利用垂直强度极化法分析喀什观测站地磁秒数据异常_木拉提江·阿不来提.pdf

文章编号:1001-8956(2023)02-0180-09中图分类号:P3157文献标识码:A利用垂直强度极化法分析喀什观测站地磁秒数据异常木拉提江阿不来提，高 歌(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)摘要:利用极化法计算喀什观测站 FHDZM15 地磁秒数据垂直分量极化值，定量研究极化值异常幅值、震中距、异常持续时间及对应地震震级之间的关系。结果表明:极化值高值异常与其后 4 个月内台站周边区域的 MS50 地震有很好的对应关系，高值异常持续多为 36 d;对应地震的震级与震中距之间为准线性关系，相关系数达 0791;按震中距分析得出具有显著关系有 0，150)km 和 150，250)km，异常持续时间和对应地震震级相关系数分别为 0645、0702。150，250)km 内，异常幅值与震级相关系数为 0717。250，km，震中距与震级相关系数达0687;按震级分析，MS 60，70)，震级与震中距呈中度负相关，相关系数为0685。关键词:极化法;异常提取;地磁;相关系数doi:1016256/jissn1001-8956202302008天然地震在孕育和发震过程中伴随着不同程度与震源破裂有关的电磁辐射异常，频率在1100 Hz。而与地震相关的变化磁异常几乎包含了地球变化磁场绝大部分频段范围，地震引起的磁异常幅度在地磁观测垂直分量上表现的幅度很小且难以被发现，通常被地表以上空间电流体系的变化和人为干扰覆盖1。地磁垂直强度极化法利用岩石圈 ULF 电磁信号特征，将磁场垂直分量 Z 和水平分量(H 或 G)的频谱振幅相比，进而提取震磁异常信息。二者比值可突出源于震源区的异常信号并抑制来源于外源场的信号。目前对地震地磁短周期的研究主要集中在 ULF 频段，很多震例证实垂直强度极化法是提取地磁异常效果较好的方法2-6。Molch-anov 等7 论证岩石破裂过程会产生 ULF 电磁辐射异常;Hayakawa8-9 总结 Spitak，Loma，Guam等地震，认为 ULF 信号主要来自于发震过程中岩石圈的破裂，并通过分析日本东海地区建立的台阵数据，观测到 4 次地震及 1 次震群前观测到 ULF 异常信号;Schekotov10-11 发现磁场水平分量 ULF 信号在震前会产生较明显的扰动变化;Molchanov 等12 和 Hattori K 等13 基于地磁ULF 频段分析数据取得一系列震例研究成果，并得到的 ULF 磁场信号的来源方向与震群活动方向对应，震前 3 个月内常出现高极化值的异常特征。李琪14、姚休义15、樊文杰16、姚远17 等分别计算云南宾川 MS50、元谋 MS52、通 海 MS50、墨江 MS59 及景谷 MS66 地震极化值，总结震前极化值的变化特征。Li、冯志生、何畅等18-19 利用天津静海台、成都台和新疆喀什台的数据计算地震发生前后的极化值，总结发现周期 5100 s 的极化值具有年变化规律，采用第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2021-12-09;修回日期:2022-01-10课题项目:新疆地震科学基金(202216);中国地震局监测、预报、科研三结合课题(3JH-202301001)作者简介:木拉提江阿不来提(1990)，男，工程师，2013 年毕业于沈阳理工大学计算机科学与技术专业，主要从事地球物理观测资料分析工作 E-mail:1027969157 qqcom傅里叶拟合技术消除年变，能够有效去除外空场的影响与周边地震有较好的对应效果。新疆迄今有乌鲁木齐、喀什、温泉、且末共 4 个地磁观测台站实现了秒采样观测。观测实践证明，观测仪器采样率越高，记录地震磁异常信号越详实。