利用垂直強(qiáng)度極化法分析喀什觀測站地磁秒數(shù)據(jù)異常

木拉提江·阿不來提　高歌

摘要：利用極化法計(jì)算喀什觀測站FHDZ-M15 地磁秒數(shù)據(jù)垂直分量極化值，定量研究極化值異常幅值、震中距、異常持續(xù)時間及對應(yīng)地震震級之間的關(guān)系。結(jié)果表明：① 極化值高值異常與其后4個月內(nèi)臺站周邊區(qū)域的M_S≥5.0地震有很好的對應(yīng)關(guān)系，高值異常持續(xù)多為3～6 d；② 對應(yīng)地震的震級與震中距之間為準(zhǔn)線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.791；③ 按震中距分析得出具有顯著關(guān)系有［0，150）km和［150，250）km，異常持續(xù)時間和對應(yīng)地震震級相關(guān)系數(shù)分別為0.645、0.702。［150，250）km內(nèi)，異常幅值與震級相關(guān)系數(shù)為0.717。［250，∞］km，震中距與震級相關(guān)系數(shù)達(dá)0.687；④ 按震級分析，M_S［6.0，7.0），震級與震中距呈中度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.685。

關(guān)鍵詞：? 極化法；異常提??；地磁；相關(guān)系數(shù)

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.008

天然地震在孕育和發(fā)震過程中伴隨著不同程度與震源破裂有關(guān)的電磁輻射異常，頻率在1～100 Hz。而與地震相關(guān)的變化磁異常幾乎包含了地球變化磁場絕大部分頻段范圍，地震引起的磁異常幅度在地磁觀測垂直分量上表現(xiàn)的幅度很小且難以被發(fā)現(xiàn)，通常被地表以上空間電流體系的變化和人為干擾覆蓋［1］。地磁垂直強(qiáng)度極化法利用巖石圈 ULF 電磁信號特征，將磁場垂直分量Z和水平分量（H或G）的頻譜振幅相比，進(jìn)而提取震磁異常信息。二者比值可突出源于震源區(qū)的異常信號并抑制來源于外源場的信號。目前對地震地磁短周期的研究主要集中在ULF頻段，很多震例證實(shí)垂直強(qiáng)度極化法是提取地磁異常效果較好的方法［2-6］。Molchanov 等［7］ 論證巖石破裂過程會產(chǎn)生 ULF 電磁輻射異常；Hayakawa ［8-9］總結(jié)Spitak，Loma，Guam等地震，認(rèn)為ULF信號主要來自于發(fā)震過程中巖石圈的破裂，并通過分析日本東海地區(qū)建立的臺陣數(shù)據(jù)，觀測到4次地震及1次震群前觀測到ULF異常信號；Schekotov［10-11］發(fā)現(xiàn)磁場水平分量ULF信號在震前會產(chǎn)生較明顯的擾動變化；Molchanov 等［12］和Hattori K等［13］基于地磁 ULF 頻段分析數(shù)據(jù)取得一系列震例研究成果，并得到的ULF 磁場信號的來源方向與震群活動方向?qū)?yīng)，震前３個月內(nèi)常出現(xiàn)高極化值的異常特征。李琪［14］、姚休義［15］、樊文杰［16］、姚遠(yuǎn)［17］等分別計(jì)算云南賓川M_S5.0、元謀M_S5.2、通 海M_S5.0、墨江M_S5.9及景谷M_S6.6地震極化值，總結(jié)震前極化值的變化特征。Li、馮志生、何暢等［18-19］利用天津靜海臺、成都臺和新疆喀什臺的數(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，能夠有效去除外空場的影響與周邊地震有較好的對應(yīng)效果。新疆迄今有烏魯木齊、喀什、溫泉、且末共4個地磁觀測臺站實(shí)現(xiàn)了秒采樣觀測。觀測實(shí)踐證明，觀測儀器采樣率越高，記錄地震磁異常信號越詳實(shí)。喀什地磁數(shù)據(jù)起始于1984年，儀器與臺站背景噪聲低，外界干擾少，數(shù)據(jù)積累時間長、觀測精度高，2008—2020年期間觀測站周邊區(qū)域發(fā)生多次M_S≥5.0中強(qiáng)地震，為地磁U LF 異常信息提取、研究提供充分的條件。本文中運(yùn)用地磁垂直強(qiáng)度極化法，梳理2008年1月至2020年1月喀什觀測站地磁FHDZ-M15自動化地磁臺站系統(tǒng)觀測資料震前異常情況，使用R值評分方法進(jìn)行映震效能檢驗(yàn)，并定量研究極化值異常幅值與震中距、異常幅值與對應(yīng)地震震級、異常持續(xù)時間與震級、震中距與震級之間的關(guān)系，對研究地震與單臺短周期地磁觀測資料變化的關(guān)系及單臺地磁極化法異常指標(biāo)體系建立具有重要意義，以期能為地震預(yù)報(bào)提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

