烏魯木齊臺(tái)地磁觀測(cè)資料異常信息提取及應(yīng)用①

木拉提江·阿不來提， 楊福喜， 張青遠(yuǎn)， 毛玉劍

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆是中國(guó)大陸發(fā)生中強(qiáng)地震頻發(fā)的地區(qū)之一，地震活動(dòng)具有強(qiáng)度大、頻度高、分布廣的特點(diǎn)。利用地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)開展分析預(yù)報(bào)工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比、逐日比、極化法等方法做了大量研究。戴苗[1]、賈立峰[2]、李霞等[3]在新疆南北天山地震帶、青海等區(qū)域研究了地磁加卸載響應(yīng)比資料變化與地震的關(guān)系，結(jié)果表明，地磁加卸載響應(yīng)比是識(shí)別幅度異常的有效方法，但不同區(qū)域臺(tái)站要選擇合適的異常閾值。馮志生[4]以江蘇地區(qū)臺(tái)站為例分析了地磁垂直分量日變幅逐日比及其與地震的關(guān)系，張翼[5]總結(jié)出適合烏魯木齊地磁臺(tái)日變幅逐日比法的定量化判定標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)報(bào)規(guī)則。Thomas 等[6]對(duì) 1993 年關(guān)島地震前后GAM臺(tái)地磁臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新檢驗(yàn)，認(rèn)為其極化值的長(zhǎng)期趨勢(shì)與全球地磁場(chǎng)活動(dòng)相關(guān)。Li、馮志生、何暢等[7-10]利用天津靜海臺(tái)、成都臺(tái)和新疆喀什臺(tái)的數(shù)據(jù)計(jì)算地震發(fā)生前后的極化值，總結(jié)發(fā)現(xiàn)周期5～100 s的極化值具有年變化規(guī)律，采用傅里葉擬合技術(shù)消除年變，能夠去除外空?qǐng)龅挠绊?，與周邊地震有較好的對(duì)應(yīng)效果。

目前新疆建有烏魯木齊、克拉瑪依、溫泉、烏什、喀什、且末臺(tái)6個(gè)地磁觀測(cè)臺(tái)。多年的觀測(cè)實(shí)踐表明，雖然新疆地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好、精度高，但地磁臺(tái)站間距遠(yuǎn)，因此凸顯了地磁單臺(tái)分析提取異常的重要性。本文中利用3種地磁資料分析方法，分析梳理烏魯木齊地磁臺(tái)觀測(cè)資料震前異常情況，并對(duì)異常變化的可靠性和異常特征進(jìn)行分析和討論，加深對(duì)烏魯木齊臺(tái)地磁觀測(cè)資料的認(rèn)識(shí)與理解，對(duì)于研究單臺(tái)地磁資料變化與地震的關(guān)系具有重要意義。

1 臺(tái)站概況

烏魯木齊中心地震臺(tái)前身為烏魯木齊水磨溝地震臺(tái)，屬全國(guó)老八臺(tái)。臺(tái)址處天山構(gòu)造帶中妖魔山斷裂南沿，臺(tái)站地處歐亞板塊的中南部，北天山地震帶中段。地磁觀測(cè)場(chǎng)地和建筑由中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所1964年選建，分別設(shè)有地磁絕對(duì)觀測(cè)室和相對(duì)記錄室，為地磁Ⅰ類基準(zhǔn)臺(tái)，1978年正式出版《烏魯木齊地磁臺(tái)地磁觀測(cè)報(bào)告》，并參加國(guó)際資料交換[11]。2007年架設(shè)FHDZ-M15自動(dòng)化地磁臺(tái)站系統(tǒng)，2012年12月烏魯木齊水磨溝臺(tái)地磁觀測(cè)儀器全部遷往呼圖壁綜合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，背景噪聲小[12]，連續(xù)多年在國(guó)家局地磁資料評(píng)比中取得了前3名的好成績(jī)(圖1)。

