乌鲁木齐台地磁观测资料异常信息提取及应用①

木拉提江·阿不来提， 杨福喜， 张青远， 毛玉剑

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

新疆是中国大陆发生中强地震频发的地区之一，地震活动具有强度大、频度高、分布广的特点。利用地磁观测数据开展分析预报工作，国内外学者运用地磁Z分量日变幅加卸载响应比、逐日比、极化法等方法做了大量研究。戴苗[1]、贾立峰[2]、李霞等[3]在新疆南北天山地震带、青海等区域研究了地磁加卸载响应比资料变化与地震的关系，结果表明，地磁加卸载响应比是识别幅度异常的有效方法，但不同区域台站要选择合适的异常阈值。冯志生[4]以江苏地区台站为例分析了地磁垂直分量日变幅逐日比及其与地震的关系，张翼[5]总结出适合乌鲁木齐地磁台日变幅逐日比法的定量化判定标准和预报规则。Thomas 等[6]对 1993 年关岛地震前后GAM台地磁台数据进行了重新检验，认为其极化值的长期趋势与全球地磁场活动相关。Li、冯志生、何畅等[7-10]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5～100 s的极化值具有年变化规律，采用傅里叶拟合技术消除年变，能够去除外空场的影响，与周边地震有较好的对应效果。

目前新疆建有乌鲁木齐、克拉玛依、温泉、乌什、喀什、且末台6个地磁观测台。多年的观测实践表明，虽然新疆地磁观测数据质量好、精度高，但地磁台站间距远，因此凸显了地磁单台分析提取异常的重要性。本文中利用3种地磁资料分析方法，分析梳理乌鲁木齐地磁台观测资料震前异常情况，并对异常变化的可靠性和异常特征进行分析和讨论，加深对乌鲁木齐台地磁观测资料的认识与理解，对于研究单台地磁资料变化与地震的关系具有重要意义。

1 台站概况

乌鲁木齐中心地震台前身为乌鲁木齐水磨沟地震台，属全国老八台。台址处天山构造带中妖魔山断裂南沿，台站地处欧亚板块的中南部，北天山地震带中段。地磁观测场地和建筑由中国科学院地球物理研究所1964年选建，分别设有地磁绝对观测室和相对记录室，为地磁Ⅰ类基准台，1978年正式出版《乌鲁木齐地磁台地磁观测报告》，并参加国际资料交换[11]。2007年架设FHDZ-M15自动化地磁台站系统，2012年12月乌鲁木齐水磨沟台地磁观测仪器全部迁往呼图壁综合实验场地。观测数据连续稳定，背景噪声小[12]，连续多年在国家局地磁资料评比中取得了前3名的好成绩(图1)。

图1 乌鲁木齐地磁台周边构造位置示意图Fig.1 Structural location map around Urumqi geomagnetic station

2 分析方法简介

2.1 地磁Z分量日变幅加卸载响应比

地磁加卸载响应比是曾小平等由尹祥础等提出的加卸载响应比理论向地震地磁学的延拓[13-14]。将磁扰过程作为地球磁场对太阳风加载和卸载响应的过程。以垂直分量Z为例，取Z分量的日变幅度作为计算加卸载响应比的参量，响应比P(Z) 可定义,

P(Z)=ΔZ+/ΔZ-.

(1)

式中，下角标“+”表示加载，“-”表示卸载。根据日变幅加卸载响应比P(Z) 值时序曲线，由其附近范围内的地震找出震前P(Z) 异常的最低值即阈值为Po(Z)。当P(Z)Po(Z)为异常。

2.2 地磁Z分量日变幅逐日比

地磁Z分量日变幅逐日比是冯志生[1]在应用Z分量加卸载响应比时发现的新方法。地磁Z分量前一日日变幅与后一日日变幅比值高的台站，与台站周边地震有较好的对应关系。该方法是由2个日期的Z分量日变幅度比值来提取异常，其变化受人为因素及周边环境影响较小。

设地磁台1日观测数据为{a1,a2,…,an}，其日变幅计算，

ΔA=amax-amin.

