賈　華，王利兵，高登平，陳凱男，暢國(guó)平

(1.河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北　邯鄲　056000；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北　邢臺(tái)　054000)

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河北紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)ELF電磁觀測(cè)資料映震能力分析

賈華1，王利兵2，高登平2，陳凱男2，暢國(guó)平2

(1.河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北邯鄲056000；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北邢臺(tái)054000)

摘要：為探究ELF電磁觀測(cè)中出現(xiàn)的電磁擾動(dòng)與地震間存在的關(guān)系，文章選取河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)2011年至2012年ELF電磁觀測(cè)資料進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)電磁觀測(cè)中存在有與地震相關(guān)的異常電磁擾動(dòng)，并將異常信號(hào)幅度與地震震級(jí)和震中距的關(guān)系作進(jìn)一步的分析。

關(guān)鍵詞：功率譜；電磁擾動(dòng)；ELF觀測(cè)

0引言

在中國(guó)，從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，開(kāi)展了基于大功率人工源超低頻/極低頻技術(shù)的方法研究，也開(kāi)展了該方法在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。與天然場(chǎng)源的電磁波信號(hào)相比，人工可控源的大功率超低頻/極低頻電磁波技術(shù)具有信號(hào)強(qiáng)度大、受電離層的干擾小、傳播穩(wěn)定可靠、覆蓋范圍廣、可連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，并可在數(shù)據(jù)記錄及后續(xù)處理過(guò)程中，對(duì)信號(hào)采用相關(guān)的分析技術(shù)，大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，即使在具有較強(qiáng)干擾背景的地區(qū)，仍能得到很高信噪比的觀測(cè)資料。計(jì)算獲得的地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)具有很高的精度和穩(wěn)定性，特別適合于地震預(yù)測(cè)等需要精確觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究[1]。

“十五”期間，全國(guó)安裝12套超低頻電磁觀測(cè)儀器(ELF)，總體運(yùn)行良好。2007年5月，由中國(guó)地震局地質(zhì)研究所在紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱紅山臺(tái))安裝架設(shè)ELF電磁觀測(cè)儀器(俄羅斯生產(chǎn)的ACF—4M型)，每天連續(xù)觀測(cè)11小時(shí)，所選頻率范圍是：D1:0.1～80 Hz，D2:0.1～800 Hz，D3:0.1～1 600 Hz。

1ELF觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

1.1ELF觀測(cè)設(shè)置

紅山臺(tái)ELF儀器觀測(cè)的是四分量的電磁場(chǎng)信號(hào)：二分量水平電場(chǎng)(正東西Ex和正南北Ey)，二分量的磁場(chǎng)(正東西Hx和正南北Hy)，電場(chǎng)傳感器(電極)和磁場(chǎng)傳感器埋入地下，連接線采用埋地(50 cm深度)敷設(shè)，前置放大器增益為1(所有通道均相同)，采用與正南北、正東西45°交角布設(shè)儀器，進(jìn)行四道電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)相互垂直的水平磁場(chǎng)和電場(chǎng)，頻率范圍為0.1～1 600 Hz，布設(shè)參數(shù)如表1所示。

表1　紅山臺(tái)ELF儀器布設(shè)參數(shù)

ELF—4M儀器具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的功能，使用專用軟件設(shè)置儀器的各項(xiàng)參數(shù)和自動(dòng)記錄的開(kāi)機(jī)時(shí)間及記錄長(zhǎng)度。記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，使用軟件進(jìn)行處理，對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行FFT(快速傅式變換)和儀器標(biāo)定后，得到電場(chǎng)、磁場(chǎng)的自功率譜、互功率譜及視電阻率和阻抗相位曲線。

1.2ELF功率頻譜

ELF儀器的測(cè)量方法實(shí)際上是大地電磁測(cè)深法。利用電磁場(chǎng)電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)，即高頻電磁場(chǎng)穿透淺、低頻電磁場(chǎng)穿透深的特點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)不同頻段電磁場(chǎng)的頻率，來(lái)達(dá)到測(cè)深目的，將地面上測(cè)得的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量，計(jì)算出視電阻率和阻抗相位的變化[2]。

對(duì)于一個(gè)確定性信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)，都可以采用譜分析的方法得到信號(hào)的譜特征。由于相關(guān)函數(shù)和功率譜是一對(duì)傅里葉變換(FFT)，因而可以先在時(shí)間域上求自相關(guān)或互相關(guān)函數(shù)，然后進(jìn)行傅里葉變換，得到其頻率域的自功率譜或互功率譜，從譜中可以得到帶內(nèi)的關(guān)于信號(hào)的各種特征。

SE(f)=∫RE(τ)e-j2πfτdτ，

(1)

式中：RE(τ)是時(shí)間域的信號(hào)；SE(f)是頻率域功率譜。

對(duì)于每天觀測(cè)的電磁場(chǎng)信號(hào)，均采用以上方法進(jìn)行計(jì)算，得到ELF觀測(cè)數(shù)據(jù)隨頻率的功率譜變化。

