玉树7.1级地震前后电磁辐射小波变换分析*

张建国 刘晓灿 马新欣 焦立果

(1)中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026 2)河北省地震局邯郸中心台，邯郸 056001

3)中国地震局地球物理研究所，北京100081)

玉树7.1级地震前后电磁辐射小波变换分析*

张建国1，2)刘晓灿3)马新欣3焦立果3)

(1)中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026 2)河北省地震局邯郸中心台，邯郸 056001

3)中国地震局地球物理研究所，北京100081)

基于电磁辐射数据的小波变换理论，对青海玉树7.1级地震前后四川都江堰、剑阁、江油及郑州二砂电磁波台站的观测数据进行了小波分析，研究发现玉树地震前有异常信息存在，表现为：地震前电磁辐射异常信号低频部分出现的时间较早;距震中较近的台站，异常信息出现的频率段较高;距震中稍远的台站，异常信息的频率段较低;震中距越大，异常出现的时间越晚。

玉树地震;电磁辐射;小波变换;异常特征;震中距

1 引言

地震电磁辐射现象是指伴随着地震孕育过程而产生的电磁辐射源释放出某种电磁信号，其产生的主要原因是压电、压磁效应在岩石所受载荷超过其破裂强度产生破裂时，岩石晶格被破坏，产生电位跳跃辐射出电磁波信号［1-3］。由于电磁辐射是直接来自震源的信息，且一般在地震孕育后期出现，因此，具有临震预报的应用前景。目前，地震前电磁辐射现象越来越受到地震学家们的关注［4-9］。

本文将基于电磁辐射数据的小波变换理论，对2010年4月14日发生在青海省玉树县7.1级地震前后四川省都江堰、剑阁、江油及郑州二砂4个电磁波台站观测资料进行细节分解，研究电磁辐射幅度与震中距的关系。

2 数据处理方法［10－12］

研究所选取的4个电磁辐射台站均使用郑州晶微电子科技有限公司研制的DC-Ⅱ电磁扰动监测仪。该仪器主要采集地下不同频段的电磁信息。经过分频、选频和滤波处理，获得3个不同频段电磁信号强度的输出。一通道电信号记录低频(1 mHz～1 Hz)脉冲;二通道记录中频(1～10 Hz)脉冲;三通道电信号记录工业及其他环境电磁干扰(10～20 Hz)。

对于数字信号

Mallat的重构算法为：

在地球物理领域，db小波应用比较广泛，本研究采用db10阶小波分析。

3 资料选取与计算结果分析

根据以往的研究结果［13］，本研究所用电磁辐射台站的分布见图1。

因震前电磁辐射异常是短临异常［8］，研究选取数据时段仅为2009年10月(震前)至2010年7月底(震后)，对各电磁波台站在不同尺度下(1～10阶)进行小波变化细节分解研究(图2)。

图1 电磁辐射台站与玉树地震位置Fig.1 Locations of electromagnetic radiation seismic station related to the Yushu earthquake

从图2可以看出，都江堰台(距震中691 km)各通道从2009年10月就开始出现单值突跳，从2009年11月18日左右起突跳变得密集，异常幅度值增大(一通道还出现了阶跃现象)，并且一直持续到2010年3月18日，27天后玉树Ms7.1地震发生(异常形态与四川金河台在汶川8.0级震前的异常形态相似［10］)，震后恢复平静。从小波分解图看出，1～4阶没有明显变化，但从5阶分解后开始出现了有突跳现象，随着阶数的增大，突跳越显著(一通道较显著)，低频异常变化越突出。

江油台(距震中765 km)一通道从2009年10月就开始出现单值突跳(图3)，从2009年11月18日起突跳变得密集，异常幅度值增大，并且一直持续到2010年3月15日左右(与都江堰台的变化一致);二通道从2010年3月16日开始出现突跳，至3月底结束。小波细节分解(一通道)从5阶可发现异常信息(2009年11月18日)，一直持续到3月中旬，二通道在一通道突跳结束后才出现突跳现象，滞后于一通道。

剑阁台(距震中825 km)6月份后因仪器故障，故选取得数据截止时间为5月份。剑阁台从2009年11月开始出现的异常，并一直持续到玉树Ms7.1地震发生，震后恢复平静。从原始曲线图上不能判断突跳来自干扰还是异常，但通过小波分解，可以清晰地看出从2009年11中旬开始存在明显的扰动信息，且小波阶数越大越明显(图4)。

郑州二砂台(距震中1 553 km)电磁辐射出现的时间相对于其他3个台出现的时间要晚(可能是距震中较远的缘故)，一通道于2009年12月下旬才开始出现密集异常(小波分解5阶后)，并且异常一致持续到青海玉树地震发生才有所降低;二通道小波分解后出现扰动时间是2009年12月底，相对一通道较迟，扰动幅度也小。由于二砂台离震中1553 km，其电磁异常幅值也相对较小，震后缓慢恢复平静(图5)。

图2 都江堰台电磁辐射分钟值小波细节分析Fig.2 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Dujiangyan station

图3 江油台电磁辐射分钟值小波细节分析Fig.3 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Jiangyou station

图4 剑阁台电磁辐射分钟值小波细节分析Fig.4 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Jiange station

图5 郑州二砂台电磁辐射分钟值小波细节分析Fig.5 Details of minute values of electromagnetic radiation data wavelet decomposition at Ersha station

4 结论

1)从小波分解图可以看出，玉树地震时原始观测数据中已经存在异常信息。

2)由小波分解后波形结果可见，大地震前频率越低(周期越长)电磁辐射异常越明显，随着频率的升高，电磁辐射异常逐渐减弱。说明与地震相关的电磁辐射异常主要集中在低频范围内，频率越低，辐射越强。

