王橋， 黃清華

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)系， 北京　100871

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華北地磁感應(yīng)矢量時空特征分析

王橋， 黃清華*

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)系， 北京100871

摘要在驗(yàn)證了Robust方法求取地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)的可靠性之后，將之應(yīng)用于華北13個臺站超過5年的地磁數(shù)據(jù)中，得到了地磁感應(yīng)矢量的時間變化序列.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在各個臺站及其不同周期的地磁感應(yīng)矢量時間變化序列中，都不同程度地存在明顯的年變背景特征；使用諧波擬合法提取了其中的長期背景(大于6個月)成分.重點(diǎn)分析了640 s周期的地磁感應(yīng)矢量時間變化序列，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)臺站的長期背景變化相位一致，顯示出較明顯的季節(jié)性變化特征；根據(jù)對其統(tǒng)計(jì)分析得到的特征量在空間上的分布特征推斷，華北盆地在殼內(nèi)可能存在一相對高導(dǎo)層；去掉其長期背景成分后的頻譜分析顯示，地磁感應(yīng)矢量存在大約一個月的周期特征，這可能與地磁活動的太陽自轉(zhuǎn)周期(27天)變化有關(guān).

關(guān)鍵詞華北地區(qū)； 地磁感應(yīng)矢量； 時空變化特征； 電導(dǎo)率異常

1引言

根據(jù)基本的電磁感應(yīng)理論，理想導(dǎo)體在外加均勻垂直磁場的情況下，其感應(yīng)產(chǎn)生的垂直磁場將與外加場相互抵消，其表面并無垂直磁場分量.因此Parkinson(1959)提出，在假設(shè)均勻天然場源的情況下，地球表面觀測到地磁日變垂直分量不為零的現(xiàn)象需要考慮層狀地球電導(dǎo)模型中存在的橫向電性不均勻體.地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)(Schmucker,1970a)、諧波振幅比(馮志生等，2004，2013)、日變幅逐日比(馮志生等，2001)、加卸載響應(yīng)比(馮志生等，2000；尹祥礎(chǔ)和尹燦，1991)和地磁低點(diǎn)位移(丁鑒海等，2011，2004)等方法都是基于此物理原理，Niblett和Honkura(1980)則將其拓展應(yīng)用到兩個臺站之間對應(yīng)地磁分量的幅值比，這些方法在研究地震前后出現(xiàn)的地磁場異?，F(xiàn)象中發(fā)揮了重要的作用.

在地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法中，有時會將轉(zhuǎn)換函數(shù)表示成地磁感應(yīng)矢量(Jones，1986)，并且其方向采取與Parkinson矢量(Parkinson，1962；Parkinson and Jones，1979)一致的約定，以指明地下感應(yīng)電流相對集中或相對高導(dǎo)的區(qū)域(Arora et al.，1999；Banks et al.，1996；Gough and Ingham，1983；Beamish and Banks，1983).因此，轉(zhuǎn)換函數(shù)求取的穩(wěn)定性，對地磁感應(yīng)矢量指示的高導(dǎo)區(qū)域的可靠性至關(guān)重要.地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)的估計(jì)方法與大地電磁測深(Magnetotelluric Sounding，簡稱MT)中阻抗張量的估計(jì)方法原理相同(Egbert and Booker，1986)，它們都是基于最小化殘差來求取.其中，Egbert(2002)、Chave和Thomson(2004)提出的一類Robust方法，在MT中有著較好的應(yīng)用效果(Arora et al.，1999；Chave and Jones，2012)，而且它們是MT中通常首先使用的時間序列處理方法(Jones et al.，1989).

有研究(顧春雷等，2013；顧春雷，2010；倪喆，2014；Rikitake，1979)表明，地震等一些構(gòu)造活動能夠引起局部巖石圈的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、溫度、應(yīng)力狀態(tài)及其它地球物理場的變化.利用水平不均勻高導(dǎo)結(jié)構(gòu)與地磁感應(yīng)矢量的指示關(guān)系，已有許多研究者嘗試使用地磁感應(yīng)矢量去研究可能是由于地震的孕育、發(fā)生而引起的地下電導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化而出現(xiàn)的地磁場異常(Beamish，1982；Chen et al.，2013；戴苗等，2013；李琪等，2008；Niblett and Honkura，1980；Zeng et al.，1995).但是，他們在討論這些異常與地震的關(guān)系之前，由于觀測時間的限制，未能分析區(qū)域地磁感應(yīng)矢量的背景變化特征.

華北地區(qū)一直是地球物理研究的熱點(diǎn)區(qū)域，但是使用地磁感應(yīng)矢量進(jìn)行地磁變化異常的研究較少，特別是地殼深度范圍內(nèi)，區(qū)域地磁感應(yīng)矢量時空變化特征的研究更鮮見報(bào)道.作者認(rèn)為其主要原因可能是受到數(shù)字化地磁觀測的限制.然而，近年來隨著中國數(shù)字化地磁觀測臺網(wǎng)的發(fā)展(朱榮等，2010)，已積累了較豐富的數(shù)字記錄資料，為開展華北地區(qū)地磁感應(yīng)矢量時空特征研究提供了可能.

本文使用華北13個地磁臺站超過5年的記錄資料，利用Robust方法(Chave and Thomson，2004)得到了單臺地磁感應(yīng)矢量的時間變化序列，提取并分析了其中的長期背景變化特征，討論了地下可能存在的相對高導(dǎo)體對地磁感應(yīng)矢量空間分布特征的影響.

2數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)

本文使用的地磁臺站資料(見表1)全部由國家地磁臺網(wǎng)中心提供，13個臺站的分布及主要的斷裂背景如圖1所示.值得一提的是，對于受軌道交通干擾較嚴(yán)重的北京臺和靜海臺，我們只使用這兩個臺站的夜間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算.

