安徽阜陽4.3級地震前電磁擾動異常分析

李軍輝，何 康，鄭海剛，王 俊，王雪瑩

(安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

周龍壽等用超限率方法驗證了地震“前驅波”(陳化然，2008)，邱澤華等進一步用超限率方法分析了2008年汶川地震前鉆孔應變數據的異常特征(李軍輝，2012)，并指出這種異常并非前驅波，而有可能是地震前的異常，洪德全等利用超限率分析了安慶4.8級地震前安徽涇縣等多個臺站的形變觀測數據(李美，2008)，分析認為體應變數據在震前20天左右出現明顯的異常變化。2015年3月14日，安徽阜陽發生4.3級地震，震源深度3 km左右，地震造成2人死亡，13人受傷，房屋倒塌155間，嚴重受損4 152間，一般受損6 972間。本文采用超限率方法提取地震(震中位于淮南臺西西北方向，震中距99 km)前后淮南臺2013～2015年的電磁擾動數據變化形態的脈沖異常，分析淮南臺電磁擾動變化與地震的相關性。

1 資料和超限率方法簡介

淮南、淮北2個電磁擾動觀測臺使用的儀器為鄭州晶微電子科技有限公司研制的GS-2000型電磁擾動儀。該儀器的工作原理為：通過深井電磁傳感器對超低頻電磁信號進行采集，后放大，通過智能數據采集器把電磁擾動信號轉換為3個不同頻段的電信號。第一通道電信號記錄為低頻巖石擠壓脈沖(0.001～1 Hz)；第二通道電信號為記錄中頻巖石破碎脈沖(1～10 Hz)；第三通道電信號為記錄環境電磁干擾信號(10～20 Hz)。傳感器垂直安放在在數十米的觀測井下,采樣率為1次/分，線性頻段為0.01～20 Hz(周龍壽，2008)。

超限率法先通過高頻濾波，提取數據的高頻變化成分，形成一個變化數據系列，再將這個系列經過濾波處理后的時間列記為Xi(i=1,…,N),N為數據點總數(陳化然，2008)。該序列的標準方差為：

(1)

(2)

為超限強度，這兩個超限率都是時間的函數。用超限率方法處理數據的關鍵是濾波的處理，本文利用一階差分進行濾波，以4倍方差作為異常控制線。

2 數據及計算結果分析

2.1 數據及影響因素分析

淮南臺電磁擾動3個通道2013年1月～2015年12月觀測數據連續性較好，基本無缺數，2013年電磁擾動數據3個頻段均變化平穩，3個通道的數據系列單點脈沖具有同步性，無明顯密集脈沖變化。與其它時段變化相比，電磁擾動3個頻段數據系列在2015年1～2月出現明顯密集型脈沖變化形態，在地震發生前一個月就出現明顯的脈沖增強變化，3月14日阜陽4.3級地震后，數據系列中的脈沖形態消失。淮北臺電磁擾動數據的連續性也較好，2015年8月6日～9月14日出現缺數，阜陽4.3級地震前后，3個頻段電磁擾動未發現明顯的異常變化(參見圖1)。

圖1 淮南、淮北臺電磁擾動2013～2015年數據變化

關于地磁觀測數據變化的研究表明，地磁前兆觀測資料的數據系列中，周期性及年變化等主要受到氣溫、氣壓、降雨等自然因素變化的影響，實驗的結果也顯示淮南電磁擾動3個頻段的變化與環境溫度呈現相關性(張建國，2013)，為了分析溫度變化對電磁擾動的影響，選取了淮南臺2015年1～12月電磁擾動3個頻段的變化與室內觀測溫度數據進行對比，結果顯示：室內觀測溫度的數據臺階型變化主要是由于室內開空調導致的，電磁擾動第一通道(0.01～1 Hz)的數據臺階型變化與溫度在2015年8月、9月、11月和12月的臺階變化具有時間上的一致性(參見圖2)，因此，儀器觀測環境的溫度驟變會影響電磁擾動數據的基值。

