日本伊豆諸島震群超低頻地磁的新方法

日本伊豆諸島震群超低頻地磁的新方法

極化分析和核心分量分析最近，磁體現(xiàn)象被認為是短臨地震預報的最有希望的方法。已經(jīng)積累了許多前兆信號的證據(jù),這些信號的頻率范圍很寬,從直流到甚高頻(VHF)。在上述頻段中,超低頻是最有前途的手段之一,因為已有一些令人信服的證據(jù)。由于震中與傳感器距離太遠,一般認為與大地震相關(guān)的信號非常弱。在LomaPrieta地震中,傳感器恰好位于震源之上,所以成功記錄到了強烈的超低頻地磁信號。但是不幸地是當時只測量了一個磁場分量。Hayakawa等(1996)和Kawate等(1998)試圖分析與關(guān)島地震有關(guān)的超低頻地磁數(shù)據(jù)。他們提出了一種新的譜分析方法,也就是所說的極化分析,即估算水平譜密度與垂直譜密度的比值,這種方法對于提取ULF地磁數(shù)據(jù)的震前異常變化是有效的。Hattori等(2002)認為遠程參考臺站的數(shù)據(jù)對于極化分析中降低外界強磁場變化的影響特別重要。已觀測到的超低頻地磁數(shù)據(jù)被認為是某些信號的疊加(見圖1)。第一類是自然的、全球性的信號,比如源于日地相互作用的地磁場的日變化和地磁脈動以及一些非常強的信號。第二類是由直流驅(qū)動列車或工廠產(chǎn)生的人工信號,這種信號是區(qū)域性的。第三類是在磁力儀周圍的局部性信號,如地面振動、磁性設備的移動、內(nèi)部電路的噪音等。與地殼活動相關(guān)的信號通常是非常弱的。所以關(guān)鍵的問題是如何將與地震有關(guān)的信號同這些噪音區(qū)別開來。已經(jīng)提出了幾種方法,并且對所發(fā)展的方法的效率已有報道。報道所涉及的方法包括上面提到的極化分析法和破裂分析法以及主要分量分析法。Gotoh等(2002)已經(jīng)報道了主要分量分析方法在信號識別中的有效性,并且發(fā)現(xiàn)了超低頻地磁信號與2000年伊豆群島地震的聯(lián)系。他們用的是在距離近而獨立的三個觀測站觀測到的水平分量(NS)數(shù)據(jù)。觀測站的探頭之間的距離大約是5km。他們認為最小的本征值對于監(jiān)測即將發(fā)生的大地震有重要意義,也就是,第三主要分量中包含有即將來臨的地震活動的信息。為了使主要分量分析法的有效性更加令人信服,在這篇文章中我們將更詳細地展示主要分量分析法的研究結(jié)果,同時也展現(xiàn)其他的結(jié)果,如每個主要分量的本征矢量的變化。120關(guān)于宗教目標和地震觀測站的觀測2000年6月26日日本氣象廳根據(jù)附近Miyake-jima島小地震發(fā)生頻率的增加,發(fā)布了該島的Oyama火山(34.09°N,139.51°E)將會發(fā)生一次爆發(fā)的官方預警。次日早晨,在島以西幾公里的地方有海底火山噴發(fā)的跡象,幾乎與此同時震群活動開始了。不久,7月8日在火山頂出現(xiàn)了一個大型的凹陷,而且這個凹陷一直在增大。盡管最后一次大規(guī)模的火山噴發(fā)發(fā)生在2000年8月29日,但此后持續(xù)噴發(fā)有毒氣體。震中的位置也從島以西轉(zhuǎn)向了島的西北方向。震中的轉(zhuǎn)移被認為與大規(guī)模巖脈入侵或是巖漿發(fā)生了轉(zhuǎn)移有關(guān)系。在這次活動中,有5次大地震(M>6)。發(fā)生在7月1日、9日、15日、30日和8月18日,震級分別為6.4、6.1、6.3、6.4和6.0,而且他們的深度較淺,分別是15、14、5、18和11km。我們研究了在日本伊豆半島上所觀測到的超低頻地磁數(shù)據(jù)。有三個觀測臺緊密地分布在伊豆半島(Seikoshi(34.85°N,138.82°E),Mochikoshi(34.89°N,138.86°E)和Kamo(34.86°N,138.83°E)),臺站探頭間相距大約5km。三分量扭力磁力儀在那里工作。