喀什地磁数据起始于 1984 年，仪器与台站背景噪声低，外界干扰少，数据积累时间长、观测精度高，20082020 年期间观测站周边区域发生多次 MS50 中强地震，为地磁 U LF 异常信息提取、研究提供充分的条件。本文中运用地磁垂直强度极化法，梳理 2008 年 1 月至 2020 年 1 月喀什观测站地磁 FHDZM15 自动化地磁台站系统观测资料震前异常情况，使用 值评分方法进行映震效能检验，并定量研究极化值异常幅值与震中距、异常幅值与对应地震震级、异常持续时间与震级、震中距与震级之间的关系，对研究地震与单台短周期地磁观测资料变化的关系及单台地磁极化法异常指标体系建立具有重要意义，以期能为地震预报提供合理的科学依据。1数据与方法喀什地磁观测站新址地处疏附县北部兰干镇萨依村境内，距离县城约 22 km，处于南天山地震带西段和帕米尔西昆仑地震带西段交汇处，地质构造背景复杂20-23。观测场 2007 年 8月重建后投入使用，位于旧站址西面约 8 km，周围为农田，地磁观测站建筑区内，磁场梯度每米小于 1 nT，地基土层均为第四系全新统(Q4)松散沉积物，地层岩性表层约 2 m 为细颗粒粉土层，其下均为粗颗粒的圆砾地层。地磁观测室为弱磁性材料石木结构的地面建筑，地磁记录室为铜筋混凝土浇筑的拱形地下建筑，地下室日温差平均约为 0017，相对湿度80%。FHDZM15 自动化观测系统记录内容包括:地磁场偏角(D)、水平强度(H)、垂直强度(Z)、总强度(F)及温度(TC)5 个分量的时序相对记录数据，仪器为秒采样，分辨率达 01 nT，仪器噪声小于 01 nT。ikitake T24 对频率范围为极低频(3 30 Hz)、特低频(300 3 000Hz)、甚低频(330 kHz)和低频(30300 kHz)的观测数据进行统计，得出震级越大，可观测到磁场信号的最大距离越远，M=087+261logDmax(1)式中:M 为震级，Dmax为观测到磁场信号的最大距离。提取 2008 年 1 月至 2020 年 1 月喀什地磁观测站周边 MS50 地震。其中，按震级划分，MS 50，60)地震 21 个，MS 60，70)地震 11个，MS 70，100 地震 5 个。观测实践证明岩石圈 ULF 磁场信号主要体现在地磁垂直分量上，外源场的电磁信号则体现在水平分量上，二者频谱振幅比值可以突出岩石圈异常信号并抑制外源场的电磁信号25。地磁垂直强度极化法定义，Yzh=|Z()/H()|(2)H()=H2x()+H2y()(3)式中:Yzh为极化值，Z()为地磁垂直分量的谱值，H()为地磁水平分量的谱值，H2x()为地磁水平分量南北向谱值，H2y()为地磁水平分量东西向谱值。将喀什地磁观测站 M15 垂直分量 Z、水平分量 H 每日预处理秒数据分为 96 段，每段计算5100 s 频率域的虚实傅氏谱，计算相应频域的极化值、极化值日均值。对极化值结果进行傅氏拟合，获得周期大于半年的傅氏拟合变化曲线、残差和均方差。以傅氏拟合曲线和二倍均方1812 期木拉提江阿不来提等:利用垂直强度极化法分析喀什观测站地磁秒数据异常差为阈值，得出高于阈值的极化值日均值。对高于阈值的极化日均值再次傅氏拟合，得出滤除长周期变化的极化日均值，计算残差序列的 5 日滑动平均值消除高频影响。2结果与分析21震例分析对喀什地磁观测站 2008 年 1 月 1 日至 2020 年 1 月 31 日预处理秒采样资料进行计算得到垂直强度极化结果(图 1)。喀什站 5100 s 频段的极化值具有年变特征，因此在数据分析时有必要消除年变的影响，既抑制外源场影响同时可以突出磁异常信号，又提高了异常判别的准确率。图 1喀什观测站地磁极化值变化曲线(a)极化值 5 日滑动平均值(b)极化值傅里叶拟合(c)极化值与傅里叶拟合残差 5 日滑动平均值Fig1Polarization value variations of Kashi station排除磁暴及人为干扰影响的前提下，图 2 为研究时段内极化值傅里叶拟合残差 5 日滑动平均值时序曲线与周边满足 ULF 最大传播距离范围内地震的关系，图中虚线为每 2 年计算结果的 2 倍均方差线，首次提取高值异常时将其定为异常阈值线。