云南ELF電磁觀測資料的異常特征分析

孫維懷 湯 吉 張 平 楊學慧

1)云南省地震局通海地震臺，通海 652700

2)中國地震局地研究所，北京 100029

3)云南省地震局前兆臺網，昆明 650023

云南ELF電磁觀測資料的異常特征分析

孫維懷1)湯 吉2)張 平3)楊學慧1)

1)云南省地震局通海地震臺，通海 652700

2)中國地震局地研究所，北京 100029

3)云南省地震局前兆臺網，昆明 650023

通過對云南省通海地震臺2009年1月至2010年12月ELF電磁觀測數據的處理分析，研究云南省及鄰區中強地震前后，電磁場強度、視電阻率的變化特征。結果表明，1Hz、39Hz的電磁場功率譜在多次地震臨震前分別比正常月份約大0.2～1.4個數量級。表現為在地震及余震序列中，電、磁場功率譜有明顯的突跳，變化幅度與震級大小、震中距等有關;同時視電阻率的異常變化也比較明顯。

ELF 電磁 功率譜 視電阻率 短臨異常

0 引言

地震預報特別是地震的短臨預報，是當今地震科學領域里的一大難題。正如一些地震學者所說:地震前兆異常似乎是一個與成功預報地震相聯系的最為復雜和最為困難的問題。在所有地震預測的方法中，電磁學方法起著重要的作用(關華平等，1999)。

近年來國際上在地震電磁領域的前兆觀測方面取得了一定的成效，發現在SLF/ELF/ULF等頻段(0.01～n×103Hz)的電磁場記錄到與地震有關的異常現象，而且該頻段電磁信號可反映深達震源附近電阻率的變化(Uyeda et al.，2002;Bleier et al.，2005;Casolino，2005)。關于電磁場在地震孕育和發生過程中的變化，國內外很多學者在多個地震之前都捕捉到一些典型的變化形式(Eftaxias et al.，2001;Sharma et al.，2005;孫維懷，2008)。2008 年5 月12 日四川汶川(31.02°N，103.37°E)發生MS8.0地震，在地震后1年時間內，研究者發表了許多有關該地震的從基本結構到現場觀測所發現的一些電磁現象的研究成果(趙國澤等，2009;高曙德等，2010)，ELF頻段電場和磁場數據也出現了異常電磁輻射。湯吉等在汶川8.0級地震發生后，在震區進行了余震序列電磁異常連續監測，觀測到多次余震事件的電磁同震現象(湯吉等，2008)。

“十五”期間，在云南省中部地區，小江斷裂與紅河大斷裂的山字形斷裂交會附近的通海地震臺架設了ACF－4M型ELF電磁儀。本文通過對該儀器的觀測資料處理，探討了云南及鄰區發生地震前后，觀測到的電磁場功率譜密度及視電阻率的長、中、短期的異常和變化規律。

1 ACF－4M型ELF儀器布設和觀測及2009—2010年臺站鄰區地震分布

通海地震臺ELF儀器觀測參數見表1。布設方式見圖1。

表1 通海臺ELF儀器布設參數Table 1 The ELF instrument layout parameters at Tonghai station

圖1 通海臺ELF布設方式Fig.1 The ELF instrument layout mode at Tonghai station.

通海地震臺每日將儀器設置在電磁場相對平靜的凌晨時間段內進行觀測，在2009—2010年的觀測中，云南及鄰區發了十幾次中強地震(表2)。震中分布圖如圖2。

表2 云南及鄰區2009—2010年發生的中強地震(速報)Table 2 The moderate and strong earthquakes in Yunnan and its adjacent areas from 2009 to 2010(according to earthquake quick report catalog)

圖2 云南省2009—2010年中強地震震中分布圖Fig.2 Distribution of moderate-strong earthquakes in Yunnan Province from 2009 to 2010.