2.2原理與方法

2.1.1地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)與地磁感應(yīng)矢量

地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)最早由Schmucker(1970a)給出明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

圖1　本文使用的華北地區(qū)地磁臺站及主要斷裂分布(改自劉光勛等，1982)

臺站名臺站代碼采樣間隔/s使用數(shù)據(jù)時間范圍呼和浩特HUH602008-01—2013-12北京BJI602008-01—2013-12靜海JIH602008-01—2013-12昌黎CHL602012-01—2013-12大連DAL602008-01—2009-12太原TAY602008-01—2013-12隆堯LYH602008-01—2010-032011-01—2013-12蘭州LZH602008-01—2013-12天水TSY602008-01—2013-12乾陵QIX602008-01—2013-12泰安TAA602008-01—2013-12馬陵山MAL602009-01—2013-12武漢WHN602009-02—2013-12

其中，X(ω)、Y(ω)和Z(ω)分別表示在某一頻率ω地表觀測到的地磁場南北分量、東西分量和垂直分量變化量的Fourier變換，ε表示誤差,而A(ω)和B(ω)即為地磁轉(zhuǎn)換函數(shù).許多研究者討論了式(1)的前提假設(shè)(Gough and Ingham，1983；Jones，1983，1986；Schmucker,1970b)，并指出在基于場源均勻和水平層狀介質(zhì)的兩個主要前提假設(shè)下，如果Z(ω)不為零，那么就表明地下存在水平不均勻電性結(jié)構(gòu).式(1)中的所有物理量均為復(fù)數(shù)，由地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)A(ω)和B(ω)的實(shí)部和虛部分別定義了實(shí)地磁感應(yīng)矢量Sr和虛地磁感應(yīng)矢量Si：

(2a)

(2b)

其中，i和j分別表示直角坐標(biāo)系下指向正北和正東的單位向量.那么，感應(yīng)矢量的方位角隨之定義為

(3a)

(3b)

在實(shí)際解釋時，應(yīng)注意矢量的方向(Gregori and Lanzerotti，1980；Jones，1981，1986；Lilley and Arora，1982).對于實(shí)感應(yīng)矢量Sr要與Parkinson矢量的約定一致(Parkinson，1962；Parkinson and Jones，1979)，一般地，應(yīng)將實(shí)感應(yīng)矢量Sr反向(正北向?yàn)?°)之后，才能正確指向高導(dǎo)體，即式(2a)中將Ar和Br各乘以一負(fù)號，這樣的一對(-Ar,-Br)物理量與MT中實(shí)感應(yīng)矢量的概念相同.而虛感應(yīng)矢量Si，在Fourier變換取時間因子為e-iω t時，無需反向(詳細(xì)討論請參考Lilley and Arora(1982)的論述)，它的方向通常與異常導(dǎo)體的邊界平行(陳小斌等，2004).本文采取時間因子為e-iω t進(jìn)行Fourier變換.

2.1.2Robust(Chave and Thomson，2004)方法及其檢驗(yàn)

針對式(1)中A和B的求取，大多數(shù)方法都是基于最小化誤差ε的思想.本文采用的Robust方法(Chave and Thomson，2004)是在此思想的基礎(chǔ)上，對X、Y和Z中的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以賦予相應(yīng)權(quán)重，從而降低輸入項(xiàng)(X和Y)和輸出項(xiàng)Z中的誤差，求得穩(wěn)定可靠的A和B.然而，此方法只在大地電磁測深法中進(jìn)行檢驗(yàn)過(Chave and Thomson，2003，2004)，但在地磁測深法中并未檢驗(yàn).因此本文設(shè)計(jì)了以下檢驗(yàn)思路：

圖3a和圖3b分別給出了在輸入項(xiàng)(水平分量x(t)和y(t))中加入高斯白噪聲和輸出項(xiàng)(垂直分量z(t))中加入高斯白噪聲時，轉(zhuǎn)換函數(shù)的穩(wěn)定性.為減少篇幅，本文只展示轉(zhuǎn)換函數(shù)Ar的結(jié)果.從圖3可以看出，三種方法在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)相干性較高的頻段(20～600 s，見圖2b)能夠保持一致，但是，Roubst方法的穩(wěn)定性要明顯高于其他兩種方法，而最小二乘法和加權(quán)最小二乘法都對噪聲敏感，尤其是在高頻段(30～100 s)的穩(wěn)定性相對較差.

進(jìn)一步對比圖3a和圖3b還可以發(fā)現(xiàn)，最小二乘法和加權(quán)最小二乘法對輸入項(xiàng)(水平分量)中含有的噪聲不敏感，而對輸出項(xiàng)(垂直分量)中的噪聲敏感，這樣的結(jié)果本質(zhì)上是其最小化輸出項(xiàng)中的誤差的思想所決定的.這也是為什么在MT中總要采取遠(yuǎn)參考方法的原因(劉國棟和鄧前輝，1993).

3結(jié)果與討論

我們對表1中的地磁記錄求取地磁感應(yīng)矢量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在每個臺站各個頻段都存在明顯的長期背景成分，尤其是年變特征明顯.以太原臺為例，圖4a給出了實(shí)感應(yīng)矢量幅度|Sr|在不同周期的時間序列.抽取其中的640 s周期作頻譜分析(如圖4b),可以看出其存在明顯的一年周期特征，半年周期特征也較明顯.

圖2　(a)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的時間序列(t)和； (b) 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相干性

圖3　求取地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)不同方法之間的穩(wěn)定性對比(a)只在水平分量中加入5%的高斯白噪聲的Ar結(jié)果；(b)只在垂直分量中加入5%的高斯白噪聲的Ar結(jié)果.

圖4　感應(yīng)矢量中存在的長期背景特征(a) TAY實(shí)感應(yīng)矢量的振幅|Sr|在不同周期的變化特征； (b) TAY640 s周期實(shí)感應(yīng)矢量振幅|Sr|的頻譜分析.

