安徽阜陽4.3級(jí)地震前電磁擾動(dòng)異常分析

◎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(guān)的電磁頻率范圍很寬，在地震的孕育過程中，震源區(qū)存在電磁輻射現(xiàn)象，一般會(huì)有地震電磁場(chǎng)的產(chǎn)生、傳播，稱為地震電磁擾動(dòng)。在地震孕育到發(fā)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(fā)生的過程，從而進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。

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(yīng)變數(shù)據(jù)的異常特征，并指出這種異常并非前驅(qū)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(jí)地震前安徽涇縣等多個(gè)臺(tái)站的形變觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為體應(yīng)變數(shù)據(jù)在震前20天左右出現(xiàn)明顯的異常變化。

2015年3月14日，安徽省阜陽市潁泉區(qū)發(fā)生4.3級(jí)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(tái)（震中距99km）2013—2015年的電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)在地震前后的變化特征，分析異常的波形特征及與地震發(fā)生的關(guān)聯(lián)性，探討地震發(fā)生與地震前兆異常的物理機(jī)制。

一、資料概況

淮南、淮北兩個(gè)地震臺(tái)使用的觀測(cè)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(dòng)儀。該儀器的觀測(cè)原理為：地震孕育和發(fā)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(chǎn)生電流進(jìn)而產(chǎn)生磁擾動(dòng)信號(hào)，震中附近臺(tái)站的傳感器對(duì)產(chǎn)生的磁信號(hào)進(jìn)行獲取、采集和放大，把感應(yīng)到的磁擾動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為3個(gè)低頻信號(hào)輸出，即超低頻(0.01～1Hz)、低頻(1～10Hz)、中頻(1O～20Hz)。磁擾動(dòng)傳感器是根據(jù)“磁感應(yīng)”原理設(shè)計(jì)而成，主要用于感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，由探針和感應(yīng)環(huán)等部分組成，傳感器垂直安放在數(shù)十米的觀測(cè)井下，可以有效避開環(huán)境干擾[4]。

二、超限率方法

超限率法通過數(shù)字濾波技術(shù)，提取數(shù)據(jù)的高頻變化，將濾波后的時(shí)間列記為Xi(i=1,...,N),N為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。該序列的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示為：

三、數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

1.數(shù)據(jù)分析

淮南臺(tái)2013年1月—2015年12月電磁擾動(dòng)儀器運(yùn)行穩(wěn)定，無明顯干擾變化，觀測(cè)數(shù)據(jù)較連續(xù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線顯示，2013年電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)3個(gè)頻段變化平穩(wěn)，脈沖具有同步性，無明顯密集脈沖變化；與其他時(shí)段變化相比，2015年1—2月，電磁擾動(dòng)3個(gè)通道曲線明顯出現(xiàn)增粗變化，地震前一個(gè)月電磁擾動(dòng)出現(xiàn)脈沖頻次明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，3月14日阜陽4.3級(jí)地震后脈沖消失（見圖1）。淮北臺(tái)電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性也較好，2014、2015年3個(gè)通道數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的同步的脈沖不作為異常，是環(huán)境干擾引起的同步變化，2015年8月6日—9月14日出現(xiàn)缺數(shù)，阜陽4.3級(jí)地震前后，3個(gè)頻段電磁擾動(dòng)未發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)3個(gè)頻段的變化與環(huán)境溫度呈現(xiàn)相關(guān)性[5]。為分析溫度變化對(duì)電磁擾動(dòng)的影響，選取淮南臺(tái)2015年1—12月電磁擾動(dòng)3個(gè)頻段的變化與室內(nèi)觀測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：室內(nèi)觀測(cè)溫度的臺(tái)階型變化主要由于室內(nèi)開空調(diào)導(dǎo)致的溫度階變，電磁擾動(dòng)第一通道（0.01～1Hz）的數(shù)據(jù)臺(tái)階型變化與溫度在2015年8月、9月、11月和12月的臺(tái)階變化具有時(shí)間上的一致性（見圖2），因此，溫度的驟變會(huì)影響電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的基值的變化。