在大地電磁測(cè)深法中，視電阻率作為一個(gè)反映地下介質(zhì)電性變化的地電參數(shù)，建立了表面阻抗與地下介質(zhì)電阻率之間的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，視電阻率不是某層介質(zhì)的真正電阻率，而是層狀介質(zhì)電性參數(shù)分布的綜合反映，與地電斷面參數(shù)及觀測(cè)電磁場(chǎng)信號(hào)的周期有關(guān)。一定頻段的大地電磁場(chǎng)有一定的穿透深度和影響范圍，而視電阻率表示這一范圍內(nèi)地電斷面的平均效應(yīng)。顯然，高頻電磁場(chǎng)分量分布范圍小，平均效應(yīng)涉及的范圍也小，而低頻電磁場(chǎng)分量的分布范圍大，平均效應(yīng)涉及的范圍也大，即穿透深度也大[3]。

阻抗相位代表了與之相關(guān)的電場(chǎng)水平分量和與之相垂直的磁場(chǎng)水平分量之間的相位差，是頻率的函數(shù)，同樣也是反映介質(zhì)電性特征的一個(gè)重要物理量。

2ELF觀測(cè)資料映震能力分析

2.1ELF異常對(duì)應(yīng)的地震

在紅山臺(tái)2011年至2012年ELF觀測(cè)期間，ELF異常共對(duì)應(yīng)中強(qiáng)地震異常7次(見(jiàn)表2)，還存在有地震而無(wú)異常對(duì)應(yīng)的情況，可能是由于震級(jí)較小或者震中距較大的原因。

表2　2011年至2012年紅山臺(tái)ELF觀測(cè)對(duì)應(yīng)的中強(qiáng)地震

2.2電磁場(chǎng)功率頻譜的變化分析

將2011年1月1日至2012年4月30日紅山地震臺(tái)ELF觀測(cè)各頻段的電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選用每天連續(xù)記錄4 h的D1頻段數(shù)據(jù)，采用快速FFT，將連續(xù)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)變換為頻譜序列，經(jīng)傅里葉變換處理后，可得到電磁場(chǎng)各分量的自、互功率譜密度序列。

使用相應(yīng)的頻率抽取軟件，對(duì)觀測(cè)資料處理后的頻譜進(jìn)行頻率抽取，生成相應(yīng)頻率的數(shù)據(jù)文件，繪制出隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)變化曲線S(E)和S(H)(見(jiàn)圖1)。通過(guò)曲線可知觀測(cè)臺(tái)站在各種頻率上的電磁場(chǎng)背景變化，從而基于背景的變化和地磁活動(dòng)，判斷其觀測(cè)的電磁場(chǎng)是否存在異常變化[4]。

圖1　紅山臺(tái)ELF電磁場(chǎng)D1頻段1 Hz的功率譜曲線Fig.1　Power spectrum in D1 band of 1Hz of ELF electromagnetic field at Hongshan Station

在沒(méi)有太陽(yáng)活動(dòng)和磁暴的情況下，天然電磁場(chǎng)的變化在一定范圍內(nèi)如果存在異常，則可能與人為干擾或地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)事件相關(guān)。對(duì)于測(cè)點(diǎn)附近的人為干擾，可通過(guò)其他觀測(cè)手段或?qū)嵉卣{(diào)查來(lái)判定[5]。

由于電場(chǎng)信號(hào)具有更強(qiáng)的局部效應(yīng)，受臺(tái)站地下結(jié)構(gòu)的影響較大，同時(shí)，臺(tái)站周?chē)娜藶楦蓴_對(duì)大地電場(chǎng)也有影響，使得ELF磁場(chǎng)信號(hào)往往較電場(chǎng)信號(hào)具有更好的信噪比。所以，對(duì)于某些地震，磁場(chǎng)信號(hào)可以記錄到而電場(chǎng)信號(hào)卻不能，因而對(duì)于電場(chǎng)功率譜信號(hào)也存在一些有震無(wú)異常的情況(見(jiàn)第44頁(yè)圖2)。

以上兩圖中，選用D1頻段的1 Hz和32 Hz的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，從每天經(jīng)過(guò)處理的功率譜密度中抽取1 Hz和32 Hz的數(shù)據(jù)文件，得到其在時(shí)間序列上的功率譜變化。用1 Hz和32 Hz頻率的電場(chǎng)、磁場(chǎng)自功率譜繪圖，得到該頻率隨時(shí)間變化的曲線，發(fā)現(xiàn)在多次地震臨震前存在明顯的電磁能量增強(qiáng)的特點(diǎn)。

2011年2月15日臺(tái)灣5.1級(jí)地震前，1 Hz南北磁場(chǎng)和東西磁場(chǎng)都比正常值高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，32 Hz磁場(chǎng)和電場(chǎng)功率譜的變化打破正常形態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間、大幅度下降。2012年3月4日新疆6.0級(jí)地震前，1 Hz和32 Hz功率譜都出現(xiàn)較大異常，磁場(chǎng)與電場(chǎng)均比正常值高出3～6個(gè)數(shù)量級(jí)。分析以上地震前的地磁Kp指數(shù)表明，在觀測(cè)到異常的時(shí)段并沒(méi)有出現(xiàn)較強(qiáng)的地磁活動(dòng)，屬于磁靜日。這說(shuō)明紅山臺(tái)ELF觀測(cè)到的電磁場(chǎng)異常變化不是來(lái)自外空間電磁活動(dòng)，可能是由于地球內(nèi)部變化引起的。

