玉樹7.1級(jí)地震前后電磁輻射小波變換分析*

張建國 劉曉燦 馬新欣 焦立果

(1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲 056001

3)中國地震局地球物理研究所，北京100081)

玉樹7.1級(jí)地震前后電磁輻射小波變換分析*

張建國1，2)劉曉燦3)馬新欣3焦立果3)

(1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲 056001

3)中國地震局地球物理研究所，北京100081)

基于電磁輻射數(shù)據(jù)的小波變換理論，對(duì)青海玉樹7.1級(jí)地震前后四川都江堰、劍閣、江油及鄭州二砂電磁波臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波分析，研究發(fā)現(xiàn)玉樹地震前有異常信息存在，表現(xiàn)為：地震前電磁輻射異常信號(hào)低頻部分出現(xiàn)的時(shí)間較早;距震中較近的臺(tái)站，異常信息出現(xiàn)的頻率段較高;距震中稍遠(yuǎn)的臺(tái)站，異常信息的頻率段較低;震中距越大，異常出現(xiàn)的時(shí)間越晚。

玉樹地震;電磁輻射;小波變換;異常特征;震中距

1 引言

地震電磁輻射現(xiàn)象是指伴隨著地震孕育過程而產(chǎn)生的電磁輻射源釋放出某種電磁信號(hào)，其產(chǎn)生的主要原因是壓電、壓磁效應(yīng)在巖石所受載荷超過其破裂強(qiáng)度產(chǎn)生破裂時(shí)，巖石晶格被破壞，產(chǎn)生電位跳躍輻射出電磁波信號(hào)［1-3］。由于電磁輻射是直接來自震源的信息，且一般在地震孕育后期出現(xiàn)，因此，具有臨震預(yù)報(bào)的應(yīng)用前景。目前，地震前電磁輻射現(xiàn)象越來越受到地震學(xué)家們的關(guān)注［4-9］。

本文將基于電磁輻射數(shù)據(jù)的小波變換理論，對(duì)2010年4月14日發(fā)生在青海省玉樹縣7.1級(jí)地震前后四川省都江堰、劍閣、江油及鄭州二砂4個(gè)電磁波臺(tái)站觀測(cè)資料進(jìn)行細(xì)節(jié)分解，研究電磁輻射幅度與震中距的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)處理方法［10－12］

研究所選取的4個(gè)電磁輻射臺(tái)站均使用鄭州晶微電子科技有限公司研制的DC-Ⅱ電磁擾動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。該儀器主要采集地下不同頻段的電磁信息。經(jīng)過分頻、選頻和濾波處理，獲得3個(gè)不同頻段電磁信號(hào)強(qiáng)度的輸出。一通道電信號(hào)記錄低頻(1 mHz～1 Hz)脈沖;二通道記錄中頻(1～10 Hz)脈沖;三通道電信號(hào)記錄工業(yè)及其他環(huán)境電磁干擾(10～20 Hz)。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)

Mallat的重構(gòu)算法為：

在地球物理領(lǐng)域，db小波應(yīng)用比較廣泛，本研究采用db10階小波分析。

3 資料選取與計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以往的研究結(jié)果［13］，本研究所用電磁輻射臺(tái)站的分布見圖1。

因震前電磁輻射異常是短臨異常［8］，研究選取數(shù)據(jù)時(shí)段僅為2009年10月(震前)至2010年7月底(震后)，對(duì)各電磁波臺(tái)站在不同尺度下(1～10階)進(jìn)行小波變化細(xì)節(jié)分解研究(圖2)。

圖1 電磁輻射臺(tái)站與玉樹地震位置Fig.1 Locations of electromagnetic radiation seismic station related to the Yushu earthquake

從圖2可以看出，都江堰臺(tái)(距震中691 km)各通道從2009年10月就開始出現(xiàn)單值突跳，從2009年11月18日左右起突跳變得密集，異常幅度值增大(一通道還出現(xiàn)了階躍現(xiàn)象)，并且一直持續(xù)到2010年3月18日，27天后玉樹Ms7.1地震發(fā)生(異常形態(tài)與四川金河臺(tái)在汶川8.0級(jí)震前的異常形態(tài)相似［10］)，震后恢復(fù)平靜。從小波分解圖看出，1～4階沒有明顯變化，但從5階分解后開始出現(xiàn)了有突跳現(xiàn)象，隨著階數(shù)的增大，突跳越顯著(一通道較顯著)，低頻異常變化越突出。

