第４４卷㊀第３期２０２２年５月
地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报
C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A L
V o l ．４４㊀N o ．３
M a y男生女生金版
,２０２２㊀㊀收稿日期:２０２２Ｇ０１Ｇ１４
㊀㊀基金项目：地震科技星火计划项目(X H ２００６２)；云南财经大学人才引进项目(２０２１D ０５ )㊀㊀第一作者简介：樊文杰(１９９０－)，男，硕士，工程师，主要从事震磁关系和构造应力等研究.E Ｇm a i l :f a n _０９５０１１１０６＠１２６．c o m . 樊文杰，冯丽丽，李霞，等．２０２２年１月８日青海门源M S ６．９地震前地磁垂直强度极化异常变化特征[J ]．地震工程学报,２０２２,
４４(３):７４４Ｇ７５０．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２２０１１４００１F A N W e n j i e ,F E N G L i l i ,L I X i a ,e ta l ．C h a r a c t e r i s t i co f g e o m a g n e t i cv e r t i c a li n t e n s i t y p
o l a r i z a t i o n a n o m a l i e s b e f o r et h e M e n y u a n ,Q i n g h a i M S ６．９e a r t h q u a k e o n J a n u a r y ８,２０２２[J ]．C h i n aE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g J
o u r n a l ,２０２２,４４(３):７４４Ｇ７５０．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２２０１１４００１２０２２年１月８日青海门源M S ６．９地震前
地磁垂直强度极化异常变化特征
樊文杰１，冯丽丽２，李㊀霞２，何㊀畅３，廖晓峰３，姚休义４
(１．云南省地震局，云南昆明６５０２２４;２．青海省地震局，青海西宁８１０００１;
３．四川省地震局，四川成都６１００４１;４．云南财经大学巨灾风险管理研究中心，云南昆明６５０２２１
)
摘要：基于甘青川地区的１４个地磁台站秒采样资料，对２０２２年１月８日青海门源M S ６．９地震前地磁垂直强度极化异常的时空变化特征进行分析研究.计算结果显示，在２０２１年１０月底出现了地磁极化超阈值高值异常变化，异常台站主要分布在青海㊁甘肃和四川地区，异常出现后７３天发生了门源地震，震中位于极化高值异常阈值线附近.研究还发现，此次地磁极化异常具有一定的时空变化特征，时间上，不同台站极化异常具有较好的时间同步性；空间上，极化异常高值区呈现出沿震中附近出现后不断扩展最终再向震中收缩的特点.此外，各地磁极化异常台站的归一置零极化值㊁异常持续时间与震中距存在较好的负相关性，异常台站距离地震震中越近，其归一置零极化值越高，异常持续时间也越长，这一特征符合地震电磁扰动信号的衰减特征.根据极化异常和地震的时空关系分析认为，此次地磁极化高值异常对应了之后在异常高值区边缘发生的门源M S ６．９地震. 关键词：门源M S ６．９地震；地磁垂直强度极化；高值异常；时空变化特征
中图分类号:P ３１９㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ０８４４(２０２２)０３－０７４４－０７
D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２２０１１４００１C h a r a c t e r i s t i c o f g e o m a g n e t i c v e r t i c a l i n t e n s i t yp
o l a r i z a t i o na n o m a l i e s b e f o r e t h eM e n y u a n ,Q i n g h a i M S ６．９e a r t h q u a k e o nJ a n u a r y ８
,２０２２F A N W e n j i e １,F E N GL i l i ２,L IX i a ２,H EC h a n g ３,L I A O X i a o f e n g ３,Y A O X i u y
i ４
(１．Y u n n a nE a r t h q u a k eA g e n c y ,K u n m i n g ６
５０２２４,Y u n n a n ,C h i n a ;２．Q i n g h a iE a r t h q u a k eA g e n c y ,X i n i n g ６５０２２４,Q i n g
h a i ,C h i n a ;３．S i c h u a nE a r t h q u a k eA g e n c y ,C h e n g
d u６１００４１,S i c h u a n ,C h i n a ;４．C a t a s t r o p h i cR i s kM a n a g
e m e n tR e s e a r c hC e n t e r ,Y u n n a nU n i v e r s i t y o
声纳原理f F i n a n c e a n dE c o n o m i c s ,K u n m i n
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５０２２１,Y u n n a n ,C h i n a )A b s t r a c t :B a s e d o n t h e １Ｇs e c o n d s a m p l i n g d a t a o f １４g e o m a g n e t i c s t a t i o n s i nG a n s u ,Q i n g
h a i ,a n d S i c h u a na r e a s ,w e a n a l y z e d t h e t e m p o r a l a n ds p a t i a l v a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e g e o m a g