2 觀測資料的處理

2.1 ELF觀測數據的功率譜計算

將2009年1月1日至2010年12月31日通海地震臺觀測ELF各頻段的電場(E)和磁場(H)進行了整理和分析，計算信號的自功率譜S(E)和S(H)，其中S(E1)表示EW向電場功率譜，S(H1)表示SN向磁場功率譜，S(E2)表示SN向電場功率譜，S(H2)表示EW向磁場功率譜。

在功率譜計算中，將時間域的信號RE(t)通過FFT變化，得到其頻率域功率譜(錢復業等，1996)

變形為

選用每天連續記錄3h的D1頻段(頻率范圍:0.1～40Hz，采樣頻率為160Hz)數據，采用快速傅里葉變換將連續的時間序列數據變換為頻譜序列，其傅氏變換的長度為n=4 096。經處理后，得到電磁場各分量的自、互功率譜密度序列。我們選用該記錄頻段相對高頻的39Hz和具有中等頻率的1Hz數據作為分析對象，從每天處理后的功率譜密度序列中抽取1Hz和39Hz資料，得到優勢頻率在時間序列上的功率譜變化。用1Hz和39Hz頻率的電場、磁場的自功率譜繪圖，得到這2個頻率隨時間變化的曲線(高曙德等，2010)。

2.2 ELF觀測數據的視電阻率、相位計算

對于某一頻率的電場和磁場水平分量之比Z=E/H為地球的特征阻抗，表示為

其中Ex為電場的水平強度，Hy為垂直于Ex的磁場強度。相應的視電阻率

其中T為電磁波的周期。對大地電磁測深儀的記錄數據進行時頻轉換，可以得到不同頻率的電磁場的頻譜，采用公式(1)、(2)，可以得到不同頻率的電磁波視電阻率。

2.3 ELF資料的分析

用1Hz和39Hz頻率段的電場、磁場計算出自功率譜繪圖(圖3，4)，發現在多次地震臨震前電場、磁場功率譜的變化分別比正常值大1～2個數量級。在2009年7月1—9日姚安6.3級地震前，電場功率譜的變化比正常月份高出1個數量級(1Hz)，磁場功率譜的變化打破正常形態，長時間、大幅度下降。

2009年1月1日至2010年12月31日，云南省及鄰區，共發生13次＞4.7級的地震，去除幾次強余震，共選取10次地震事件進行分析。從觀測到的地震事件與ELF資料變化的對應上可以得到如下結果:ELF觀測的電磁場計算電場的自功率譜S(E)、磁場功率譜S(H)對于震中距在400km以上，震級MS＞4.7以上地震，震前參量有異常，異常出現的時間24～48h，S(H)異常幅度達到0.2～1.3個數量級，S(E)異常幅度達到0.4～1個數量級;對于震中距在0～400km，震級MS＞4.7以上地震，震前全參量有異常，異常出現的時間24～72h，S(H)異常幅度達到0.2～1.4個數量級，S(E)異常幅度達到0.2～1.2個數量級(表3)。

在姚安6.3級地震及余震前后，各參量出現了明顯的跳動，變化幅度與震級大小、震中距等有關，磁場的自功率譜變化較大，達到0.2～1.5個量級，電場自功率譜變化在0.2～1.2個量級之間;各參量還與信號的頻率、布極方位有關，姚安地震系列1Hz、39Hz磁場信號H1(SN向)比H2(EW向)變化強，低頻(1Hz)比高頻(39Hz)強;同樣1Hz、39Hz電場信號E2(EW向)比H2(SN向)變化強，低頻(1Hz)比高頻(39Hz)強(圖3，4);說明接收的電磁場強弱具有方向性和頻率可選性。