江油臺(tái)(距震中765 km)一通道從2009年10月就開始出現(xiàn)單值突跳(圖3)，從2009年11月18日起突跳變得密集，異常幅度值增大，并且一直持續(xù)到2010年3月15日左右(與都江堰臺(tái)的變化一致);二通道從2010年3月16日開始出現(xiàn)突跳，至3月底結(jié)束。小波細(xì)節(jié)分解(一通道)從5階可發(fā)現(xiàn)異常信息(2009年11月18日)，一直持續(xù)到3月中旬，二通道在一通道突跳結(jié)束后才出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，滯后于一通道。

劍閣臺(tái)(距震中825 km)6月份后因儀器故障，故選取得數(shù)據(jù)截止時(shí)間為5月份。劍閣臺(tái)從2009年11月開始出現(xiàn)的異常，并一直持續(xù)到玉樹Ms7.1地震發(fā)生，震后恢復(fù)平靜。從原始曲線圖上不能判斷突跳來自干擾還是異常，但通過小波分解，可以清晰地看出從2009年11中旬開始存在明顯的擾動(dòng)信息，且小波階數(shù)越大越明顯(圖4)。

鄭州二砂臺(tái)(距震中1 553 km)電磁輻射出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于其他3個(gè)臺(tái)出現(xiàn)的時(shí)間要晚(可能是距震中較遠(yuǎn)的緣故)，一通道于2009年12月下旬才開始出現(xiàn)密集異常(小波分解5階后)，并且異常一致持續(xù)到青海玉樹地震發(fā)生才有所降低;二通道小波分解后出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)間是2009年12月底，相對(duì)一通道較遲，擾動(dòng)幅度也小。由于二砂臺(tái)離震中1553 km，其電磁異常幅值也相對(duì)較小，震后緩慢恢復(fù)平靜(圖5)。

圖2 都江堰臺(tái)電磁輻射分鐘值小波細(xì)節(jié)分析Fig.2 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Dujiangyan station

圖3 江油臺(tái)電磁輻射分鐘值小波細(xì)節(jié)分析Fig.3 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Jiangyou station

圖4 劍閣臺(tái)電磁輻射分鐘值小波細(xì)節(jié)分析Fig.4 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Jiange station

圖5 鄭州二砂臺(tái)電磁輻射分鐘值小波細(xì)節(jié)分析Fig.5 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Ersha station

4 結(jié)論

1)從小波分解圖可以看出，玉樹地震時(shí)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中已經(jīng)存在異常信息。

2)由小波分解后波形結(jié)果可見，大地震前頻率越低(周期越長)電磁輻射異常越明顯，隨著頻率的升高，電磁輻射異常逐漸減弱。說明與地震相關(guān)的電磁輻射異常主要集中在低頻范圍內(nèi)，頻率越低，輻射越強(qiáng)。

3)小波細(xì)節(jié)l～2階分解的信號(hào)主要是高頻成分和隨機(jī)變化序列，如突跳等;細(xì)節(jié)3～4階主要是固體潮信號(hào)，尤以4階小波分解結(jié)果最為明顯;從細(xì)節(jié)5階開始是去除了潮汐成分(周期)的非潮汐信息，可以看出細(xì)節(jié)信號(hào)部分的周期相位和幅值發(fā)生顯著變化時(shí)，說明該頻率范圍內(nèi)的正常周期信號(hào)上疊加了相同頻率的其他信號(hào)，而疊加的信號(hào)可能是地震前兆異常。都江堰、劍閣、江油臺(tái)震前電磁輻射異常信息和同震效應(yīng)較明顯，而鄭州二砂臺(tái)因震中距較遠(yuǎn)緣故，異常信息不是太明顯。

4)從一、二通道電磁輻射小波分解對(duì)比發(fā)現(xiàn)，震前電磁輻射異常信號(hào)低頻部分出現(xiàn)的時(shí)間較早，比如都江堰臺(tái)自2009年11月中旬開始一通道(1 mHz～1 Hz)出現(xiàn)密集異常信息，二通道(1～10 Hz)于2010年1月初才出現(xiàn)異常;江油臺(tái)一通道出現(xiàn)異常的時(shí)間是2009年11月下旬，二通道于2010年3月下旬才出現(xiàn)擾動(dòng)信息;二砂臺(tái)也是;但劍閣臺(tái)不太明顯，其原因還需進(jìn)一步研究。

5)對(duì)各臺(tái)1～10階小波細(xì)節(jié)分解發(fā)現(xiàn)，距震中較近的臺(tái)站，出現(xiàn)的異常信息的頻率段較高(階數(shù)越高，周期越長);距震中稍遠(yuǎn)的臺(tái)站，出現(xiàn)的異常信息的頻率段較低(階數(shù)越低，周期越短)。其原因可能是高頻信號(hào)形成快，衰減也快，只能被近處的臺(tái)站接收到;低頻信號(hào)形成慢，衰減也慢，能夠被遠(yuǎn)處的臺(tái)站接收到。

1 Akinaga Y，et al.A precursory ULF signature for the Chi-Chi earthquake in Taiwan［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2001，1：33-36.