n e t i c v e r t i c a l i n t e n s i t yp o l a r i z a t i o na n o m a l i e sb e f o r e M e n y u a n ,Q i n g h a i M S ６．９e a r t h q u a k eo nJ a n u a r y
８,２０２２．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e r ew e r e h i g hv a l u e a n o m a l i e s o f g e o m a g n e t i c v e r t i c a l i n t e n s i t y p o l a r i z a t i o na t t h e e n do fO c t o b e r２０２１．T h e a n o m a l o u s s t a t i o n s a r em a i n l y d i s t r i b u t e d i nQ i n gＧh a i,G a n s u,a n dS i c h u a n a r e a s．T h eM e n y u a n e a r t h q u a k e o c c u r r e d７３d a y s a f t e r t h e o c c u r r e n c e o f a n o m a l i e s,a n d t h e e p i c e n t e rw a sn e a r t h ea n o m a l y t h r e s h o l d l i n eo fh i g h p o l a r i z a t i o n．I t i s a l s o f o u n dt h a tt h e g e o m a g n e t i c p o l a r i z a t i o na n o m a l i e sh a v ec e r t a i nt e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s．I n t e r m s o f t i m e,t h e p o l a r i z a t i o na n o m a l i e so f d i f f e r e n t s t a t i o n sh a v e
g o o d t i m e s y n c h r o n i z a t i o n;s p a t i a l l y,t h ea n o m a l o u sh i g hＧv a l u ea r e ao f p o l a r i z a t i o ns h o w s t h ec h a r a c t e r i sＧt i c s o f a p p e a r i n g n e a r t h ee p i c e n t e r,t h e ne x p a n d i n g c o n t i n u o u s l y,a n df i n a l l y s h r i n k i n g t o w a r d t h e e p i c e n t e r．I na d d i t i o n,t h en o r m a l i z e d z e r o p o l a r i z a t i o nv a l u e,t h e a n o m a l y d u r a t i o n,a n d t h e e p i c e n t r a l d i s t a n c e o f a n o m a l o u s s t a t i o n s s h o wa n e g a t i v e c o r r e l a t i o n．A s t h e e p i c e n t e r d i s t a n c e o f a b n o r m a l s t a t i o n sd e c r e a s e s,t h e n o r m a l i z e dz e r o p o l a r i z a t i o n v a l u e b e c o m e sh i g h e ra n dt h e a n o m a l y d u r a t i o nb e c o m e s l o n g e r．I t i s c o n s i s t e n tw i t h t h e a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h e s e i sＧm i ce l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l．A c c o r d i n g t ot h es p a t i a lＧt e m p o r a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o l a r i z a t i o n a n o m a l i e s a n de a r t h q u a k e s,t h eh i g hＧv a l u ea n o m a l y o f g e o m a g n e t i c p o l a r i z a t i o nc o r r e s p o n d st o t h e s u b s e q u e n tM e n y u a n M S６．９e a r t h q u a k e．
K e y w o r d s:M e n y u a n M S６．９e a r t h q u a k e;g e o m a g n e t i cv e r t i c a l i n t e n s i t yp o l a r i z a t i o n;h i g hv a l u e
a n o m a l y;t e m p o r a lＧs p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s难忘的八个字
０㊀引言
大量的岩石破裂实验和天然地震前的观测研究均表明，地震孕育和发生过程中伴随有一定程度的电磁波辐射异常[１Ｇ４].通常认为地震产生的电磁信号主要来源于震源区及其附近区域[５]，与地震有关的周期小于几百秒的电磁场信号一般称为地震电磁波或者地震电磁扰动[６].提取和分辨震前地磁异常信号，对于剖析震磁关系和地震预测都具有重要意义.但是由地震引起的地磁异常信号十分微弱，而且容易被外部空间电流体系变化和环境噪声所湮没.因此，如何更加有效地提取地磁异常信号和抑制外部干扰源，是许多学者重点关注和研究的问题.
