木拉提江·阿不来提　高歌

摘要：利用极化法计算喀什观测站FHDZ-M15 地磁秒数据垂直分量极化值，定量研究极化值异常幅值、震中距、异常持续时间及对应地震震级之间的关系。结果表明：① 极化值高值异常与其后4个月内台站周边区域的M_S≥5.0地震有很好的对应关系，高值异常持续多为3～6 d；② 对应地震的震级与震中距之间为准线性关系，相关系数达0.791；③ 按震中距分析得出具有显著关系有［0，150）km和［150，250）km，异常持续时间和对应地震震级相关系数分别为0.645、0.702。［150，250）km内，异常幅值与震级相关系数为0.717。［250，∞］km，震中距与震级相关系数达0.687；④ 按震级分析，M_S［6.0，7.0），震级与震中距呈中度负相关，相关系数为-0.685。

关键词：  极化法；异常提取；地磁；相关系数

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.008

天然地震在孕育和发震过程中伴随着不同程度与震源破裂有关的电磁辐射异常，频率在1～100 Hz。而与地震相关的变化磁异常几乎包含了地球变化磁场绝大部分频段范围，地震引起的磁异常幅度在地磁观测垂直分量上表现的幅度很小且难以被发现，通常被地表以上空间电流体系的变化和人为干扰覆盖［1］。地磁垂直强度极化法利用岩石圈 ULF 电磁信号特征，将磁场垂直分量Z和水平分量（H或G）的频谱振幅相比，进而提取震磁异常信息。二者比值可突出源于震源区的异常信号并抑制来源于外源场的信号。目前对地震地磁短周期的研究主要集中在ULF频段，很多震例证实垂直强度极化法是提取地磁异常效果较好的方法［2-6］。Molchanov 等［7］ 论证岩石破裂过程会产生 ULF 电磁辐射异常；Hayakawa ［8-9］总结Spitak，Loma，Guam等地震，认为ULF信号主要来自于发震过程中岩石圈的破裂，并通过分析日本东海地区建立的台阵数据，观测到4次地震及1次震群前观测到ULF异常信号；Schekotov［10-11］发现磁场水平分量ULF信号在震前会产生较明显的扰动变化；Molchanov 等［12］和Hattori K等［13］基于地磁 ULF 频段分析数据取得一系列震例研究成果，并得到的ULF 磁场信号的来源方向与震群活动方向对应，震前３个月内常出现高极化值的异常特征。李琪［14］、姚休义［15］、樊文杰［16］、姚远［17］等分别计算云南宾川M_S5.0、元谋M_S5.2、通 海M_S5.0、墨江M_S5.9及景谷M_S6.6地震极化值，总结震前极化值的变化特征。Li、冯志生、何畅等［18-19］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，能够有效去除外空场的影响与周边地震有较好的对应效果。新疆迄今有乌鲁木齐、喀什、温泉、且末共4个地磁观测台站实现了秒采样观测。观测实践证明，观测仪器采样率越高，记录地震磁异常信号越详实。喀什地磁数据起始于1984年，仪器与台站背景噪声低，外界干扰少，数据积累时间长、观测精度高，2008—2020年期间观测站周边区域发生多次M_S≥5.0中强地震，为地磁U LF 异常信息提取、研究提供充分的条件。本文中运用地磁垂直强度极化法，梳理2008年1月至2020年1月喀什观测站地磁FHDZ-M15自动化地磁台站系统观测资料震前异常情况，使用R值评分方法进行映震效能检验，并定量研究极化值异常幅值与震中距、异常幅值与对应地震震级、异常持续时间与震级、震中距与震级之间的关系，对研究地震与单台短周期地磁观测资料变化的关系及单台地磁极化法异常指标体系建立具有重要意义，以期能为地震预报提供合理的科学依据。

1数据与方法

喀什地磁观测站新址地处疏附县北部兰干镇萨依村境内，距离县城约 22 km，处于南天山地震带西段和帕米尔—西昆仑地震带西段交汇处，地质构造背景复杂［20-23］ 。观测场2007年8月重建后投入使用，位于旧站址西面约 8 km，周围为农田，地磁观测站建筑区内，磁场梯度每米小于1 nT，地基土层均为第四系全新统（Q4）松散沉积物，地层岩性表层约 2 m为细颗粒粉土层，其下均为粗颗粒的圆砾地层。地磁观测室为弱磁性材料石木結构的地面建筑，地磁记录室为铜筋混凝土浇筑的拱形地下建筑，地下室日温差平均约为 0.017 ℃，相对湿度≤80％。

FHDZ-M15自动化观测系统记录内容包括：地磁场偏角（D）、水平强度（H）、垂直强度（Z）、总强度（F）及温度（TC）5个分量的时序相对记录数据，仪器为秒采样，分辨率达0.1 nT，仪器噪声小于0.1 nT。Rikitake T［24］对频率范围为极低频（3～30 Hz）、 特低频（300～3 000 Hz）、甚低频（3～30 kHz）和低频（30～300 kHz）的观测数据进行统计，得出震级越大，可观测到磁场信号的最大距离越远，

2结果与分析

2.1震例分析

对喀什地磁观测站2008年1月1日至2020年1月31日预处理秒采样资料进行计算得到垂直强度极化结果（图1）。喀什站5～100 s频段的极化值具有年变特征，因此在数据分析时有必要消除年变的影响，既抑制外源场影响同时可以突出磁异常信号，又提高了异常判别的准确率。