2 Gotoh K，et al.Principal component analysis of ULF geomagnetic data for Izu islands earthquakes in July 2000［J］.Geophysical Research，2003，5：24-26.

3 Harada M，et al.Transfer function approach to signal discrimination of ULF geomagnetic data［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2004，29：409-417.

4 陳化然，等.1980年以來我國電磁輻射地震前兆信息的觀測(cè)與研究［J］.中國地震，2008，(2)：180-186.(Chen Huaran，et al.Observation and research on seismic precursor information of electromagnetic emissions［J］.China Earthquake，2008，(2)：180-186)

5 張建國，關(guān)華平.張北6.2級(jí)地震前電磁波頻譜分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增刊Ⅰ)：29-32.(Zhang Jianguo and Guan Huaping.Analysis of electromagnetic spectrum before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.2010，(Supp.Ⅰ)：29-32)

6 王繼軍，等.中國地震電磁現(xiàn)象的觀測(cè)與研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，(2)：11-21.(Wang Jijun，et al.Observations and studies on emphenomena caused by earthquake in China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2)：11-21)

7 王繼軍，等.中國地震電磁現(xiàn)象的巖石實(shí)驗(yàn)研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，(2)：22-28.(Wang Jijun，et al.Rock experiment for research on seismic electromagnetic phenomena in China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2)：22-28)

8 李美，盧軍.地震電磁輻射前兆異常特征和異常指標(biāo)關(guān)系研究［J］.地震，2008，28(4)：112-120.(Li Mei and Lu Jun.Study on characteristics and index relation of electromagnetic precursory anomaly of earthquakes［J］.Earthquake，2008，28(4)：112-120)

9 劉序儼，等.定點(diǎn)形變數(shù)字觀測(cè)中高頻信號(hào)特征及提取方法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，(增)：5-10.(Liu Xuyan，et al.Characteristics of high-frequncy singal in digitalized observation of fixed point deformation and its extraction method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(Supp.)：5-10)

10 丁躍軍，陳化然，張建國.汶川8.0級(jí)地震前電磁輻射異常變化特征初步研究［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2009，30(3)：11-15.(Ding Yuejun，Chen Huaran and Zhang Jianguo.The preliminary research on anomalous variation character of electromagnetic radiation before the Wenchuan Ms 8.0 earthquake［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2009，30(3)：11-15)

11 Morlet J，et al.Wave propagation and sampling theory［J］.Geophysics，1982，47(1)：203-211.

12 Mallat s.A theroy of multiresolution signal decomposition：The wavelet transform［J］.IEEE Tram，1989，11(7)：674 -693.

13 關(guān)華平，劉桂萍.震前電磁輻射異常與地震關(guān)系研究［J］.地震學(xué)報(bào)，1995，17(2)：237-246.(Guan Huaping and Liu Guiping.Electromagnetic radiation anomalies before earthquakes and seismic relations［J］.Acta Seismologica Sinica，1995，17(2)：237-246)

WAVELET TRANSFORM OF ELETROMAGNETIC RADIATION BEFORE AND AFTER YUSHU Ms7.1 EARTHQUAKE

Zhang Jianguo1，2)，Liu Xiaocan3)，Ma Xinxin3)and Jiao Liguo3)

By use of the wavelet analysis，the electromagnetic radiation data of the Yushu earthquake magnitude 7.1 in Qinghai province near Dujiangyan，Jiange，Jiangyou stations in Sichuan and Ersha station in Zhengzhou before and after the event，were studied in the different scales of wavelet detail decomposition and then it is found that there are anomalous information before the earthquake，and had interpretated preliminarily.The results show that，the first，the details of the wavelet decomposition show abnormal electromagnetic wave signal of low frequency before the earthquake portion of the earlier time;epicenter close to the station，the information that appears anomay in high frequency band;a little far from the epicenter of the station，the anomay in low frequency band information.The second，along with the epicentral distance increases，the smaller the radiation energy，the anomalies appear later.

Yushu earthquake;electromagnetic radiation;wavelet transform;anomaly feature;epicentral distance

1671-5942(2011)06-0032-07

2011-07-02

河北省地震局重點(diǎn)項(xiàng)目“河北地區(qū)電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化特征研究”;中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng) (059217，DQJB10B25)

張建國，男，1974年生，高工，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測(cè)與電磁學(xué)研究等工作.E-mail：zhangjg_909@163.com

P315.72+1

A

(1)School of Earth and Space Science，University of Science Technology of China，Hefei 230026 2)Central Seismostation of Handan，Handan 056001 3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081)