蘇樹朋

(河北省地震局流動測量隊,保定 071000)

流動地磁異常信息提取的參考值確定＊

蘇樹朋

(河北省地震局流動測量隊,保定 071000)

通過觀測實例,對傳統(tǒng)流動地磁觀測震磁信息提取方法中存在的參考值問題進行了討論,提出了一種以測區(qū)內(nèi)可信測點 F測值變化平均值作為地磁場正常變化參考值的處理方法。該方法提高了信噪比,使測區(qū)震磁信息的提取更具合理性。

流動地磁測量;震磁信息;地磁場變化;參考值;信噪比

1 引言

流動地磁以局部地區(qū)的地磁總場強度為監(jiān)測對象,通過觀測區(qū)域地磁場的變化捕捉震磁信息。地磁信號的頻帶寬、動態(tài)范圍大,而且會受到多種強干擾,其本身變化量遠(yuǎn)大于震磁信息量值,在這樣一個強干擾背景場中,提取震磁前兆異常的關(guān)鍵是如何消除地磁場本身的正常變化部分[1],由此也產(chǎn)生了簡單差值法、復(fù)雜差值法、時空參考場法等一系列方法。這些方法均要面對并解決一個核心問題——地磁場正常變化參考值。只有首先將其確定,才能從測值中消除地磁場本身的正常變化部分,分離出震磁信息。應(yīng)用傳統(tǒng)的通化差值方法對流動地磁觀測資料進行分析時,發(fā)現(xiàn)了一些難于解釋的大范圍、高幅值的異常變化,這些變化給震磁異常的判定帶來了很大影響和困擾。經(jīng)過系統(tǒng)分析,確定這些變化為參考值問題所致。為了克服傳統(tǒng)參考值確定方法存在的問題,我們提出了一種改進方法。

本文的研討基于河北省流動地磁觀測。河北省流動地磁觀測始于 1973年,以測區(qū)地磁場總強度 F (標(biāo)量值)為物理測量對象,執(zhí)行作業(yè)規(guī)范為《地震地磁野外測量規(guī)范》(1995年修訂本)[2]。本單位現(xiàn)有區(qū)域監(jiān)測測點網(wǎng)絡(luò)兩個：華北環(huán)和冀豫環(huán),其日變通化站均設(shè)于磁測環(huán)境良好的專業(yè)地磁臺站內(nèi),采用的工作方式為自架設(shè)磁力儀人工讀數(shù)記錄。兩測網(wǎng)基本情況如表 1所示,測點分布如圖 1所示。

圖 1 河北省流動地磁測點分布示意圖Fig.1 Sketch of distribution of mobile geomagnetic observation stations in Hebei province

2 傳統(tǒng)的震磁異常提取方法

2.1 通化差值方法

在流動地磁觀測資料中提取震磁異常的傳統(tǒng)方法——通化差值法屬于簡單差值法。其做法是以參考點通化值作為參考基準(zhǔn)值,將各測點通化值與其相減,得到各測點差值(δF),通過δF值時序與空間分布異常變化獲取震磁信息。這種方法的依據(jù)是假定相距不遠(yuǎn)的臺站 (點)外源場變化場及主磁場長期變化基本相同,采用兩臺 (點)相減的做法,就可排除外空場的干擾,消除兩臺 (點)相同的外源場部分和主磁場的長期變化成分,突出兩個臺站 (點)內(nèi)源場的差異,從中提取震磁信息[1]。

通化差值方法簡單易行,也獲取了許多震磁異常震例[3,4],但由于以單點測值作為參考基準(zhǔn)值,該方法存在一些明顯的不足之處:

1)通化差值方法的前提是假定參考點與野外測點的地磁變化場及主磁場長期變化基本相同,但在工作實踐中,各測點的外源場變化場及主磁場長期變化均有所差別,尤其是類似華北環(huán)這樣的網(wǎng)型,網(wǎng)型大、點距遠(yuǎn),通化差值結(jié)果中會不可避免被引進較多誤差成分。