圖1 烏魯木齊地磁臺(tái)周邊構(gòu)造位置示意圖Fig.1 Structural location map around Urumqi geomagnetic station

2 分析方法簡(jiǎn)介

2.1 地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比

地磁加卸載響應(yīng)比是曾小平等由尹祥礎(chǔ)等提出的加卸載響應(yīng)比理論向地震地磁學(xué)的延拓[13-14]。將磁擾過程作為地球磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)加載和卸載響應(yīng)的過程。以垂直分量Z為例，取Z分量的日變幅度作為計(jì)算加卸載響應(yīng)比的參量，響應(yīng)比P(Z) 可定義,

P(Z)=ΔZ+/ΔZ-.

(1)

式中，下角標(biāo)“+”表示加載，“-”表示卸載。根據(jù)日變幅加卸載響應(yīng)比P(Z) 值時(shí)序曲線，由其附近范圍內(nèi)的地震找出震前P(Z) 異常的最低值即閾值為Po(Z)。當(dāng)P(Z)Po(Z)為異常。

2.2 地磁Z分量日變幅逐日比

地磁Z分量日變幅逐日比是馮志生[1]在應(yīng)用Z分量加卸載響應(yīng)比時(shí)發(fā)現(xiàn)的新方法。地磁Z分量前一日日變幅與后一日日變幅比值高的臺(tái)站，與臺(tái)站周邊地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法是由2個(gè)日期的Z分量日變幅度比值來提取異常，其變化受人為因素及周邊環(huán)境影響較小。

設(shè)地磁臺(tái)1日觀測(cè)數(shù)據(jù)為{a1,a2,…,an}，其日變幅計(jì)算，

ΔA=amax-amin.

(2)

地磁Z分量日變幅逐日比定義，

(3)

式中，A(t)為地磁Z分量日變幅，t2=t1+1 (t1，t2為觀測(cè)日期)，本文中將Y定義為地磁Z分量日變幅逐日比值。

2.3 地磁垂直分量極化法

地磁垂直強(qiáng)度極化法是指將磁場(chǎng)垂直分量Z和水平分量(H或G)的頻譜振幅相比。巖石圈ULF 電磁信號(hào)的特征表現(xiàn)為垂直分量Z比水平分量H或G大，即來自于巖石圈的信號(hào)主要體現(xiàn)在垂直分量Z上，而來自外源場(chǎng)的信號(hào)主要體現(xiàn)在水平分量H或G上，利用二者的比值即可在突出巖石圈異常信號(hào)的同時(shí)抑制外源場(chǎng)的電磁信號(hào)，是目前被普遍認(rèn)為提取地震磁擾動(dòng)信號(hào)效果較好的方法[15]。

垂直強(qiáng)度極化法。首先下載地磁臺(tái)D、H、Z三分量95格式的秒采樣數(shù)據(jù)，對(duì)FHDZ-M15預(yù)處理秒數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，選取北京時(shí)子夜00:00～02:00的數(shù)據(jù)，每 15 min一個(gè)數(shù)據(jù)段，每天包含 8 個(gè)數(shù)據(jù)段，計(jì)算每段數(shù)據(jù)的傅里葉譜幅值，并在頻率域求平均，然后計(jì)算5～100 s 各秒的譜及其垂直強(qiáng)度極化幅度值、日均值，剔除低比值后得到每天的極化值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行傅里葉擬合來消除長(zhǎng)期變化。然后再計(jì)算垂直分量極化值，即地磁垂直分量和水平分量全矢量譜比值，

Yzh=|Z(ω)/H(ω)|.

