáng)度常用Dst指數(shù)來表示，Dst指數(shù)每小時(shí)1個(gè)，大于-30表示地磁場處于平靜狀態(tài)，Dst指數(shù)越大，說明磁場越平靜。對比各個(gè)測點(diǎn)的極化值與Dst指數(shù)的變化情況可以看出，震前極化值的增強(qiáng)與外源場的變化沒有關(guān)系，各個(gè)測點(diǎn)的極化值Z/H與Dst指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高也不超過0.28。

4 討論和結(jié)論

本文分析了云南臺陣各個(gè)測點(diǎn)的極化值Z/H在賓川S5.0級地震前后的變化后發(fā)現(xiàn)，極化值Z/H的幅度在震前半個(gè)月有明顯的增強(qiáng)，而且異常幅度和震中距成反比。通過各個(gè)測點(diǎn)的極化值Z/H時(shí)間序列與Dst指數(shù)的對比可以確定，這種異常幅度的增強(qiáng)不是由空間電流體系引起的。

根據(jù)國外震例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在震級和震中距滿足0.025≤-4的情況下，有90%的地震在發(fā)生前會出現(xiàn)ULF異常信號（Hattori，2004）。按照這個(gè)公式計(jì)算，此次賓川S5.0級地震易于發(fā)現(xiàn)異常的距離在震中距為40km的范圍內(nèi)，雖然本文用于研究的云南臺陣的各個(gè)測點(diǎn)距賓川S5.0級地震的震中距都在40km之外，但在震中距不大于75km的下關(guān)和洱源還是發(fā)現(xiàn)了較為明顯的異常，甚至在震中距為110km的麗江也能看到極化值幅度大于閾值的異常。另外，在震中距更大的云龍和石屏測點(diǎn)，震前半個(gè)月處的極化幅度和其他時(shí)段的變化相差不大，同時(shí)從圖3中也可明顯地看出異常幅度和震中距的關(guān)系，這說明震前ULF電磁異常信號的傳播范圍是有限的。

由于地質(zhì)構(gòu)造的不同將導(dǎo)致孕震環(huán)境的不同，所以某種地震預(yù)測方法是否普遍適用還需要更多震例的驗(yàn)證。而且，地震預(yù)測研究也是一個(gè)震例積累的過程，只有積累了足夠多的成功震例，才能證明該方法的有效性。因此，本文的觀測結(jié)果還需要在以后的研究工作中繼續(xù)探索。

李琪，李軍輝，楊冬梅等，2008．地磁ULF前兆信息研究簡述．地震地磁觀測與研究，29（6）：170—176．

Akinaga Y., Hayakawa M., Liu J.Y. et al., 2001. A precursory ULF signature for the Chi-Chi earthquake in Taiwan. Natural Hazards and Earth System Sciences, (1): 33—36.

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

Hattori K., 2004. ULF geomagnetic changes associated with large earthquakes. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 15 (3): 329—360.

Li Qi, Zhu Peiyu, Alimj an Mamatemin et al., 2011. Detection of ULF electromagnetic emissions as a precursor to two earthquakes in China. Earthquke Science, 24 (6): 601—607.

Case Study of Applying Polarization Method to Geomagnetic Array Data

Li Qi1), Yang Xing2)and Cai Shaoping2)

1) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration , Beijing 100081, China?2) Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650224, China

Based on the 1-second sampling data derived from five stations of geomagnetic array in Yunnan Province, the possible seismo-electromagnetic phenomena before theS5.0 Binchuan earthquake was analyzed. By checking temporal variation of the polarization ratio (as the ratio of vertical magnetic field component to the horizontal one) for each geomagnetic station from 2 months before to 2 months after theS5.0 Binchuan earthquake, we found that polarization ratio were enhanced just half month before the earthquake, and the peak value of polarization ratio of each station was inversely proportional to the epicentral distance. After comparing the Dst variation with the polarization ratio, we found that the enhanced polarization ratio was not caused by the space current system.

Polarization method; Geomagnetic array; Case study

中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)項(xiàng)目DQJB12C07和地震行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目200708033聯(lián)合資助。

2014-04-09

李琪，女，生于1975年。博士，副研。主要從事震磁關(guān)系和空間天氣方面的研究工作，并參與中國地震局地磁臺網(wǎng)的技術(shù)管理。E-mail：darcyli@163.com