为了突出源于震源区的地磁异常信号同时抑制外源场的影响，通常选取超低频(U L F)波段进行观测和分析研究.对于频段０．０１~１００H z的地磁信号,M o l c h a n o v等[７]通过数值模拟研究后发现，在地表观测到的一次源来自地壳内部的地磁信号，其垂直分量幅度大于或接近于水平分量幅度，即来源于地壳内部的磁场垂直分量幅度与水平分量幅度的比值大于或接近于１.而电磁感应理论研究表明来自电离层外空磁信号的垂直分量幅度小于水平分量幅度.根据源于地壳处磁场信号和电离层外空磁场信号的不同特征,H a y a k a w a等[８]提出了地磁垂直强度极化法(简称极化法)，利用地磁垂直分量和水平分量幅度的比值来提取和地震有关的地磁异常信号，并在１９９３年关岛８．０级地震前发现了地磁极化值有逐渐增大的现象.随着地磁极化方法的提出，国内外学者在不同地区的震例应用研究中都发现了震前几天到几个月内，震中周边单个台站或多个台站的地磁极化值存在高值异常现象[９Ｇ１４].在极化方法的推广应用过程中也得到了改进和发展，冯志生等[１５]的研究表明，地磁极化值具有显
著的年变特征，在提取极化异常时应予以剔除.目前，地磁极化法日渐成熟并得到广泛使用，在地震磁异常信号提取和识别中发挥着其优势作用.
根据中国地震台网正式测定,２０２２年１月８日１时４５分在青海海北州门源县发生M S６．９地震，震中位置为１０１．２６ʎE,３７．７７ʎN，震源深度１０k m.此次地震震中距离门源回族自治县５４k m，距西宁市１３６k m.通过对甘青川地区地磁资料进行日常跟踪，发现在青海门源M S６．９地震前数月已出现地磁垂直强度极化异常，异常满足判定指标并作为正式异常提出.因此，系统科学地开展强震前地磁观测数据异常的回溯性研究，了解震前异常的时空演化特征，总结异常变化规律，对于今后判别地震前兆异常信号和改进异常判定预测指标都具有重大意义.鉴于此，本研究基于此次青海门源地震周边的地磁台站秒钟值数据，采用地磁垂直强度极化法提取震前地磁异常信号，进行异常回溯性分析，研究探讨地磁异常时空变化与地震的关系，以期为实际地震预
５４７
第４４卷第３期㊀㊀㊀㊀樊文杰，等:２０２２年１月８日青海门源M S６．９地震前地磁垂直强度极化异常变化特征㊀㊀㊀㊀
测工作提供一定参考依据.
１㊀计算方法和资料
１．１㊀方法原理及计算过程
通常我们将地磁垂直强度极化值Y z h 定义为地
磁垂直分量Z 和水平分量全矢量H 的谱幅值的比值.
Y z h ＝
Z (ω)
H (ω)
㊀
(１
)H (ω)＝H ２x (ω)＋H ２
y (
ω)㊀(２)式中:Z (ω)为地磁垂直分量的谱幅度值;H (ω)为
地磁水平分量全矢量的谱幅度值;H x (ω)为地磁水平分量南北向谱值;H y (ω)为地磁水平分量东西向谱值,ω为圆频率.
流动资金需求测算
具体计算过程如下:①首先按照１５分钟一段,
将每天的地磁秒钟值预处理数据分为９６段，分段计算５~１００s 周期的谱幅值和极化日均值;②对极化
日均值进行半年以上周期的傅式拟合计算，以傅氏拟合曲线加二倍残差均方差线作为阈值线，剔除每天各段频点极化值低于阈值的值，重新计算极化日均值;③对剔除低值的极化日均值再次进行半年以上周期的傅式拟合并计算其残差，以消除极化值的季节变化特征;④为了排除短期影响，对极化值残差进行５日滑动平均，将各台站前一年极化值残差的
２倍方差上限作为异常阈值线,
高于阈值线则视为异常.１．２㊀数据资料
本研究选取甘青川地区的地磁秒采样观测数据，共计１４个地磁台站，其中青海省８个台站，甘肃省３个台站，四川省２个台站，宁夏回族自治区１个台站，台站仪器均为GM ４型磁通门磁力仪及其改进机型.距离此次门源地震震中最近的台站为青海
省的金银滩台，约９２k m .图１给出了参与计算台站的空间分布情况.数据计算选取时段为２０２１年湖南科技学院图书馆
１月１日至２０２２年１月３１日.
图１㊀计算地磁台站空间分布(底图来源于标准地图服务h t t p ://b z d t ．c h ．m n r ．g
o v ．c n /i n d e x ．h t m l )F i g ．１㊀T h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f g e o m a g n e t i c s t a t i o n s (T h em a p c
o m e s f r o m a s t a n d a r dm a p s e r v i c eh t t p ://b z d t ．c h ．m n r ．g
o v ．c n /i n d e x ．h t m l )㊀㊀为了确保数据计算结果的可靠性，首先对选取的秒采样观测数据进行预处理，删除一些明显由外界人为活动引起的干扰变化，如尖峰和台阶等；其次
对于同台存在多套仪器的台站，对台站的每套仪器的数据均进行计算，筛选出数据观测质量和结果更好的仪器作为该台站的最终计算结果进行分析.