如果我們需要分析包含在地磁感應(yīng)矢量時間變化序列中可能存在的構(gòu)造活動信息，首先需要分析這些長期背景的變化特征，在此基礎(chǔ)上才能找出那些微弱的、可能是由構(gòu)造活動引起的感應(yīng)矢量的變化.我們對某一頻率的感應(yīng)矢量進(jìn)行調(diào)和分析，使用周期為6個月以上的諧波擬合，提取出長期背景變化成分.但是由于臺站較多及其頻點(diǎn)較多(比如圖4所示的太原臺，Robust的計(jì)算結(jié)果包含了160～5120 s的16個不同周期結(jié)果)，受篇幅所限，我們根據(jù)地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)的物理含義及本文的研究重點(diǎn)，設(shè)定了以下三個原則(下文簡稱“頻點(diǎn)選取三原則”)，以選出某一頻率的感應(yīng)矢量進(jìn)行展示和調(diào)和分析，且這個三個原則對頻率的選取權(quán)重依次降低：

(1) 地磁場水平分量與垂直分量之間的相干性高；

(2) 在一定頻段內(nèi)Robust方法的可靠性(根據(jù)圖3的檢驗(yàn)結(jié)果)；

(3) 根據(jù)頻率與穿透深度的關(guān)系，選取在地殼深度范圍的頻段.

以隆堯臺例，圖5給出了由一天記錄長度計(jì)算得到的地磁南北(Hx)與垂直分量(Hz)6年間的相干度(記為coh(Hx,Hz))變化情況.值得一提的是，在同一個臺站，對于其東西分量(Hy)與垂直分量(Hz)的相干度(coh(Hy,Hz))，有時能與coh(Hx,Hz)保持一致的高值水平，有的情況低于coh(Hx,Hz)；但二者總能有一個保持高值水平.

圖5　相干度檢查的例子——隆堯臺地磁南北分量(Hx)與垂直分量(Hz)之間的相干度檢查(a) 128 s周期至1920 s周期的相干度在6年期間的變化情況； (b) 640 s周期的相干度的變化情況，通過誤差棒去考察其穩(wěn)定性； (c) 640 s周期的相干度的統(tǒng)計(jì)分析，直方圖是實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，藍(lán)線是擬合實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的概率密度函數(shù)，其形式見式(4).

由圖5a可以發(fā)現(xiàn)隆堯臺在480～960 s范圍的周期成分相干度相對較高.圖5b給出了圖5a中周期為640 s的相干度，其誤差棒在一定程度上反映了其穩(wěn)定性，可以看出有一部分日期里，其誤差棒范圍較寬，穩(wěn)定性較差.圖5c給出與圖5b對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，直方圖是實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而藍(lán)線是擬合出的概率密度函數(shù)曲線：

(4)

其中m是統(tǒng)計(jì)量的中值，d是平均絕對離差,

(5)

d與正態(tài)分布中的標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系是

(6)

(Huber and Ronchetti，2009)，它能夠比正態(tài)分布概率密度函數(shù)更好地描述我們的統(tǒng)計(jì)量.結(jié)果發(fā)現(xiàn)六年時間里的絕大多數(shù)相干度都落在了大于0.7的區(qū)間里，整體的相干性呈現(xiàn)高值狀態(tài).

圖6　隆堯臺地磁南北分量(Hx)與垂直分量(Hz)之間的相干度，取10天窗口長度計(jì)算得到的結(jié)果(a) 128 s周期至1920 s周期的相干度在6年期間的變化情況； (b) 640 s周期的相干度的變化情況，通過誤差去考察其穩(wěn)定性； (c) 640 s周期的相干度的統(tǒng)計(jì)分析，直方圖是實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，藍(lán)線是擬合實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的概率密度函數(shù)，其形式見式(4).

由于本文所使用的13個臺站，秒值記錄完整度不一，而且有的臺站并無秒值記錄，所以本文暫時采用分鐘值作為基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)，以保證這些臺站的統(tǒng)一對比分析.但是，每個臺站每天的記錄質(zhì)量參差不齊，為保證求得的某一周期的感應(yīng)矢量可靠性高，我們在使用Robust方法時，必須保證對應(yīng)頻率有足夠多的疊加次數(shù).為此我們也計(jì)算了10天窗口長度的相干度(如圖6所示)及感應(yīng)矢量結(jié)果(圖4所示的太原臺感應(yīng)矢量結(jié)果就是由10天窗口長度求得).

圖6給出了隆堯臺10天記錄長度計(jì)算得到的地磁南北分量(Hx)與垂直分量(Hz)六年間的相干度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，10天窗口長度的相干度不僅有些提高，最重要的是它的穩(wěn)定性顯著高于1天窗口長度的相干度.為此，我們選用10天記錄長度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行年變趨勢分析，并且事先扣除了10天長度記錄中所含的線性趨勢.

接下來，我們把周期為640 s的感應(yīng)矢量展示出來進(jìn)行調(diào)和分析和統(tǒng)計(jì)分析.使用周期為6個月以上的諧波擬合，提取出長期背景變化特征；統(tǒng)計(jì)出感應(yīng)矢量時間變化序列的特征量，并考察其空間上的分布特征，探討其與地下相對高導(dǎo)體的關(guān)系.最后對去掉長期背景成份之后進(jìn)行了頻譜分析.

3.1長期背景特征

我們按照圖1臺站由西向東分布的順序，將13個臺站實(shí)感應(yīng)矢量幅值提取到的長期背景顯示于圖7.為了便于不同臺站之間的對比，將每個臺站的年變特征數(shù)據(jù)歸一化到[0,1]區(qū)間.分析圖7所示的年變特征，主要可以看出兩個特征：(1)季節(jié)性變化較明顯.如乾陵臺、呼和浩特臺、靜海臺和隆堯臺等；(2)每一年季節(jié)性強(qiáng)度不同.如隆堯臺在2012年的年變強(qiáng)度相對弱于其他年份，蘭州臺在2012年強(qiáng)于其他年份，天水臺在2009低于其他年份.

另外，西部臺站(蘭州臺、天水臺、乾陵臺和呼和浩特臺)的變化趨勢形態(tài)能夠大體保持一致；已有MT研究結(jié)果表明(趙國澤等，1997；Dong et al.， 2014)，這些臺站所處的鄂爾多斯斷塊，其周邊存在低阻異常，這可能是造成這些一致變化的內(nèi)部原因.華北盆地北部臺站(北京臺、靜海和昌黎臺)年變趨勢的強(qiáng)度大體水平與地磁活動指數(shù)保持一致，比如在2008—2010年的低地磁活動水平和2010—2013年的整體的高活動水平.地處山西斷陷帶的太原臺，與泰安臺的長周期年變趨勢相似.雖然馬陵山臺和泰安臺相距較近，但二者的長周期年變趨勢在相位上表現(xiàn)差異較大，根據(jù)最近的MT結(jié)果(張繼紅等，2010)，郯廬斷裂帶附近地下電導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這可能是導(dǎo)致這兩個臺站顯著差異的原因.

