隴縣地震臺電磁擾動數據變化規律及影響因素分析

李遠林

(陜西省寶雞市地震局,陜西 寶雞 721004)

0 引言

地震電磁擾動,又稱電磁波、電磁輻射,是指在地震孕育過程中產生的地磁輻射源釋放出電磁信號的現象[1]。我國研究地震電磁擾動并用來預報地震是在1976年唐山地震后逐漸發展起來的,內容涉及震磁效應理論研究、震例研究、電磁輻射特征等方面,諸多研究結果表明,地震電磁輻射與巖石破裂及地震孕育有內在的聯系[2-6],電磁異常與臺站周邊的中強地震有相關性[7-16],電磁擾動成為預測預報地震的重要手段之一,在短臨跟蹤實踐中形成可借鑒的經驗[17-20]。

在電磁擾動的觀測中,出現了許多與地震孕育發生過程無關的干擾因素,給識別地震前兆異常信息帶來困難[21]。因此,摸清電磁擾動在非震時段的變化規律和可能的影響因素,有助于在提取前兆異常信息時準確排除干擾因素,提高震前異常分析結論的可信度[22]。

本文選取隴縣地震臺(以下簡稱隴縣臺)2019至2021年的電磁擾動觀測數據,數據連續率和完整率均在95%以上。期間,該臺周圍未發生中強地震,臺站配有氣溫、降水等輔助觀測手段,為摸清電磁擾動的變化規律及影響因素提供數據基礎。

1 臺站觀測環境及儀器概述

隴縣臺位于寶雞市隴縣縣城西北方向11 km處的隴縣溫水鎮柴家洼村,臺站周圍人員稀少,環境噪聲小,附近無工業等其他強振動源。臺站位于隴縣-寶雞斷裂帶的固關-虢鎮斷裂附近,該斷裂帶是鄂爾多斯西南邊緣弧形斷裂帶的最南段。

隴縣臺電磁擾動觀測開始于2014年6月,觀測場地位于臺站院內,采用鄭州晶微電子科技公司研發和生產的GS-2000-DC電磁擾動儀,主要由磁擾動傳感器、電磁擾動監測儀、數據采集儀、無線CDMA數據傳輸模塊和前兆儀器專用充電機等設備構成,電磁擾動探頭置于30 m的觀測井中。磁擾動傳感器根據“磁感應”原理設計,采用低頻敏感磁芯,在磁芯上繞制一定數量的線圈,震時線圈切割磁力線,接收感應電磁信號。磁傳感器安裝在一個壓力容器內,達到防潮和降低熱噪音的作用,同時裝置外配有靜電屏蔽層,增強抗干擾能力。儀器采用井下安裝方式,在一定程度上克服地面人為干擾和氣象干擾帶來的影響。儀器安裝示意圖如圖1所示。

圖1 GS-2000-DC電磁擾動儀安裝結構圖Fig.1 Structure of GS-2000-DC electromagnetic disturbance instrument

電磁擾動儀的工作原理為:電磁波接收裝置將接收到的電磁波信號轉換為電信號后,傳入隔離放大電路,信號被放大并隔離干擾后分別輸入三個電路,經濾波將三個不同頻段的信號傳入數據采集儀。為方便觀測,儀器輸出端的原始信號經過放大處理(放大系數為2)。三個通道的頻段分別為0.1～1 Hz、1～10 Hz、10～20 Hz,每個通道的數據采樣間隔為1 min。

2 日常變化規律

2.1 年變規律及影響因素分析

圖2為隴縣臺2019-2021年電磁擾動日均值曲線,第一、二通道具有明顯的年變形態,表現為冬高夏低,其中第二通道夏季突跳干擾較多,第三通道年變形態不明顯。地球物理觀測值年變形態易受其他因素的影響,主要有氣溫、氣壓、降雨量等自然因素。對于電磁波觀測,從儀器的設計原理和觀測環境上看,氣壓與電磁擾動測值基本不相關[22]。將電磁擾動值與氣溫日均值進行對比發現,電磁擾動值第一、二通道與氣溫的相關系數分別為-0.94和-0.57,呈明顯的負相關,溫度低時電磁擾動呈現高值,反之呈現低值;第三通道由于干擾較大相關性不強,相關系數為-0.07。

圖2 隴縣臺2019—2021年電磁擾動值和氣溫日均值Fig.2 Daily average curves of electromagnetic disturbance values and temperature at Long County station from 2019 to 2021

2.2 日變規律及影響因素分析

自觀測以來,隴縣臺電磁擾動日變形態相似,分別選取2019年1月1日和7月1日冬、夏季兩種形態的日變分鐘值曲線進行分析(見圖3)。第一通道在夏季的日變形態明顯,為正弦曲線,7∶00-8∶00為高值區,15∶00-17∶00為低值區;冬季時的日變相對平緩。第二、三通道無規律性的日變形態,毛刺干擾在晝夜、季節無明顯區別。雖然缺少每日氣溫的連續變化曲線,但依據一般的氣溫日變趨勢,即一天中最高氣溫一般出現在午后2～3小時,最低氣溫出現在日出前后,可以看出電磁擾動第一通道的日變形態與氣溫也呈負相關變化。