排除磁暴及人为干扰影响的前提下，图2为研究时段内极化值傅里叶拟合残差5日滑动平均值时序曲线与周边满足ULF最大传播距离范围内地震的关系，图中虚线为每2年计算结果的2倍均方差线，首次提取高值异常时将其定为异常阈值线。为了排除外空场影响，与表示地磁场扰动变化强度的Ap指数进行对比可知，在曲线出现高值异常变化时Ap指数变化反而表现为低值。高值异常幅值均高于0.061，3个月内常出现多次超阈值情况。根据识别标准进行异常提取，并应用许绍燮院士提出的R值评分方法对计算结果进行预报检验（图3），喀什站极化值与傅里叶拟合残差5日滑动平均值异常与M_S≥5.0地震的对应情况列于表1。

在资料选取时段内发生满足最大传播距离条件的地震共37个，共出现28组异常，其中21组异常对应29次地震，7组异常虚报，漏报8次，地震报准率为75%、虚报率为25%（表1）。最佳预报期为120 d，R=0.17，R0=0.16，通过检验，喀什观测站地磁Z分量强度极化法异常信度较高、地震对应效果较好。

2.2异常特征研究

从表1中提取震中距、极化值异常幅值、异常持续时间、对应地震震级4个研究对象，计算极化值异常幅值与震中距、震级的相关系数分别为0.169和0.215，异常持续时间与震级相关系数0.174，震级与震中距的相关系数0.791（图4）。异常幅值与震中距、与震级、异常持续时间与震级之间并未出现明显线性相关性，与李霞等［26］研究青海地区地磁极化异常结果相同。

将对应地震的震级和震中距分别按不同震级（M_S［5.0，6.0）、M_S［6.0～7.0）、M_S［7.0，10.0］和不同震中距（［0，150）km、［150，250）km、［250，∞］km）进行分档，再次计算相关系数（表2～3）。异常幅值与震中距各震级档相关程度不高，与何畅等［19］应用极化法分析2010—2015年成都台FHDZ-M15数据研究结果不尽相同（表2、图5a）；震中距［150，250）km的异常幅值与震中距呈正相关，相关系数为0.678（图5b）。按震级分析，M_S［6.0，7.0）震级与震中距呈中度负相关，相关系数达-0.685（图5c），异常持续时间与震级呈中度正相关，相关系数0.595（图5e）。按震中距分析，［0～150）km和［150，250）km计算的异常持续时间与震级均出现中度正相关，相关系数分别为0.645和0.702（图5f、g）；［150，250）km呈中高度正相关，相关系数达0.717（图5h）；［250，∞］km呈中度正相关，相关系数为0.687（图5d）。

3结论与讨论

根据公式确定喀什地磁观测站周边M_S≥5.0地震，统计垂直分量极化法异常特征发现，异常持续在1～8天。发震时间均出现在极化高值异常后4个月内，发震地點的范围大部分集中在0～250 km，发震震级M_S［5.0，6.0）占多数。喀什垂直强度极化震例统计显示，无震异常与地震漏报情况占比较大且客观存在。这可能与地震在发展、孕育、传播过程中的复杂变化有关，也可能与外界的某类干扰有关。预报效能检验显示，R＝0.17，R₀＝0.16，R＞R0，该方法对地震预报具有一定的可行性。虽然通过检验，却评分较低，这可能与资料选取时间长度及周边发生地震的次数偏多有一定的关系。

震例显示，极化法异常对应了29次地震，计算震中距、异常幅度、震级、异常持续时间4个要素间的相关系数，仅发现震中距与震级有显著关系，相关系数达0.791。按不同震中距计算它们之间的相关性得出［0，150）km和［150，250）km，异常持续时间和震级相关系数分别为0.645、0.702，均呈现出中度正相关且随震中距增大二者相关性有所增强。［150，250）km内，异常幅值与震级相关系数为0.717，较其它档计算结果最高。按震级计算相关性得到M_S［6.0，7.0）震级与震中距相关关系最为显著，相关系数为-0.685，呈中度负相关。样本量对不同档计算出的相关性结果具有一定的影响，样本量相对较少的档，相关关系较为显著，反之亦然。

目前极化法在新疆地震预测尚未成熟应用，对异常的认识仍存在不足。随观测资料的积累，异常判据指标和预测规则需进一步完善，结合其它较为成熟的地球物理观测分析方法，可作为单台地磁中短期预报的有效方法，对进一步认识该地区震磁关系具有一定的应用意义。

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APPLICATION OF GEOMAGNETIC VERTICAL INTENSITY

POLARIZATION METHOD IN ANALYZING ANOMALY

INFORMATION OF GEOMAGNETIC SECOND

DATA ON KASHI STATION

Mulatijiang Abulaiti， Gao Ge

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011，Xinjiang， China）

Abstract： Polarization value of the vertical component of FHDZ-M15 geomagnetic second data at Kashi Station is calculated by the polarization method， and the relationship between the abnormal amplitude of the polarization value， Epicentral distance， abnormal duration and the corresponding earthquake magnitude is quantitatively studied. The results show that： ① there is a good correspondence between the high polarization value anomaly and M_S≥5.0 earthquakes in the surrounding area of the station within the next 4 months， with high value anomalies lasting mostly for 3～6 days; ② The relationship between the magnitude of the corresponding earthquake and the Epicentral distance is quasi linear， and the correlation coefficient reaches 0.791; ③ According to the analysis of Epicentral distance， the significant relationships are 0～150 km and 150～250 km， and the correlation coefficients of anomaly duration and corresponding earthquake magnitude are 0.645 and 0.702 respectively. The correlation coefficient between anomaly amplitude and magnitude is 0.717 within 150～250 km. Over 250 km， the correlation coefficient between Epicentral distance and magnitude is 0.687; ④ According to the magnitude analysis， M_S6.0～6.9， the magnitude is moderately negatively correlated with Epicentral distance， and the correlation coefficient is -0.685.

Key words： Polarization method; Anomaly extraction; Geomagnetism; Correlation coefficient