(4)

(5)

3 數(shù)據(jù)分析

為保證分析資料的連續(xù)性，本文中分別選取2008～2012年水磨溝地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)和2013～2018年呼圖壁地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比、Z分量日變幅逐日比對(duì)臺(tái)站周邊300 km范圍內(nèi)發(fā)生的MS≥5.0地震進(jìn)行分析，用垂直分量極化法對(duì)滿足ULF信號(hào)傳播最大距離公式的MS≥5.0地震進(jìn)行分析，在異常判別中，閾值超限為異常，3個(gè)月內(nèi)的多次異常視為同一組異常，預(yù)報(bào)時(shí)段以同組首次異常時(shí)間為準(zhǔn)。

3.1 地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比分析

加卸載響應(yīng)比理論的出發(fā)點(diǎn)是基于對(duì)震源介質(zhì)損傷程度的刻畫。由于地磁垂直分量Z的變化比其他分量敏感，所以將其比值作為加卸載響應(yīng)比參量P(Z)[16]。正常情況下，烏魯木齊地磁臺(tái)Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比值P(Z)為1.0～2.2。本文中對(duì)烏魯木齊臺(tái)P(Z)計(jì)算結(jié)果嘗試進(jìn)行了不同閾值的選擇，對(duì)異常閾值劃分為 5 個(gè),閾值3.0～閾值3.4，加卸載值出現(xiàn)高出閾值定為異常，得出P(Z)≥3.3時(shí)，顯示出顯著的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)(圖2)。

根據(jù)國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心提供的磁暴報(bào)告及全球擾動(dòng)時(shí)段，統(tǒng)計(jì)受磁暴、全球擾動(dòng)影響超閾值6組，排除磁暴、全球擾動(dòng)對(duì)烏魯木齊臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比對(duì)應(yīng)地震的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表1)，在資料選取時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)了9組超閾值情況，期間共發(fā)生MS≥5.0地震7次，6次對(duì)應(yīng)地震，映震率達(dá)到 66.67%，1次漏報(bào)，3次虛報(bào)。說明烏魯木齊臺(tái)地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比異常信度較高、地震映震效果好(圖2)。

圖2 烏魯木齊臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比P(Z)計(jì)算結(jié)果Fig.2 Geomagnetic load-unload response ratio P(Z) in Urumqi station

表1 烏魯木齊中心地震臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比(P(Z)≥3.3)對(duì)應(yīng)地震統(tǒng)計(jì)表

3.2 地磁Z分量日變幅逐日比分析

與加卸載響應(yīng)比的分析方法類似，選取烏魯木齊臺(tái)地磁Z分量日變幅作為計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果顯示，逐日比比值Yo(Z)一般在 0.4～1.8 之間波動(dòng)。對(duì)Yo(z)計(jì)算結(jié)果同樣劃分為 5 個(gè)異常閾值：閾值2.6～3.0，逐日比出現(xiàn)高出閾值定為異常，得出Yo(Z)≥2.9時(shí)，映震效果較其他閾值更為理想(圖3)。

圖3 烏魯木齊臺(tái)地磁Z分量日變幅逐日比Yo(Z)變化曲線Fig.3 Daily ratio Yo(Z) of magnetic with Z component in Urumqi station

結(jié)果顯示，統(tǒng)計(jì)受磁暴、全球擾動(dòng)影響超閾值6組，排除磁暴、全球擾動(dòng)對(duì)烏魯木齊臺(tái)地磁逐日比對(duì)應(yīng)地震的影響，在資料選取時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)10組超閾值情況，共發(fā)生MS≥5.0地震7次，其中 5 次存在震前逐日比異常，映震率達(dá)到 50%，漏報(bào)2次，虛報(bào)5次(表2)。表明烏魯木齊臺(tái)地磁Z分量日變幅逐日比虛報(bào)、漏報(bào)次數(shù)偏多，地震映震效果次于加卸載響應(yīng)比分析結(jié)果。

表2 烏魯木齊中心地震臺(tái)地磁逐日比(Yo(Z)≥2.9)對(duì)應(yīng)地震統(tǒng)計(jì)表

3.3 地磁垂直強(qiáng)度極化法分析

ULF信號(hào)傳播最大距離Dmax與震級(jí)M的關(guān)系滿足[17],

M=-0.87+2.61logDmax.

