张北 6.2级地震前电磁波频谱分析＊

张建国 关华平

1)河北省地震局邯郸中心台,邯郸 056006

2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

张北 6.2级地震前电磁波频谱分析＊

张建国1)关华平2)

1)河北省地震局邯郸中心台,邯郸 056006

2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

基于波谱的 FFT和小波变换理论,研究了张北地震前北京东三旗地磁台电磁波频谱变化特征。结果表明:1)张北地震前异常信息确实存在;2)电场较磁场异常显著,且NS分量强于 EW分量;3)异常出现的时间主要集中在 1997年12月31日、1998年1月1日,在时间进程上显示了明显的阶段性变化,这可能反映了地震不同孕育阶段的特征。

张北地震;电磁波;频谱;FFT;小波变换

1 引言

1998年河北省张北地区的Ms6.2地震,是近年来我国东部地区发生的一次较大地震。

地震孕育和发生过程中往往会产生低频电磁辐射,监测震前电磁信号异常,已成为一种重要的地震预测方法[1-3]。本文通过对张北地震前电磁辐射分析研究,旨在揭示震前短临异常信息。

2 处理方法[4,5]

对于数字信号,有：

Mallat重构算法为:

在地球物理领域,db小波应用比较广泛,本研究也采用 db6阶小波分析。

3 资料选取与计算结果分析

采用北京东三旗台张北地震 (1998-01-11)前电磁波数据,电磁波仪器有电场和磁场两个测项,每个测项又分 EW和NS分量,数据采集为每秒 50个数值,观测频段为 0.01～10 Hz(ULF)。为了较好地揭示震前短临异常变化,仅选取震前 1997-12-30—1998-01-07日的电磁波数据进行分析。

3.1 FFT频谱分析[6]

从图 1可以明显看出电场 EW分量正常频谱形态,优势频率主要集中在低频端,但在 1月 3日频谱主频率上升为0.023 Hz,显示了异常信息,但 4日又恢复正常频谱形态,10日发生地震;电场NS分量优势频谱也主要集中在低频 (0～0.023 Hz),但在 12月 31日和 1月 1日的主频出现了 0.15和 0.38 Hz的高频异常信息,而其他日期没有出现高频,均集中在低频端,10日发生了地震。NS分量异常信号出现的时间提前于EW分量。

从图 2可以看出,磁场 EW分量正常频谱形态,但在 1月 4日主频率出现了 0.023 Hz左右的突起,显示出异常形态,并一直持续到 7日,10日发生了张北地震;磁场 NS分量频谱主频在震前 1997-12-31—1998-01-07日一直集中在 0～0.023 Hz低频段,没有出现异常形态。

为了集中揭示震前频谱变化特征,我们再选取以上时段电磁波数据分析其频谱特征,从图 3看出,电场 EW和 NS分量频谱变化规律基本一致,优势频率相同;磁场的 EW和NS分量频谱形态一致,优势频率也大致相同。

3.2 小波变换

通过对电场 EW分量6阶小波细节分析可以看出(图 4),震前 12月 30日开始,小波细节分析均出现间断的低频扰动,但不显著。从 12月 31日开始扰动明显加强,到 1月 1日扰动已相当显著而振幅强烈。但 2—7日扰动开始减弱并逐渐恢复平静,10日发生了地震;电场 NS分量的低频扰动信息出现于 12月 30日,1月 1日扰动加强,2日后扰动逐渐减弱至平静。但从 5日开始又出现明显的扰动现象,后逐渐减弱,10日发生地震。

从磁场 EW分量 6阶小波细节分析图(图 5)看出,震前 12月 31日—1月 1日出现扰动信号后开始减弱,于 1月 4日开始又出现明显扰动并持续到7日,10日发生地震;磁场 NS分量在震前 12月 31日—1月 1日磁扰动显著,1月 2日基本恢复平静,但 3—7日又出现了周期性扰动并持续减弱,后于10日发震。

图 1 电磁波(电场)FFT频谱变化图Fig.1 FFT spectrum changes of electromagnetic wave(electric field)atDongsanqi station before the Zhangbei earthquake

图 2 电磁波(磁场)FFT频谱变化图Fig.2 FFT spectrum changes of electromagnetic wave (magnetic field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

图 3 电磁波 FFT频谱变化图 (1997-12-31T21：38：59—21：43：15)Fig.3 FFT spectrum change of electromagnetic wave on Dec.31,1997 during T21：38：59-T21：43：15