2)通化差值方法以某一參考臺 (點)觀測值作為參考基準(zhǔn)值,即假設(shè)該測值為標(biāo)準(zhǔn)測值,用以代表測區(qū)地磁場正常值。但參考點測值本身不可避免地會受到環(huán)境干擾及地震孕育影響,產(chǎn)生異常變化,以此值為參考值進行差值計算,這個異常變化值就會被引進每個測點的通化差值中,對測值形成系統(tǒng)性偏差,影響震磁異常的識別。下面分別以河北省地震局兩測區(qū)最近發(fā)生的 5級以上地震前測區(qū)δF值變化過程為例進行討論。

圖 2為 2006年 7月 4日文安ML5.5地震前華北環(huán)網(wǎng)區(qū) 4個觀測時段δF變化過程,圖 3為 2002年 4月 22日內(nèi)丘ML5.4地震前最近一期冀豫環(huán)網(wǎng)區(qū)δF變化分布狀態(tài)(圖中將變化量超過 3 nT的δF上升、下降高值變化區(qū)分別填充以“+”、“-”符號),從中可以看到:

1)文安 5.5級地震前,自 2005年 9月開始,華北環(huán)網(wǎng)區(qū)δF整體性經(jīng)歷了“持續(xù)大幅上升 -臨震大幅回落”的變化過程,700 km×300 km大范圍地理空間內(nèi)的多個測點δF值同步劇變,將其認(rèn)定為一個中強地震的前兆異常過于牽強。除此之外還有華北環(huán) 2008年 5月、2006年 3月、2005年 12月等等多期資料,通化差值整測區(qū)大幅度同步變化,冀豫環(huán)也有個別測期出現(xiàn)類似的變化過程,但不對應(yīng)震例,我們初步可認(rèn)定為相關(guān)測期存在系統(tǒng)性誤差。

2)內(nèi)丘 5.4級地震前,冀豫環(huán)測點δF整體上升,但震中位置δF的變化極低,接近于“0”,而遠(yuǎn)處多個測點變化幅度很大,δF基本呈現(xiàn)由震中位置向外幅射增加的規(guī)則形態(tài),該狀況同樣不能簡單以地震異?？创?/p>

提取震磁信息的方法關(guān)鍵在于對比參考值的確定,通化差值方法的參考值為對比站測值,這種做法可能會將對比站的異常變化引入每個測點通化差值中,進而形成系統(tǒng)誤差,影響震磁信息的識別及提取。

2.2 趨勢面分析法

基本磁場的正常變化,即提取震磁異常的正常背景場的分布與變化具有空間相關(guān)性和時間延拓性,它的時空分布特征可以用物理意義明確的數(shù)學(xué)函數(shù)來表達,其在地表隨緯度、經(jīng)度分布的函數(shù)形式,可用泰勒多項式表示,該方法以模型計算值來代表正常磁場參考值。筆者曾在觀測資料中進行試用,為避開測區(qū)內(nèi)磁異常區(qū)測點測值影響,取各測點相鄰測期間 F變化值進行二次泰勒多項式擬合,以各測點趨勢面擬合計算值作為其地磁場正常變化參考值,以各測點實測值與其相減所得擬合殘差值為異常值進行分析討論,但效果極不理想,擬合面形狀會隨局部多個測點測值的同步變化而改變,F變化值最大的測點并不一定對應(yīng)殘差值最大的位置,說明趨勢面分析法并不適用于本單位測區(qū)這種測點數(shù)量相對較少(每網(wǎng) 15個)的測網(wǎng)。

圖2 華北環(huán)δF空間變化Fig.2 Spacial changes ofδFofNorth China area

圖 3 2001-10—2002-04冀豫環(huán)δF空間變化Fig.3 Spacial changes ofδFof Hebei-Henan area during 2001-10—2002-04