3)小波细节l～2阶分解的信号主要是高频成分和随机变化序列，如突跳等;细节3～4阶主要是固体潮信号，尤以4阶小波分解结果最为明显;从细节5阶开始是去除了潮汐成分(周期)的非潮汐信息，可以看出细节信号部分的周期相位和幅值发生显著变化时，说明该频率范围内的正常周期信号上叠加了相同频率的其他信号，而叠加的信号可能是地震前兆异常。都江堰、剑阁、江油台震前电磁辐射异常信息和同震效应较明显，而郑州二砂台因震中距较远缘故，异常信息不是太明显。

4)从一、二通道电磁辐射小波分解对比发现，震前电磁辐射异常信号低频部分出现的时间较早，比如都江堰台自2009年11月中旬开始一通道(1 mHz～1 Hz)出现密集异常信息，二通道(1～10 Hz)于2010年1月初才出现异常;江油台一通道出现异常的时间是2009年11月下旬，二通道于2010年3月下旬才出现扰动信息;二砂台也是;但剑阁台不太明显，其原因还需进一步研究。

5)对各台1～10阶小波细节分解发现，距震中较近的台站，出现的异常信息的频率段较高(阶数越高，周期越长);距震中稍远的台站，出现的异常信息的频率段较低(阶数越低，周期越短)。其原因可能是高频信号形成快，衰减也快，只能被近处的台站接收到;低频信号形成慢，衰减也慢，能够被远处的台站接收到。

1 Akinaga Y，et al.A precursory ULF signature for the Chi-Chi earthquake in Taiwan［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2001，1：33-36.

2 Gotoh K，et al.Principal component analysis of ULF geomagnetic data for Izu islands earthquakes in July 2000［J］.Geophysical Research，2003，5：24-26.

3 Harada M，et al.Transfer function approach to signal discrimination of ULF geomagnetic data［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2004，29：409-417.

4 陈化然，等.1980年以来我国电磁辐射地震前兆信息的观测与研究［J］.中国地震，2008，(2)：180-186.(Chen Huaran，et al.Observation and research on seismic precursor information of electromagnetic emissions［J］.China Earthquake，2008，(2)：180-186)

5 张建国，关华平.张北6.2级地震前电磁波频谱分析［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增刊Ⅰ)：29-32.(Zhang Jianguo and Guan Huaping.Analysis of electromagnetic spectrum before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.2010，(Supp.Ⅰ)：29-32)

6 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.(Wang Jijun，et al.Observations and studies on emphenomena caused by earthquake in China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2)：11-21)

7 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.(Wang Jijun，et al.Rock experiment for research on seismic electromagnetic phenomena in China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2)：22-28)

8 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.(Li Mei and Lu Jun.Study on characteristics and index relation of electromagnetic precursory anomaly of earthquakes［J］.Earthquake，2008，28(4)：112-120)

9 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.(Liu Xuyan，et al.Characteristics of high-frequncy singal in digitalized observation of fixed point deformation and its extraction method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(Supp.)：5-10)

10 丁跃军，陈化然，张建国.汶川8.0级地震前电磁辐射异常变化特征初步研究［J］.地震地磁观测与研究，2009，30(3)：11-15.(Ding Yuejun，Chen Huaran and Zhang Jianguo.The preliminary research on anomalous variation character of electromagnetic radiation before the Wenchuan Ms 8.0 earthquake［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2009，30(3)：11-15)

11 Morlet J，et al.Wave propagation and sampling theory［J］.Geophysics，1982，47(1)：203-211.

12 Mallat s.A theroy of multiresolution signal decomposition：The wavelet transform［J］.IEEE Tram，1989，11(7)：674 -693.

13 关华平，刘桂萍.震前电磁辐射异常与地震关系研究［J］.地震学报，1995，17(2)：237-246.(Guan Huaping and Liu Guiping.Electromagnetic radiation anomalies before earthquakes and seismic relations［J］.Acta Seismologica Sinica，1995，17(2)：237-246)

WAVELET TRANSFORM OF ELETROMAGNETIC RADIATION BEFORE AND AFTER YUSHU Ms7.1 EARTHQUAKE

Zhang Jianguo1，2)，Liu Xiaocan3)，Ma Xinxin3)and Jiao Liguo3)

By use of the wavelet analysis，the electromagnetic radiation data of the Yushu earthquake magnitude 7.1 in Qinghai province near Dujiangyan，Jiange，Jiangyou stations in Sichuan and Ersha station in Zhengzhou before and after the event，were studied in the different scales of wavelet detail decomposition and then it is found that there are anomalous information before the earthquake，and had interpretated preliminarily.The results show that，the first，the details of the wavelet decomposition show abnormal electromagnetic wave signal of low frequency before the earthquake portion of the earlier time;epicenter close to the station，the information that appears anomay in high frequency band;a little far from the epicenter of the station，the anomay in low frequency band information.The second，along with the epicentral distance increases，the smaller the radiation energy，the anomalies appear later.

Yushu earthquake;electromagnetic radiation;wavelet transform;anomaly feature;epicentral distance

1671-5942(2011)06-0032-07

2011-07-02

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”;中央级公益性科研院所基本科研业务专项 (059217，DQJB10B25)

张建国，男，1974年生，高工，硕士研究生，主要从事地震监测与电磁学研究等工作.E-mail：zhangjg_909@163.com

P315.72+1

A

(1)School of Earth and Space Science，University of Science Technology of China，Hefei 230026 2)Central Seismostation of Handan，Handan 056001 3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081)