金寨台低频电磁扰动观测的降雨影响与校正

陶方宇 陆栋梁 应允翔 孙亮亮

摘 要：本文描述了金寨地震台DPDC-2低频电磁扰动仪和GS-2000电磁扰动仪的观测原理及其运行环境，利用金寨地震台最近两年的数字观测资料，分析该台电磁波变化与降雨的关系，认为两者之间存在着一定的相关关系，降雨是造成电磁波突变的主要原因，并尝试通过数学方法剔除资料中的降雨影响。

关键词：低频电磁扰动仪 电磁波 降雨量 相关关系

中圖分类号：P426 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0079-04

Abstract：This paper describes the observational principle and operating environment of DPDC-2 low frequency electromagnetic disturbance instrument and GS-2000 electromagnetic disturbance instrument of Jinzhai Seismic Station. Based on the digital observation data of Jinzhai Seismostation in recent two years， this paper analyzes the changes of electromagnetic wave and rainfall Relations， that there is a certain correlation between the two， rainfall is the main cause of electromagnetic wave mutation， and try to exclude the mathematical effects of rainfall in the data.

Key Words：Low frequency electromagnetic disturbance instrument； Electromagnetic wave； Rainfall； Correlation

电磁波前兆观测是利用固定观测点上的特定装置系统，定时观测地球介质的电磁波，研究其随时间的变化和这种变化的空间分布规律，以寻求与地震孕育过程之间的内在联系。电磁扰动传感器是利用电学中“磁感应”原理设计而成的[1]。利用这种传感器观测地震前兆，对推动地震预报具有重要意义。但是，由于观测技术系统及环境变化等原因，在观测资料中常常会出现与地震孕育及地壳区域应力状态无关的变化。降雨就是其中比较显著的影响因素，很多研究都表明降雨与电磁波的季节性变化之间存在较好的相关关系[2]。

金寨台电磁波观测自2014年观测至今，积累了两年时间的资料，2006年金寨气象三要素实现数字化观测，降雨量也实现时值记录，这些都为研究电磁波与降雨关系提供了理想的观测条件。金寨地震台周围中强地震活动较弱，台站200km范围内最大地震为2014年霍山地区4.2级地震。

本文根据近两年的数字化资料初步分析两者之间的关系，研究降雨对金寨台电磁波数据产生变化的原因，并尝试通过数学方法剔除资料中的降雨影响。

1 台址条件

金寨地震台位于安徽省金寨县梅山镇，地处大别山梅山-龙河口断裂带，距离梅山水库2km，距霍山县佛子岭水库40km，海拔50m。台基属变质岩，岩体完整性好。金寨地震台始建于1971年，是安徽省地震工作队最早一批台站之一。北西西向展布的梅山—龙河口断裂从其西南部的梅山水库穿过。台站前后各有一条北西西向的断裂穿过。在地处构造莫霍面的斜坡地带，本地区地形地貌表现出独特的现代地质构造差异特征。鉴于金寨地震台所处位置的特殊性，选择该台站作为电磁波观测较为理想，2014年4月和8月在安徽省地震局的帮助指导下在金寨地震台大院内新增DPDC-2低频电磁扰动观测系统和GS-2000-DC电磁扰动仪，对于台站地震监测能力有了较大的提高。钻井孔台址在金寨地震台内（井深35m）。地层主要是灰褐色杂土，粘性且含少量淤泥，结构较酥散，土层厚5～6m表现可塑状态，通过对岩石芯的分析结果，此钻井适合安装低频电磁扰动仪。

2 仪器原理与概况

2.1 仪器基本原理

假使地下震源体为一长方体，在孕震期间，震源体两个侧面在承受地应力不断增加的同时，其侧面的电荷也将随之不断增加。在结晶学与矿物学中，矿物的压电性公式为：

P=d×σ

式中，P为单位面积上的电荷数；d为压电系数；σ为应力。

DPDC-2电磁扰动仪包括四个部分：主板（含AD）、网络接口、电源模块、传感器。其中，LES低频电磁传感器，由三组磁敏感元件及转换器组成，磁敏感元件可对南北、东西、垂直三个磁场分量进行观测。由转换对其放大、滤波、变换后，输出信号给数字主机。

DPDC-2就是基于上述原理，观测的物理量是空间低频电磁场的磁场分量，观测频率为0.1～10Hz，计算公式根据电磁感应定律有：

Vi=n·dΦ/dt

其中，Vi为线圈感应电压；n为线圈匝数；Φ为磁通量。

2.2 仪器概况

2014年4月和8月安装DPDC-2型低频电磁扰动仪和GS-2000-DC地磁扰动仪，分别安装在同一口观测井距离井口35m和11m。DPDC-2型低频电磁扰动仪探测器为圆筒状，外壳由不锈钢制成，探测器直径120mm，高为1300mm。探测器全部置于井口面以下35m处，井深50m。

