甘肅地區(qū)地磁Z分量變化特征分析*

陳雙貴，韓　英△，田全通，閆萬(wàn)生，田文通（.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000；.甘肅地質(zhì)工程有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

甘肅地區(qū)地磁Z分量變化特征分析*

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

正確認(rèn)識(shí)地磁背景場(chǎng)變化特征是提取震磁異常的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)于地震預(yù)報(bào)具有重要意義。應(yīng)用甘肅省嘉峪關(guān)、蘭州、天水地磁臺(tái)資料，基于統(tǒng)計(jì)方法分析了不同臺(tái)站間地磁場(chǎng)Z分量日變低點(diǎn)時(shí)間和日變幅度的變化特征，并基于小波變換研究了不同臺(tái)站間地磁場(chǎng)不同頻率成分的變化特征。結(jié)果表明：不同臺(tái)站間原始記錄曲線具有良好空間相關(guān)關(guān)系；日變低點(diǎn)時(shí)間和日變幅度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律；不同臺(tái)站間地磁場(chǎng)低頻成分相關(guān)性良好，高頻部分相關(guān)性不明顯，相對(duì)于低頻部分，高頻部分更能夠反映不同臺(tái)站之間的地域特點(diǎn)，為進(jìn)一步開(kāi)展震磁異常的提取具有重要的借鑒意義。

甘肅地磁場(chǎng)；Z分量 ；日變低點(diǎn)時(shí)間；日變幅度；小波變換

震磁異常的實(shí)質(zhì)是對(duì)正常背景場(chǎng)規(guī)律的非隨機(jī)偏離，其困難在于要從強(qiáng)背景場(chǎng)提取較弱的震磁信息。因此，識(shí)別和排除背景場(chǎng)變化是地磁預(yù)報(bào)地震所要解決的首要問(wèn)題，因此，正確認(rèn)識(shí)與表達(dá)背景場(chǎng)正常變化規(guī)律對(duì)于地震預(yù)報(bào)具有重要意義。

以往對(duì)于震磁異常研究主要圍繞地磁垂直分量Z而展開(kāi)，其重要原因是Z分量相對(duì)于其他分量更能反應(yīng)臺(tái)站局部磁異常，研究中以地磁場(chǎng)空間相關(guān)為基礎(chǔ)，多采用垂直分量日變低點(diǎn)時(shí)間、地磁日變幅度等參量進(jìn)行異常提取，因此，以地磁場(chǎng)變化空間相關(guān)性為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析多臺(tái)間日變低點(diǎn)時(shí)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(chǔ)工作。

地球磁場(chǎng)具有譜成分豐富、頻帶較寬的性質(zhì)。地震過(guò)程是一種非線性的變化過(guò)程，獲得強(qiáng)震前地磁異常信號(hào)的突變時(shí)刻及突變時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的頻率成分，是地震監(jiān)測(cè)中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一［1-2］。小波變換是一種時(shí)間-尺度分析方法，在時(shí)間、尺度（頻率）兩域都具有表征信號(hào)局部的能力，在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨力，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，很適合探測(cè)地磁正常信號(hào)中夾帶的瞬間反常現(xiàn)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(cāng)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(yīng)；邢西淳等［4］提取了涇陽(yáng)地震前的磁異常；范國(guó)華等［5］將小波分析應(yīng)用于地磁數(shù)據(jù)處理當(dāng)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(duì)甘肅地磁資料的分析處理成果未見(jiàn)發(fā)表，因此，基于小波工具研究甘肅地區(qū)磁場(chǎng)不同頻率的變化特征具有重要的實(shí)踐意義。

1　資料選取和預(yù)處理

選取甘肅嘉峪關(guān)、蘭州地磁臺(tái)2002-2005年地磁垂直分量Z的GM3磁力儀分鐘值數(shù)據(jù)，期間儀器運(yùn)行良好，觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定。磁靜擾日根據(jù)中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)站公布國(guó)際地磁靜擾日日期選定。

資料預(yù)處理采用全國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)中心GEOMAG軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)可疑數(shù)據(jù)咨詢了相關(guān)臺(tái)站人員，并做了相應(yīng)處理。對(duì)于所用儀器缺數(shù)情況通過(guò)相關(guān)分析方法用其他儀器進(jìn)行了補(bǔ)缺。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整、可靠。

2　數(shù)據(jù)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(chǎng)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(guān)（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺(tái)都具有明顯的季節(jié)特征，年變形態(tài)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(tái)日變幅度由大到小依次為天水、蘭州、嘉峪關(guān)如圖1所示。

