極化方法應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）云南省地震局監測中心，昆明650224

利用云南地磁臺陣5個測點的秒采樣觀測數據，提取了發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個月內各個測點極化值SZ/SH時間序列的分析，發現極化值Z/H的幅度在震前半個月有明顯的增強，而且異常幅度和震中距成反比。同時，通過4個測點極化值Z/H時間序列與Dst指數的對比，確定了這種異常幅度的增強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；而內源場則包括地球巖石剩余磁化強度和在地磁場磁化作用下的感應磁化強度。提取地震發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行預處理之后，還需要采用相對復雜的數學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電磁信號區別開來。例如Li等（2011）利用新疆喀什和天津靜海的數據，計算了2個不同震例發生前后的極化值，提取到了比較可靠的地磁異常信號。

如果只有1個臺站觀測到了震前的地磁異常信號，這種異常的可靠性經常被人質疑。過去采用極化方法分析的震例，由于受地磁臺站數目和間距的限制，只能分析震中附近1個臺站的觀測數據。由于中國大陸位于全球的中緯度地區，所以引起地磁場短周期變化的外源場在地面很大范圍內是近似均勻的，如果在震中附近有多個地磁臺站，而且這些地磁臺站監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地磁測點的要求。

在中國地震局地球物理研究所承擔的地震行業科研專項“地磁臺陣式地震短臨跟蹤技術研究”支持下，從2009年3月開始在云南省陸續建設了多個地磁觀測點，并在云南省的西北角組成了一個小口徑地磁臺陣。在地磁臺陣運行期間，2009年11月2日在云南省大理白族自治州賓川縣發生了S5.0級地震，地震震中位于北緯26.00°、東經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行了研究，文中對云南地磁臺陣各個測點的數據采用極化方法進行分析，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果。

1 云南地磁臺陣概況

在賓川地震發生之前，建設完成的云南地磁臺陣包括布設在云南西北角的4個觀測點（測點平均間距為100km左右）以及云南南部的一個觀測點，臺陣布設及賓川地震震中位置如圖1所示。各個測點的經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觀測點的磁場梯度和背景噪聲進行了嚴格測試，測點的觀測場地滿足10m×10m范圍內地磁場總強度分布均勻，且水平梯度△h≤5nT/m，電磁環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的技術指標。同時，在每個觀測點都安裝了一套由中國地震局地球物理研究所研制生產的GM4磁通門磁力儀，其采樣間隔為1s，觀測周期從2s到數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，低于歷史震例發現的震前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。

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

表1 滇西北地磁臺陣經緯度以及距離賓川地震的震中距

2 計算方法

為避開日間的人為和工業干擾，筆者選取當地時間的子夜0—2點（也就是世界時的17:00:00—18:59:59）的數據進行計算，具體計算流程為：①以30min，也就是1800s為分段長度，對各個測點垂直分量Z、水平分量H和總水平分量的預處理秒數據進行分段，這樣每天的數據就包括4個30min的數據段；②計算出每段數據的傅立葉譜幅值，并把每天4段數據計算出的幅值在頻率域求平均；③計算垂直分量Z、水平分量H和總水平分量G在頻段0.007—0.015Hz內的譜值積分，可得到對應的譜密度Z、H和G；⑤計算每天的極化值Z/H和Z/G，并進行3日滑動平均得到最后的計算結果。

3 震例分析

根據對過去典型震例的統計可知，極化方法提取到的地磁異常變化通常在震前2個月到數天出現（李琪等，2008）。圖2給出了此次地震前后2個月內各個地磁測點的極化值Z/H時間序列和Dst變化曲線，圖中箭頭所指為發震日期。文中把均值加上3倍均方差作為閾值，在圖2中用橫虛線標示。另外，從圖2中可以看到，在震前半個月下關、洱源和麗江的極化值出現高于閾值的地磁異常變化，而距離較遠的云龍和石屏整體雖然在震前半個月的數據變化形態和前面3個測點差不多，但是擾動水平不高。把位置相對較為集中的下關、洱源、麗江和云龍4個測點震前的極化值Z/H變化的峰值提取出來，圖3為這4個測點震前異常幅度與震中距的對應關系。從圖3可以看到，異常幅度和震中距呈負相關，其相關系數為-0.71；距離震中越近，異常幅度越大，反之，異常幅度越小；同時二者的關系近似于線性相關。另外，考慮到極化值Z/G的時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段的Dst指數。中低緯地磁場活動強度常用Dst指數來表示，Dst指數每小時1個，大于-30表示地磁場處于平靜狀態，Dst指數越大，說明磁場越平靜。對比各個測點的極化值與Dst指數的變化情況可以看出，震前極化值的增強與外源場的變化沒有關系，各個測點的極化值Z/H與Dst指數的相關系數最高也不超過0.28。

4 討論和結論

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

根據國外震例的統計結果，在震級和震中距滿足0.025≤-4的情況下，有90%的地震在發生前會出現ULF異常信號（Hattori，2004）。按照這個公式計算，此次賓川S5.0級地震易于發現異常的距離在震中距為40km的范圍內，雖然本文用于研究的云南臺陣的各個測點距賓川S5.0級地震的震中距都在40km之外，但在震中距不大于75km的下關和洱源還是發現了較為明顯的異常，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，震前半個月處的極化幅度和其他時段的變化相差不大，同時從圖3中也可明顯地看出異常幅度和震中距的關系，這說明震前ULF電磁異常信號的傳播范圍是有限的。

由于地質構造的不同將導致孕震環境的不同，所以某種地震預測方法是否普遍適用還需要更多震例的驗證。而且，地震預測研究也是一個震例積累的過程，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，本文的觀測結果還需要在以后的研究工作中繼續探索。

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務專項項目DQJB12C07和地震行業科研專項項目200708033聯合資助。

2014-04-09

李琪，女，生于1975年。博士，副研。主要從事震磁關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的技術管理。E-mail：darcyli@163.com