(2)

地磁Z分量日变幅逐日比定义，

(3)

式中，A(t)为地磁Z分量日变幅，t2=t1+1 (t1，t2为观测日期)，本文中将Y定义为地磁Z分量日变幅逐日比值。

2.3 地磁垂直分量极化法

地磁垂直强度极化法是指将磁场垂直分量Z和水平分量(H或G)的频谱振幅相比。岩石圈ULF 电磁信号的特征表现为垂直分量Z比水平分量H或G大，即来自于岩石圈的信号主要体现在垂直分量Z上，而来自外源场的信号主要体现在水平分量H或G上，利用二者的比值即可在突出岩石圈异常信号的同时抑制外源场的电磁信号，是目前被普遍认为提取地震磁扰动信号效果较好的方法[15]。

垂直强度极化法。首先下载地磁台D、H、Z三分量95格式的秒采样数据，对FHDZ-M15预处理秒数据进行计算，选取北京时子夜00:00～02:00的数据，每 15 min一个数据段，每天包含 8 个数据段，计算每段数据的傅里叶谱幅值，并在频率域求平均，然后计算5～100 s 各秒的谱及其垂直强度极化幅度值、日均值，剔除低比值后得到每天的极化值，并对结果进行傅里叶拟合来消除长期变化。然后再计算垂直分量极化值，即地磁垂直分量和水平分量全矢量谱比值，

Yzh=|Z(ω)/H(ω)|.

(4)

(5)

3 数据分析

为保证分析资料的连续性，本文中分别选取2008～2012年水磨沟地磁观测数据和2013～2018年呼图壁地磁观测数据，运用地磁Z分量日变幅加卸载响应比、Z分量日变幅逐日比对台站周边300 km范围内发生的MS≥5.0地震进行分析，用垂直分量极化法对满足ULF信号传播最大距离公式的MS≥5.0地震进行分析，在异常判别中，阈值超限为异常，3个月内的多次异常视为同一组异常，预报时段以同组首次异常时间为准。

3.1 地磁Z分量日变幅加卸载响应比分析

加卸载响应比理论的出发点是基于对震源介质损伤程度的刻画。由于地磁垂直分量Z的变化比其他分量敏感，所以将其比值作为加卸载响应比参量P(Z)[16]。正常情况下，乌鲁木齐地磁台Z分量日变幅加卸载响应比值P(Z)为1.0～2.2。本文中对乌鲁木齐台P(Z)计算结果尝试进行了不同阈值的选择，对异常阈值划分为 5 个,阈值3.0～阈值3.4，加卸载值出现高出阈值定为异常，得出P(Z)≥3.3时，显示出显著的统计优势(图2)。

根据国家地磁台网中心提供的磁暴报告及全球扰动时段，统计受磁暴、全球扰动影响超阈值6组，排除磁暴、全球扰动对乌鲁木齐台地磁加卸载响应比对应地震的影响。统计结果显示(表1)，在资料选取时段内共出现了9组超阈值情况，期间共发生MS≥5.0地震7次，6次对应地震，映震率达到 66.67%，1次漏报，3次虚报。说明乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅加卸载响应比异常信度较高、地震映震效果好(图2)。

图2 乌鲁木齐台地磁加卸载响应比P(Z)计算结果Fig.2 Geomagnetic load-unload response ratio P(Z) in Urumqi station

表1 乌鲁木齐中心地震台地磁加卸载响应比(P(Z)≥3.3)对应地震统计表

3.2 地磁Z分量日变幅逐日比分析

与加卸载响应比的分析方法类似，选取乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅作为计算数据，计算结果显示，逐日比比值Yo(Z)一般在 0.4～1.8 之间波动。对Yo(z)计算结果同样划分为 5 个异常阈值：阈值2.6～3.0，逐日比出现高出阈值定为异常，得出Yo(Z)≥2.9时，映震效果较其他阈值更为理想(图3)。