为了排除外空场影响，与表示地磁场扰动变化强度的 Ap 指数进行对比可知，在曲线出现高值异常变化时 Ap 指数变化反而表现为低值。高值异常幅值均高于 0061，3 个月内常出现多次超阈值情况。根据识别标准进行异常提取，并应用许绍燮院士提出的 值评分方法对计算结果进行预报检验(图 3)，喀什站极化值与傅里叶拟合残差 5 日滑动平均值异常与 MS50 地震的对应情况列于表 1。在资料选取时段内发生满足最大传播距离条件的地震共 37 个，共出现28 组异常，其中21组异常对应 29 次地震，7 组异常虚报，漏报 8 次，地震报准率为 75%、虚报率为 25%(表 1)。最佳预报期为 120 d，=017，0=016，通过检验，喀什观测站地磁 Z 分量强度极化法异常信度较高、地震对应效果较好。281内陆地震37 卷图 2喀什地磁观测站极化值傅里叶拟合残差和 Ap 指数的逐年变化图(a)20082009 年极化值傅里叶拟合残差(b)20102011 年极化值傅里叶拟合残差(c)20082009 年 Ap 指数(d)20102011 年 Ap 指数(e)20122013 年极化值傅里叶拟合残差(f)20142015 年极化值傅里叶拟合残差(g)20122013 年 Ap 指数(h)20142015 年 Ap 指数(i)20162017 年极化值傅里叶拟合残差(j)2018-012020-01 极化值傅里叶拟合残差(k)20162017 年 Ap 指数(l)2018-012020-01Ap 指数Fig2Fourier fitting residual of polarization values and Ap index of Kashi station22异常特征研究从表 1 中提取震中距、极化值异常幅值、异常持续时间、对应地震震级 4 个研究对象，计算极化值异常幅值与震中距、震级的相关系数分别为 0169 和 0215，异常持续时间与震级相关系数 0174，震级与震中距的相关系数 0791(图 4)。异常幅值与震中距、与震级、异常持续时3812 期木拉提江阿不来提等:利用垂直强度极化法分析喀什观测站地磁秒数据异常表 1极化值与傅里叶拟合残差 5 日滑动平均值高值异常与 MS50 地震对应情况统计序号异常出现时间(年-月-日年-月-日)异常幅度发震时间(年-月-日)震级(MS)发震地点传播距离/km震中距/km对应情况12008-03-022008-03-0701782008-03-2173新疆于田县1 350670对应22008-04-012008-04-02008虚报2008-04-282008-05-02008332008-07-042008-07-0500822008-09-2055中塔交界276206对应2008-07-172008-07-2100872008-10-0568新疆乌恰县8681642008-08-032008-08-05006842008-11-122008-11-150093虚报2008-11-302008-12-0300852008-12-132008-12-15012009-01-152009-01-1800872009-01-242009-01-25007152009-03-122009-03-1600992009-04-1955新疆阿合奇县276275对应2009-04-2250新疆阿图什市17713462009-04-302009-05-0400852009-07-0154吉尔吉斯斯坦252208对应72009-10-012009-10-090111虚报82010-03-202010-03-2501292010-06-1052新疆乌恰县212103对应2010-09-0756中塔吉交界301172漏报92010-10-012010-10-0400672011-01-0151新疆乌恰县19454对