汶川MS8．0級地震前后ULF電磁輻射頻譜特征研究

張建國，焦立果，劉曉燦，馬新欣

1 河北省地震局邯鄲中心臺，河北邯鄲 056006

2 中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026

3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

地震在孕育和發(fā)生過程中往往會產(chǎn)生低頻電磁輻射［1－2］，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的某種電磁信號［3］，其產(chǎn)生的主要原因是壓電、壓磁及動電效應等［4－6］．郝錦綺等［5，7］在零磁空間中對巖石破裂過程進行實驗研究，記錄到了在巖石破裂過程中確實有ULF頻段（超低頻頻段：0．001～10 Hz）電磁輻射產(chǎn)生．由于電磁輻射是直接來自震源的信息，而ULF 電磁波的趨膚深度大于震源深度，因此震前觀測到地下ULF輻射源于孕震區(qū)的概率很大．此外，ULF頻段的波是能從震源區(qū)傳到地面衰減最小的［7］，因而它能夠攜帶震源區(qū)發(fā)生的微破裂信息，且一般又在地震孕育的后期出現(xiàn)［8－10］．因此，具有臨震預測的應用前景．

地震的ULF電磁波研究已有大量報道［11－12］．2008年5月12日四川省汶川縣發(fā)生了Ms8．0級特大地震，眾多學者從基本結構研究到現(xiàn)場觀測及理論分析方面取得了一系列的電磁學研究成果．趙國澤等［13－14］基于近年來用電磁方法探測得到的地殼上地幔及地幔過渡帶的電性結構，結合其他深部資料從3 個“層次”分析了汶川地震的動力學成因；Huang等［15－17］從不同的角度分析了震前電阻率的變化；范瑩瑩等［18］應用最大熵譜估計方法（MEM）等處理了震中周圍臺的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在距離主震震中約500km 范圍內(nèi)的地電、地磁場低頻譜值以增大為主的電磁現(xiàn)象；湯吉等［19］觀測到多次余震事件的電磁同震現(xiàn)象；張建國等［20－21］利用全國100多個地磁臺站F 分量的子夜均值及電磁擾動數(shù)據(jù)得到了汶川地震前后我國地磁異常場動態(tài)演化圖像及電磁擾動異常信號的變化特征；李美等［22］利用河北省高碑店和寧晉臺觀測數(shù)據(jù)提取到了汶川地震前后超低頻電磁輻射的異常信息．所以，監(jiān)測震前ULF電磁輻射異常信息是解決地震短臨預測問題的可能途徑之一．

本研究基于電磁波頻譜理論研究方法，對汶川8．0級地震前后四川金河、劍閣和鄭州二砂三個電磁輻射臺站ULF頻段的電磁觀測數(shù)據(jù)進行FFT 頻譜分析和小波變換處理，研究電磁輻射的動態(tài)譜變化特征和在不同尺度下小波變換的分解結果，提取震前電磁輻射信號的異常特征，并對電磁輻射的形成機理進行探討，為地震電磁預測尤其短臨預測提供參考依據(jù)．