Seikoshi和Mochikoshi兩個站磁力儀的采樣率為50Hz,Kamo站磁力儀的采樣率為12.5Hz。粗略估計震中距伊豆半島的觀測站有80～100km。圖2展示了觀測站與大于5級的地震的相對位置。表1概述了傳感器的規(guī)格。2觀測信號空間的參數(shù)特性為了提取伊豆群島震群的超低頻地磁信號,應用了主要分量分析法(PCA)。我們分析了2000年2月至2001年的數(shù)據(jù),研究了不同來源的信號(地磁場變化信號、人為噪聲和其他來源的信號(如與地震有關(guān)的超低頻信號))的長期變化。主要分量分析法(PCA)步驟如下。首先,以12.5Hz的采樣率對Seikoshi和Mochikoshi兩個觀測站的超低頻波形數(shù)據(jù)進行采樣,然后將所有數(shù)據(jù)用無延時的數(shù)字窄帶濾波器進行處理。我們將PCA法應用于數(shù)個相鄰但又相互獨立的觀測站得到的時間序列數(shù)據(jù)。將從三個站點得到的30分鐘長的時間序列數(shù)據(jù)表示為:ysks=[ysks(t1),ysks(t2),…,ysks(t22,500)]T,ymck=[ymck(t1),ymck(t2),…,ymck(t22,500)]T,ykam=[ykam(t1),ykam(t2),…,ykam(t22,500)]T,這里的sks,mck,kam下標分別對應Seikoshi,Mochikoshi和Kamo三個站。得到數(shù)據(jù)矩陣Y=[ysks,ymck,ykam]T,這里的T表示轉(zhuǎn)置矩陣,接下來計算出方差矩陣R=YYT。得出本征值分解值R,R=V∧VT,其中∧是λ1,λ2,λ3的本征值矩陣,V是本征矢量值矩陣,v1,v2和v3是矩陣的列。這里下標1、2、3是表示震級大小的順序(λ1>λ2>λ3)。PCA的數(shù)學運算過程就是對觀測到的信號矩陣的協(xié)方差矩陣的本征值的分析過程。所以,在PCA方法中,所選擇的投影軸(本征矢量v1)要使在Y定義的觀測信號空間中數(shù)據(jù)變化最大化,本征矢量v1被認為是最主要的信號子空間或最強信號子空間,并將它稱為第一主要分量。下一步就可以將觀測信號空間用正交函數(shù)展開成v2和v3。他們被稱為第二主要分量和第三主要分量。由于三個觀測站的數(shù)據(jù)被應用到了本文提到的PCA法,所以我們可以最大限度地區(qū)別三類信號。獲得的本征矢量值說明了每個信號子空間的基本功能,而它的本征值則顯示了每個子空間的能量。因此用最大的本征值v1來表示最強的信號源,而v2和v3分別用來表示第二、第三主要分量的能量。3結(jié)果在這一節(jié)中將討論本征值和本征矢量幅度的時間演變。文中將會給出在10mHz頻段上,最有效的NS分量的結(jié)果。3.1本征值的變化本段將描述本征值在時間上的變化。我們首先求出本征值λ1、λ2、λ3的平方根,λ1、λ2、λ3分別對應于第一、第二和第三主要分量。這樣我們將得到每個主要分量的幅度的信息。以Ap指數(shù)表示的地磁活動的變化也同時繪出。上面敘述的數(shù)據(jù)處理方法,每30分鐘可以獲得一組本征值,而獲得Ap指數(shù)的間隔是3小時。所以分析的時間段是從2000年2月到同年12月,但遺憾的是由于一個站點受到雷擊,造成了從7月16日到10月巨大的數(shù)據(jù)缺失,導致臺陣觀測發(fā)生故障。一般來說,超低頻段的三類可能來源可以在地面測量出來:如受日地作用影響而產(chǎn)生的地磁脈動之類的地磁信號;如直流驅(qū)動火車產(chǎn)生的信號屬于人類活動產(chǎn)生的人為信號;其中包括可能與地震有關(guān)系的超低頻輻射在內(nèi)的通過地下傳送的超低頻信號。圖3表示的僅僅是在子夜(00:00-04:00LT,LT=UT+9h)的數(shù)據(jù)結(jié)果,因為我們希望晚上的人為信號會小一些。圖3中用垂直的虛線表示出了在臺陣良好運行期間發(fā)生的大于6級的地震。圖3中,√λ1λ1??