為了進(jìn)一步研究三臺(tái)間的相關(guān)關(guān)系，求得了兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，蘭州-嘉峪關(guān)相關(guān)系數(shù)為0.9036，蘭州-天水相關(guān)系數(shù)為0.9130，嘉峪關(guān)-天水相關(guān)系數(shù)為0.8370，說(shuō)明日變幅度在空間上具有良好的相關(guān)關(guān)系。

2.2地磁低點(diǎn)時(shí)間分布規(guī)律

我國(guó)學(xué)者依據(jù)地磁日變低點(diǎn)位移進(jìn)行了大量的地震預(yù)報(bào)探索研究。所謂“低點(diǎn)位移”，是指日變形態(tài)曲線最低點(diǎn)（低點(diǎn)時(shí)間）比其他正常時(shí)段提前或推遲3-4h以上。因此，文中對(duì)三臺(tái)的地磁低點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并分析了低點(diǎn)位移的分布特征。

由圖2可知，嘉峪關(guān)（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺(tái)低點(diǎn)位移均主要出現(xiàn)在冬季，其他季節(jié)很少出現(xiàn)，具有明顯的季節(jié)變化特征。究其原因，主要由于冬季日變幅度很小，遇到磁場(chǎng)擾動(dòng)日變形態(tài)容易發(fā)生畸變，產(chǎn)生低點(diǎn)位移現(xiàn)象，日變幅度越小則發(fā)生低點(diǎn)位移的概率越大，由日變幅度的統(tǒng)計(jì)可知，天水臺(tái)冬季日變幅度較其它兩臺(tái)大，因此發(fā)生低點(diǎn)位移的的概率越小，嘉峪關(guān)反之亦然，蘭州介于嘉峪關(guān)和天水之間，這與統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表1）相符合。

圖1　嘉峪關(guān)、蘭州、天水日變幅度原始曲線

圖2　嘉峪關(guān)、蘭州、天水日變低點(diǎn)時(shí)間原始曲線

表1　2003-2006年各臺(tái)出現(xiàn)低點(diǎn)位移個(gè)數(shù)［6］

為進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)三臺(tái)間的低點(diǎn)時(shí)間相關(guān)關(guān)系，對(duì)兩兩臺(tái)站求取了相關(guān)系數(shù)，嘉峪關(guān)-蘭州相關(guān)系數(shù)為0.4722，嘉峪關(guān)—天水相關(guān)系數(shù)為0.3667，蘭州-天水相關(guān)性系數(shù)為0.5634，結(jié)果顯示，日變低點(diǎn)時(shí)間在不同臺(tái)站之間相關(guān)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(guò)程

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

圖3　原始信號(hào)的小波分解流程圖

2.3.2原始數(shù)據(jù)靜擾日相關(guān)性分析

為了研究嘉峪關(guān)、蘭州臺(tái)地磁垂直分量Z原始數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對(duì)兩臺(tái)所選定的靜擾日原始數(shù)據(jù)逐日進(jìn)行了相關(guān)分析，做出了兩臺(tái)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示，相關(guān)系數(shù)基本在0.8～1.0之間，兩臺(tái)原始曲線具有顯著的相關(guān)性；磁擾日期間相關(guān)略優(yōu)于磁靜日。從時(shí)間角度分析，其相關(guān)性沒(méi)有明顯的季節(jié)性變化。

2.3.3小波高頻系數(shù)CD1、CD2相關(guān)性分析

CD1在兩臺(tái)之間的相關(guān)系數(shù)大致介于0.3之內(nèi)，其相關(guān)性不顯著，說(shuō)明在地磁場(chǎng)一階小波高頻系數(shù)（細(xì)節(jié)）變化中兩臺(tái)具有差異性，各自具有不同的地域特色。CD2兩臺(tái)相關(guān)系數(shù)R值在磁靜日期間在-0.1～0.1之間，其相關(guān)性不顯著；其次，在磁擾日期間，其相關(guān)系數(shù)R值波動(dòng)較大，有部分R值超過(guò)0.5，甚至達(dá)到接近0.8，說(shuō)明其細(xì)節(jié)（高頻）部分在兩個(gè)臺(tái)站之間存在一定的相關(guān)性，可能解釋為磁擾日期間地磁場(chǎng)的擾動(dòng)事件具有大尺度地域的同步性。