2 觀測儀器簡介

本研究所選取的三個電磁波臺站使用儀器均為鄭州晶微電子科技有限公司研制的DC－Ⅱ電磁擾動儀．該儀器是通過深井電磁傳感器對超低頻電磁信號進行采集放大，通過智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把從傳感器上感應到的電磁擾動信號轉換為三個不同頻率段的電信號，分三個通道輸出（圖1）：一通道電信號記錄地下低頻（1mHz～1 Hz）巖石擠壓脈沖；二通道電信號記錄中頻（1～10 Hz）巖石破碎脈沖；三通道電信號記錄工業(yè)及其他環(huán)境電磁干擾（10～20Hz）．電磁傳感器安裝在一個壓力容器內(nèi)，有嚴格的靜電屏蔽層保護，起到防潮和減少熱噪音的作用，提高了抗干擾能力．該傳感器是利用電學中“柱形靜電場”原理設計而成，由探針、感應環(huán)、線圈等若干部分組成．它垂直安放在地下數(shù)十米深的觀測井內(nèi)，當?shù)叵聨r石發(fā)生擠壓甚至斷裂時，會在巖石裂縫處產(chǎn)生極高的熱量（溫度可達1000℃以上），從而引起電子的熱發(fā)射．電子朝著溫度低、壓力小的方向集結，并在擠壓破碎巖層的上方形成電子云，引起電荷的重新分布，隨著固體潮的涌動，出現(xiàn)了浪涌電場和浪涌磁場，浪涌磁場的磁力線一部分將穿過磁傳感器的感應環(huán)而被儀器接受到．該儀器正常情況每年校準一次（春季或秋季進行），其原理是利用信號發(fā)生器（一種專用儀器）在幾個特征頻段和幾個點上發(fā)射電磁信號源引起掉格，根據(jù)格值的大小范圍，來進行校準標定的．其主要技術參數(shù)為：5級地震震前有效響應距離小于500km；整機功耗小于5W；抑制比大于130dB；分辨率為0．0005nT（電磁傳感器）；靈敏度為0．05nT/mV；采樣速率為1次/分；線性頻段為0．001～20 Hz；電源電壓為DC 12V 或AC 220V．DC－Ⅱ電磁擾動儀把從傳感器上感應到的電磁擾動信號轉換為電信號，以用于記錄地震孕育、能量聚集及釋放過程時震源產(chǎn)生的電磁輻射異常變化等情況．該儀器于2006年獲國家專利（ZL2005200 32556．5），與傳統(tǒng)的電磁觀測（在房頂上或在地表附近位置上進行南北向和東西向觀測）相比，它將高靈敏度的電磁傳感器放到數(shù)十米深的觀測井內(nèi)，因此受地表和空間雜散電磁擾動與人為活動干擾及大地自身磁場水平分量的影響甚小、信噪比較高，從而可以捕獲到清晰的地下電磁輻射信號．

圖1 鄭州晶微電磁波儀器安裝示意圖（丁躍軍等，2009）［31］Fig．1 Electromagnetic radiation equip of Zhengzhou Jingwei installation diagram（Ding Y J et al，2009）［31］

3 方法與原理

3．1 FFT頻譜分析［23］

FFT 是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個信號從時間域變換到頻率域．長度為N的序列x（n）的離散傅里葉變換X（k）為：

N點的DFT 可以分解為兩個N/2點的DFT，每個N/2點的DFT 又可以分解為兩個N/4點的DFT．依此類推，當N為2的整數(shù)次冪時（N＝2M），由于每分解一次降低一階冪次，所以通過M次的分解，最后全部成為一系列2點DFT 運算，這就是按時間抽取的快速傅里葉變換（FFT）算法．本文選取參與計算的點數(shù)N為1024個．

為更形象化顯示地震前后電磁輻射頻譜的變化特征，我們采用FFT 動態(tài)譜圖像進行分析說明．

3．2 小波變換［24－25］

對于數(shù)字信號

而Mallat的重構算法為：

其中hn與gn分別是尺度函數(shù)和小波函數(shù)的濾波器，并且．

由于數(shù)字化前兆的觀測精度提高，在干擾因素排除后對趨勢異常與短期異常判斷也是一大問題，而通過小波變換方法可對不同頻率范圍內(nèi)的信息進行識別與分解．根據(jù)公式（1）以及小波分解的近似部分與細節(jié)部分與頻率的關系，對觀測資料進行近似部分與細節(jié)部分信息分離，從細節(jié)部分識別短期異常．

本研究采取db6階小波變換分解，來提取不同頻率段的異常信息．

4 資料選取與計算結果分析

電磁波頻譜圖像是地震前電磁輻射的一個十分重要動力學特性，它既與震源的輻射圖像有關，又依賴于傳播介質(zhì)的吸收性質(zhì)［27－28］．因此，對地震前電磁波進行譜分析能充分地利用其所含的信息更深入地研究其物理內(nèi)涵．