圖7　13個臺站實(shí)感應(yīng)矢量幅值的長期(≥6個月)背景變化特征，圖的底部是地磁活動指數(shù)Ap(行星際等效日幅度)的長期(≥6個月)變化特征

3.2統(tǒng)計(jì)特征及其空間分布

我們對求得的地磁感應(yīng)矢量的時間序列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，以北京臺640 s周期的感應(yīng)矢量為例，其玫瑰圖如圖8所示.玫瑰圖中從圓心出發(fā)的紅色線段代表實(shí)感應(yīng)矢量，統(tǒng)計(jì)得到的中位數(shù)使用紅色線段帶黑色箭頭畫出；藍(lán)色線段代表虛感應(yīng)矢量，其中位數(shù)使用藍(lán)色線段帶黑色箭頭畫出.可以看出北京臺實(shí)感應(yīng)矢量的中位數(shù)指向南偏西方向，虛感應(yīng)矢量指向近正南方向.

圖8　地磁感應(yīng)矢量的統(tǒng)計(jì)特征的例子北京臺640s周期感應(yīng)矢量的玫瑰圖.圖中紅色部分是實(shí)感應(yīng)矢量，將其中位數(shù)使用紅色箭頭畫出；藍(lán)色部分是虛感應(yīng)矢量，將其中位數(shù)使用藍(lán)色線箭頭畫出.

根據(jù)地磁感應(yīng)矢量的物理含義，實(shí)感應(yīng)矢量指向電流集中的方向，一般由高阻指向低阻，虛感應(yīng)矢量一般平行于異常體的邊界，指向構(gòu)造的走向(Schmucker，1970a；陳小斌等，2004)；為了便于討論本文得到的感應(yīng)矢量結(jié)果與電性結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們將所有臺站地磁感應(yīng)矢量的統(tǒng)計(jì)量及其所在區(qū)域的主要斷裂繪制于圖9.圖9a和圖9b分別是實(shí)感應(yīng)矢量和虛感應(yīng)矢量的結(jié)果，其方位角與地質(zhì)羅盤的約定一致，即正北為0°，正東為90°；線段的長度代表其絕對幅值；以箭頭末端為軸心的橢圓表示其可能的波動范圍，橢圓的長軸和短軸分別表示了A和B的中值絕對離差.

從圖9可以看出，華北盆地周邊的幾個臺站(北京臺、靜海臺、太原臺和隆堯臺)的實(shí)感應(yīng)矢量統(tǒng)一指向了華北盆地可能存在的高導(dǎo)體；而在鄂爾多斯西南側(cè)端表現(xiàn)出較復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)指向.根據(jù)最近的MT探測結(jié)果(趙國澤等，2010；魏文博等，2006)：華北地區(qū)中東部殼內(nèi)存在高導(dǎo)體，鄂爾多斯附近地殼內(nèi)部約20 km存在高導(dǎo)體，且鄂爾多斯西南電導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜.本文得到的感應(yīng)矢量結(jié)果從某種程度上印證了他們的MT探測結(jié)果.

如果高電導(dǎo)率與低地震波速相對應(yīng)(Marquis and Hyndman，1992)，最近的地震寬角反射/折射剖面表明(劉志等，2015)，郯廬斷裂附近存在軟弱低波速帶；在鄂爾多斯北端的呼和浩特臺，最新的深地震反射剖面給出的精細(xì)地殼波速結(jié)構(gòu)(酆少英等，2015)也顯示存在低速帶，這些臺站的感應(yīng)矢量結(jié)果可能是相對高導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的.另外，我們可以看到，泰安臺實(shí)感應(yīng)矢量偏西北方向，而馬陵山臺指向東南方向.張繼紅等(2010)在郯廬斷裂帶中段所做的MT二維反演結(jié)果顯示，郯廬斷裂帶電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高、低阻相間，這可能是造成二者差別較大的原因.

而在靠近渤海的大連臺，似乎受到海洋效應(yīng)(Parkinson and Jones，1979)的影響，但是已有的研究(Parkinson，1962，1964；Rikitake，1959)表明,在短周期變化磁場(小于一個小時周期)中出現(xiàn)的異常，其影響并未得到實(shí)際觀測的證實(shí).而處在秦嶺—大別構(gòu)造帶和郯廬斷裂帶交匯的武漢臺，其結(jié)果顯示其北西向也可能存在一高導(dǎo)體.

徐光晶等(2015)利用華北地磁臺站分鐘值資料，得到了華北地區(qū)幾十萬秒周期的地磁感應(yīng)矢量空間分布特征，結(jié)果表明在華北東部上地幔深度范圍內(nèi)，存在一個以太行山重力梯度帶為西邊界的低阻體.本研究中的華北盆地幾個臺站的結(jié)果表明，其地殼深度范圍也存在高導(dǎo)體，這可能是上地幔高導(dǎo)層上隆引起的(徐常芳，1996；Dong et al.，2014).另外，由于徐光晶等(2015)研究的頻段范圍不一樣，具體臺站地磁感應(yīng)矢量的結(jié)果會有所差異.

對比不同臺站間的感應(yīng)矢量的幅值可以發(fā)現(xiàn)，其大小一方面反映的是臺站附近電性結(jié)構(gòu)分布不均勻而導(dǎo)致的強(qiáng)弱差別；另一方面，其6年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中也包含了構(gòu)造活動對幅值的貢獻(xiàn)，比如每一次地震孕育期間，由于應(yīng)力或者導(dǎo)電流體引起的地下電性結(jié)構(gòu)緩慢的變化(徐常芳，1996)，也將在感應(yīng)矢量的變化中有所體現(xiàn)，將來工作可以考慮對一年或半年為單位，對感應(yīng)矢量結(jié)果進(jìn)行動態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析，探索這種由電導(dǎo)率緩慢變化而引起的地磁感應(yīng)矢量隨時間的變化.