√的變化似乎與地震沒有什么關(guān)系,而√λ2λ2??√和√λ3λ3??√的變化恰好在6級地震發(fā)生前達到當?shù)氐淖畲笾怠Ｗ畲笾档臅r間大約持續(xù)了幾天。臺陣系統(tǒng)恢復以后,發(fā)現(xiàn)√λ2λ2??√的值有點偏高,而√λ3λ3??√表現(xiàn)為在11月底之前的較低水平。現(xiàn)在三個主要分量的值全部討論完了。圖4展示了√λ1λ1??√和Ap指數(shù)在2000年4月夜間的變化,兩者間似乎有明顯的聯(lián)系。這表明第一主要分量代表的是來源于日地效應的信號。圖5展示了2000年4月√λ2λ2??√的變化,這個次強分量,有明顯的與人類活動相關(guān)的日變特征:在工作的時間內(nèi)數(shù)值較高;晚上和周末較低。它與區(qū)域性的電能消費方式有密切關(guān)系。最弱的第三分量√λ3λ3??√可能是前兩個分量(第一和第二主要分量)的剩余,是第三類可能的信號來源,與地震相關(guān)的超低頻信號也許就隱藏在這個分量中(圖6)。在圖6(a)中可以看出√λ3λ3??√具有日變化,據(jù)推測很可能是受到了白天人工信號的污染。然而,夜間人類活動的影響很小,如圖6中間部分便沒有明顯的日變化。如果有同地震有關(guān)的超低頻發(fā)射存在,這就使我們或許能夠檢測出這種微弱的與地震相關(guān)的超低頻輻射信號。在圖6(b)中子夜時√λ3λ3??√的變化表明√λ3的幅度從2000年2月中旬開始增加。在第一次M6.4級大地震前約兩周,發(fā)現(xiàn)√λ3的值明顯增大。接著我們觀察到,在7月1日的第一次大地震(M6.4級)之前大約10天,√λ3的強度急劇地下降,接下來在首次大地震的前幾天√λ3的強度又突然增加。我們注意到在7月9日和15日發(fā)生的第二次(M6.1級,7月9日)和第三次(M6.3級,7月15日)地震也出現(xiàn)非常相似的變化。這種變化在Ap指數(shù)中沒有見到(圖6(e))。臺陣系統(tǒng)恢復正常后,√λ3的值變得相當穩(wěn)定。在11月末√λ3的值又恢復到了該曲線開始時的水平。這里還需要考慮可能會使√λ3值增加的因素,以及所謂的機械地震波對探頭本身的震動影響。在我們的臺陣中沒有能用的地震儀。因此,我們用日本氣象廳(JMA)的地震目錄來計算地震的次數(shù)和每隔30min的區(qū)域地震強度E/r2,這里的E和r分別是地震釋放出的能量和臺陣中某個臺與震中的距離。計算中采用了公式logE=11.8+1.5M。圖6(c)和圖6(d)表示地震次數(shù)的變化和區(qū)域地震能量的變化。在地震活動期內(nèi)30min內(nèi)發(fā)生的地震次數(shù)達到了30次,甚至更多,這就意味著每分鐘都有一次地震。我們還發(fā)現(xiàn)地震次數(shù)與√λ3表示的超低頻輻射活動之間沒有直接的聯(lián)系。然而,有人認為地震的次數(shù)不是一個代表地面震動的好指標。最下面一欄是表示區(qū)域地震能量的E/r2指數(shù)。粗略來講地震能量是以指數(shù)函數(shù)衰減的,但√λ3的變化中方式卻完全不同。圖7表示的是從2000年6月到7月間√λ3在晚上變化的放大圖,我們可以更清楚地觀察到以上所說的特點。圖8繪制了2000年7月8日三個觀測站提供給PCA方法的數(shù)據(jù)。頻段是0.01Hz,MS6.1級地震的發(fā)震時間用垂直虛線表示。圖中沒有與主震相關(guān)的顯著變化,因此,√λ3在子夜的時間演化很可能反映了在伊豆諸島震群中與地震有關(guān)的超低頻輻射。3.2信號模式的變化這一節(jié)將討論本征矢量值的時間演化。由于我們用的主要分量分析是三維的,在矢量空間所得的本征矢量值有相同的維數(shù)。由于本征矢量的模是唯一的,這樣矢量的頂端就在同一個球面上移動。這些矢量就構(gòu)成了正交坐標系。為了簡化起見,我們只考慮θ和φ兩維曲線的變化,如圖9所示。標明大震(M>6)發(fā)震時間的圖10展示的是在大地震中子夜數(shù)據(jù)的結(jié)果。