甘肅地區地磁Z分量變化特征分析*

陳雙貴，韓　英△，田全通，閆萬生，田文通（.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000；.甘肅地質工程有限責任公司，甘肅蘭州730000）

甘肅地區地磁Z分量變化特征分析*

陳雙貴1，韓英1△，田全通2，閆萬生1，田文通1
（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000；2.甘肅地質工程有限責任公司，甘肅蘭州730000）

正確認識地磁背景場變化特征是提取震磁異常的一項基礎性工作，對于地震預報具有重要意義。應用甘肅省嘉峪關、蘭州、天水地磁臺資料，基于統計方法分析了不同臺站間地磁場Z分量日變低點時間和日變幅度的變化特征，并基于小波變換研究了不同臺站間地磁場不同頻率成分的變化特征。結果表明：不同臺站間原始記錄曲線具有良好空間相關關系；日變低點時間和日變幅度具有明顯的季節變化規律；不同臺站間地磁場低頻成分相關性良好，高頻部分相關性不明顯，相對于低頻部分，高頻部分更能夠反映不同臺站之間的地域特點，為進一步開展震磁異常的提取具有重要的借鑒意義。

甘肅地磁場；Z分量 ；日變低點時間；日變幅度；小波變換

震磁異常的實質是對正常背景場規律的非隨機偏離，其困難在于要從強背景場提取較弱的震磁信息。因此，識別和排除背景場變化是地磁預報地震所要解決的首要問題，因此，正確認識與表達背景場正常變化規律對于地震預報具有重要意義。

以往對于震磁異常研究主要圍繞地磁垂直分量Z而展開，其重要原因是Z分量相對于其他分量更能反應臺站局部磁異常，研究中以地磁場空間相關為基礎，多采用垂直分量日變低點時間、地磁日變幅度等參量進行異常提取，因此，以地磁場變化空間相關性為依據，統計分析多臺間日變低點時間、日變幅度等參量的正常變化特征是提取震磁異常的重要基礎工作。

地球磁場具有譜成分豐富、頻帶較寬的性質。地震過程是一種非線性的變化過程，獲得強震前地磁異常信號的突變時刻及突變時刻所對應的頻率成分，是地震監測中亟待解決的關鍵科學問題之一［1-2］。小波變換是一種時間-尺度分析方法，在時間、尺度（頻率）兩域都具有表征信號局部的能力，在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨力，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，很適合探測地磁正常信號中夾帶的瞬間反常現象并展示其成分。基于以上理論，陳伯舫［3］利用小波變換研究了1986年花蓮地震、1999集集地震前后倉坪太地磁變化特征；李琪等利用小波變換提取了張北地震的震磁效應；邢西淳等［4］提取了涇陽地震前的磁異常；范國華等［5］將小波分析應用于地磁數據處理當中。然而，以上研究主要基于模擬資料，一定程度受到采樣率的限制精度受到影響。此外，基于小波變換對甘肅地磁資料的分析處理成果未見發表，因此，基于小波工具研究甘肅地區磁場不同頻率的變化特征具有重要的實踐意義。

1　資料選取和預處理

選取甘肅嘉峪關、蘭州地磁臺2002-2005年地磁垂直分量Z的GM3磁力儀分鐘值數據，期間儀器運行良好，觀測環境穩定。磁靜擾日根據中國地磁臺網網站公布國際地磁靜擾日日期選定。

資料預處理采用全國地磁臺網中心GEOMAG軟件對原始數據進行預處理，對可疑數據咨詢了相關臺站人員，并做了相應處理。對于所用儀器缺數情況通過相關分析方法用其他儀器進行了補缺。預處理后的數據連續、完整、可靠。

2　數據分析

2.1地磁垂直分量日變幅度變化特征

所謂“日變幅度”，是指地磁場日變化中最大值與最小值之間的差值。

分析逐日日變幅度可知，嘉峪關（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺都具有明顯的季節特征，年變形態呈“正弓型”，地磁冬季日變幅度最小，大約在10nT左右，春、秋季次之，夏季最高，大約在40nT左右。磁擾日期間日變幅度顯著變大，三臺日變幅度由大到小依次為天水、蘭州、嘉峪關如圖1所示。

