陳雙貴，韓　英△，田全通，閆萬生，田文通（.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000；.甘肅地質工程有限責任公司，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，閆萬生1，田文通1
（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000；2.甘肅地質工程有限責任公司，甘肅蘭州730000）

正確認識地磁背景場變化特征是提取震磁異常的一項基礎性工作，對于地震預報具有重要意義。應用甘肅省嘉峪關、蘭州、天水地磁臺資料，基于統(tǒng)計方法分析了不同臺站間地磁場Z分量日變低點時間和日變幅度的變化特征，并基于小波變換研究了不同臺站間地磁場不同頻率成分的變化特征。結果表明：不同臺站間原始記錄曲線具有良好空間相關關系；日變低點時間和日變幅度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律；不同臺站間地磁場低頻成分相關性良好，高頻部分相關性不明顯，相對于低頻部分，高頻部分更能夠反映不同臺站之間的地域特點，為進一步開展震磁異常的提取具有重要的借鑒意義。

甘肅地磁場；Z分量 ；日變低點時間；日變幅度；小波變換

震磁異常的實質是對正常背景場規(guī)律的非隨機偏離，其困難在于要從強背景場提取較弱的震磁信息。因此，識別和排除背景場變化是地磁預報地震所要解決的首要問題，因此，正確認識與表達背景場正常變化規(guī)律對于地震預報具有重要意義。

以往對于震磁異常研究主要圍繞地磁垂直分量Z而展開，其重要原因是Z分量相對于其他分量更能反應臺站局部磁異常，研究中以地磁場空間相關為基礎，多采用垂直分量日變低點時間、地磁日變幅度等參量進行異常提取，因此，以地磁場變化空間相關性為依據，統(tǒng)計分析多臺間日變低點時間、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工作。

地球磁場具有譜成分豐富、頻帶較寬的性質。地震過程是一種非線性的變化過程，獲得強震前地磁異常信號的突變時刻及突變時刻所對應的頻率成分，是地震監(jiān)測中亟待解決的關鍵科學問題之一［1-2］。小波變換是一種時間-尺度分析方法，在時間、尺度（頻率）兩域都具有表征信號局部的能力，在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨力，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，很適合探測地磁正常信號中夾帶的瞬間反?，F(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；邢西淳等［4］提取了涇陽地震前的磁異常；范國華等［5］將小波分析應用于地磁數(shù)據處理當中。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，基于小波變換對甘肅地磁資料的分析處理成果未見發(fā)表，因此，基于小波工具研究甘肅地區(qū)磁場不同頻率的變化特征具有重要的實踐意義。

1　資料選取和預處理

選取甘肅嘉峪關、蘭州地磁臺2002-2005年地磁垂直分量Z的GM3磁力儀分鐘值數(shù)據，期間儀器運行良好，觀測環(huán)境穩(wěn)定。磁靜擾日根據中國地磁臺網網站公布國際地磁靜擾日日期選定。

資料預處理采用全國地磁臺網中心GEOMAG軟件對原始數(shù)據進行預處理，對可疑數(shù)據咨詢了相關臺站人員，并做了相應處理。對于所用儀器缺數(shù)情況通過相關分析方法用其他儀器進行了補缺。預處理后的數(shù)據連續(xù)、完整、可靠。

2　數(shù)據分析

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（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺都具有明顯的季節(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，三臺日變幅度由大到小依次為天水、蘭州、嘉峪關如圖1所示。

為了進一步研究三臺間的相關關系，求得了兩兩之間的相關系數(shù)，蘭州-嘉峪關相關系數(shù)為0.9036，蘭州-天水相關系數(shù)為0.9130，嘉峪關-天水相關系數(shù)為0.8370，說明日變幅度在空間上具有良好的相關關系。

2.2地磁低點時間分布規(guī)律

我國學者依據地磁日變低點位移進行了大量的地震預報探索研究。所謂“低點位移”，是指日變形態(tài)曲線最低點（低點時間）比其他正常時段提前或推遲3-4h以上。因此，文中對三臺的地磁低點時間進行了統(tǒng)計，并分析了低點位移的分布特征。

由圖2可知，嘉峪關（JYG）、蘭州（LZH）、天水（TSY）三臺低點位移均主要出現(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，遇到磁場擾動日變形態(tài)容易發(fā)生畸變，產生低點位移現(xiàn)象，日變幅度越小則發(fā)生低點位移的概率越大，由日變幅度的統(tǒng)計可知，天水臺冬季日變幅度較其它兩臺大，因此發(fā)生低點位移的的概率越小，嘉峪關反之亦然，蘭州介于嘉峪關和天水之間，這與統(tǒng)計結果（見表1）相符合。

圖1　嘉峪關、蘭州、天水日變幅度原始曲線

圖2　嘉峪關、蘭州、天水日變低點時間原始曲線

表1　2003-2006年各臺出現(xiàn)低點位移個數(shù)［6］

為進一步統(tǒng)計三臺間的低點時間相關關系，對兩兩臺站求取了相關系數(shù)，嘉峪關-蘭州相關系數(shù)為0.4722，嘉峪關—天水相關系數(shù)為0.3667，蘭州-天水相關性系數(shù)為0.5634，結果顯示，日變低點時間在不同臺站之間相關性不明顯。

