甘肃地区地磁Z分量变化特征分析*

陈双贵，韩　英△，田全通，闫万生，田文通（.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州730000；.甘肃地质工程有限责任公司，甘肃兰州730000）

甘肃地区地磁Z分量变化特征分析*

陈双贵1，韩英1△，田全通2，闫万生1，田文通1
（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州730000；2.甘肃地质工程有限责任公司，甘肃兰州730000）

正确认识地磁背景场变化特征是提取震磁异常的一项基础性工作，对于地震预报具有重要意义。应用甘肃省嘉峪关、兰州、天水地磁台资料，基于统计方法分析了不同台站间地磁场Z分量日变低点时间和日变幅度的变化特征，并基于小波变换研究了不同台站间地磁场不同频率成分的变化特征。结果表明：不同台站间原始记录曲线具有良好空间相关关系；日变低点时间和日变幅度具有明显的季节变化规律；不同台站间地磁场低频成分相关性良好，高频部分相关性不明显，相对于低频部分，高频部分更能够反映不同台站之间的地域特点，为进一步开展震磁异常的提取具有重要的借鉴意义。

甘肃地磁场；Z分量 ；日变低点时间；日变幅度；小波变换

震磁异常的实质是对正常背景场规律的非随机偏离，其困难在于要从强背景场提取较弱的震磁信息。因此，识别和排除背景场变化是地磁预报地震所要解决的首要问题，因此，正确认识与表达背景场正常变化规律对于地震预报具有重要意义。

以往对于震磁异常研究主要围绕地磁垂直分量Z而展开，其重要原因是Z分量相对于其他分量更能反应台站局部磁异常，研究中以地磁场空间相关为基础，多采用垂直分量日变低点时间、地磁日变幅度等参量进行异常提取，因此，以地磁场变化空间相关性为依据，统计分析多台间日变低点时间、日变幅度等参量的正常变化特征是提取震磁异常的重要基础工作。

地球磁场具有谱成分丰富、频带较宽的性质。地震过程是一种非线性的变化过程，获得强震前地磁异常信号的突变时刻及突变时刻所对应的频率成分，是地震监测中亟待解决的关键科学问题之一［1-2］。小波变换是一种时间-尺度分析方法，在时间、尺度（频率）两域都具有表征信号局部的能力，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨力，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合探测地磁正常信号中夹带的瞬间反常现象并展示其成分。基于以上理论，陈伯舫［3］利用小波变换研究了1986年花莲地震、1999集集地震前后仓坪太地磁变化特征；李琪等利用小波变换提取了张北地震的震磁效应；邢西淳等［4］提取了泾阳地震前的磁异常；范国华等［5］将小波分析应用于地磁数据处理当中。然而，以上研究主要基于模拟资料，一定程度受到采样率的限制精度受到影响。此外，基于小波变换对甘肃地磁资料的分析处理成果未见发表，因此，基于小波工具研究甘肃地区磁场不同频率的变化特征具有重要的实践意义。

1　资料选取和预处理

选取甘肃嘉峪关、兰州地磁台2002-2005年地磁垂直分量Z的GM3磁力仪分钟值数据，期间仪器运行良好，观测环境稳定。磁静扰日根据中国地磁台网网站公布国际地磁静扰日日期选定。

资料预处理采用全国地磁台网中心GEOMAG软件对原始数据进行预处理，对可疑数据咨询了相关台站人员，并做了相应处理。对于所用仪器缺数情况通过相关分析方法用其他仪器进行了补缺。预处理后的数据连续、完整、可靠。

2　数据分析

2.1地磁垂直分量日变幅度变化特征

所谓“日变幅度”，是指地磁场日变化中最大值与最小值之间的差值。

分析逐日日变幅度可知，嘉峪关（JYG）、兰州（LZH）、天水（TSY）三台都具有明显的季节特征，年变形态呈“正弓型”，地磁冬季日变幅度最小，大约在10nT左右，春、秋季次之，夏季最高，大约在40nT左右。磁扰日期间日变幅度显著变大，三台日变幅度由大到小依次为天水、兰州、嘉峪关如图1所示。