本文還對2009年1月1日至2010年12月31日，云南省及鄰區發生的＞4.7級的地震的視電阻率變化特征進行了分析。從觀測到的地震事件與ELF視電阻率資料變化的對應上可以得到如下結果:ELF觀測的視電阻率對于與通海臺相鄰的構造帶上，震級MS＞4.7以上的地震，震前參量有異常，異常出現的時間24～72h，視電阻率的異常幅度達到1～4個量級的變化(表4;圖 5，6)。在姚安6.3級地震及余震前后，視電阻率的各參量出現了明顯的跳動，變化幅度與震級大小、震中距等有關。在與通海臺相鄰的構造帶上的地震，震中距小，低頻(1Hz)比高頻(39Hz)變化強;震中距大，低頻(1Hz)比高頻(39Hz)變化弱。同樣說明視電阻率強弱具有方向性和頻率可選性。

表3 2009年1月1日至2010年12月31日通海臺ELF資料計算功率譜變化與對應地震統計Table 3 Statistics of variations of EM fields calculated from ELF records of Tonghai station and the corresponding earthquakes from Jan.1，2009 to Dec.31，2010

對ELF觀測資料的分析表明，震前的電磁效應明顯，強震前微裂隙的發展過程中產生的“機電能轉換效應”引起了電、磁場擾動。電磁諧波異常不僅在強震震源區可以記錄到，在遠場電磁場記錄中也有反映，有效的ELF電磁觀測數據的處理方法和地震短臨信息提取技術，對研究地震前兆異常信息的時、空特征與中強地震的關系，對未來地震監測、短臨地震預測方法的拓展具有實際的意義(毛桐恩等，1999;趙國澤等，2008，2009)。另外，環境噪聲是影響電磁信號最大的因素，尤其是電場信號，通海臺在更換臺站交流參數穩壓器的情況下，電場功率譜變化了2個量級，而磁功率譜變化了0.5個量級，這些變化為以后ELF的布設環境提供了參考數據。為了從復雜的電磁環境中提取相對較微弱的地震電磁信號，必須加強對信號提取方法的研究。這既要考慮傳統的數學分析方法，又要考慮引入一些信號處理分析方法，甚至有必要考慮將上述方法與地震電磁產生的物理過程研究有機結合從而形成有效的地震預報方法。這方面的探索研究不僅有助于充分發揮觀測資料本身應有的價值，也可為觀測提供一定的指導和參考依據。

表4 2009年1月1日至2010年12月31日通海臺ELF資料計算視電阻率變化與對應地震統計Table 4 Statistics of variations of apparent resistivity calculated from ELF records at Tonghai and the station corresponding earthquakes from Jan.1，2009 to Dec.31，2010

3 討論

(1)電場、磁場自功率譜曲線圖及視電阻率變化曲線圖中出現的許多突跳并沒有伴隨中強地震的發生。云南是一個地震多發的省份，地質構造復雜。這些突跳的產生，往往與臺站附近的小地震有很大的關系。但是，通海ELF臺站記錄的是天然的電磁場，在電磁場ELF頻段，天然電磁場的場源主要來自雷電產生的電磁場和高空電離層擾動產生的電磁場以及地球上各種人文干擾，也有來自震前的電磁輻射。由于單個臺站無法確定觀測的異常是來自人文干擾、雷電信息還是震前異常。所以，從圖中也可以發現，有些異常并沒有相應的地震發生。如果有幾個ELF臺站同時觀測，就有可能區分其異常是來自一個區域的場源還是局部的人文干擾或者地震異常。并且，研究發現，地震前的電磁異常與發震斷層的走向和觀測臺站之間的位置有著直接關系。由于震前的電磁輻射具有很強的方向性，有些地震前的電磁異常，觀測臺站也無法觀測到。

圖5 2009年、2010年通海臺ELF觀測的視電阻率(1Hz)曲線Fig.5 The apparent resistivity curves obtained from the ELF observation data(1Hz)of Tonghai station from 2009 to 2010.

