静宁地电场异常信息提取及映震分析

张远富赵 斐李旭升尹欣欣

1）中国甘肃744000平凉中心地震台

2）中国兰州730000甘肃省地震局

静宁地电场异常信息提取及映震分析

张远富1）赵 斐1）李旭升1）尹欣欣2）

1）中国甘肃744000平凉中心地震台

2）中国兰州730000甘肃省地震局

采用线性平滑滤波和小波分析方法，对静宁地震台地电场资料进行处理，认为中强地震前映震能力较好。异常变化特征主要表现为，南北测向和东西测向同时出现反向异常变化，在震前1个月内，持续10天左右，可以为该台周围中强地震短临预测提供参考。

地电场；滤波；小波分析；异常提取；映震能力

0 引言

国内外开展地电场观测用于地震预测研究积累了许多经验，在理论方法、观测技术、观测数据应用等方面取得很大进展（赵洁等，2009）。理论研究和室内岩石力学实验结果证明，地震前存在异常电信号（张学民等，2007），但混杂于正常大地电场变化背景中不易识别（田山等，2009）。显然，寻找分离正常变化与异常信号的方法是大地电场法预报地震的一项重要研究内容。如何从观测资料中提取可靠的地震前兆，是地震短临预报的关键技术之一。随着社会经济的发展，观测环境遭到破坏，尤其是地电台站占地面积大，保护难度大（杨兴悦等，2012），观测资料携带的工频干扰信息日趋明显；大地电场的长趋势正常变化特征常掩盖异常变化信号。本文主要考虑去除干扰和长趋势变化的分析处理方法，对静宁地震台（以下简称静宁台）2008年和2013年的资料进行处理，发现中强地震前异常变化。

1 地电场观测背景

静宁地电场台址周围小构造发育，以六盘山活动断裂带为主。静宁台地电场为2007年新建观测点，使用北东、北南、东西向3个测道进行电场观测，布极方式采用L型。长极距300 m，短极距为100 m。观测仪器采用ZD9A-Ⅱ型大地电场观测仪，各道每分钟采样一次，日均值为24×60个分值的平均值，有利于压制瞬间电场随机变化。2008—2013年静宁地电场资料连续、可靠，观测资料平均连续率大于97%，平均完整率大于95%，相关系数均值大于0.9，差值均值小于2.5。各项指标均符合观测规范要求（中国地震局监测预报司，2001；钱家栋等，2004）。

2 5级以上地震地电场异常变化

2.1 资料选取

由于电磁波在地壳中衰减快，无法进行长距离传播，本文主要考虑台站能够记录到的地震前异常信息。西方科学家研究发现，以变形形式发生的地壳变化、地震波速的改变、从地壳中辐射出的气体以及地壳电阻率变化等，不仅在震源区可以观测到，也能在更大范围的条带上记录到。基于这种特性发展了一种扩展理论，即地壳的变形、破裂形成一个主要的错动区域，称为地震孕育带（Miachkin V M et al，1975）。对此区域的尺度进行估算（Dobrovolsky I R et al，1979），得到 r =100.43M。其中，地壳水平弹性变形采用10-8量级，r是地震孕育带的半径（km），M是震级。由公式计算：对于一次6级地震，孕震区半径是380km；7—8级地震范围是1 023—2 754km。所以本文对5—6.5级地震选取范围是350km；6.5—8.0级地震是1 200km。综合考虑，本文只选择MS＞ 5.0地震作为研究对象，计11次地震，参数见表1。

表 1 地震参数统计Table 1 Statistics of earthquake parameters

2.2 异常信息提取

2.2.1 干扰剔除。通常观测到的地电场是地球内部物理场，由大地电场和自然电场组成。大地电场主要是地球高层大气中各种电流体系（电离层、磁层、对流层的电流系等）在地球内部产生的感应电场；自然电场是地壳中某些物理、化学作用引起的电场。多数学者认为，与地震有关的是自然电场异常，其成因是，在孕震体及周围，受统一应力场变化影响，地下流体的冲流、过滤、定向作用使自然电场出现异常（马钦忠等，2004）。由静宁台2008—2013年北南向、东西向长极距日均值曲线（图1）可见两部分相对明显信息，即环境噪音干扰（降雨、大风、灌溉等）的高频信息及太阳活动、季节变化等因素造成的长趋势特征变化（韩和平等，2006）。与地震有关信息被掩盖，提取地震异常信息必须去除干扰因子。

环境噪声主要表现为高频（周期一般是数小时到3天）干扰，变幅较大（变化幅度远大于2倍标准差）。采用3点线性平滑滤波去除环境噪声，其中变幅较大，且周期小于3天的数据，采用5点移动平均值替换。去除长趋势特征信息选用小波5阶趋势分析方法。