为了进一步研究三台间的相关关系，求得了两两之间的相关系数，兰州-嘉峪关相关系数为0.9036，兰州-天水相关系数为0.9130，嘉峪关-天水相关系数为0.8370，说明日变幅度在空间上具有良好的相关关系。

2.2地磁低点时间分布规律

我国学者依据地磁日变低点位移进行了大量的地震预报探索研究。所谓“低点位移”，是指日变形态曲线最低点（低点时间）比其他正常时段提前或推迟3-4h以上。因此，文中对三台的地磁低点时间进行了统计，并分析了低点位移的分布特征。

由图2可知，嘉峪关（JYG）、兰州（LZH）、天水（TSY）三台低点位移均主要出现在冬季，其他季节很少出现，具有明显的季节变化特征。究其原因，主要由于冬季日变幅度很小，遇到磁场扰动日变形态容易发生畸变，产生低点位移现象，日变幅度越小则发生低点位移的概率越大，由日变幅度的统计可知，天水台冬季日变幅度较其它两台大，因此发生低点位移的的概率越小，嘉峪关反之亦然，兰州介于嘉峪关和天水之间，这与统计结果（见表1）相符合。

图1　嘉峪关、兰州、天水日变幅度原始曲线

图2　嘉峪关、兰州、天水日变低点时间原始曲线

表1　2003-2006年各台出现低点位移个数［6］

为进一步统计三台间的低点时间相关关系，对两两台站求取了相关系数，嘉峪关-兰州相关系数为0.4722，嘉峪关—天水相关系数为0.3667，兰州-天水相关性系数为0.5634，结果显示，日变低点时间在不同台站之间相关性不明显。

2.3基于小波变换的高低频特征分析

2.3.1小波基选取及小波变换过程

常用的小波中，db系列有限紧支正交小波在时域上有限支撑，在频域Ψ（ω）在ω=0处有N阶零点，适用于信号的多尺度分析。文中采用db5小波对原始信号进行分解。经一次分解后，得到一阶尺度系数CA1和一阶小波系数CD1。尺度系数CA1代表原始信号中低频的成分，即原始信号的概貌部分；小波系数CD1代表了原始信号中相对高频的部分，即原始信号的细节部分。由于尺度系数CA1中仍然包含着许多细节的部分，于是把尺度系数CA1再做分解，得到二阶尺度系数CA2和二阶小波系数CD2。二阶尺度系数CA2代表一阶尺度系数CA1中相对低频的成分，即原始信号中更为概貌的成分；而小波系数CD2代表尺度系数CA1中相对高频的成分，即比小波系数CD1更为粗糙的细节成分。依次类推，把尺度系数分解下去，不同频率段的细节成分就能被提取出来。分解流程如图3所示。本文对嘉峪关、兰州台2002-2004年资料每月选取最平静的1d作为静日，每月最扰动的1d作为扰日作为处理对象做了二阶小波分解，提取了一阶尺度系数CA1，一阶小波系数CD1，二阶尺度系数CA2和二阶小波系数CD2。

图3　原始信号的小波分解流程图

2.3.2原始数据静扰日相关性分析

为了研究嘉峪关、兰州台地磁垂直分量Z原始数据的相关关系，对两台所选定的静扰日原始数据逐日进行了相关分析，做出了两台的相关系数，结果显示，相关系数基本在0.8～1.0之间，两台原始曲线具有显著的相关性；磁扰日期间相关略优于磁静日。从时间角度分析，其相关性没有明显的季节性变化。

2.3.3小波高频系数CD1、CD2相关性分析

CD1在两台之间的相关系数大致介于0.3之内，其相关性不显著，说明在地磁场一阶小波高频系数（细节）变化中两台具有差异性，各自具有不同的地域特色。CD2两台相关系数R值在磁静日期间在-0.1～0.1之间，其相关性不显著；其次，在磁扰日期间，其相关系数R值波动较大，有部分R值超过0.5，甚至达到接近0.8，说明其细节（高频）部分在两个台站之间存在一定的相关性，可能解释为磁扰日期间地磁场的扰动事件具有大尺度地域的同步性。