4 认识与结论

1)张北地震前电磁波的 FFT频谱确实存在着异常信息,且电场较磁场异常显著。

从 FFT频谱图中可以清晰看出,电场 NS分量于 1997-12-31—1998-01-01日的优势频率与正常频谱的优势频率相比,显示出明显异常信息;NS分量反应强烈,这可能说明台站地理位置与震中方位有关。另外,从图 3可以看出,在选取时段内两个分量上频谱形态均出现了周期性变化规律,显示出明显的异常信息。电场 EW和NS分量频谱形态和优势频率基本相同;磁场的 EW和NS分量频谱形态和优势频率也大致相同。

图 4 6阶小波细节变化图(电场)Fig.4 6th-order wavelet detail analysis of electromagnetic wave(electric field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

2)小波细节分析研究表明,张北地震前也存在异常信息。

图 5 6阶小波细节变化图(磁场)Fig.5 6th-order wavelet detail analysis of electromagnetic wave(magnetic field)at Dongsanqi station before the Zhangbei earthquake

从电磁波的 6阶小波细节分析来看,电场信号两个分量均在12月31日出现低频扰动,1月1日扰动增强,2日后扰动减弱至平静,但 NS分量在5—7日又出现强烈扰动,而 EW分量反应较平静,也说明震中与台站方位有关。磁信号也在 12月 1日—1月 1日出现显著扰动,均在 2日恢复平静,但随后NS分量比 EW分量又提前一天出现强扰,说明NS分量反映震前信息的能力强于 EW分量。

3)异常出现的时间主要集中在 12月 31日、1月 1日。但从小波细节分析来看,在以后的时段大部分又出现间断性异常信息,这似乎遵循“平静-异常出现-恢复平静-再异常-短时平静-发震-恢复平静”的地震孕育、发展和发生规律(因 8—10日无资料分析,只能大至推测)。电场异常信号强于磁场, NS分量强于 EW分量。

4)大量分析研究表明[7-9],电磁波短临异常信息可能出现在震前十几天左右,这与本文研究结果相吻合。

1 卓贤军,等.地震预测中的电磁卫星[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：1-10.

2 王继军,等.中国地震电磁现象的观测与研究[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：11-21.

3 王继军,等.中国地震电磁现象的岩石实验研究[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：22-28.

4 成礼智,等.小波的理论与应用[M].北京：科学出版社, 2004.

5 刘序俨,等.定点形变数字观测中高频信号特征及提取方法[J].大地测量与地球动力学,2006,(增)：5-10.

6 张学民,等.地磁低点位移频谱特征及机理探讨[J].地震学报,2008,30(5)：474-483.

7 李美,卢军.地震电磁辐射前兆异常特征和异常指标关系研究[J].地震,2008,28(4)：112-120.

8 李吾先,金明培,马骏康.云南地区强震电磁波异常特征及其预报意义[J].地震研究,2003,23(2)：77-84.

9 牛继荣,张环,张富芳.天祝电磁波地震前异常信息变化初探[J].高原地震,2004,16(4)：34-41.

ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC SPECTRUM BEFORE ZHANGBEIMs6.2 EARTHQUAKE

Zhang Jianguo1)and Guan Huaping2)

(1)Handan Central Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Handan 056006 2)Institute of Earthquake Science,CEA,B eijing 100036)

On the basis of the FFT spectrum and wavelet transfor m theory,the changing characteristics of electromagnetic wave frequence spectran of Dongsanqi station in Beijing before the Zhangbei earthquake are studied. The results are as follows.1)Anomalies did exist before the Zhangbei earthquake.2)Anomalous signals of the electric field are more significant than those of the magnetic field,and the NS component is stronger than the EW component.3)Anomalies appeared concentrately on Dec.31,1997 and Jan.1,1998 and there were significant phase changes that itmight reflect the different stage characteristics of earthquake preparation.

Zhangbei earthquake;electromagnetic wave;spectrum;fast fourier transform(FFT);wavelet transfor m

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0029-04

2009-08-23

中央级公益性科研院所基本科研业务专项“华北地区电磁场动态演化特征研究”(059217);中国地震局地震预测研究所基本科研业务(02092408);河北省地震局重点项目“河北地区电磁场动态演化特征研究”(冀震发[2010]20号)

张建国,男,1974年生,高工,硕士,主要从事电磁监测与研究工作.E-mail：zhangjg_909@163.com

P315.72+1

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