汶川地震時四川省內(nèi)只有德陽市金河和廣元市劍閣兩個電磁波觀測臺站．金河臺自2006年12月26日安裝電擾儀并開始試運行，2007月01月01日正式投入觀測，數(shù)據(jù)一直連續(xù)到2008 年05 月13日，后因地震摧毀而停止記錄，震中距為30km．劍閣臺于2005 年11 月22 日安裝開始試運行，2005年12月01日正式投入觀測，由于劍閣臺計算機硬盤在2008年2月26日損壞，以前的數(shù)據(jù)全部丟失，震中距為200km．為了進行對比研究，我們還選取鄭州市二砂臺的電磁波數(shù)據(jù)，該臺電磁波儀自2006年11月14日至2007年04月09日安裝并進行調(diào)試改進，于2007年04月09日正式投入觀測，震中距為1000km．三個電磁波臺站周邊環(huán)境開闊，無明顯干擾源影響，儀器采樣率均為分鐘值．各電磁波臺站位置及汶川地震震中如圖2所示．

圖2 電磁波臺站位置和汶川地震震中平面圖Fig．2 Electromagnetic radiation seismic station location with the Wenchuan earthquake

4．1 FFT動態(tài)譜變化分析

為了凸顯地震電磁輻射短臨階段變化特征，我們僅選取地震前后兩個月左右時間的觀測數(shù)據(jù)進行分析計算，處理結果采用動態(tài)譜圖像的形式給出．

根據(jù)正弦波傳播原理，譜分析一般選取大于2或3倍的數(shù)據(jù)周期來研究，在此我們選取3倍變化周期，即頻率為f＝1/180≈0．006Hz（電磁波儀采樣率為分鐘值），因而選取頻段為0．001～0．006Hz的譜值數(shù)據(jù)，而電磁波震前異常頻段特征主要集中在超低頻段［29－30］．因此本研究僅選取一通道（1mHz～1Hz）電磁波數(shù)據(jù)進行計算分析，繪制動態(tài)譜圖像（因計算出的譜值較大，本研究采取對其取對數(shù)后再繪圖）．

從以上各動態(tài)頻譜圖上可以看出，三個電磁波臺站震前譜值的高值區(qū)主要集中在0．001～0．00225Hz頻段之間，但從4月10日左右起金河臺電磁波頻譜能量集中的頻段區(qū)間有所改變，在整個0．001～0．006Hz頻段區(qū)間內(nèi)，電磁波譜值均呈現(xiàn)出高值狀態(tài)，且一直持續(xù)至4月19日左右，而后的20—23日頻譜能量高值區(qū)間集中在了0．00475～0．006Hz頻段之間，24日—5月9日左右在整個頻段譜值能量均出現(xiàn)了一個低值狀態(tài)，隨后（9—11日）譜值幅度在0．00225～0．006 Hz頻段又達到了最低值，12日該頻段譜值有所回升同時發(fā)生了汶川地震．而劍閣臺震前能量高值區(qū)也主要集中在0．001～0．00225Hz頻段，但從4月13日（相對金河臺延后了3天）至23日譜值能量高值所處頻段也發(fā)生了改變，在整個0．001～0．006 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)了譜值升高的現(xiàn)象，24 日—5 月11日左右在0．00225～0．006頻段能量降至最低值，12 日譜值有所上升而發(fā)震．但從5月16日后，頻譜能量高值頻段又恢復到震前最初的頻段區(qū)間（0．001～0．006 Hz），隨后幾天出現(xiàn)了譜值高低頻段交錯的現(xiàn)象，于5月25日整個頻段內(nèi)譜值出現(xiàn)最大值，同時青川發(fā)生了6．4級余震，震后頻譜能量變化區(qū)間又恢復到最初震前頻段．鄭州二砂電磁波臺頻譜變化情況與這兩個臺類似，在此不再贅述．從動態(tài)頻譜圖上還可以看出，金河臺的譜值幅度在震前的各個頻段內(nèi)都大于其他兩個臺站，且譜值增大（異常）的時間比其它兩個臺站均提前（二砂臺最晚，14日左右）．地震時金河臺距震中較近，劍閣臺次之，我們認為電磁波輻射能量與震中距大小是有關系的，隨著震中距的增大，輻射能量越小，異常出現(xiàn)的時間也越晚，這也與一些學者［31－32］的研究結果相吻合．但青川6．4級地震前鄭州二砂臺比劍閣臺譜值變化幅度似乎更大？這有待進一步研究．