為了進一步研究三臺間的相關關系，求得了兩兩之間的相關系數，蘭州-嘉峪關相關系數為0.9036，蘭州-天水相關系數為0.9130，嘉峪關-天水相關系數為0.8370，說明日變幅度在空間上具有良好的相關關系。

2.2地磁低點時間分布規律

我國學者依據地磁日變低點位移進行了大量的地震預報探索研究。所謂“低點位移”，是指日變形態曲線最低點（低點時間）比其他正常時段提前或推遲3-4h以上。因此，文中對三臺的地磁低點時間進行了統計，并分析了低點位移的分布特征。

由圖2可知，嘉峪關（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺低點位移均主要出現在冬季，其他季節很少出現，具有明顯的季節變化特征。究其原因，主要由于冬季日變幅度很小，遇到磁場擾動日變形態容易發生畸變，產生低點位移現象，日變幅度越小則發生低點位移的概率越大，由日變幅度的統計可知，天水臺冬季日變幅度較其它兩臺大，因此發生低點位移的的概率越小，嘉峪關反之亦然，蘭州介于嘉峪關和天水之間，這與統計結果（見表1）相符合。

圖1　嘉峪關、蘭州、天水日變幅度原始曲線

圖2　嘉峪關、蘭州、天水日變低點時間原始曲線

表1　2003-2006年各臺出現低點位移個數［6］

為進一步統計三臺間的低點時間相關關系，對兩兩臺站求取了相關系數，嘉峪關-蘭州相關系數為0.4722，嘉峪關—天水相關系數為0.3667，蘭州-天水相關性系數為0.5634，結果顯示，日變低點時間在不同臺站之間相關性不明顯。

2.3基于小波變換的高低頻特征分析

2.3.1小波基選取及小波變換過程

常用的小波中，db系列有限緊支正交小波在時域上有限支撐，在頻域Ψ（ω）在ω=0處有N階零點，適用于信號的多尺度分析。文中采用db5小波對原始信號進行分解。經一次分解后，得到一階尺度系數CA1和一階小波系數CD1。尺度系數CA1代表原始信號中低頻的成分，即原始信號的概貌部分；小波系數CD1代表了原始信號中相對高頻的部分，即原始信號的細節部分。由于尺度系數CA1中仍然包含著許多細節的部分，于是把尺度系數CA1再做分解，得到二階尺度系數CA2和二階小波系數CD2。二階尺度系數CA2代表一階尺度系數CA1中相對低頻的成分，即原始信號中更為概貌的成分；而小波系數CD2代表尺度系數CA1中相對高頻的成分，即比小波系數CD1更為粗糙的細節成分。依次類推，把尺度系數分解下去，不同頻率段的細節成分就能被提取出來。分解流程如圖3所示。本文對嘉峪關、蘭州臺2002-2004年資料每月選取最平靜的1d作為靜日，每月最擾動的1d作為擾日作為處理對象做了二階小波分解，提取了一階尺度系數CA1，一階小波系數CD1，二階尺度系數CA2和二階小波系數CD2。

圖3　原始信號的小波分解流程圖

2.3.2原始數據靜擾日相關性分析

為了研究嘉峪關、蘭州臺地磁垂直分量Z原始數據的相關關系，對兩臺所選定的靜擾日原始數據逐日進行了相關分析，做出了兩臺的相關系數，結果顯示，相關系數基本在0.8～1.0之間，兩臺原始曲線具有顯著的相關性；磁擾日期間相關略優于磁靜日。從時間角度分析，其相關性沒有明顯的季節性變化。

2.3.3小波高頻系數CD1、CD2相關性分析

CD1在兩臺之間的相關系數大致介于0.3之內，其相關性不顯著，說明在地磁場一階小波高頻系數（細節）變化中兩臺具有差異性，各自具有不同的地域特色。CD2兩臺相關系數R值在磁靜日期間在-0.1～0.1之間，其相關性不顯著；其次，在磁擾日期間，其相關系數R值波動較大，有部分R值超過0.5，甚至達到接近0.8，說明其細節（高頻）部分在兩個臺站之間存在一定的相關性，可能解釋為磁擾日期間地磁場的擾動事件具有大尺度地域的同步性。