圖2　紅山臺(tái)ELF電磁場(chǎng)D1頻段32 Hz功率譜曲線Fig.2　Power spectrum in D1 band of 32Hz of ELF electromagnetic field at Hongshan Station

對(duì)觀測(cè)到的7次地震事件與ELF 資料的對(duì)應(yīng)變化分析得出，ELF觀測(cè)的電磁場(chǎng)計(jì)算電場(chǎng)的自功率譜S(E)、磁場(chǎng)功率譜S(H)對(duì)于震中距在2 000 km以上，震級(jí)Ms>5.5的新疆地震，震前全部參量有異常，異常出現(xiàn)的時(shí)間為震前48 h。S(E)異常幅度達(dá)到正常時(shí)段平均值的5～6個(gè)數(shù)量級(jí)，S(H)異常幅度達(dá)到3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于震中距在0～400 km，震級(jí)Ms>4.0的山西、河南地震，震前全部參量有異常，異常出現(xiàn)的時(shí)間為震前24 h，S(E)異常幅度達(dá)到0.5～0.7個(gè)數(shù)量級(jí)，S(H)異常幅度達(dá)到0.5～0.8個(gè)數(shù)量級(jí)(見(jiàn)表3)。

ELF功率譜各參量的變化幅度不僅與信號(hào)的頻率、布極方位有關(guān)，還與震級(jí)大小、震中距等有關(guān)。新疆6.0級(jí)地震及余震前后，各參量出現(xiàn)明顯跳動(dòng)。其中，高頻(32 Hz)比低頻(1 Hz)變化幅度強(qiáng)，說(shuō)明接收的電磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)弱具有頻率可選性。山西4.2級(jí)與河南4.3級(jí)地震前，1 Hz、32 Hz磁場(chǎng)信號(hào)H2(EW向)比H1(SN向)變化強(qiáng)，電場(chǎng)信號(hào)E2(EW向)比E1(SN向)變化強(qiáng)，說(shuō)明電磁場(chǎng)強(qiáng)弱具有方向性。

表3　紅山臺(tái)ELF資料功率譜異常幅度與對(duì)應(yīng)地震

對(duì)以上地震的視電阻率變化特征進(jìn)行分析，由于存在50 Hz工頻干擾，使整個(gè)曲線全部壓縮，不易看出震前、震時(shí)、震后的視電阻率變化，需要經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，才可得到明顯的變化結(jié)果，不在此詳述。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)ELF觀測(cè)資料的分析表明，震前的電磁效應(yīng)明顯。電磁異常不僅在強(qiáng)震震源區(qū)可以記錄到，在遠(yuǎn)場(chǎng)的記錄中也有反映。紅山臺(tái)記錄的是天然電磁場(chǎng)，所以會(huì)存在一些人為的電磁干擾或雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因而電、磁場(chǎng)自功率譜曲線中出現(xiàn)的許多突跳并沒(méi)有對(duì)應(yīng)地震發(fā)生，屬于正?，F(xiàn)象。當(dāng)在不同頻率的電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)異常后，確認(rèn)資料處理是否準(zhǔn)確無(wú)誤，周?chē)h(huán)境是否存在人為的電磁干擾，再與同時(shí)段臺(tái)站的其他觀測(cè)手段、其他觀測(cè)臺(tái)站的記錄進(jìn)行比較，確認(rèn)異常類型，從而達(dá)到利用ELF電磁觀測(cè)資料進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)的目的。

ELF電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)有效的處理方法和地震短臨信息提取技術(shù)，對(duì)研究地震前兆異常與中強(qiáng)地震的關(guān)系，對(duì)未來(lái)地震監(jiān)測(cè)、地震短臨預(yù)測(cè)方法的拓展具有積極意義。

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Earthquake Reflecting Ability of ELF Electromagnetic Data at Hongshan Reference Seismological Station

JIA Hua1, WANG Li-bing2, GAO Deng-ping2, CHEN Kai-nan2, CHANG Guo-ping2

(1.Handan Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Handan, Hebei 056000, China;2.Hongshan Reference Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai, Hebei 054000, China)

Abstract:ELF electromagnetic data at Hongshan Reference Seismological Station from 2011 to 2012 are chose to research the relationship between electromagnetic disturbance in ELF electromagnetic observation and earthquake. It is found that there are abnormal electromagnetic disturbance associated with the earthquake in electromagnetic observation. And the relationship between abnormal signal amplitude and the earthquake magnitude and epicentral distance is analyzed.

Key words:Power spectrum; Electromagnetic disturbance; ELF observation

中圖分類號(hào)：P315.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：第一賈華(1983—)，女，河北省邯鄲人。2009年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，工程師。

基金項(xiàng)目：河北省地震局地震科技星火項(xiàng)目(DZ20140707009)。

收稿日期：2015-03-10

文章編號(hào)：1000-6265(2016)01-0042-04