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程

常用的小波中，db系列有限緊支正交小波在時域上有限支撐，在頻域Ψ（ω）在ω=0處有N階零點，適用于信號的多尺度分析。文中采用db5小波對原始信號進行分解。經一次分解后，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代表原始信號中低頻的成分，即原始信號的概貌部分；小波系數(shù)CD1代表了原始信號中相對高頻的部分，即原始信號的細節(jié)部分。由于尺度系數(shù)CA1中仍然包含著許多細節(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中相對低頻的成分，即原始信號中更為概貌的成分；而小波系數(shù)CD2代表尺度系數(shù)CA1中相對高頻的成分，即比小波系數(shù)CD1更為粗糙的細節(jié)成分。依次類推，把尺度系數(shù)分解下去，不同頻率段的細節(jié)成分就能被提取出來。分解流程如圖3所示。本文對嘉峪關、蘭州臺2002-2004年資料每月選取最平靜的1d作為靜日，每月最擾動的1d作為擾日作為處理對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　原始信號的小波分解流程圖

2.3.2原始數(shù)據靜擾日相關性分析

為了研究嘉峪關、蘭州臺地磁垂直分量Z原始數(shù)據的相關關系，對兩臺所選定的靜擾日原始數(shù)據逐日進行了相關分析，做出了兩臺的相關系數(shù)，結果顯示，相關系數(shù)基本在0.8～1.0之間，兩臺原始曲線具有顯著的相關性；磁擾日期間相關略優(yōu)于磁靜日。從時間角度分析，其相關性沒有明顯的季節(jié)性變化。

2.3.3小波高頻系數(shù)CD1、CD2相關性分析

CD1在兩臺之間的相關系數(shù)大致介于0.3之內，其相關性不顯著，說明在地磁場一階小波高頻系數(shù)（細節(jié)）變化中兩臺具有差異性，各自具有不同的地域特色。CD2兩臺相關系數(shù)R值在磁靜日期間在-0.1～0.1之間，其相關性不顯著；其次，在磁擾日期間，其相關系數(shù)R值波動較大，有部分R值超過0.5，甚至達到接近0.8，說明其細節(jié)（高頻）部分在兩個臺站之間存在一定的相關性，可能解釋為磁擾日期間地磁場的擾動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相關性分析

對兩臺CA2代表CA1信號中低頻（概貌）的部分進行了相關分析，結果表明，CA1、CA2在兩臺間相關系數(shù)均高于0.8，相關系數(shù)沒有明顯的季節(jié)變化特征，磁靜日和磁擾日無明顯差異，可以認為兩臺在低頻（概貌）部分具有良好的相關關系，很大程度上代表了大尺度外空場對磁場變化的影響。

3　結論與討論

（1）通過對嘉峪關、蘭州、天水地磁臺垂直分量Z日變幅度的統(tǒng)計分析認為，日變幅度具有明顯的季節(jié)特征，單臺呈現(xiàn)出冬季低，夏季高，春秋次之的“正弓型”變化性態(tài)；三臺間天水臺日變幅度總體最大，蘭州次之，嘉峪關最小，并且三臺之間具有良好的相關關系。因此，根據多臺判別震磁異常時，可在認識單臺年變基礎上分析多臺間的相關關系是可能的有效途徑。

（2）對嘉峪關、蘭州、天水地磁日變低點時間的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單臺日變低點位移主要出現(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），遇到磁場擾動后日變性態(tài)容易發(fā)生畸變而形成低點位移。通過對三臺日變低點時間的相關性分析認為，三臺間逐日相關性不明顯（R在0.3-0.5之間）。國內以往針對地磁低點位移方法研究震磁效應非常普遍，在該方法實踐過程中考慮低點位移的季節(jié)變化規(guī)律對于異常認識將不無裨益。

（3）文中基于小波變換對嘉峪關、蘭州臺地磁垂直分量Z進行了處理，研究結果認為，兩臺間所選靜擾日逐日原始曲線相關系數(shù)在0.8以上，具有良好空間相關性；CA1、CA2低頻（概貌）部分相關系數(shù)也均高于0.8，說明兩臺間低頻（概貌）部分空間相關關系密切，其相關程度未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征；CD1、CD2高頻（細節(jié)）部分兩臺相關系數(shù)基本保持在0.3以下，相關關系不明顯，其可能原因為：首先是臺站儀器和觀測環(huán)境自身噪聲水平的反應；其次是臺站所處的地理環(huán)境中地下介質和地下電導率水平不同，由于擾動的地磁外源場在地球內部介質中產生相應的感應電流，從而產生一個感應的二次場，地下介質和電導率水平不同，所產生的二次場強度也不同。

綜而述之，甘肅地區(qū)地磁場垂直分量Z日變幅度和低點位移具有明顯的季節(jié)特征，在認識震磁異常時應加以注意。相對于低頻部分，高頻部分更能反應臺站局部地磁場的變化特征，為進一步開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［J］.國際地震動態(tài)，2002，（2）：31，61.

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

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

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

［5］范國華，姚同起，韓克禮.子波變換在地磁不規(guī)則脈動頻譜分析中的應用［A］.中國地震學會成立20周年紀念文集，1999-12-01.

［6］ 田文通，辛長江，薛鋒，等.甘肅不同臺站地磁垂直分量變化特征分析［J］.防災科技學院學報，2011，13（4）：35-39.

P315.72

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

韓英（1966-），女，甘肅合作人，中國地震局蘭州地震研究所工程師。