圖9　感應(yīng)矢量的特征量空間分布(a)實(shí)感應(yīng)矢量；(b)虛感應(yīng)矢量.

3.3去掉長期背景之后地磁感應(yīng)矢量的時間變化特征

將每個臺站的長期背景變化去掉之后，可以得到感應(yīng)矢量的變化細(xì)節(jié)信息，其歸一化[0,1]區(qū)間的值如圖10所示.分析圖10可以看出，大部分臺站的實(shí)感應(yīng)矢量幅值在去掉長期背景變化之后，還存在有周期約為一個月和一個季度的峰值成分.以乾陵臺為例，對其去掉長期背景變化的實(shí)感應(yīng)矢量幅值進(jìn)行頻譜分析，如圖11a所示；圖11b是地磁活動指數(shù)Ap去掉長周期變化趨勢后的頻譜分析，可以看出二者都在一個月(27～30天)周期附近存在一個峰值.這可能是因?yàn)樵谇笕〉卮呸D(zhuǎn)換函數(shù)時，水平分量與垂直分量如果有一致的高功率譜，導(dǎo)致其相干度較高，使得地磁感應(yīng)矢量更能反映空間中理想電磁場源，比如磁暴或者亞暴期間.在圖10中，幾乎所有臺站在2012年的地磁活動高水平年中，都一致性地出現(xiàn)了峰值，我們檢查其地磁日變后發(fā)現(xiàn)，其日變形態(tài)是典型的磁暴過程——急始—初相—主相—恢復(fù)相.假設(shè)地下電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，本文得到的歸一化結(jié)果可能會突出顯示由磁暴或者亞暴期期間出現(xiàn)的更接近于理想電磁場源所導(dǎo)致的穩(wěn)定的地磁感應(yīng)矢量.

圖10　去掉長期背景之后的感應(yīng)矢量變化特征

另一方面，已有的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、機(jī)理分析、室外觀測表明地震等構(gòu)造活動會引起地磁感應(yīng)矢量的變化(Beamish，1982；Niblett and Honkura，1980).圖10中更多的是小于一個月的快速變化成分，如果要研究與構(gòu)造活動的關(guān)系，我們需要先考察地磁活動指數(shù)，在排除全球性磁暴或亞暴干擾的基礎(chǔ)上，分析區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造活動背景，尋找其可能與地震等構(gòu)造活動潛在的對應(yīng)關(guān)系.

4結(jié)論

本文對華北13個臺站、時間跨度超過5年的地磁資料進(jìn)行了地磁感應(yīng)矢量分析.我們首先驗(yàn)證了Robust方法(Chave and Thomson,2004)在地磁數(shù)據(jù)處理中的有效性，得到其具有穩(wěn)定結(jié)果的頻段，并將之用于地磁感應(yīng)矢量的求??；在得到的所有周期當(dāng)中，我們基于本文提出的頻點(diǎn)選取準(zhǔn)則，在考察了近6年相干度變化的穩(wěn)定性之后，最終確定以10天窗口長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、選取640 s周期的結(jié)果進(jìn)行長期背景變化和空間分布特征分析.使用諧波擬合方法提取出了各個臺站大于6個月的長期背景成份，分析了其變化特征；得到了其統(tǒng)計(jì)特征量在空間上的分布特征，探討了地磁感應(yīng)矢量空間分布與地下高導(dǎo)體的可能關(guān)系.此外，還分析了去掉長期背景成分之后的變化特征與地磁活動的關(guān)系.

我們得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 地磁感應(yīng)矢量時間變化中存在著明顯的年變等長期變化背景.其中季節(jié)性變化占主導(dǎo)并伴隨有幅值的變化.

(2) 華北盆地、鄂爾多斯北端的臺站，其地磁感應(yīng)矢量統(tǒng)計(jì)分析表明，所處華北盆地的臺站周圍，其殼內(nèi)電性結(jié)構(gòu)中可能存在高導(dǎo)體；而在鄂爾多斯西南端和郯廬斷裂附近，表現(xiàn)出較復(fù)雜地下電性結(jié)構(gòu)特征.

(3) 去掉長期背景變化之后，地磁感應(yīng)矢量約有一個月的周期變化特征，這可能與地磁活動的太陽自轉(zhuǎn)周期(27天)變化有關(guān).

基于本文的感應(yīng)矢量時間變化特征分析，將來工作將會在研究與地震等構(gòu)造活動的關(guān)系方面展開，從中提取地磁感應(yīng)矢量時間序列的其他屬性特征，比如能夠反映信號變化復(fù)雜程度的分形標(biāo)度特征(Peng et al.， 1994；榮揚(yáng)名等，2012)，探討構(gòu)造活動與地震發(fā)生之間的關(guān)系.而對于空間分布特征，一些研究者(龔紹京和陳化然，2001；Niblett and Honkura, 1980； Rikitake，1976)已開展了地震前地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)異常變化的數(shù)值模擬，以解釋單個臺站出現(xiàn)的異常變化，這為本文下一步進(jìn)行多臺站的地磁感應(yīng)分布特征的數(shù)值模擬工作，提供了較好的參考和建議.另外，對于干擾嚴(yán)重的臺站資料，未來工作可以考慮使用三種方法提高其結(jié)果的可靠性：(1)使用夜間干擾較小的數(shù)據(jù)進(jìn)行感應(yīng)矢量研究；(2)使用其他譜分析方法，比如小波變換，得到地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(Harada et al.，2004)；(3)借鑒MT中的遠(yuǎn)參考道思想，使用臺間轉(zhuǎn)換函數(shù)方法(Harada et al.，2004)進(jìn)行研究.

致謝感謝國家地磁臺網(wǎng)中心楊冬梅研究員、李琪副研究員、張素琴副研究員、姚休義和袁伊人在地磁數(shù)據(jù)下載方面給予的熱情幫助.感謝Chave A D提供的BIRRP程序，Hattori K的有益討論，以及匿名審稿人的建設(shè)性建議.本文大部分圖件使用GMT(Wessel et al.，2013)繪制.

References

Arora B R, Trivedi N B, Vitorello I, et al. 1999. Overview of Geomagnetic Deep Soundings (GDS) as applied in the Parnaiba basin, north-northeast Brazil.RevistaBrasileiraDeGeofísica, 17(1): 43-65.