６４７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２２年
２㊀计算结果及异常特征分析
２．１㊀计算结果
在极化异常日常跟踪过程中发现,２０２１年１０月底甘青川地区出现满足异常判据的地磁极化超阈值高值异常，在参与计算的１４个台站中，青海金银滩等５个台站出现同步高值异常变化，异常台站占总计算台站的３６％.图２给出了异常台站地磁极化值拟合残差经过５日滑动平均后随时间变化情况，以２倍方差上限作为阈值线，在图中用红虚线
表示，红方框圈注的为此次极化高值异常.此外，图２下方还给出了和数据相同时段内的磁暴环电流指数(D s t 指数)变化情况.同时，为了详细了解此次极化异常空间分布动态演化过程，我们将异常持续时间期间内每日的异常空间分布形态绘制于图
３.由于不同台站场地和仪器产生的噪声会对解析
异常空间分布造成影响，我们用极化值残差除以２倍均方差将其归一化，再减去１得到归一置零极化值，处理后以极化值 ０ 值作为异常阈值线(图３中红实线)，超过异常阈值 ０
的区域即为极化高值图中红虚线为２倍均方差线，红阴影框圈注的为此次门源地震前地磁极化高值异常(异常时间为２０２１年１０月２４ ３０日)
图２㊀异常台站的极化值拟合残差和D s t 指数时间序列
F i g ．２㊀F i t t i n g r
e s i d u a l s t i m e s e r i e s o
f p o l a r i z a t i o nv a l u e s o f a b n o r m a l s t a t i o n s a n d D s t i n d e x 异常区(图３中红区域).图４给出了各异常台站归一置零极化值㊁异常持续时间和震中距的关系曲线.各地磁异常台站的异常信息统计情况见表１.
２．２㊀异常时间变化特征
从图２和表１可见，在２０２１年１０月２４ ３０日期间，门源地震震中周边的多个台站的地磁极化值拟合残差超出阈值线，呈现出时间同步的极化高值异常.同时，这些台站的极化值拟合残差时间序列具有较好的相似性，变化形态大致相同.虽然２０２１年期间个别台站的极化值拟合残差也曾出现过高值变化，但是由于异常变化时间同步性较差，且异常台站占比较低，因此本研究重点讨论２０２１年１０月
２４ ３０日期间出现的地磁极化同步高值异常.本
文将同一天超阈值异常台站数最多的日期定义为异常日期，此次极化高值异常日期为１０月２７日，与青海门源M S ６．９地震的发震时间相隔７３天.对各台站异常信息进行统计后显示，此次地磁极化异常台站共有５个，分别为青海金银滩台㊁贵德台㊁德令哈台，甘肃天水台，四川松潘台.其中异常幅度最大的
台站为青海德令哈台，为０．１２４，异常幅度次大台站为青海金银滩台.各台站的异常持续时间不等，在２天至７天之间，异常持续时间与震中距存在一定相关性，距离震中位置越近，异常持续时间越长(图４
).７４７第４４卷第３期㊀㊀㊀㊀樊文杰，等:２０２２年１月８日青海门源M S ６．９地震前地磁垂直强度极化异常变化特征㊀㊀㊀㊀
８４７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２２年
图３㊀地磁极化异常归一置零极化值空间等值线
F i g．３㊀T h e s p a t i a l c o n t o u rm a p o f n o r m a l i z e d z e r o p o l a r i z a t i o nv a l u e o f g e o m a g n e t i c p o l a r i z a t i o na n o m a l i e s
表１㊀各地磁异常台站异常统计情况
T a b l e１㊀T h e a b n o r m a l s t a t i s t i c s o f g e o m a g n e t i c s t a t i o n s
台站经度/(ʎE)纬度/(ʎN)异常持续时间/d异常最大幅度２７日归一置零极化值震中距/k m
青海金银滩１００．９３７．０７０．１２３０．９０６９２
青海贵德１０１．４３６．０４０．０６５０．２７６１９４
青海德令哈９７．４３７．４３０．１２４０．１５５３４４
朱宏利甘肃天水１０４．９３４．６４０．０６３０．１０５４８５
四川松潘１０３．６３２．１２０．０４４０．０４０６７０
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