2.3 全部測點均值法

該種方法的思路及過程與傳統(tǒng)通化差值方法基本相同,改進之處是以測區(qū)全部測點的 F測值平均值代替?zhèn)鹘y(tǒng)通化差值法中的單點測值,作為測區(qū)正常 F參考值,以增加其可信度。但這種方法也存在缺陷,各測點的異常變化會被引入平均值,由此引起的誤差不容忽視。更嚴(yán)重的一點是,這種方法在實際工作中基本不具備可行性。野外地磁測量易受環(huán)境變化干擾,經(jīng)常有測點因此出現(xiàn)測值的大幅度異常變化乃至斷測,選遷新點后更是可能導(dǎo)致觀測值的大幅階變,我們的目的是從測值變化中提取微弱的震磁信息,對于這些情況所形成的明顯干擾顯然是無法容忍的。

3 對于通化差值方法的改進與討論

3.1 技術(shù)方法思路

震磁信息具有區(qū)域性強、變化量極小的特點,提取震磁信息,首先要按照地磁場本身變化規(guī)律,通過確定參考基準(zhǔn)值將其消除,尋找偏離地磁場正常變化的成分,然后通過物理分析和數(shù)學(xué)處理,從中篩選出有用的震磁信息[1]。這方面已經(jīng)有了一些嘗試[]。

地磁場基本磁場的正常變化,即背景場的分布與變化在空間分布上具有一致性和相關(guān)性特點,當(dāng)所討論的區(qū)域不是很大時,可以認(rèn)為長期變化是受統(tǒng)一的場源所控制[1],在一個局部區(qū)域,各處的地磁場長期變化在同一時段內(nèi)的正常變化值會很接近。作為對傳統(tǒng)通化差值法以單點 F測值作為參考值做法中存在問題的改進,可取相鄰觀測期間測區(qū)內(nèi)各測點通化值 F的正常變化量平均值作為地磁場正常變化參考值,以各測點同期變化量與之相減,所得差值即代表各測點測值偏離地磁場正常變化的成分,據(jù)此進行異常判定。

3.2 具體做法

此方法的關(guān)鍵是測區(qū)內(nèi)各測點相鄰觀測期間 F值正常變化量平均值的確定,該值中應(yīng)盡可能排除各測點由環(huán)境干擾或地震孕育導(dǎo)致的測值異常變化的影響。對此可進行如下處理:

1)計算各測點相鄰測期間的通化值 F變化量CF,即 CFi=Fi-Fi-1,i代表測期數(shù);

4)對各測點往期ΔF值逐期累積求和,從各測點Σ ΔF時序變化曲線可直觀判斷其趨勢性異常變化。

5)異常判定警戒線可定為:可信測點測區(qū)差值均方差σ多期均值的 2～3倍。

3.3 方法討論

4 處理實例

為方便與δF值進行直觀對比,仍以前述兩次震例,即華北環(huán)網(wǎng)區(qū) 2005-06—2006-06、冀豫環(huán) 2001-10—2002-04相應(yīng)測期資料為例,計算各測點相關(guān)測期ΔF值,通化站亦作為普通測點參加計算。主要計算指標(biāo)統(tǒng)計量如表 2所示。

4.1 ΔF空間分布形態(tài)

繪制計算所得各測點各期ΔF值平面分布圖(圖 4、圖 5),通過與先前同期通化差值δF變化分布圖(圖 2、圖 3)相比較,可以看到:

1)相同測期ΔF與δF變化分布圖等值線展布形態(tài)基本相同 (ΔF增加了對比站測值),但變化量值有不同程度的差異;

2)華北環(huán) 2005-09—2006-06各測期 (圖 4) δF值整體性大幅同向變化狀況消失,相應(yīng)測期ΔF值變化幅度顯著減小,由整網(wǎng)高值異常轉(zhuǎn)變?yōu)榫植繙y點異常;

