安徽阜陽4.3級地震前電磁擾動異常分析

2018-11-21 08:05:26李軍輝何康王俊鄭海剛王雪瑩安徽省地震局

安徽科技 2018年7期

◎文/李軍輝何康王俊鄭海剛王雪瑩(安徽省地震局)

研究表明，與地震有關的電磁頻率范圍很寬，在地震的孕育過程中，震源區存在電磁輻射現象，一般會有地震電磁場的產生、傳播，稱為地震電磁擾動。在地震孕育到發生的過程中，電磁波頻率從低向高、幅度從小到大變化。因此，記錄和分析電磁波變化可以了解地震孕育、發生的過程，從而進行地震監測。

邱澤華等[1]利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，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[2]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，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，安徽省阜陽市潁泉區發生4.3級地震，震源深度3km[3]。本文采用超限率方法提取地震前后淮南地震臺（震中距99km）2013—2015年的電磁擾動數據在地震前后的變化特征，分析異常的波形特征及與地震發生的關聯性，探討地震發生與地震前兆異常的物理機制。

一、資料概況

淮南、淮北兩個地震臺使用的觀測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。該儀器的觀測原理為：地震孕育和發生過程中，巖石破裂、巖石裂隙流體重新分布，電荷的重新分布，產生電流進而產生磁擾動信號，震中附近臺站的傳感器對產生的磁信號進行獲取、采集和放大，把感應到的磁擾動信號轉換為3個低頻信號輸出，即超低頻(0.01～1Hz)、低頻(1～10Hz)、中頻(1O～20Hz)。磁擾動傳感器是根據“磁感應”原理設計而成，主要用于感應磁場強度信號，由探針和感應環等部分組成，傳感器垂直安放在數十米的觀測井下，可以有效避開環境干擾[4]。

二、超限率方法

超限率法通過數字濾波技術，提取數據的高頻變化，將濾波后的時間列記為Xi(i=1,...,N),N為數據點總數。該序列的標準差可以表示為：

三、數據及結果分析

1.數據分析

淮南臺2013年1月—2015年12月電磁擾動儀器運行穩定，無明顯干擾變化，觀測數據較連續，數據質量可靠。觀測數據曲線顯示，2013年電磁擾動數據3個頻段變化平穩，脈沖具有同步性，無明顯密集脈沖變化；與其他時段變化相比，2015年1—2月，電磁擾動3個通道曲線明顯出現增粗變化，地震前一個月電磁擾動出現脈沖頻次明顯增強現象，3月14日阜陽4.3級地震后脈沖消失（見圖1）。淮北臺電磁擾動數據的連續性也較好，2014、2015年3個通道數據中出現的同步的脈沖不作為異常，是環境干擾引起的同步變化，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。

研究表明，前兆資料周期性及年變化等主要受氣溫、氣壓、降雨等自然因素變化的影響，實驗的結果顯示淮南臺電磁擾動3個頻段的變化與環境溫度呈現相關性[5]。為分析溫度變化對電磁擾動的影響，選取淮南臺2015年1—12月電磁擾動3個頻段的變化與室內觀測溫度進行對比，結果顯示：室內觀測溫度的臺階型變化主要由于室內開空調導致的溫度階變，電磁擾動第一通道（0.01～1Hz）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（見圖2），因此，溫度的驟變會影響電磁擾動數據的基值的變化。

2.結果分析

震例統計表明電磁擾動異常主要為連續密集脈沖，一般而言，異常持續時間與發生地震的震級有關，震級越大，異常持續時間越長，異常幅度和異?？臻g分布范圍也越大[6]。電磁擾動的甚低頻(0.01～1Hz)、超低頻(1～10Hz)和低頻(10～20Hz)具有波長較長、在介質中衰減慢、穿透力強的優勢,此頻段的電磁信號處于人為和天然干擾最小的環境噪聲中，可以避開干擾、獲取可靠的震磁信號。研究表明，電磁擾動超低頻信號（0.01～1Hz）的異常變化與地震的孕育和發生有較大相關性，因此，為研究電磁擾動變化與阜陽4.3級地震的孕育和發生的相關性，本文利用超限率方法提取淮南臺預處理后的電磁擾動日變化數據的超限頻次和超限強度。結果顯示，2013—2014年，淮南臺電磁擾動脈沖頻次在均值附近波動變化，日超限頻次均低于10次，超限強度低于200mV/天，主要受到人類活動的影響，為背景變化；2015年2月1—10日，電磁擾動脈沖超限頻次和超限強度開始出現明顯的同步的增強變化，異常持續10天，脈沖的日超限頻次最高達到27次，明顯超出了超限頻次的2倍方差的閾值控制線，此外，日超限幅度最大為453mV，也超出了2倍方差的閾值控制線，2月10號后電磁擾動恢復正常變化（見圖3）。3月14日發生阜陽4.3級地震，震中距100km左右。

圖1 淮南、淮北臺電磁擾動2013—2015年數據變化

圖2 淮南臺2015年電磁擾動三個通道數據與溫度對比

此外，為進一步排除空間環境的變化對觀測結果的影響，統計了不同時段電磁擾動脈沖變化與地磁K指數關系。結果顯示，電磁擾動超限頻次及超限幅度與K指數的變化無明顯的相關性，2015年2月電磁擾動出現明顯異常的時段，K指數并無明顯的變化（見圖3），表明電磁擾動異常信號不是來自空間。因此，認為異?？赡軄碜缘叵略姓饏^的電磁信號。

為進一步分析電磁擾動脈沖異常變化與阜陽4.3級地震的相關性，統計了淮南臺不同時間段電磁擾動脈沖的分布（見圖4）。結果顯示，2015年2月1—10日異常時段，電磁擾動脈沖出現的時間主要分布在08:00—21:00，脈沖最多的時間段為 10：00—11：00 和 16：00—17：00，最多的為39次，其他時段的脈沖變化平穩；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，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（見圖5）發現：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[6]；2月15日變化平穩，無明顯的脈沖變化。因此，認為該臺電磁擾動0.01～1Hz震前的脈沖變化可能與地震的孕育具有相關性。