2.3.4小波尺度系數(shù)CA1、CA2相關(guān)性分析

對(duì)兩臺(tái)CA2代表CA1信號(hào)中低頻（概貌）的部分進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明，CA1、CA2在兩臺(tái)間相關(guān)系數(shù)均高于0.8，相關(guān)系數(shù)沒(méi)有明顯的季節(jié)變化特征，磁靜日和磁擾日無(wú)明顯差異，可以認(rèn)為兩臺(tái)在低頻（概貌）部分具有良好的相關(guān)關(guān)系，很大程度上代表了大尺度外空?qǐng)鰧?duì)磁場(chǎng)變化的影響。

3　結(jié)論與討論

（1）通過(guò)對(duì)嘉峪關(guān)、蘭州、天水地磁臺(tái)垂直分量Z日變幅度的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，日變幅度具有明顯的季節(jié)特征，單臺(tái)呈現(xiàn)出冬季低，夏季高，春秋次之的“正弓型”變化性態(tài)；三臺(tái)間天水臺(tái)日變幅度總體最大，蘭州次之，嘉峪關(guān)最小，并且三臺(tái)之間具有良好的相關(guān)關(guān)系。因此，根據(jù)多臺(tái)判別震磁異常時(shí)，可在認(rèn)識(shí)單臺(tái)年變基礎(chǔ)上分析多臺(tái)間的相關(guān)關(guān)系是可能的有效途徑。

（2）對(duì)嘉峪關(guān)、蘭州、天水地磁日變低點(diǎn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，單臺(tái)日變低點(diǎn)位移主要出現(xiàn)在地磁冬季，具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，可能原因是冬季日變幅度較小（10nT左右），遇到磁場(chǎng)擾動(dòng)后日變性態(tài)容易發(fā)生畸變而形成低點(diǎn)位移。通過(guò)對(duì)三臺(tái)日變低點(diǎn)時(shí)間的相關(guān)性分析認(rèn)為，三臺(tái)間逐日相關(guān)性不明顯（R在0.3-0.5之間）。國(guó)內(nèi)以往針對(duì)地磁低點(diǎn)位移方法研究震磁效應(yīng)非常普遍，在該方法實(shí)踐過(guò)程中考慮低點(diǎn)位移的季節(jié)變化規(guī)律對(duì)于異常認(rèn)識(shí)將不無(wú)裨益。

（3）文中基于小波變換對(duì)嘉峪關(guān)、蘭州臺(tái)地磁垂直分量Z進(jìn)行了處理，研究結(jié)果認(rèn)為，兩臺(tái)間所選靜擾日逐日原始曲線相關(guān)系數(shù)在0.8以上，具有良好空間相關(guān)性；CA1、CA2低頻（概貌）部分相關(guān)系數(shù)也均高于0.8，說(shuō)明兩臺(tái)間低頻（概貌）部分空間相關(guān)關(guān)系密切，其相關(guān)程度未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征；CD1、CD2高頻（細(xì)節(jié)）部分兩臺(tái)相關(guān)系數(shù)基本保持在0.3以下，相關(guān)關(guān)系不明顯，其可能原因?yàn)椋菏紫仁桥_(tái)站儀器和觀測(cè)環(huán)境自身噪聲水平的反應(yīng)；其次是臺(tái)站所處的地理環(huán)境中地下介質(zhì)和地下電導(dǎo)率水平不同，由于擾動(dòng)的地磁外源場(chǎng)在地球內(nèi)部介質(zhì)中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的二次場(chǎng)，地下介質(zhì)和電導(dǎo)率水平不同，所產(chǎn)生的二次場(chǎng)強(qiáng)度也不同。

綜而述之，甘肅地區(qū)地磁場(chǎng)垂直分量Z日變幅度和低點(diǎn)位移具有明顯的季節(jié)特征，在認(rèn)識(shí)震磁異常時(shí)應(yīng)加以注意。相對(duì)于低頻部分，高頻部分更能反應(yīng)臺(tái)站局部地磁場(chǎng)的變化特征，為進(jìn)一步開(kāi)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(yīng)［J］.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2002，（2）：31，61.

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

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

［4］ 邢西淳，邵成輝.小波變換在地磁數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2005，26（2），38-42.

［5］范國(guó)華，姚同起，韓克禮.子波變換在地磁不規(guī)則脈動(dòng)頻譜分析中的應(yīng)用［A］.中國(guó)地震學(xué)會(huì)成立20周年紀(jì)念文集，1999-12-01.

［6］ 田文通，辛長(zhǎng)江，薛鋒，等.甘肅不同臺(tái)站地磁垂直分量變化特征分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13（4）：35-39.

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

韓英（1966-），女，甘肅合作人，中國(guó)地震局蘭州地震研究所工程師。