圖2 淮南臺2015年電磁擾動三個通道數據與室溫對比

2.2 超限率計算結果

中國232個地震前電磁擾動異常變化的震例統計表明，電磁擾動異常主要表現為連續密集脈沖形態。一般來說，地震較大時電磁擾動異常時間也較長，其異常信號比較連續和密集(張建國，2013)。研究表明，電磁擾動第一通道的脈沖變化與地震的關系較為密切(李軍輝，2012)，因此，本文采用超限率方法來分析淮南臺電磁擾動第一通道超低頻(0.01～1 Hz)脈沖變化特征。淮南電磁擾動超低頻脈沖的超限頻次、超限幅度的結果顯示，2013～2014年電磁擾動數據系列中脈沖頻次及幅度變化平穩，未出現明顯的連續性脈沖高值變化；2015年1～2月年電磁擾動脈沖超限頻次和超限強度開始出現同步增強的變化，異常持續時間10 d，脈沖的日超限頻次最高達到27次，日超限幅度最大為453 mV，2月10號后電磁擾動脈沖超限頻次和強度均正常變化(參見圖3)，3月14日發生阜陽4.3級地震。與地磁K指數的對比的結果顯示，K指數的變化與脈沖的超限頻次及超限幅度無明顯的一致性和相關性，2015年1～2月電磁擾動脈沖頻次和幅度出現明顯的增強變化，而地磁K指數無明顯的同步變化(參見圖3)，說明異常信號與空間電流體系的變化不相關，因此，認為前兆信息異常可能來自地震孕震區物理場。

圖3 淮南臺電磁擾動0.01～1 Hz超限幅度、超限頻次與地磁K指數對比

為分析該脈沖變化與地震的相關性，統計了淮南臺電磁擾動脈沖出現的時間分布特征(參見圖4)，統計結果顯示,2015年2月1-10日異常時段，電磁擾動脈沖主要集中在08∶00～21∶00時間段內，脈沖最多為39次，子夜時段(00∶00～04∶00)無明顯的脈沖變化；2月11-20日的正常時段電磁擾動脈沖也主要集中在08∶00～21∶00之間，最大5次，異常時段的脈沖變化是正常變化時段的7倍多。通過淮南臺2月5日與2月15日電磁擾動日變的對比(參見圖5)，2月5日的脈沖為連續密集脈沖，脈沖為非臺階變化，與李美的統計結果一致(李美，2008)，2月15日變化平穩，無明顯的脈沖變化。因此，認為淮南臺觀測到的電磁擾動(0.01～1 Hz)震前的脈沖變化可能與地震的孕育相關。

圖4 2015年2月1日～20日電磁擾動脈沖的時間分布

圖5 淮南臺電磁擾動不同觀測時段對比

3 結論與討論

通過對淮南臺電磁擾動在阜陽4.3級地震前變化的分析，得到如下結論:(1)淮南臺電磁擾動2013～2015年原始分鐘值數據變化形態顯示，在2013～2014年間的電磁擾動各頻段觀測數據變化穩定，無明顯的脈沖異常；2015年1月31日～2月9日，電磁擾動超低頻段(0.01～1 Hz)觀測數據出現明顯的脈沖增強，淮北臺電磁擾動觀測數據變化平穩，阜陽地震前后未發現明顯的異常變化。(2)利用超限率方法計算的淮南臺2013～2015年電磁擾動觀測數據每日脈沖超限頻次和超限幅度的變化形態顯示電磁擾動脈沖的超限頻次和超限幅度在震前43 d(1月31日)開始出現明顯的增強，最大超限頻次27次，累積超限幅度最大為453 mV，異常持續10 d。(3)淮南臺異常時段(2月1日～10日)電磁擾動觀測數據中脈沖超限頻次和超限幅度的時間分布主要在時間段7∶00～21∶00，脈沖形態為連續密集，為非臺階變化，因此認為淮南臺電磁擾動脈沖增強的變化與2015年3月14日阜陽M4.3級地震具有明顯的相關性，有前兆意義。