Banks R J, Livelybrooks D, Jones P, et al. 1996. Causes of high crustal conductivity beneath the Iapetus suture zone in Great Britain.GeophysicalJournalInternational, 124(2): 433-455.

Beamish D. 1982. A geomagnetic precursor to the 1979 Carlisle earthquake.GeophysicalJournalInternational, 68(2): 531-543.

Beamish D, Banks R J. 1983. Geomagnetic variation anomalies in northern England: processing and presentation of data from a non-simultaneous array.GeophysicalJournalInternational, 75(2): 513-539.

Chave A D, Jones A G. 2012. The Magnetotelluric Method: Theory and Practice. New York: Cambridge University Press.

Chave A D, Thomson D J. 2003. A bounded influence regression estimator based on the statistics of the hat matrix.JournaloftheRoyalStatisticalSociety:SeriesC(AppliedStatistics), 52(3): 307-322.

Chave A D, Thomson D J. 2004. Bounded influence magnetotelluric response function estimation.GeophysicalJournalInternational, 157(3): 988-1006. Chen C H, Hsu, H L, Wen S, et al. 2013. Evaluation of seismo-electric anomalies using magnetic data in Taiwan.NaturalHazardsandEarthSystemScience, 13(3): 597-604.

Chen X B, Zhao G Z, Zhan Y, et al. 2004. Analysis of tipper visual vectors and its application.EarthScienceFrontiers(in Chinese), 11(4): 626-636. Dai M, Li J, Liu J, et al. 2013. Characteristic analysis of geomagnetic data before and after moderately strong earthquakes in southwest area of Anhui province.JournalofGeodesyandGeodynamics(in Chinese), 33(S1): 143-146, 151. Ding J H, Lu Z Y, Yu S Y. 2011. A Brief Treatise on Seismomagnetism (in Chinese). Hefei: University of Science and Technology of China Press.

Ding J H, Yu S R, Xiao W J. 2004. The phenomenon of geomagnetic anomalies and its application in earthquake prediction.OilGeophysicalExploration(in Chinese), 39(S1): 27-30.

Dong H, Wei W B, Ye G F, et al. 2014. Three-dimensional electrical structure of the crust and upper mantle in Ordos Block and adjacent area: Evidence of regional lithospheric modification.Geochemistry,Geophysics,Geosystems, 15(6): 2414-2425. Egbert G D. 2002. Processing and interpretation of electromagnetic induction array data.SurveysinGeophysics, 23(2-3): 207-249.

Egbert G D, Booker J R. 1986. Robust estimation of geomagnetic transfer functions.GeophysicalJournalInternational, 87(1): 173-194.

Feng S Y, Liu B J, Ji J F, et al., 2015. The survey on fine lithospheric structure beneath Hohhot-Baotou basin by deep seismic reflection profile.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(4): 1158-1168, doi: 10.6038/cjg20150406.

Feng Z S, Lin Y F, Wang J Y, et al. 2000. Anomaly index system of geomagnetic load-unloading response ratio in Jiangsu area.Earthquake(in Chinese), 20(2): 61-68.

Feng Z S, Wang J Y, Jiang Y L, et al. 2001. Ratio of daily variation amplitude of geomagnetic vertical component and its relation with earthquake.SouthChinaJournalofSeismology(in Chinese), 21(2): 20-27.

Feng Z S, Mei W P, Zhang X X, et al. 2004. Preliminary study on the characteristics of long and medium term variation for the amplitude ratio of geomagnetic humorous wave before moderate-strong earthquakes.NorthwesternSeismologicalJournal(in Chinese), 26(1): 50-56.

Feng Z S, Li H Y, Zhang X X, et al. 2013. The relationship between strong earthquake and geomagnetic harmonic wave amplitude ratio.SouthChinaJournalofSeismology(in Chinese), 33(3): 9-15.

Gong S J, Chen H R. 2001. Numerical modeling for the spatial distribution characteristics of horizontal field transfer function.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 23(6): 637-644. Gough D I, Ingham M R. 1983. Interpretation methods for magnetometer arrays.ReviewsofGeophysics, 21(4): 805-827. Gregori G P, Lanzerotti L J. 1980. Geomagnetic depth sounding by induction arrow representation: A review.ReviewsofGeophysics, 18(1): 203-209. Gu C L. 2010. The research of relationship between regional geomagnetic anomalous and the earthquake [Master thesis] (in Chinese). Hefei: University of Science and Technology of China. Gu C L, Zhang Y, Xu R G, et al. 2013. The method of geomagnetic diurnal correction to vector geomagnetic data by virtual diurnal variation station.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 56(3): 834-841, doi: 10.6038/cjg20130312. Harada M, Hattori K, Isezaki N. 2004. Transfer function approach to signal discrimination of ULF geomagnetic data.PhysicsandChemistryoftheEarth, Parts A/B/C, 29(4-9): 409-417.

Huber P J. 1964. Robust estimation of a location parameter.TheAnnalsofMathematicalStatistics, 35(1): 73-101.

Huber P J, Ronchetti E M. 2009. Robust Statistics. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley.

Jones A G. 1981. Comment on ‘Geomagnetic depth sounding by induction arrow representation: A review’ by G. P. Gregori and L. J. Lanzerotti.ReviewsofGeophysics, 19(4): 687-688.

Jones A G. 1983. The problem of current channelling: a critical review.GeophysicalSurveys, 6(1-2): 79-122. Jones A G. 1986. Parkinson′s pointers′ potential perfidy.GeophysicalJournalInternational, 87(3): 1215-1224. Jones A G, Chave A D, Egbert G, et al. 1989. A comparison of techniques for magnetotelluric response function estimation.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth, 94(B10): 14201-14213.

Li Q, Wang J, Yang D, Chen H, et al. 2008. Dependence of transfer function parameters on time before and after Wenan earthquake.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch(in Chinese), 29(3): 35-40.

Lilley F E M, Arora B R. 1982. The sign convention for quadrature Parkinson arrows in geomagnetic induction studies.ReviewsofGeophysics, 20(3): 513-518.