2010年典型的圖例如圖7，39Hz的磁場數據在6月25日至7月1日間發生很大的突跳，省內并沒有發生中強地震事件。但在此突跳的時間段內，臺站周邊發生了6月26日的耿馬3.8級地震，震中距350km和7月10日的建水3.8級地震，震中距60km。因此數據的突跳，還要考慮近距離的小震發生的可能。

(2)分析2009年1月1日至2010年12月31日該臺ELF觀測的電、磁場自功率譜，1～39Hz的電場、磁場自功率譜在多次地震臨震前分別比正常月份大0.2～1.4個數量級。在姚安6.3級地震及余震序列中，電、磁場功率譜明顯的突跳，磁場功率譜比背景值下降了1個量級，電場功率譜比背景值上升了2個量級。變化的幅度可能與震級大小、震中距等有關，還與發震斷層和臺站間的方位有關;同時該臺視電阻率的異常變化比正常月份大1～4倍的均方差。

(3)環境噪聲是影響電磁信號最大的因素，2010年10月該臺更換或停止使用臺站的交流參數穩壓器時，EW向的電場功率譜變化了2個量級，而磁場功率譜下降1個量級，表明該點ELF資料受臺站周圍用電干擾明顯。

地震的孕育和發生是一個極其復雜的過程，當前對這些地震電磁現象的認識和理解依然十分有限。希望本文對ELF電磁觀測在地震預測上能夠引出一些有益的探討。

圖6 2009年、2010年通海臺ELF觀測的視電阻率(39Hz)曲線Fig.6 The apparent resistivity curves obtained from the ELF observation data(39Hz)of Tonghai station from 2009 to 2010.

圖7 2010年通海臺ELF觀測的磁場(39Hz)功率譜曲線Fig.7 The power-spectrum curves of magnetic fields obtained from ELF observation data(39Hz)of Tonghai station.

致謝 資料由通海地震臺電磁觀測組提供，審稿人提出了有益的建議，在此深表感謝!

關華平，張宏魁，等.1999.懷來臺震前超低頻電場與地震關系研究［J］.地震，19(2):142—148.

GUAN Hua-ping，ZHANG Hong-kui，et al.1999.Study of electromagnetic radiation measured at Huailai station，Hebei Province and its correlation to earthquake［J］.Earthquake，19(2):142—148(in Chinese).

高曙德，湯吉，杜學彬，等.2010.汶川8.0級地震前后電磁場的變化特征［J］.地球物理學報，53(3):512—513.

GAO Shu-de，TANG Ji，DU Xue-bin，et al.2010.The change characteristics of electromagnetic field before to after Wenchuan MS8.0 earthquake［J］.Chinese J Geophys，53(3):512—513(in Chinese).

毛桐恩，胥廣銀，范思源，等.1999.地電阻率各向異性度的動態演化圖像與地震孕育過程［J］.地震學報，21(2):180—186.

MAO Tong-en，XU Guang-yin，FAN Si-yuan，et al.1999.Dynamic evolution patterns of ground resistivity anisotropy and the seismogenic process［J］.Acta Seismologica Sinica，21(2):180—186(in Chinese).

錢復業，趙玉林，黃燕妮.1996.地電阻率各向異性參量計算法及地震前兆實例［J］.地震學報，18(4):480—488.

QIAN Fu-ye，ZHAO Yu-lin，HUANG Yan-ni.1996.Calculation of the parameters of georesistivity anisotropy and case history of earthquake precursors［J］.Acta Seismologica Sinica，19(4):617—627.

孫維懷.2008.通海地磁臺地磁特征線與鄰近地區地震的對應關系研究［J］.地震地磁觀測與研究，29(6):6—16.

SUN Wei-huai.2008.Researching on the corresponding relations between the geomagnetism features line at Tonghai Seismic Station and the earthquake in neighborhood［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，29(6):6—16(in Chinese).

湯吉，詹艷，王立鳳，等.2008.5月12日汶川8.0級地震強余震觀測的電磁同震效應［J］.地震地質，30(3):739—745.

TANG Ji，ZHAN Yan，WANG Li-feng，et al.2008.Coseismic signal associated with aftershock of the MS8.0 Wenchuan earthquake［J］.Seismology and Geology，30(3):739—745(in Chinese).