喀什地磁觀測站新址地處疏附縣北部蘭干鎮(zhèn)薩依村境內(nèi)，距離縣城約 22 km，處于南天山地震帶西段和帕米爾—西昆侖地震帶西段交匯處，地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜［20-23］ 。觀測場2007年8月重建后投入使用，位于舊站址西面約 8 km，周圍為農(nóng)田，地磁觀測站建筑區(qū)內(nèi)，磁場梯度每米小于1 nT，地基土層均為第四系全新統(tǒng)（Q4）松散沉積物，地層巖性表層約 2 m為細(xì)顆粒粉土層，其下均為粗顆粒的圓礫地層。地磁觀測室為弱磁性材料石木結(jié)構(gòu)的地面建筑，地磁記錄室為銅筋混凝土澆筑的拱形地下建筑，地下室日溫差平均約為 0.017 ℃，相對濕度≤80％。

FHDZ-M15自動化觀測系統(tǒng)記錄內(nèi)容包括：地磁場偏角（D）、水平強(qiáng)度（H）、垂直強(qiáng)度（Z）、總強(qiáng)度（F）及溫度（TC）5個分量的時序相對記錄數(shù)據(jù)，儀器為秒采樣，分辨率達(dá)0.1 nT，儀器噪聲小于0.1 nT。Rikitake T［24］對頻率范圍為極低頻（3～30 Hz）、 特低頻（300～3 000 Hz）、甚低頻（3～30 kHz）和低頻（30～300 kHz）的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出震級越大，可觀測到磁場信號的最大距離越遠(yuǎn)，

2結(jié)果與分析

2.1震例分析

對喀什地磁觀測站2008年1月1日至2020年1月31日預(yù)處理秒采樣資料進(jìn)行計(jì)算得到垂直強(qiáng)度極化結(jié)果（圖1）?？κ舱?～100 s頻段的極化值具有年變特征，因此在數(shù)據(jù)分析時有必要消除年變的影響，既抑制外源場影響同時可以突出磁異常信號，又提高了異常判別的準(zhǔn)確率。

排除磁暴及人為干擾影響的前提下，圖2為研究時段內(nèi)極化值傅里葉擬合殘差5日滑動平均值時序曲線與周邊滿足ULF最大傳播距離范圍內(nèi)地震的關(guān)系，圖中虛線為每2年計(jì)算結(jié)果的2倍均方差線，首次提取高值異常時將其定為異常閾值線。為了排除外空場影響，與表示地磁場擾動變化強(qiáng)度的Ap指數(shù)進(jìn)行對比可知，在曲線出現(xiàn)高值異常變化時Ap指數(shù)變化反而表現(xiàn)為低值。高值異常幅值均高于0.061，3個月內(nèi)常出現(xiàn)多次超閾值情況。根據(jù)識別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行異常提取，并應(yīng)用許紹燮院士提出的R值評分方法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)（圖3），喀什站極化值與傅里葉擬合殘差5日滑動平均值異常與M_S≥5.0地震的對應(yīng)情況列于表1。

在資料選取時段內(nèi)發(fā)生滿足最大傳播距離條件的地震共37個，共出現(xiàn)28組異常，其中21組異常對應(yīng)29次地震，7組異常虛報(bào)，漏報(bào)8次，地震報(bào)準(zhǔn)率為75%、虛報(bào)率為25%（表1）。最佳預(yù)報(bào)期為120 d，R=0.17，R0=0.16，通過檢驗(yàn)，喀什觀測站地磁Z分量強(qiáng)度極化法異常信度較高、地震對應(yīng)效果較好。

2.2異常特征研究

從表1中提取震中距、極化值異常幅值、異常持續(xù)時間、對應(yīng)地震震級4個研究對象，計(jì)算極化值異常幅值與震中距、震級的相關(guān)系數(shù)分別為0.169和0.215，異常持續(xù)時間與震級相關(guān)系數(shù)0.174，震級與震中距的相關(guān)系數(shù)0.791（圖4）。異常幅值與震中距、與震級、異常持續(xù)時間與震級之間并未出現(xiàn)明顯線性相關(guān)性，與李霞等［26］研究青海地區(qū)地磁極化異常結(jié)果相同。

