流动地磁异常信息提取的参考值确定＊

苏树朋

(河北省地震局流动测量队,保定 071000)

流动地磁异常信息提取的参考值确定＊

苏树朋

(河北省地震局流动测量队,保定 071000)

通过观测实例,对传统流动地磁观测震磁信息提取方法中存在的参考值问题进行了讨论,提出了一种以测区内可信测点 F测值变化平均值作为地磁场正常变化参考值的处理方法。该方法提高了信噪比,使测区震磁信息的提取更具合理性。

流动地磁测量;震磁信息;地磁场变化;参考值;信噪比

1 引言

流动地磁以局部地区的地磁总场强度为监测对象,通过观测区域地磁场的变化捕捉震磁信息。地磁信号的频带宽、动态范围大,而且会受到多种强干扰,其本身变化量远大于震磁信息量值,在这样一个强干扰背景场中,提取震磁前兆异常的关键是如何消除地磁场本身的正常变化部分[1],由此也产生了简单差值法、复杂差值法、时空参考场法等一系列方法。这些方法均要面对并解决一个核心问题——地磁场正常变化参考值。只有首先将其确定,才能从测值中消除地磁场本身的正常变化部分,分离出震磁信息。应用传统的通化差值方法对流动地磁观测资料进行分析时,发现了一些难于解释的大范围、高幅值的异常变化,这些变化给震磁异常的判定带来了很大影响和困扰。经过系统分析,确定这些变化为参考值问题所致。为了克服传统参考值确定方法存在的问题,我们提出了一种改进方法。

本文的研讨基于河北省流动地磁观测。河北省流动地磁观测始于 1973年,以测区地磁场总强度 F (标量值)为物理测量对象,执行作业规范为《地震地磁野外测量规范》(1995年修订本)[2]。本单位现有区域监测测点网络两个：华北环和冀豫环,其日变通化站均设于磁测环境良好的专业地磁台站内,采用的工作方式为自架设磁力仪人工读数记录。两测网基本情况如表 1所示,测点分布如图 1所示。

图 1 河北省流动地磁测点分布示意图Fig.1 Sketch of distribution of mobile geomagnetic observation stations in Hebei province

2 传统的震磁异常提取方法

2.1 通化差值方法

在流动地磁观测资料中提取震磁异常的传统方法——通化差值法属于简单差值法。其做法是以参考点通化值作为参考基准值,将各测点通化值与其相减,得到各测点差值(δF),通过δF值时序与空间分布异常变化获取震磁信息。这种方法的依据是假定相距不远的台站 (点)外源场变化场及主磁场长期变化基本相同,采用两台 (点)相减的做法,就可排除外空场的干扰,消除两台 (点)相同的外源场部分和主磁场的长期变化成分,突出两个台站 (点)内源场的差异,从中提取震磁信息[1]。

通化差值方法简单易行,也获取了许多震磁异常震例[3,4],但由于以单点测值作为参考基准值,该方法存在一些明显的不足之处:

1)通化差值方法的前提是假定参考点与野外测点的地磁变化场及主磁场长期变化基本相同,但在工作实践中,各测点的外源场变化场及主磁场长期变化均有所差别,尤其是类似华北环这样的网型,网型大、点距远,通化差值结果中会不可避免被引进较多误差成分。

2)通化差值方法以某一参考台 (点)观测值作为参考基准值,即假设该测值为标准测值,用以代表测区地磁场正常值。但参考点测值本身不可避免地会受到环境干扰及地震孕育影响,产生异常变化,以此值为参考值进行差值计算,这个异常变化值就会被引进每个测点的通化差值中,对测值形成系统性偏差,影响震磁异常的识别。下面分别以河北省地震局两测区最近发生的 5级以上地震前测区δF值变化过程为例进行讨论。

图 2为 2006年 7月 4日文安ML5.5地震前华北环网区 4个观测时段δF变化过程,图 3为 2002年 4月 22日内丘ML5.4地震前最近一期冀豫环网区δF变化分布状态(图中将变化量超过 3 nT的δF上升、下降高值变化区分别填充以“+”、“-”符号),从中可以看到:

1)文安 5.5级地震前,自 2005年 9月开始,华北环网区δF整体性经历了“持续大幅上升 -临震大幅回落”的变化过程,700 km×300 km大范围地理空间内的多个测点δF值同步剧变,将其认定为一个中强地震的前兆异常过于牵强。除此之外还有华北环 2008年 5月、2006年 3月、2005年 12月等等多期资料,通化差值整测区大幅度同步变化,冀豫环也有个别测期出现类似的变化过程,但不对应震例,我们初步可认定为相关测期存在系统性误差。

2)内丘 5.4级地震前,冀豫环测点δF整体上升,但震中位置δF的变化极低,接近于“0”,而远处多个测点变化幅度很大,δF基本呈现由震中位置向外幅射增加的规则形态,该状况同样不能简单以地震异常看待。

提取震磁信息的方法关键在于对比参考值的确定,通化差值方法的参考值为对比站测值,这种做法可能会将对比站的异常变化引入每个测点通化差值中,进而形成系统误差,影响震磁信息的识别及提取。

2.2 趋势面分析法

基本磁场的正常变化,即提取震磁异常的正常背景场的分布与变化具有空间相关性和时间延拓性,它的时空分布特征可以用物理意义明确的数学函数来表达,其在地表随纬度、经度分布的函数形式,可用泰勒多项式表示,该方法以模型计算值来代表正常磁场参考值。笔者曾在观测资料中进行试用,为避开测区内磁异常区测点测值影响,取各测点相邻测期间 F变化值进行二次泰勒多项式拟合,以各测点趋势面拟合计算值作为其地磁场正常变化参考值,以各测点实测值与其相减所得拟合残差值为异常值进行分析讨论,但效果极不理想,拟合面形状会随局部多个测点测值的同步变化而改变,F变化值最大的测点并不一定对应残差值最大的位置,说明趋势面分析法并不适用于本单位测区这种测点数量相对较少(每网 15个)的测网。

图2 华北环δF空间变化Fig.2 Spacial changes ofδFofNorth China area

图 3 2001-10—2002-04冀豫环δF空间变化Fig.3 Spacial changes ofδFof Hebei-Henan area during 2001-10—2002-04

2.3 全部测点均值法

该种方法的思路及过程与传统通化差值方法基本相同,改进之处是以测区全部测点的 F测值平均值代替传统通化差值法中的单点测值,作为测区正常 F参考值,以增加其可信度。但这种方法也存在缺陷,各测点的异常变化会被引入平均值,由此引起的误差不容忽视。更严重的一点是,这种方法在实际工作中基本不具备可行性。野外地磁测量易受环境变化干扰,经常有测点因此出现测值的大幅度异常变化乃至断测,选迁新点后更是可能导致观测值的大幅阶变,我们的目的是从测值变化中提取微弱的震磁信息,对于这些情况所形成的明显干扰显然是无法容忍的。

3 对于通化差值方法的改进与讨论

3.1 技术方法思路

震磁信息具有区域性强、变化量极小的特点,提取震磁信息,首先要按照地磁场本身变化规律,通过确定参考基准值将其消除,寻找偏离地磁场正常变化的成分,然后通过物理分析和数学处理,从中筛选出有用的震磁信息[1]。这方面已经有了一些尝试[]。

地磁场基本磁场的正常变化,即背景场的分布与变化在空间分布上具有一致性和相关性特点,当所讨论的区域不是很大时,可以认为长期变化是受统一的场源所控制[1],在一个局部区域,各处的地磁场长期变化在同一时段内的正常变化值会很接近。作为对传统通化差值法以单点 F测值作为参考值做法中存在问题的改进,可取相邻观测期间测区内各测点通化值 F的正常变化量平均值作为地磁场正常变化参考值,以各测点同期变化量与之相减,所得差值即代表各测点测值偏离地磁场正常变化的成分,据此进行异常判定。

3.2 具体做法

此方法的关键是测区内各测点相邻观测期间 F值正常变化量平均值的确定,该值中应尽可能排除各测点由环境干扰或地震孕育导致的测值异常变化的影响。对此可进行如下处理:

1)计算各测点相邻测期间的通化值 F变化量CF,即 CFi=Fi-Fi-1,i代表测期数;

4)对各测点往期ΔF值逐期累积求和,从各测点Σ ΔF时序变化曲线可直观判断其趋势性异常变化。

5)异常判定警戒线可定为:可信测点测区差值均方差σ多期均值的 2～3倍。

3.3 方法讨论

4 处理实例

为方便与δF值进行直观对比,仍以前述两次震例,即华北环网区 2005-06—2006-06、冀豫环 2001-10—2002-04相应测期资料为例,计算各测点相关测期ΔF值,通化站亦作为普通测点参加计算。主要计算指标统计量如表 2所示。

4.1 ΔF空间分布形态

绘制计算所得各测点各期ΔF值平面分布图(图 4、图 5),通过与先前同期通化差值δF变化分布图(图 2、图 3)相比较,可以看到:

1)相同测期ΔF与δF变化分布图等值线展布形态基本相同 (ΔF增加了对比站测值),但变化量值有不同程度的差异;

2)华北环 2005-09—2006-06各测期 (图 4) δF值整体性大幅同向变化状况消失,相应测期ΔF值变化幅度显著减小,由整网高值异常转变为局部测点异常;

3)冀豫环 2001-10—2002-04测期 (图 5)ΔF分布形态由δF整网上升变为未来地震震中及周围地区为ΔF为负值,远处测区为正值,震中位于ΔF负值最大幅值区,位置特征较为明确。表明传统ΔF值方法忽略对比点震磁异常变化,由此遗漏的震磁信息可通过δF方法较好地展现出来。

4.2 华北环对比点Σ ΔF时序变化

对顺平台测点往期ΔF值逐期累积求和,绘制其时序变化曲线(图 6),可以看到,2006年7月4日文安 5.5级地震前 3期,该对比台Σ ΔF值出现了“持续大幅下降-大幅转折上升”的变化过程,表明该测点相应测期间 F值变化量发生了显著偏离测区同期变化平均值的异常变化过程,而该测点Σ ΔF值变化过程与同期测区δF值的整体剧变化过程反向但同量值相若,从而证明该期间测区δF值的整体剧变化过程为该点测值异常所致,而非各测点真实的震磁异常反应。冀豫环红山点 2001-10—2002-04测期ΔF值变化状况与之相类似。

图 4 新方法给出的华北环ΔF空间变化Fig.4 Spacial changes ofΔFofNorth China area with new method

图 5 新方法给出的 2001-10—2002-04冀豫环ΔF空间变化Fig.5 Spacial changes ofΔFon Hebei-Henan area during 2001-10—2002-04 with new method

图6 顺平台测点Σ ΔF时序变化Fig.6 Sequential changes ofΣ ΔFat Shunping station

4.3 ΔF与δF相应测期间变化值的定量关系

从两种方法定义出发,进一步定量推导两值的差量。式中Δ δF为测期间通化差值δF变化量,i为测期编号,F0为当期对比台通化测值

5 结论

分析了传统震磁异常提取方法中参考值确定方法存在的一些问题,并提出了一个改进方法——ΔF值法。

ΔF值法改进了传统通化差值法中地磁场正常变化参考值的确定方法,提高了信噪比,解决了δF值方法存在的主要问题,可更加客观合理地展示磁震信息,且简单易行,实用性强。

1 丁鉴海,卢振业,黄香雪.地震地磁学[M].北京：地震出版社,1994.

2 国家地震局。地震地磁野外测量规范[M].北京：地震出版社,1995.

3 乔子云,张建国,焦成丽.冀豫环流动地磁测量与中等地震关系研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(4)：1-6.

4 辛月提,等.辽南地磁场变化与地震[J].东北地震研究, 1998,14(3)：17-22.

5 刘义高,等.中小地震的流磁异常信息 [J].华南地震, 2003,23(1)：1-6.

6 刘义高,等.流动地磁测量中地震异常信息的探索[J].西北地震学报,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

苏树朋,男,1975年生,工程师,主要从事前兆观测工作.E-mail：ssp-11@163.com

P315.72+1

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