趙國澤，陳小斌，肖騎彬，等.2009.汶川MS8.0級地震成因三“層次”分析:基于深部電性結構［J］.地球物理學報，52(2):553—563.

ZHAO Guo-ze，CHEN Xiao-bin，XIAO Qi-bin，et al.2009.Generation mechanism of Wenchuan strong earthquake of MS8.0 inferred from EM measurements in three levels［J］.Chinese J Geophys，52(2):553—563(in Chinese).

趙國澤，陳小斌，王立鳳，等.2008.青藏高原東邊緣地殼“管流”層的電磁探測證據［J］.科學通報，53(3):345—350.

ZHAO Guo-ze，CHEN Xiao-bin，WANG Li-feng，et al.2008.Evidence of crustal‘channel flow’in eastern margin of Tibet plateau from MT measurements［J］.Chinese Science Bulletin，52(12):1887—1893.

Bleier T，Freund F.2005.Impending earthquakes have been sending us warning signals and people are starting to listen［J］.IEEE Spectrum Int，12:17—21.

Casolino M.2005.Sileye23/LAZIO collaborations Status and results of the LAZIO2 SIRAD and Sileye3/Alteino experiments aboard the ISS［R］.10thWRMISS Workshop on Radiation Monitoring for the International Space Station.September，Japan.

Eftaxias K，Kapiris P，Polygiannakis J，et al.2001.Signature of pending earthquake from electromagnetic anomalies［J］.Geophysical Research Letters，28(17):3321—3324.

Sharma S P，Baranwal V C.2005.Delineation of groundwater-bearing fracture zones in a hard rock area integrating very low frequency electromagnetic and resistivity data［J］.Journal of Applied Geophysics，57:155—166.

Uyeda S，Hayakawa M，Nagao，et al.2002.Electric and magnetic phenomena observed before the volcano-seismic activity in 2000 in the Izu Island Region，Japan ［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，USA，99:7352—7355.

RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF ANOMALIES IN ELF ELECTROMAGNETIC OBSERVATIONS IN YUNNAN PROVINCE

SUN Wei-huai1)TANG Ji2)ZHANG Ping3)YANG Xue-hui1)

1)Tonghai Station of Yunnan Earthquake Administration，Tonghai，Yunnan 652700，China
2)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3)Precursory Observation Network，Yunnan Earthquake Administration，Kunming 650023，China

Located in an earthquake-prone region，the geological structures in Yunnan Province are complex.Taking into account that Tonghai County is located at the intersection of Xiaojiang Fault and Honghe Fault，an F － 4M ELF electromagnetic instrument was installed at Tonghai seismic station，which has produced continuous reliable data.The author collected the data and information of the year 2009 ＆ 2010，and did analysis on the variation characteristics of both geomagnetic fields and electrical resistivity.The result shows that the 1Hz and 39Hz electromagnetic power spectra are 0.2 to 1.4 orders of magnitude higher than the normal values immediately before many earthquakes.The anomalies are represented by the abrupt changes of the electric and magnetic field power spectra in earthquake and aftershock sequences，and the amplitude of change is related to the size of earthquake magnitude and the epicentral distance.The electrical resistivity also changes obviously.So，further research on the anomalous characteristics of ELF electromagnetic data will be meaningful to the use of this instrument in earthquake prediction in the future.

ELF，electromagnetic，power spectrum，apparent resistivity，short-impending anomaly

P631.3+25

A

0253－4967(2012)03－0488－12

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.010

2011－09－27收稿，2012－06－30改回。

中國地震局2010年度地震監測、預報、科研三結合課題“超低頻電磁觀測在云南及鄰區地震預報中的應用研究”資助。

孫維懷，男，1977年生，云南大學地球物理專業畢業，工程師，主要從事電磁學的觀測與應用研究，電話:13887766282，E －mail:sunweihmail@sina.com.cn。