將對應(yīng)地震的震級和震中距分別按不同震級（M_S［5.0，6.0）、M_S［6.0～7.0）、M_S［7.0，10.0］和不同震中距（［0，150）km、［150，250）km、［250，∞］km）進(jìn)行分檔，再次計(jì)算相關(guān)系數(shù)（表2～3）。異常幅值與震中距各震級檔相關(guān)程度不高，與何暢等［19］應(yīng)用極化法分析2010—2015年成都臺FHDZ-M15數(shù)據(jù)研究結(jié)果不盡相同（表2、圖5a）；震中距［150，250）km的異常幅值與震中距呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.678（圖5b）。按震級分析，M_S［6.0，7.0）震級與震中距呈中度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.685（圖5c），異常持續(xù)時間與震級呈中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.595（圖5e）。按震中距分析，［0～150）km和［150，250）km計(jì)算的異常持續(xù)時間與震級均出現(xiàn)中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.645和0.702（圖5f、g）；［150，250）km呈中高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.717（圖5h）；［250，∞］km呈中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.687（圖5d）。

3結(jié)論與討論

根據(jù)公式確定喀什地磁觀測站周邊M_S≥5.0地震，統(tǒng)計(jì)垂直分量極化法異常特征發(fā)現(xiàn)，異常持續(xù)在1～8天。發(fā)震時間均出現(xiàn)在極化高值異常后4個月內(nèi)，發(fā)震地點(diǎn)的范圍大部分集中在0～250 km，發(fā)震震級M_S［5.0，6.0）占多數(shù)?？κ泊怪睆?qiáng)度極化震例統(tǒng)計(jì)顯示，無震異常與地震漏報(bào)情況占比較大且客觀存在。這可能與地震在發(fā)展、孕育、傳播過程中的復(fù)雜變化有關(guān)，也可能與外界的某類干擾有關(guān)。預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)顯示，R＝0.17，R₀＝0.16，R＞R0，該方法對地震預(yù)報(bào)具有一定的可行性。雖然通過檢驗(yàn)，卻評分較低，這可能與資料選取時間長度及周邊發(fā)生地震的次數(shù)偏多有一定的關(guān)系。

震例顯示，極化法異常對應(yīng)了29次地震，計(jì)算震中距、異常幅度、震級、異常持續(xù)時間4個要素間的相關(guān)系數(shù)，僅發(fā)現(xiàn)震中距與震級有顯著關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.791。按不同震中距計(jì)算它們之間的相關(guān)性得出［0，150）km和［150，250）km，異常持續(xù)時間和震級相關(guān)系數(shù)分別為0.645、0.702，均呈現(xiàn)出中度正相關(guān)且隨震中距增大二者相關(guān)性有所增強(qiáng)。［150，250）km內(nèi)，異常幅值與震級相關(guān)系數(shù)為0.717，較其它檔計(jì)算結(jié)果最高。按震級計(jì)算相關(guān)性得到M_S［6.0，7.0）震級與震中距相關(guān)關(guān)系最為顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.685，呈中度負(fù)相關(guān)。樣本量對不同檔計(jì)算出的相關(guān)性結(jié)果具有一定的影響，樣本量相對較少的檔，相關(guān)關(guān)系較為顯著，反之亦然。

目前極化法在新疆地震預(yù)測尚未成熟應(yīng)用，對異常的認(rèn)識仍存在不足。隨觀測資料的積累，異常判據(jù)指標(biāo)和預(yù)測規(guī)則需進(jìn)一步完善，結(jié)合其它較為成熟的地球物理觀測分析方法，可作為單臺地磁中短期預(yù)報(bào)的有效方法，對進(jìn)一步認(rèn)識該地區(qū)震磁關(guān)系具有一定的應(yīng)用意義。

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APPLICATION OF GEOMAGNETIC VERTICAL INTENSITY

POLARIZATION METHOD IN ANALYZING ANOMALY

INFORMATION OF GEOMAGNETIC SECOND

DATA ON KASHI STATION

Mulatijiang Abulaiti， Gao Ge

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011，Xinjiang， China）

Abstract： Polarization value of the vertical component of FHDZ-M15 geomagnetic second data at Kashi Station is calculated by the polarization method， and the relationship between the abnormal amplitude of the polarization value， Epicentral distance， abnormal duration and the corresponding earthquake magnitude is quantitatively studied. The results show that： ① there is a good correspondence between the high polarization value anomaly and M_S≥5.0 earthquakes in the surrounding area of the station within the next 4 months， with high value anomalies lasting mostly for 3～6 days; ② The relationship between the magnitude of the corresponding earthquake and the Epicentral distance is quasi linear， and the correlation coefficient reaches 0.791; ③ According to the analysis of Epicentral distance， the significant relationships are 0～150 km and 150～250 km， and the correlation coefficients of anomaly duration and corresponding earthquake magnitude are 0.645 and 0.702 respectively. The correlation coefficient between anomaly amplitude and magnitude is 0.717 within 150～250 km. Over 250 km， the correlation coefficient between Epicentral distance and magnitude is 0.687; ④ According to the magnitude analysis， M_S6.0～6.9， the magnitude is moderately negatively correlated with Epicentral distance， and the correlation coefficient is -0.685.

Key words： Polarization method; Anomaly extraction; Geomagnetism; Correlation coefficient