2.3.4小波尺度系数CA1、CA2相关性分析

对两台CA2代表CA1信号中低频（概貌）的部分进行了相关分析，结果表明，CA1、CA2在两台间相关系数均高于0.8，相关系数没有明显的季节变化特征，磁静日和磁扰日无明显差异，可以认为两台在低频（概貌）部分具有良好的相关关系，很大程度上代表了大尺度外空场对磁场变化的影响。

3　结论与讨论

（1）通过对嘉峪关、兰州、天水地磁台垂直分量Z日变幅度的统计分析认为，日变幅度具有明显的季节特征，单台呈现出冬季低，夏季高，春秋次之的“正弓型”变化性态；三台间天水台日变幅度总体最大，兰州次之，嘉峪关最小，并且三台之间具有良好的相关关系。因此，根据多台判别震磁异常时，可在认识单台年变基础上分析多台间的相关关系是可能的有效途径。

（2）对嘉峪关、兰州、天水地磁日变低点时间的统计发现，单台日变低点位移主要出现在地磁冬季，具有明显的季节变化规律，可能原因是冬季日变幅度较小（10nT左右），遇到磁场扰动后日变性态容易发生畸变而形成低点位移。通过对三台日变低点时间的相关性分析认为，三台间逐日相关性不明显（R在0.3-0.5之间）。国内以往针对地磁低点位移方法研究震磁效应非常普遍，在该方法实践过程中考虑低点位移的季节变化规律对于异常认识将不无裨益。

（3）文中基于小波变换对嘉峪关、兰州台地磁垂直分量Z进行了处理，研究结果认为，两台间所选静扰日逐日原始曲线相关系数在0.8以上，具有良好空间相关性；CA1、CA2低频（概貌）部分相关系数也均高于0.8，说明两台间低频（概貌）部分空间相关关系密切，其相关程度未表现出明显的季节变化特征；CD1、CD2高频（细节）部分两台相关系数基本保持在0.3以下，相关关系不明显，其可能原因为：首先是台站仪器和观测环境自身噪声水平的反应；其次是台站所处的地理环境中地下介质和地下电导率水平不同，由于扰动的地磁外源场在地球内部介质中产生相应的感应电流，从而产生一个感应的二次场，地下介质和电导率水平不同，所产生的二次场强度也不同。

综而述之，甘肃地区地磁场垂直分量Z日变幅度和低点位移具有明显的季节特征，在认识震磁异常时应加以注意。相对于低频部分，高频部分更能反应台站局部地磁场的变化特征，为进一步开展震磁异常的提取具有重要的借鉴意义。

［1］ 李琪.小波分析及地震磁效应［J］.国际地震动态，2002，（2）：31，61.

［2］李琪，林云芳.应用小波变换提取张北地震的震磁效应［J］.地球物理学报，2006，49（3），855-863.

［3］陈伯舫.用小波法研究台湾省两次7.6级大震前后仓坪台的地磁变化［J］.地震地磁观测与研究，2006，27（1）：45-48.

［4］ 邢西淳，邵成辉.小波变换在地磁数据分析中的应用［J］.地震地磁观测与研究，2005，26（2），38-42.

［5］范国华，姚同起，韩克礼.子波变换在地磁不规则脉动频谱分析中的应用［A］.中国地震学会成立20周年纪念文集，1999-12-01.

［6］ 田文通，辛长江，薛锋，等.甘肃不同台站地磁垂直分量变化特征分析［J］.防灾科技学院学报，2011，13（4）：35-39.

P315.72

甘肃省地震科技发展基金资助（2012Y02），甘肃省科技计划资助（145RJZA152）△

韩英（1966-），女，甘肃合作人，中国地震局兰州地震研究所工程师。