图3 乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅逐日比Yo(Z)变化曲线Fig.3 Daily ratio Yo(Z) of magnetic with Z component in Urumqi station

结果显示，统计受磁暴、全球扰动影响超阈值6组，排除磁暴、全球扰动对乌鲁木齐台地磁逐日比对应地震的影响，在资料选取时段内共出现10组超阈值情况，共发生MS≥5.0地震7次，其中 5 次存在震前逐日比异常，映震率达到 50%，漏报2次，虚报5次(表2)。表明乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅逐日比虚报、漏报次数偏多，地震映震效果次于加卸载响应比分析结果。

表2 乌鲁木齐中心地震台地磁逐日比(Yo(Z)≥2.9)对应地震统计表

3.3 地磁垂直强度极化法分析

ULF信号传播最大距离Dmax与震级M的关系满足[17],

M=-0.87+2.61logDmax.

(6)

公式表明，震级越大，可观测到的电磁信号距离越大，依据公式(6)筛选2008～2018年乌鲁木齐地磁台满足传播距离的MS≥5.0地震共10个(删除余震、包含境外地震)。计算出的极化值(表3)，当信号源自高空电离层/磁层时，ULF磁场极化值通常<1,而来自孕震区的ULF磁场极化值Yzh≥1，认为极化值是区别源于空间电离层/磁层的地磁脉动与源于地下岩石层的震磁辐射的关键[9]。本文中对计算出的极化值观测序列尝试划分2个异常阈值分析：2倍均方差和3倍均方差，极化值出现高出阈值定为异常。由图4可知，全程3倍均方差极化值分析结果更接近1，且虚报率明显降低。

表3 极化值异常与地震对应情况统计表

图4 乌鲁木齐台地磁极化值变化曲线Fig.4 Polarization value variations of Urumqi station

根据公式(6)计算出各个地震的传播距离，排除磁暴影响，统计结果显示，在资料选取时段内共出现11组超阈值情况。满足此经验公式的MS≥5.0地震10次，其中，8次对应地震，映震率达到 72.73%，漏报2次，虚报3次(表3)。说明乌鲁木齐台地磁垂直强度极化法分析异常信度好、地震对应效果高。

4 总结与讨论

综合分析3种地磁异常分析方法的发震时间预测和强度预测，通过对震前的磁扰状态、Z分量日变幅加卸载响应比、Z分量日变幅逐日比、地磁垂直分量极化法的参数进行统计和计算，得到以下结论：

(1) 通过多种地磁方法震例统计，得出乌鲁木齐台Z分量日变幅加卸载响应比最佳阈值P(Z)≥3.3、Z分量日变幅逐日比阈值最佳阈值Yo(Z)≥2.9、垂直分量极化法最佳阈值≥ 3倍均方差。MS≥5.0地震映震效能：垂直强度极化法>Z分量日变幅加卸载响应比>Z分量日变幅逐日比。

(2) 从时间上看，3种地磁分析方法中强地震前的异常多出现在震前 6 个月内。从发震强度上来看，垂直强度极化法与垂直分量加卸载响应比对应MS≥5.0地震效果较好，且震级大小与异常最大幅值大小无显著相关性，亦与发震间隔无关。从发震地点上来看，加卸载响应比与逐日比方法统计的震例均发生在距地磁台站50～250 km。

(3) 磁暴、全球磁扰对垂直分量极化法分析结果影响较小，而对地磁Z分量日变幅逐日比、加卸载响应比分析结果影响较大。

(4) 地震发生前，当3种地磁分析方法均发现异常时，异常数量的增多相对于单方法而言，提高了观测资料异常的可信度。距离发震时间越近，异常数量有明显的增多，预示监视区的发震概率增大。