2.結(jié)果分析

震例統(tǒng)計(jì)表明電磁擾動(dòng)異常主要為連續(xù)密集脈沖，一般而言，異常持續(xù)時(shí)間與發(fā)生地震的震級(jí)有關(guān)，震級(jí)越大，異常持續(xù)時(shí)間越長，異常幅度和異常空間分布范圍也越大[6]。電磁擾動(dòng)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(zhì)中衰減慢、穿透力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),此頻段的電磁信號(hào)處于人為和天然干擾最小的環(huán)境噪聲中，可以避開干擾、獲取可靠的震磁信號(hào)。研究表明，電磁擾動(dòng)超低頻信號(hào)（0.01～1Hz）的異常變化與地震的孕育和發(fā)生有較大相關(guān)性，因此，為研究電磁擾動(dòng)變化與阜陽4.3級(jí)地震的孕育和發(fā)生的相關(guān)性，本文利用超限率方法提取淮南臺(tái)預(yù)處理后的電磁擾動(dòng)日變化數(shù)據(jù)的超限頻次和超限強(qiáng)度。結(jié)果顯示，2013—2014年，淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)脈沖頻次在均值附近波動(dòng)變化，日超限頻次均低于10次，超限強(qiáng)度低于200mV/天，主要受到人類活動(dòng)的影響，為背景變化；2015年2月1—10日，電磁擾動(dòng)脈沖超限頻次和超限強(qiáng)度開始出現(xiàn)明顯的同步的增強(qiáng)變化，異常持續(xù)10天，脈沖的日超限頻次最高達(dá)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(hào)后電磁擾動(dòng)恢復(fù)正常變化（見圖3）。3月14日發(fā)生阜陽4.3級(jí)地震，震中距100km左右。

圖1 淮南、淮北臺(tái)電磁擾動(dòng)2013—2015年數(shù)據(jù)變化

圖2 淮南臺(tái)2015年電磁擾動(dòng)三個(gè)通道數(shù)據(jù)與溫度對(duì)比

此外，為進(jìn)一步排除空間環(huán)境的變化對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)段電磁擾動(dòng)脈沖變化與地磁K指數(shù)關(guān)系。結(jié)果顯示，電磁擾動(dòng)超限頻次及超限幅度與K指數(shù)的變化無明顯的相關(guān)性，2015年2月電磁擾動(dòng)出現(xiàn)明顯異常的時(shí)段，K指數(shù)并無明顯的變化（見圖3），表明電磁擾動(dòng)異常信號(hào)不是來自空間。因此，認(rèn)為異?？赡軄碜缘叵略姓饏^(qū)的電磁信號(hào)。

為進(jìn)一步分析電磁擾動(dòng)脈沖異常變化與阜陽4.3級(jí)地震的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)了淮南臺(tái)不同時(shí)間段電磁擾動(dòng)脈沖的分布（見圖4）。結(jié)果顯示，2015年2月1—10日異常時(shí)段，電磁擾動(dòng)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間主要分布在08:00—21:00，脈沖最多的時(shí)間段為 10：00—11：00 和 16：00—17：00，最多的為39次，其他時(shí)段的脈沖變化平穩(wěn)；2月11—20日的正常時(shí)段電磁擾動(dòng)脈沖也主要集中在08:00—21:00，最大5次，異常時(shí)段的脈沖變化是正常變化時(shí)段的7倍多。通過淮南臺(tái)2月5日與2月15日電磁擾動(dòng)日變的對(duì)比（見圖5）發(fā)現(xiàn)：2月5日的脈沖為連續(xù)密集脈沖，脈沖為非臺(tái)階變化，與李美的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致[6]；2月15日變化平穩(wěn)，無明顯的脈沖變化。因此，認(rèn)為該臺(tái)電磁擾動(dòng)0.01～1Hz震前的脈沖變化可能與地震的孕育具有相關(guān)性。

圖3 淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)0.01～1Hz超限幅度、超限頻次與地磁K指數(shù)對(duì)比

圖4 淮南臺(tái)2015年2月1日—20日電磁擾動(dòng)0.01～1Hz脈沖出現(xiàn)的時(shí)間分布

圖5 淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)0.01～1Hz不同觀測(cè)時(shí)段對(duì)比

四、結(jié)論與討論

通過對(duì)阜陽4.3級(jí)地震前電磁擾動(dòng)脈沖超限強(qiáng)度和超限頻次的深入分析，得出結(jié)論：

（1）淮南臺(tái)2013—2014年電磁擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正常的日變化和年變化，無地震前兆異常發(fā)生；阜陽4.3級(jí)地震發(fā)生前的2015年2月1日—10日，電磁擾動(dòng)0.01～1Hz頻段出現(xiàn)超限頻次和超限強(qiáng)度同步的異常變化?；幢迸_(tái)電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，阜陽地震前后未出現(xiàn)明顯的異常變化。

（2）利用超限率方法計(jì)算的結(jié)果顯示，電磁擾動(dòng)的超限頻次和超限幅度在震前42天開始出現(xiàn)顯著的增強(qiáng)變化，超限強(qiáng)度和超限頻次均超出2倍方差的閾值，異常持續(xù)10天。

（3）統(tǒng)計(jì)分析了電磁擾動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)段（2月1日—10日）脈沖的超限頻次和超限幅度的時(shí)間分布，脈沖為連續(xù)密集脈沖，脈沖為非臺(tái)階變化，因此，認(rèn)為淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)震前脈沖增強(qiáng)的變化與2015年3月14日阜陽4.3級(jí)地震具有相關(guān)性。