GS-2000-DC电磁扰动仪主要由磁扰动传感器、电磁扰动监测仪、数据采集仪、前兆仪器专用充电机等设备构成，该仪器把深井传感器上感应到的Z分量电磁扰动信号进行放大处理、转换为电信号用于记录地震孕育、能量聚集、释放过程、震源产生的电磁辐射的异常变化等情况，进行临震预报[3]，电磁扰动仪还具有对低频弱磁场的放大作用。

两套电磁波仪器自安装以来，经过一个半月的调试及运行观测，基本趋于平稳，资料连续可靠。

3 观测资料分析

3.1 电磁波变化同降雨量的关系

DPDC-2型低频电磁扰动仪和GS-2000-DC地磁扰动仪，分别在2014年4月和8月安裝在同一口观测井距离井口35m和11m处。DPDC-2型低频电磁扰动仪在2014年4月安装以后数据产出一直较为异常，在经过厂家2014年9月更换探头后数据恢复正常。GS-2000-DC地磁扰动仪于2014年8月安装后由于暂时无法录入数据库，只是将数据每日下载后保存，直到2015年2月才将数据加入到数据库中。所以在进行数据对比的过程中我们选取了2015年2月以后的连续数据进行分析。

（1）自观测以来，金寨两套仪器变化的总体形态基本平稳，GS-2000型三通道数据受降雨的影响较为显著，且具有很强的同步性。一段时间内，本地出现较大降雨或持续降雨，之后一段时间三通道数据则会快速上升；反之若降雨或降雨量较少，数据会大幅或多次下降。DPDC-2型变化一直比较稳定，且该型号仪器在2015年6月降雨量高峰期间，数据丢失。

（2）分析出现以上第一种情况的原因为金寨台电磁波井纵向深度有35m，当降雨之后雨水从洞口缝隙进入井里，而电磁波井在打井之后，里面天然有水，DPDC-2型装置于井下35m处，位于井里水面下，而GS-2000型位于11m处，在水面之上，因此DPDC-2型较GS-2000型相对稳定，受降水的影响要小于GS-2000型。因此当出现较大降水或持续降水，GS-2000数据则会快速上升，一段时间内测区内无降水或降水量较少，数据会大幅或多次下降（见图1）；DPDC-2型数据受降水的影响就没有GS-2000明显，反而在降水时会出现与GS-2000数据反向的小幅度变化（见图2）。

3.2 不同降雨方式对电磁波变化的影响

根据金寨台观测资料，金寨台受降雨影响，主要有以下两种类型：

（1）缓降型。起始降雨量较小，整个过程雨量比较均匀，虽然降雨的持续时间较长（2天以上），但对电磁波的影响是一个缓慢的过程（见图3ace）。

（2）突降型。起始的降雨量较大（≥10mm），这时大量的雨水会使表层变为低电阻介质，改变地下电磁场的分布，并且降雨和电磁波的突降是同步的（见图3bdf）。由于这种降雨的特点是雨量集中，持续时间一般不超过2天，对电磁波的影响比较显著，但影响时间较短。

当电磁波观测值在无震时的应力作用下，其形态的特征与地下水位和降水的形态（极大值或极小值、上升或下降时间等）相似[4]，且有一定的重复性。

3.3 降雨对电磁波数据影响的消除

既然金寨台电磁波的变化与降雨存在较好的相关关系，如果采用较短时期的资料，可以认为降雨和电磁波变化之间是一个线性相关的关系，可通过“相关分析校正”[5]（钱家栋等，1985），消除降雨对电磁波变化的影响，结果见图4。我们看到，校正后的电阻率变化中已经基本上看不到降雨带来的影响。

4 结论

通过以上的分析，我们有以下认识。

（1）金寨地震台电磁波观测数据与年降雨量有一定的相关关系，其中GS-2000-DC型与降雨的相关性要高于DPDC-2型。

（2）不同的降雨方式对金寨电磁波数据的影响是不同的。大量集中降雨对电磁波数据的影响就会表现得比较明显。

（3）据金寨台目前观测井情况分析，如能加大探测深度或将电磁波仪器移到山洞内井下，降雨对电磁波测量的影响会有所降低。

参考文献

[1] 中国地震局编.地震及前兆数字观测技术规范（试行）·电磁观测[M].北京：地震出版社，2001.

[2] 钱复业，赵玉林，许同春.地电阻率季节干扰变化分析[J].地震学报，1987，9（3）：289-302.

[3] 刘琨，李凤如，郭殿友.宝应模拟电磁扰动前兆异常特征出版源[J].地震地磁观测与研究，2014，30（3）：134-139.

[4] 刘允秀，陈华静，程瑞年.地电阻率与地下水位大气关系研究[J].中国地震，1999，15（2）：184-189.

[5] 钱家栋.地电阻率法在地震预报中的应用[M].北京：地震出版社，1985.