2.3.4小波尺度系數CA1、CA2相關性分析

對兩臺CA2代表CA1信號中低頻（概貌）的部分進行了相關分析，結果表明，CA1、CA2在兩臺間相關系數均高于0.8，相關系數沒有明顯的季節變化特征，磁靜日和磁擾日無明顯差異，可以認為兩臺在低頻（概貌）部分具有良好的相關關系，很大程度上代表了大尺度外空場對磁場變化的影響。

3　結論與討論

（1）通過對嘉峪關、蘭州、天水地磁臺垂直分量Z日變幅度的統計分析認為，日變幅度具有明顯的季節特征，單臺呈現出冬季低，夏季高，春秋次之的“正弓型”變化性態；三臺間天水臺日變幅度總體最大，蘭州次之，嘉峪關最小，并且三臺之間具有良好的相關關系。因此，根據多臺判別震磁異常時，可在認識單臺年變基礎上分析多臺間的相關關系是可能的有效途徑。

（2）對嘉峪關、蘭州、天水地磁日變低點時間的統計發現，單臺日變低點位移主要出現在地磁冬季，具有明顯的季節變化規律，可能原因是冬季日變幅度較小（10nT左右），遇到磁場擾動后日變性態容易發生畸變而形成低點位移。通過對三臺日變低點時間的相關性分析認為，三臺間逐日相關性不明顯（R在0.3-0.5之間）。國內以往針對地磁低點位移方法研究震磁效應非常普遍，在該方法實踐過程中考慮低點位移的季節變化規律對于異常認識將不無裨益。

（3）文中基于小波變換對嘉峪關、蘭州臺地磁垂直分量Z進行了處理，研究結果認為，兩臺間所選靜擾日逐日原始曲線相關系數在0.8以上，具有良好空間相關性；CA1、CA2低頻（概貌）部分相關系數也均高于0.8，說明兩臺間低頻（概貌）部分空間相關關系密切，其相關程度未表現出明顯的季節變化特征；CD1、CD2高頻（細節）部分兩臺相關系數基本保持在0.3以下，相關關系不明顯，其可能原因為：首先是臺站儀器和觀測環境自身噪聲水平的反應；其次是臺站所處的地理環境中地下介質和地下電導率水平不同，由于擾動的地磁外源場在地球內部介質中產生相應的感應電流，從而產生一個感應的二次場，地下介質和電導率水平不同，所產生的二次場強度也不同。

綜而述之，甘肅地區地磁場垂直分量Z日變幅度和低點位移具有明顯的季節特征，在認識震磁異常時應加以注意。相對于低頻部分，高頻部分更能反應臺站局部地磁場的變化特征，為進一步開展震磁異常的提取具有重要的借鑒意義。

［1］ 李琪.小波分析及地震磁效應［J］.國際地震動態，2002，（2）：31，61.

［2］李琪，林云芳.應用小波變換提取張北地震的震磁效應［J］.地球物理學報，2006，49（3），855-863.

［3］陳伯舫.用小波法研究臺灣省兩次7.6級大震前后倉坪臺的地磁變化［J］.地震地磁觀測與研究，2006，27（1）：45-48.

［4］ 邢西淳，邵成輝.小波變換在地磁數據分析中的應用［J］.地震地磁觀測與研究，2005，26（2），38-42.

［5］范國華，姚同起，韓克禮.子波變換在地磁不規則脈動頻譜分析中的應用［A］.中國地震學會成立20周年紀念文集，1999-12-01.

［6］ 田文通，辛長江，薛鋒，等.甘肅不同臺站地磁垂直分量變化特征分析［J］.防災科技學院學報，2011，13（4）：35-39.

P315.72

甘肅省地震科技發展基金資助（2012Y02），甘肅省科技計劃資助（145RJZA152）△

韓英（1966-），女，甘肅合作人，中國地震局蘭州地震研究所工程師。