对静宁台2013年地电场观测资料进行分析，采用3点线性滑动滤波法去除环境干扰（毛刺），南北向变幅从92.2 mV/km降到58 mV/km，东西向从98.6 mV/km降到50·8 mV/km（图2）。以2倍标准差控制线提取异常信息，在原始曲线中南北向和东西向均未提取到明显异常，通过小波5阶趋势分析去除长趋势特征，南北向提取6次、东西向提取5次明显异常信息。可以确定，3点线性滑动滤波和小波5阶趋势分析方法，在地电场资料处理中有效可行。

图1 静宁台地电场日均值曲线Fig.1 Daily observational value curves of telluric electric field at Jingning Seismic Station

图2 2013年静宁台电场资料处理曲线（a）NS测向；（b）EW测向Fig.2 Analysis diagram of data processing at Jingning Seismic Station in 2013

2.2.2 异常提取。由于地电场数字观测提高了样本采样密度（每分钟1组测值），使得观测资料蕴含丰富的前兆信息，但分钟值观测数据中扰动事件（含各种随机干扰）较多。为了减小随机扰动事件对处理结果的影响，选用地电场日均值观测资料进行研究。因本文统计的地震事件主要是2008年汶川地震、2013年芦山地震及2013年岷县地震序列，在此对2008年和2013年数据进行对比，发现9次地震中6次地震前均有相似的异常变化（图3）。

以2倍标准差控制线作为提取数据异常的区间，从图3不难看出：2008年南北测向7次异常对应4次地震；东西测向5次异常对应3次地震；2013年南北测向5次异常对应2次地震；东西测向4次异常对应2次地震。若以两个测向同时出现异常来判定，则2008年4次异常对应3次地震；2013年3次异常对应2次地震。由此看来，采用此方法提取的地电场异常信息可以作为地震前兆异常信息。

图3 静宁台地电场测值异常变化曲线（a）2008年日均值；（b）2013年日均值Fig.3 Abnormal changes of telluric electric field at Jingning Seismic Station

2.3 异常特征

通过计算和统计，发现地震和电场测值变化异常存在一定关系（表2）。其异常特征主要表现为：①地电场测值变化多出现在地震发生前5天到1个月，异常结束后发震；②异常持续5—27天，变化幅度南北测向偏大，与震级和距离关系不明显；③南北测向和东西测向异常变化形态多为反向，南北测向多为上升异常，东西测向多为下降异常。

表2 静宁台地电场测值异常特征统计Table 2 Abnormal variations characteristics of telluric electric field at Jingning Seismic Station

2008年9月及2013年6月两个测向均出现同向异常变化，无地震对应，可能由距离相对较近的中小地震引起，本文并未统计。2008年9月12日武都—宁强5.5级地震及2013年9月20日青海门源5.3级地震，震前电场测值并未出现明显异常变化，说明大地电场短临异常的空间复杂性，有待深入研究。

3 结论

（1）在地电场观测资料处理过程中，采用3点线性平滑滤波有效去除高频环境噪音干扰，通过小波分析方法去除5阶长趋势特征变化，从而突出自然电场的近场信息和来自地震孕育过程中的断层构造活动信息。

（2）在选取的9次地震中6次地震前均出现异常变化，认为静宁台资料在中强地震前映震能力较好，可以为该台周围发生中强地震短临预测提供参考。

（3）本文仅分析单台多震异常信息，进一步研究需要对比多个台站多次地震的异常信息，才能得出更准确的结论。

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Extracting anomaly information from telluric electric field and analysis of reflecting earthquake ability of Jingning Seismic Station

Zhang Yuanfu1），Zhao Fei1），Li Xusheng1）and Yin Xinxin2）
1） Pingliang Center Seismic Station，Gansu Province 744000，China
2） Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

In this paper，linear smoothing filter and wavelet analysis method is adopted to process and analyze the telluric electric field data of Jingning Seismic Station.The results show good reflecting earthquake ability for strong earthquakes.The main anomalies characteristics is the reverse abnormal changes of north-south and east-west direction occur simultaneously，anomalies generally appear before one month of the earthquake，anomaly duration is about 10 days.When the earthquake occurred in around the station，this variations characteristic can provide a reference for short-term forecast.

telluric electric field，filtering，wavelet analysis，anomaly extraction，reflecting earthquake ability

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.016

张远富（1985—），男，云南宣威人，本科，工程师，主要从事地震台站监测及研究工作。E-mail：bryantomzyf@163.com

本文收到日期：2015-03-06