3 動態擾動變化原因探討

3.1 同震效應

表1列出隴縣臺電磁擾動儀自觀測以來記錄到的同震效應,可以看出,電磁波觀測對400 km范圍內的4.3級以上、600 km范圍內的5.0級以上和800 km范圍內的6.0級以上地震具有較好的同震效應。圖4為2014年甘肅碌曲4.5級、2017年四川九寨溝7.0級、2018年陜西寧強5.3級和2019年四川長寧6.0級地震發生前后幾個小時內的觀測值,看出同震效應一般在震后3～5分鐘后出現,主要表現為二通道或一、二通道同時出現高值脈沖,變化幅度明顯超出背景值,可達幾倍至幾十倍。

表1 隴縣臺電磁擾動儀自觀測以來記錄到的同震效應Table 1 Parameters of coseismic effects recorded by electromagnetic disturbance instrument at Long County station

圖4 隴縣臺電磁擾動同震效應Fig.4 Coseismic effect curve of electromagnetic disturbance at Long County station

3.2 非震異常變化及干擾因素分析

3.2.1 雷電

雷電天氣會產生雷電電磁脈沖,尤其是低空特強雷電產生的超強電磁脈沖會對安裝于地下的電磁擾動探頭造成嚴重的干擾,多集中在夏秋兩季[23-24]。在觀測數據曲線上表現為三個通道均出現高頻脈沖式變化,異常時間和雷電發生時間一致,脈沖最大時可達正常觀測值的3～4倍(見圖5)。

圖5 雷電對電磁擾動的影響Fig.5 Form of observation data affected by lightning interference

3.2.2 強降雨

強降雨會引起隴縣臺電磁測值產生階降,劇烈的擾動變化使日變形態消失。如圖6所示,2021年9月17日至18日因強降雨(降水量達55.9 mm),1通道測值出現不規律的階降現象,19日恢復正常。2021年10月3日至5日出現連續降雨,降雨總量達138 mm,電磁擾動測值在降雨期間出現不規律的階降變化,6日開始恢復正常日變形態。觀測井里有水,電磁擾動探頭位于水面下,能夠避免一般性降雨的干擾影響,但在強降雨時觀測值會受到影響。

圖6 強降雨對電磁擾動儀1通道的影響Fig.6 Influence of heavy rainfall on the first channel of electromagnetic disturbance

3.2.3 使用大功率電器

有關分析認為,使用大功率電器(如空調等)會導致輸電線路的電流負荷變化,根據電磁感應理論,會在輸電線路附近產生變化電磁場,從而影響周圍的磁場環境,導致記錄到的電磁擾動值產生異常變化[25-26]。

為研究使用大功率電器對隴縣臺電磁擾動的影響,選取6月11日至21日無雨或少雨時期(也無雷電干擾)作為研究時段。期間因氣溫升高,隴縣臺開始使用3匹立式空調,時間基本在13∶00-17∶00。

為從日變曲線中分辨出異常形態,根據前面對日變規律的研究,使用Matlab曲線擬合程序中的諧波擬合一通道日變曲線,擬合時段為24小時,并對擬合值和觀測值作差,得到去除日變形態的殘差曲線。由圖7看出,6月11日13時至16時擾動明顯增大;13日下午14∶15電磁擾動測值出現階升,16∶00出現突跳;21日下午15∶00至16∶00電磁擾動值出現較大幅度的異常波動。如圖8所示,在使用空調的幾天內,第一通道測值擾動變化不明顯,二、三通道出現不同程度的擾動變化。6月12日下午14∶20和15∶30,二、三通道均出現異常突跳;16日下午14∶10左右開啟空調,三個測道的電磁擾動值隨之出現突跳,異常值明顯高于一般測值,二、三通道的同步變化更明顯。因此認為,使用空調會對隴縣臺電磁擾動觀測值造成影響。

圖7 使用空調引起電磁擾動儀1通道的異常變化Fig.7 Abnormal changes in the first channel of electromagnetic disturbance caused by air conditioning usage

圖8 使用空調引起電磁擾動儀3個通道的同步異常變化Fig.8 Synchronized abnormal changes in all three channels of electromagnetic disturbance caused by air conditioning usage

4 結論

對隴縣臺電磁擾動日常變化規律和動態擾動變化因素的分析,得出如下結論:

(1) 隴縣臺電磁擾動第一、二通道年變形態明顯,表現為冬高夏低,與氣溫呈明顯的負相關;第三通道年變不明顯。第一通道日變規律夏季較冬季明顯,為正弦曲線形態,與氣溫呈負相關;二、三通道無明顯的日變形態。

(2) 隴縣臺電磁擾動對發生在臺站一定范圍內的中強以上地震具有明顯的同震效應。

(3) 隴縣電磁擾動觀測值會受到雷電、強降雨、使用大功率電器等干擾因素的影響。雷電會使測值出現高值脈沖變化;受強降水影響時,測值出現階降,偏離正常日變形態;受大功率電器的使用影響,測值會出現較大幅度的擾動變化。

綜上所述,本文分析隴縣臺電磁擾動數據的變化規律及原因,并對造成數據異常變化的影響因素進行總結,為臺站人員能夠迅速排除干擾因素、及時識別前兆異常提供依據,對電磁擾動儀日常運行維護具有一定的指導意義。