4．2 其他影響因素分析

針對上述三個臺站地震前電磁輻射信號變化特征，我們從臺站周邊環(huán)境、儀器運行狀況等方面向臺站觀測人員進行詳細咨詢與探討，結果認為：（1）儀器運轉情況正常，異常決非來自儀器本身；（2）臺站周圍環(huán)境穩(wěn)定，無干擾源存在；（3）異常其間，無大雷暴雨天氣及工業(yè)干擾背景的影響；（4）從地磁指數(shù)ΣKp變化情況（圖3d）與動態(tài)譜圖像對比來看，汶川地震前異常變化與地磁指數(shù)ΣKp無明顯的對應關系，說明異常信號與空間電流體系變化關系不大，異常并非來自于空間因素的影響；（5）異常信息變化特征遵循了地震孕育、發(fā)展及發(fā)生的規(guī)律．所以，我們認為極有可能是來自于地震震源的前兆信息．

圖3 汶川地震前后電磁輻射臺站觀測數(shù)據(jù)FFT 對數(shù)譜與ΣKp 指數(shù)對比變化（a）四川省金河臺（震中距30km）；（b）四川省劍閣臺（震中距200km）；（c）鄭州市二砂臺（震中距1000km）；（d）2008年4月1日—2008年5月31日地磁指數(shù)ΣKp 時序變化圖．Fig．3 Compared FFT logarithm spectrum changes of electromagnetic radiation observation data with geomagnetic indexΣKpbefore and after the Wenchuan earthquake（a）Jinhe station of Sichuan province（Epicenter distance is 30km）；（b）Jiange station of Sichuan province（Epicenter distance is 200km）；（c）Ersha station of Zhengzhou city（Epicenter distance is 1000km）；（d）Geomagnetic indexΣKpchange along time from April 1，2008 to May 31，2008．

4．3 小波變換細節(jié)分析

小波分析主要是一種多尺度的時頻分析工具，有良好的時頻局部化特性［24－25］．它不僅能夠抑制隨機干擾，而且還可以通過多尺度分解將信號分解到各頻帶上，從而對各頻帶上的信號進行分析研究，找出干擾段的小波系數(shù)，將其剔除，能有效地從信號中提取信息．

根據(jù)前述動態(tài)譜頻段選取原則，僅選取這三個電磁波臺站一通道的觀測數(shù)據(jù)，進行1～6階小波分解處理（圖4），分析汶川地震前后異常變化特征，提取地震前電磁輻射的異常信息．

圖4 汶川地震前后一通道電磁輻射分鐘值數(shù)據(jù)小波分解（a）四川省金河臺（震中距30km）；（b）四川省劍閣臺（震中距200km）；（c）鄭州市二砂臺（震中距1000km）．Fig．4 Electromagnetic radiation minute data of the first channel wavelet decomposition before and after Wenchuan earthquake（a）Jinhe station of Sichuan province（Epicenter distance is 30km）；（b）Jiange station of Sichuan province（Epicenter distance is 200km）；（c）Ersha station of Zhengzhou city（Epicenter distance is 1000km）．

從以上圖例中看出，其實汶川地震時原始觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)存在異常信息，用小波變換提取出某些頻率段內(nèi)的異常反映，是對異常信號的精細分析．

各階小波分解結果表明，大地震前頻率越低的情況下（周期越長）電磁輻射異常越明顯，隨著頻率升高，電磁輻射異常信息逐漸減弱．

小波細節(jié)l～4階分解的信號主要是高頻成分和隨機變化序列，如突跳等；從細節(jié)5階開始是去除了干擾和隨機突跳信息，可以看出細節(jié)信號部分的周期相位和幅值發(fā)生顯著變化，說明該頻率范圍內(nèi)的正常周期信號上疊加了相同頻率的其它信號，而疊加的信號可能是地震前兆異常信息．金河、劍閣臺震前電磁波異常信息和同震效應較明顯，而鄭州二砂臺因震中距較遠緣故，異常信息就不太明顯了．