Liu G D, Deng Q H. 1993. The Research of Electromagnetic Method and Exploration (in Chinese). Beijing: Seismological Press.

Liu G X, Ma T Z, Huang P Y, et al. 1982. Present-day tectonic movement along active faults in the east of China′s Mainland.SeismologyandGeology(in Chinese), 4(4): 1-14.

Liu Z, Wang F Y, Zhang X K, et al. 2015. Seismic structure of the lithosphere beneath Eastern North China craton: results from long distance deep seismic sounding.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(4): 1145-1157, doi: 10.6038/cjg20150405.

Marquis G, Hyndman R D. 1992. Geophysical support for aqueous fluids in the deep crust: seismic and electrical relationships.GeophysicalJournalInternational, 110(1): 91-105.

Ni J. 2014. Analysis of anomalous characteristics of geomagnetic change before and after Eryuan M5. 5 earthquake.JournalofSeismologicalResearch(in Chinese), 37(3): 426-432.Niblett E R, Honkura Y. 1980. Time-dependence of electromagnetic transfer functions and their association with tectonic activity.GeophysicalSurveys, 4(1-2): 97-114. Parkinson W D. 1959. Directions of rapid geomagnetic fluctuations.GeophysicalJournalInternational, 2(1): 1-14.

Parkinson W D. 1962. The influence of continents and oceans on geomagnetic variations.GeophysicalJournalInternational, 6(4): 441-449.

Parkinson W D. 1964. Conductivity anomalies in Australia and the ocean effect.JournalofGeomagnetismandGeoelectricity, 15(4): 222-226.

Parkinson W D, Jones F W. 1979. The geomagnetic coast effect.ReviewsofGeophysics, 17(8): 1999-2015.

Peng C K, Buldyrev S V, Havlin S, et al. 1994. Mosaic organization of DNA nucleotides.PhysicalReviewE, 49(2): 1685-1689.

Rikitake T. 1959. Anomaly of geomagnetic variations in Japan.GeophysicalJournalInternational, 2(4): 276-287.

Rikitake T. 1976. Crustal dilatancy and geomagnetic variations of short period.JournalofGeomagnetismandGeoelectricity, 28(2): 145-156. Rikitake T. 1979. Classification of earthquake precursors.Tectonophysics, 54(3-4): 293-309.Rong Y M, Wang Q, Ding X, et al. 2012. Non-uniform scaling behavior in Ultra-Low-Frequency (ULF) geomagnetic signals possibly associated with the 2011M9.0 Tohoku earthquake.ChineseJ.Geophys., 55(11): 3709-3717, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.11.018.

Schmucker U. 1970a. Anomalies of geomagnetic variations in the southwestern United States.∥ Bull. Scripps Inst. Oceanogr., V. 13. California: University of California Press, 165p.

Schmucker U. 1970b. An introduction to induction anomalies.JournalofGeomagnetismandGeoelectricity, 22(1-2): 9-33.

Wei W B, Jin S, Ye G F, et al. 2006. MT sounding and lithosphere thickness in North China.GeologyinChina(in Chinese), 33(4): 762-772.

Wessel P, Smith W H F, Scharroo R, et al. 2013. Generic mapping tools: improved version released.Eos,TransactionsAmericanGeophysicalUnion, 94(45): 409-410.

Xu C F. 1996. The electrical structures of the crust and upper mantle of China mainland and the earthquake distribution regular pattern (I).ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 18(2): 254-261.

Xu G J, Tang J, Huang Q H, et al. 2015. Study on the conductivity structure of the upper mantle and transition zone beneath North China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(2): 566-575, doi: 10.6038/cjg20150219.

Yin X C, Yin C. 1991. The precursor of collapsing nonlinear system and earthquake prediction—the theory and application of response ratio.ScienceChinaB(in Chinese), 21(5): 512-518.

Zeng X P, Lin Y F, Zhu Z J, et al. 1995. Study on electric variations of media in epicentral area by geomagnetic transfer functions.ActaSeismologicaSinica, 8(3): 413-418.

Zhang J H, Zhao G Z, Xiao Q B, et al. Analysis of electric structure of the central Tan-Lu fault zone (Yi-Shu fault zone, 36oN) and seismogenic condition.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 2010, 53(3): 605-611.Zhao G Z, Liu T S, Jiang Z, et al. 1997. Investigation on MT data along Yanggao-Rongcheng profile by two-dimensional inversion.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 40(1): 38-46. Zhao G Z, Zhan Y, Wang L F, et al. 2010. Electric structure of the crust beneath the Ordos fault block.SeismologyandGeology(in Chinese), 32(3): 345-359.

Zhu R, Yang D M, Zhang S Q. 2010. Introduction of the data applications for digital geomagnetic network.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch(in Chinese), 31(4): 102-107.

附中文參考文獻(xiàn)

陳小斌, 趙國澤, 詹艷等. 2004. 磁傾子矢量的圖示分析及其應(yīng)用研究. 地學(xué)前緣, 11(4): 626-636.

戴苗, 李軍輝, 劉堅(jiān)等. 2013. 皖西南地區(qū)中強(qiáng)地震前后地磁資料變化特征. 大地測量與地球動力學(xué), 33(S1): 143-146, 151.

丁鑒海, 盧振業(yè), 余素榮. 2011. 地震地磁學(xué)概論. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.

丁鑒海, 余素榮, 肖武軍. 2004. 地磁異?，F(xiàn)象及其在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用. 石油地球物理勘探, 39(S1): 27-30.

酆少英, 劉保金, 姬計(jì)法等. 2015. 呼和浩特—包頭盆地巖石圈細(xì)結(jié)構(gòu)的深地震反射探測. 地球物理學(xué)報(bào), 58(4): 1158-1168, doi: 10.6038/cjg20150406.

馮志生, 林云芳, 王建宇等. 2000. 江蘇地磁加卸載響應(yīng)比的異常標(biāo)志體系. 地震, 20(2): 61-68.

馮志生, 王建宇, 蔣延林等. 2001. 地磁垂直分量日變幅逐日比及其與地震關(guān)系的探討. 華南地震, 21(2): 20-27.