(6)

公式表明，震級(jí)越大，可觀測(cè)到的電磁信號(hào)距離越大，依據(jù)公式(6)篩選2008～2018年烏魯木齊地磁臺(tái)滿足傳播距離的MS≥5.0地震共10個(gè)(刪除余震、包含境外地震)。計(jì)算出的極化值(表3)，當(dāng)信號(hào)源自高空電離層/磁層時(shí)，ULF磁場(chǎng)極化值通常<1,而來自孕震區(qū)的ULF磁場(chǎng)極化值Yzh≥1，認(rèn)為極化值是區(qū)別源于空間電離層/磁層的地磁脈動(dòng)與源于地下巖石層的震磁輻射的關(guān)鍵[9]。本文中對(duì)計(jì)算出的極化值觀測(cè)序列嘗試劃分2個(gè)異常閾值分析：2倍均方差和3倍均方差，極化值出現(xiàn)高出閾值定為異常。由圖4可知，全程3倍均方差極化值分析結(jié)果更接近1，且虛報(bào)率明顯降低。

表3 極化值異常與地震對(duì)應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)表

圖4 烏魯木齊臺(tái)地磁極化值變化曲線Fig.4 Polarization value variations of Urumqi station

根據(jù)公式(6)計(jì)算出各個(gè)地震的傳播距離，排除磁暴影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在資料選取時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)11組超閾值情況。滿足此經(jīng)驗(yàn)公式的MS≥5.0地震10次，其中，8次對(duì)應(yīng)地震，映震率達(dá)到 72.73%，漏報(bào)2次，虛報(bào)3次(表3)。說明烏魯木齊臺(tái)地磁垂直強(qiáng)度極化法分析異常信度好、地震對(duì)應(yīng)效果高。

4 總結(jié)與討論

綜合分析3種地磁異常分析方法的發(fā)震時(shí)間預(yù)測(cè)和強(qiáng)度預(yù)測(cè)，通過對(duì)震前的磁擾狀態(tài)、Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比、Z分量日變幅逐日比、地磁垂直分量極化法的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1) 通過多種地磁方法震例統(tǒng)計(jì)，得出烏魯木齊臺(tái)Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比最佳閾值P(Z)≥3.3、Z分量日變幅逐日比閾值最佳閾值Yo(Z)≥2.9、垂直分量極化法最佳閾值≥ 3倍均方差。MS≥5.0地震映震效能：垂直強(qiáng)度極化法>Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比>Z分量日變幅逐日比。

(2) 從時(shí)間上看，3種地磁分析方法中強(qiáng)地震前的異常多出現(xiàn)在震前 6 個(gè)月內(nèi)。從發(fā)震強(qiáng)度上來看，垂直強(qiáng)度極化法與垂直分量加卸載響應(yīng)比對(duì)應(yīng)MS≥5.0地震效果較好，且震級(jí)大小與異常最大幅值大小無顯著相關(guān)性，亦與發(fā)震間隔無關(guān)。從發(fā)震地點(diǎn)上來看，加卸載響應(yīng)比與逐日比方法統(tǒng)計(jì)的震例均發(fā)生在距地磁臺(tái)站50～250 km。

(3) 磁暴、全球磁擾對(duì)垂直分量極化法分析結(jié)果影響較小，而對(duì)地磁Z分量日變幅逐日比、加卸載響應(yīng)比分析結(jié)果影響較大。

(4) 地震發(fā)生前，當(dāng)3種地磁分析方法均發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，異常數(shù)量的增多相對(duì)于單方法而言，提高了觀測(cè)資料異常的可信度。距離發(fā)震時(shí)間越近，異常數(shù)量有明顯的增多，預(yù)示監(jiān)視區(qū)的發(fā)震概率增大。