3)冀豫環(huán) 2001-10—2002-04測期 (圖 5)ΔF分布形態(tài)由δF整網(wǎng)上升變?yōu)槲磥淼卣鹫鹬屑爸車貐^(qū)為ΔF為負(fù)值,遠(yuǎn)處測區(qū)為正值,震中位于ΔF負(fù)值最大幅值區(qū),位置特征較為明確。表明傳統(tǒng)ΔF值方法忽略對比點震磁異常變化,由此遺漏的震磁信息可通過δF方法較好地展現(xiàn)出來。

4.2 華北環(huán)對比點Σ ΔF時序變化

對順平臺測點往期ΔF值逐期累積求和,繪制其時序變化曲線(圖 6),可以看到,2006年7月4日文安 5.5級地震前 3期,該對比臺Σ ΔF值出現(xiàn)了“持續(xù)大幅下降-大幅轉(zhuǎn)折上升”的變化過程,表明該測點相應(yīng)測期間 F值變化量發(fā)生了顯著偏離測區(qū)同期變化平均值的異常變化過程,而該測點Σ ΔF值變化過程與同期測區(qū)δF值的整體劇變化過程反向但同量值相若,從而證明該期間測區(qū)δF值的整體劇變化過程為該點測值異常所致,而非各測點真實的震磁異常反應(yīng)。冀豫環(huán)紅山點 2001-10—2002-04測期ΔF值變化狀況與之相類似。

圖 4 新方法給出的華北環(huán)ΔF空間變化Fig.4 Spacial changes ofΔFofNorth China area with new method

圖 5 新方法給出的 2001-10—2002-04冀豫環(huán)ΔF空間變化Fig.5 Spacial changes ofΔFon Hebei-Henan area during 2001-10—2002-04 with new method

圖6 順平臺測點Σ ΔF時序變化Fig.6 Sequential changes ofΣ ΔFat Shunping station

4.3 ΔF與δF相應(yīng)測期間變化值的定量關(guān)系

從兩種方法定義出發(fā),進一步定量推導(dǎo)兩值的差量。式中Δ δF為測期間通化差值δF變化量,i為測期編號,F0為當(dāng)期對比臺通化測值

5 結(jié)論

分析了傳統(tǒng)震磁異常提取方法中參考值確定方法存在的一些問題,并提出了一個改進方法——ΔF值法。

ΔF值法改進了傳統(tǒng)通化差值法中地磁場正常變化參考值的確定方法,提高了信噪比,解決了δF值方法存在的主要問題,可更加客觀合理地展示磁震信息,且簡單易行,實用性強。

1 丁鑒海,盧振業(yè),黃香雪.地震地磁學(xué)[M].北京：地震出版社,1994.

2 國家地震局。地震地磁野外測量規(guī)范[M].北京：地震出版社,1995.

3 喬子云,張建國,焦成麗.冀豫環(huán)流動地磁測量與中等地震關(guān)系研究[J].地震地磁觀測與研究,2009,30(4)：1-6.

4 辛月提,等.遼南地磁場變化與地震[J].東北地震研究, 1998,14(3)：17-22.

5 劉義高,等.中小地震的流磁異常信息 [J].華南地震, 2003,23(1)：1-6.

6 劉義高,等.流動地磁測量中地震異常信息的探索[J].西北地震學(xué)報,2004,26(4)：353-356.

DETERM INATION OF REFERENCE VALUE FOR ABNOMAL INFORMATION EXTRACTION IN MOBILE GEOMAGNETIC SURVEY

Su Shupeng
(M obile Survey Team of Earthquake Adm inistration of Hebei Province,B aoding 071000)

The problem of reference value confirmation by using the traditionalmethods to extract seis momagnetic information from geomagnetic survey data is discussed with observational examples.A new method,which uses the mean value ofFat crelible sites in the measuring region as reference value of geomagnetic field,is presented.The method increases the ratio of signal to noise,and makes the extraction of abnor mal information more rational.

mobile geomagnetic survey;seis momagnetic infor mation;variation of geomagnetic field;reference value;ratio of signal to noise

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0044-06

2010-04-30

蘇樹朋,男,1975年生,工程師,主要從事前兆觀測工作.E-mail：ssp-11@163.com

P315.72+1

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