圖10(a)是第一主要分量的本征矢量(v1)的變化。除了2月初外θ和φ的變化一直非常穩(wěn)定。這說明第一主要分量足夠穩(wěn)定,主要信號子空間沒有變化。圖10(b)表示第二主要分量的本征矢量(v2)的變化。在2月初及11月后,變化相當穩(wěn)定。在2月中和7月期間,θ和φ的數(shù)據(jù)都受到干擾。圖10(c)是第三主要分量的本征矢量(v3)的變化,變化趨勢與圖10(b)相似。圖11是θ和φ數(shù)據(jù)的直方圖,圖11(a)展示的是分析期間整個夜間的數(shù)據(jù)。其他圖分別對應以下時期:(b)4月5～8日;(c)6月11～15日;(d)6月28日～7月1日;(e)7月5日～8日;(f)7月12日～15日;(g)11月28日至31日(無震期)。對應于圖6中√λ3輕微增加的時期,圖11(c)—(f)包括了在圖6中√λ3變化為局部最大值的時期。在正常情況下,信號好象來自固定源,而在異常階段信號的矢量空間可能被干擾過。這說明信號模式被改變了,可能有別的信號加入。在我們的分析中獲取的信號模式的改變,更加有力地證明了如前所述在伊豆諸島震群活動中發(fā)生的現(xiàn)象。特別是√λ3在震級大于6級的大地震前幾天的異常增加,可能說明其與大地震有關(guān)。4對數(shù)據(jù)的分析考慮到對伊豆臺陣數(shù)據(jù)的主要分量分析中的結(jié)果,有理由認為第一主要分量是來源于受日地交互作用影響的信號。第二主要分量是人為信號和與地震相關(guān)的信號的組合,其中人為信號的影響更強一些。第三主要分量也是人為信號和與地震相關(guān)的信號的組合。第三主要分量與地震的相關(guān)性似乎要比第二分量好。這里我們不得不提到主要分量的作用。在分析期間,子夜前后三個主要分量的平均值分別為第一主要分量94.2%、第二主要分量5.2%和第三主要分量0.6%。當?shù)谌饕至俊苔?的強度增加,并且我們確認第三主要分量的增加的貢獻是平時的三倍以上(2.4%),因為第三主要分量的平均強度大約為10-2nT量級,而在被分析的頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)的靈敏度大約是pT量級,因此,即使它的貢獻占的比例非常小,√λ3的數(shù)值仍然被認為是有效的,它的異常變化具有重要意義。我們也消除了由于其它震動影響使第三主要分量在大地震前(幾天)異常突然增加的可能性。這可以通過分析三個觀測站經(jīng)過濾波的輸入信號的表現(xiàn)以及對比區(qū)域地震活動和√λ3強度的變化之間的關(guān)系清楚地發(fā)現(xiàn)。基于以上事實,超低頻磁力儀臺陣觀測數(shù)據(jù)的第三主要分量可能是預報未來的地殼活動的一種有效方法。目前的結(jié)果與Gotoh等(2002)和Uyeda等(2002)所作的結(jié)果之間有一點差別。以前的文章中只研究√λ3幅度的變化,他們認為√λ3輕微增加的時間在震群活動前大約幾個月。而本文中√λ3增加的時間比以前的文章中提到的結(jié)果要早一個月。主要原因可能是數(shù)據(jù)分析所使用的采樣率。Gotoh等(2002)所用數(shù)據(jù)的采樣率為1Hz,我們則用12.5Hz的采樣率。主要分量分析法是一種相關(guān)分析。因此,如果信號空間里數(shù)據(jù)的分布發(fā)生變化,我們會發(fā)現(xiàn)結(jié)果也隨之變化。我們還發(fā)現(xiàn)對于兩種采樣率來講,在信號空間中v1的方向幾乎是相同的。因為分布和差異變化的改變,垂直于主軸的軸向是不同的。這可能與臺陣中三個臺站在0.01Hz頻段上觀測到的信號相移有關(guān)。然而,有意義的是在震級大于6級的地震前出現(xiàn)的異常變化與前人研究的結(jié)果是一致的。這意味著對兩種采樣率來說在整個分析過程中估算的第一主要分量的主要因素是共同的。v2和v3在信號空間里的方向,對于兩種采樣方式來說