自1～6階小波分解對比還可看出，距離震中較近的臺站（金河臺），異常信息在高頻部分（金河臺的1～4階變換）相對明顯；距里震中稍遠的臺站（劍閣、二砂臺），異常信息在低頻部分（劍閣、二砂臺小波分解的階數(shù)越高，異常信息越明顯）相對明顯（表1），出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因是高頻信號形成得快，衰減得也快，只能被近處的電磁波臺站接收到；低頻信號形成得慢，衰減也慢，能夠被遠處的臺站接收到［33］．但從表1中我們發(fā)現(xiàn)一個問題，鄭州二砂臺電磁輻射幅度和異常開始時間均要大于（或提前于）四川劍閣臺，或許與兩臺所處的地質(zhì)結構差異有關［32，34］，需進一步深入研究．

表1 汶川地震前各電磁輻射臺站一通道異常信息統(tǒng)計表Table 1 The first channel abnormal information of electromagnetic radiation stations before Wenchuan Earthquake

5 討論與結論

對于同震電磁信號機理的解釋，Huang［4］提出了斷層電磁學模型，利用該模型首次對斷層錯動時的電荷分布進行了定量評估，并對巖石壓電效應方面的爭議問題給出了一個較為合理的解釋，即當壓電晶體完全隨機分布時，有效壓電效應將不足以產(chǎn)生可被觀測到的電磁信號；但是，當壓電晶體出現(xiàn)了微小的優(yōu)勢取向時，壓電效應將極可能產(chǎn)生可被觀測到的電磁信號，而動電效應［6］也是一種可能的機制．基于上述同震電磁信號的物理機制解釋及本研究結果，我們得出以下兩點認識：

（1）FFT 動態(tài)譜圖像表明，地震前電磁波頻譜變化特性較明顯，在時間上、頻段上均顯示了階段性進程特征，并遵循“平靜—異常出現(xiàn)—恢復平靜—再異?！虝r平靜—發(fā)震—恢復平靜”的地震孕育、發(fā)展及發(fā)生規(guī)律．對電磁輻射這一變化過程初步認為：首先，在巖石彈性形變階段，巖石受力，出現(xiàn)了浪涌電場和浪涌磁場，諧波成分較少；隨后，在巖石發(fā)生局部微破裂時，伴隨著巖石的破裂抖動，電磁擾動出現(xiàn)了較多的諧波分量；其后，巖石受力暫時平衡時，固體涌動減緩，電磁輻射異常擾動減輕，諧波成分減少；最后，當巖石破裂時，地下能量短時釋放，各種諧波成份急劇增加，巨大的電磁能量涌出地面后發(fā)震．所以表現(xiàn)在時間進程上就顯示出了顯著的階段性變化特征，可能反映的是地震孕育不同階段的變化特征．

（2）從小波分解圖上看出，小波變換的多層分解將各頻段分開，從而實現(xiàn)對各頻段小波系數(shù)進行分析，來達到去除干擾或提取異常信息的目的．分離結果表明：1）震前電磁波異常信號低頻部分出現(xiàn)的時間較早；2）距震中較近的臺站，異常信息在高頻部分相對明顯；距震中稍遠的臺站，異常信息在低頻部分相對明顯．

以上電磁輻射頻譜變化特征的研究只是初步結果，是針對汶川地震個例進行的，且周圍電磁波臺站不多、積累資料時間也不長，然而對于其他地震情況結果又如何呢？想要解決這個問題，最好的辦法是針對大量地震事件、多個電磁臺站，從時間、空間上進行長周期、大尺度范圍掃描，提取震前確實可靠的電磁波異常信息；還可利用有限元數(shù)值模擬方法，建立電磁波仿真模型，模擬分析不同深度、不同電磁頻率的電磁波在不同分層、不同介質(zhì)參數(shù)、不同結構（構造）及不同斷層分布介質(zhì)中的傳播特性，獲得可能的觀測特征（如頻率特征、幅度特征、方向特征等），并與野外實際觀測資料進行對比分析，探索地震電磁輻射的形成、孕育及傳播機理，提取“場兆”異常信息，從而“以場求源”，實現(xiàn)真正有減災實效的地震預測尤其短臨預測技術．

致 謝 對兩位匿名審稿人及中國科學技術大學任恒鑫博士的有益建議深表謝意！觀測資料由鄭州晶微電子科技有限公司中原數(shù)據(jù)處理中心提供，地磁Kp指數(shù)來源于http：//wdc．kugi．kyoto－u．a(chǎn)c．jp/網(wǎng)站，在此一并致謝．

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