馮志生, 梅衛(wèi)萍, 張秀霞等. 2004. 中強(qiáng)震前地磁諧波振幅比的趨勢性變化特征初步研究. 西北地震學(xué)報(bào), 26(1): 50-56.

馮志生, 李鴻宇, 張秀霞等. 2013. 地磁諧波振幅比異常與強(qiáng)地震. 華南地震, 33(3): 9-15.

龔紹京, 陳化然. 2001. 水平場轉(zhuǎn)換函數(shù)空間分布特征的數(shù)值模擬. 地震學(xué)報(bào), 23(6): 637-644.

顧春雷. 2010. 區(qū)域地磁異常與地震關(guān)系研究 [碩士學(xué)位論文]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).

顧春雷, 張毅, 徐如剛等. 2013. 基于虛擬日變臺進(jìn)行地磁矢量數(shù)據(jù)日變通化方法. 地球物理學(xué)報(bào), 56(3): 834-841, doi: 10.6038/cjg20130312.

李琪, 王建軍, 楊冬梅等. 2008. 文安地震前后的轉(zhuǎn)換函數(shù)參數(shù)變化分析. 地震地磁觀測與研究, 29(3): 35-40.

劉國棟, 鄧前輝. 1993. 電磁方法研究與勘探. 北京: 地震出版社.

劉光勛, 馬廷著, 黃佩玉等. 1982. 中國東部活動斷裂的現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動. 地震地質(zhì), 4(4): 1-14.

劉志, 王夫運(yùn), 張先康等. 2015. 華北克拉通東部地殼與地幔蓋層結(jié)構(gòu)——長觀測距深地震測深剖面結(jié)果. 地球物理學(xué)報(bào), 58(4): 1145-1157, doi: 10.6038/cjg20150405.

倪喆. 2014. 洱源5.5級地震前后地磁場變化異常特征分析. 地震研究, 37(3): 426-432.

榮揚(yáng)名, 王橋, 丁霞等. 2012. 2011年日本東北大地震特低頻地磁信號的分形標(biāo)度特征研究. 地球物理學(xué)報(bào), 55(11): 3709-3717, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.11.018.

魏文博, 金勝, 葉高峰等. 2006. 華北地區(qū)大地電磁測深及巖石圈厚度討論. 中國地質(zhì), 33(4): 762-772.

徐常芳. 1996. 中國大陸地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)及地震分布規(guī)律 (一). 地震學(xué)報(bào), 18(2): 254-261.

徐光晶, 湯吉, 黃清華等. 2015. 華北地區(qū)上地幔及過渡帶電性結(jié)構(gòu)研究. 地球物理學(xué)報(bào), 58(2): 566-575, doi: 10.6038/cjg20150219.

尹祥礎(chǔ), 尹燦. 1991. 非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的前兆與地震預(yù)報(bào)——響應(yīng)比理論及其應(yīng)用. 中國科學(xué) B 輯, 21(5): 512-518.

張繼紅, 趙國澤, 肖騎彬等. 2010. 郯廬斷裂帶中段 (沂沭斷裂帶) 電性結(jié)構(gòu)研究與孕震環(huán)境. 地球物理學(xué)報(bào), 53(3): 605-611.

趙國澤, 劉鐵勝, 江釗等. 1997. 山西陽高——河北容城剖面大地電磁資料的二維反演解釋. 地球物理學(xué)報(bào), 40(1): 38-46.

趙國澤, 詹艷, 王立鳳等. 2010. 鄂爾多斯斷塊地殼電性結(jié)構(gòu). 地震地質(zhì), 32(3): 345-359.

朱榮, 楊冬梅, 張素琴. 2010. 數(shù)字地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)展. 地震地磁觀測與研究, 31(4): 102-107.

(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目973計(jì)劃(2014CB845903)和國家杰出青年基金項(xiàng)目(41025014)資助.

作者簡介王橋，男，1986年生，北京大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)榈厍螂姶艑W(xué)．E-mail：wangqiaochn@pku.edu.cn *通訊作者黃清華，男，北京大學(xué)教授，1990年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1999年獲日本大阪大學(xué)博士學(xué)位．主要從事地球電磁學(xué)、地震物理學(xué)方面的教學(xué)和科研工作．E-mail: huangq@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160118 中圖分類號P318

收稿日期2015-05-16，2015-10-11收修定稿

The spatio-temporal characteristics of geomagnetic induction vectors in North China

WANG Qiao, HUANG Qing-Hua*

DepartmentofGeophysics,SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China

AbstractMore than five years′ variations of geomagnetic induction vectors for 13 geomagnetic stations in North China were obtained by using the robust estimation method, which has been verified and compared with the ordinary least square and the weighted least square methods. We proposed the following three principles of selecting a specified period of the results from the robust estimation method: (a) the relatively higher coherency between horizontal and vertical component at this period, (b) the much more stable results of the robust estimation at this period, and (c) the skin depth within the crust for the period. After investigating the stability of coherency resulting from different time window (one day and ten days), we chose the results with 640 second period for all stations finally, to be analyzed forward. Significance annual background variations were revealed from the time series results of the geomagnetic induction vectors with 640 second period, and were extracted the long-term background (more than six months) from them using the Fourier harmonic analysis.A similar phase variation was obtained for most station excepting DAL, BJI and JIH stations, possibly related to different underground conductive structures. The further statistical analyses of the geomagnetic vectors of BJI, JIH, LYH, WHN, HUH and TAY stations indicated that a relatively higher conductivity layer might exist around these stations, while the results of QIX, TSY, LZH, TAA and MAL stations showed some complexity of the electrical conductivity structures in the crust. After removing the long-term background from the time series, we found that there exists a rough monthly variation of the geomagnetic induction vectors.Such period variation is consistent with the geomagnetic activity index, and may relate to the period of the solar rotation.

KeywordsNorth China； Geomagnetic induction vectors； Long-term background； Conductive anomaly

王橋，黃清華. 2016. 華北地磁感應(yīng)矢量時空特征分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(1):215-228,doi:10.6038/cjg20160118.

Wang Q, Huang Q H. 2016. The spatio-temporal characteristics of geomagnetic induction vectors in North China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):215-228,doi:10.6038/cjg20160118.