安徽阜阳4.3级地震前电磁扰动异常分析

2018-11-21李军辉何康王俊郑海刚王雪莹安徽省地震局

安徽科技 2018年7期

◎文/李军辉何康王俊郑海刚王雪莹(安徽省地震局)

研究表明，与地震有关的电磁频率范围很宽，在地震的孕育过程中，震源区存在电磁辐射现象，一般会有地震电磁场的产生、传播，称为地震电磁扰动。在地震孕育到发生的过程中，电磁波频率从低向高、幅度从小到大变化。因此，记录和分析电磁波变化可以了解地震孕育、发生的过程，从而进行地震监测。

邱泽华等[1]利用超限率方法分析了2008年汶川地震前钻孔应变数据的异常特征，并指出这种异常并非前驱波，而有可能是地震前的异常；洪德全等[2]利用超限率分析了安庆4.8级地震前安徽泾县等多个台站的形变观测数据，分析认为体应变数据在震前20天左右出现明显的异常变化。

2015年3月14日，安徽省阜阳市颍泉区发生4.3级地震，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台（震中距99km）2013—2015年的电磁扰动数据在地震前后的变化特征，分析异常的波形特征及与地震发生的关联性，探讨地震发生与地震前兆异常的物理机制。

一、资料概况

淮南、淮北两个地震台使用的观测仪器为郑州晶微电子科技有限公司研制的GS-2000型电磁扰动仪。该仪器的观测原理为：地震孕育和发生过程中，岩石破裂、岩石裂隙流体重新分布，电荷的重新分布，产生电流进而产生磁扰动信号，震中附近台站的传感器对产生的磁信号进行获取、采集和放大，把感应到的磁扰动信号转换为3个低频信号输出，即超低频(0.01～1Hz)、低频(1～10Hz)、中频(1O～20Hz)。磁扰动传感器是根据“磁感应”原理设计而成，主要用于感应磁场强度信号，由探针和感应环等部分组成，传感器垂直安放在数十米的观测井下，可以有效避开环境干扰[4]。

二、超限率方法

超限率法通过数字滤波技术，提取数据的高频变化，将滤波后的时间列记为Xi(i=1,...,N),N为数据点总数。该序列的标准差可以表示为：

三、数据及结果分析

1.数据分析

淮南台2013年1月—2015年12月电磁扰动仪器运行稳定，无明显干扰变化，观测数据较连续，数据质量可靠。观测数据曲线显示，2013年电磁扰动数据3个频段变化平稳，脉冲具有同步性，无明显密集脉冲变化；与其他时段变化相比，2015年1—2月，电磁扰动3个通道曲线明显出现增粗变化，地震前一个月电磁扰动出现脉冲频次明显增强现象，3月14日阜阳4.3级地震后脉冲消失（见图1）。淮北台电磁扰动数据的连续性也较好，2014、2015年3个通道数据中出现的同步的脉冲不作为异常，是环境干扰引起的同步变化，2015年8月6日—9月14日出现缺数，阜阳4.3级地震前后，3个频段电磁扰动未发现明显的异常变化。

研究表明，前兆资料周期性及年变化等主要受气温、气压、降雨等自然因素变化的影响，实验的结果显示淮南台电磁扰动3个频段的变化与环境温度呈现相关性[5]。为分析温度变化对电磁扰动的影响，选取淮南台2015年1—12月电磁扰动3个频段的变化与室内观测温度进行对比，结果显示：室内观测温度的台阶型变化主要由于室内开空调导致的温度阶变，电磁扰动第一通道（0.01～1Hz）的数据台阶型变化与温度在2015年8月、9月、11月和12月的台阶变化具有时间上的一致性（见图2），因此，温度的骤变会影响电磁扰动数据的基值的变化。

2.结果分析

震例统计表明电磁扰动异常主要为连续密集脉冲，一般而言，异常持续时间与发生地震的震级有关，震级越大，异常持续时间越长，异常幅度和异常空间分布范围也越大[6]。电磁扰动的甚低频(0.01～1Hz)、超低频(1～10Hz)和低频(10～20Hz)具有波长较长、在介质中衰减慢、穿透力强的优势,此频段的电磁信号处于人为和天然干扰最小的环境噪声中，可以避开干扰、获取可靠的震磁信号。研究表明，电磁扰动超低频信号（0.01～1Hz）的异常变化与地震的孕育和发生有较大相关性，因此，为研究电磁扰动变化与阜阳4.3级地震的孕育和发生的相关性，本文利用超限率方法提取淮南台预处理后的电磁扰动日变化数据的超限频次和超限强度。结果显示，2013—2014年，淮南台电磁扰动脉冲频次在均值附近波动变化，日超限频次均低于10次，超限强度低于200mV/天，主要受到人类活动的影响，为背景变化；2015年2月1—10日，电磁扰动脉冲超限频次和超限强度开始出现明显的同步的增强变化，异常持续10天，脉冲的日超限频次最高达到27次，明显超出了超限频次的2倍方差的阈值控制线，此外，日超限幅度最大为453mV，也超出了2倍方差的阈值控制线，2月10号后电磁扰动恢复正常变化（见图3）。3月14日发生阜阳4.3级地震，震中距100km左右。

图1 淮南、淮北台电磁扰动2013—2015年数据变化

图2 淮南台2015年电磁扰动三个通道数据与温度对比

此外，为进一步排除空间环境的变化对观测结果的影响，统计了不同时段电磁扰动脉冲变化与地磁K指数关系。结果显示，电磁扰动超限频次及超限幅度与K指数的变化无明显的相关性，2015年2月电磁扰动出现明显异常的时段，K指数并无明显的变化（见图3），表明电磁扰动异常信号不是来自空间。因此，认为异常可能来自地下孕震区的电磁信号。

为进一步分析电磁扰动脉冲异常变化与阜阳4.3级地震的相关性，统计了淮南台不同时间段电磁扰动脉冲的分布（见图4）。结果显示，2015年2月1—10日异常时段，电磁扰动脉冲出现的时间主要分布在08:00—21:00，脉冲最多的时间段为 10：00—11：00 和 16：00—17：00，最多的为39次，其他时段的脉冲变化平稳；2月11—20日的正常时段电磁扰动脉冲也主要集中在08:00—21:00，最大5次，异常时段的脉冲变化是正常变化时段的7倍多。通过淮南台2月5日与2月15日电磁扰动日变的对比（见图5）发现：2月5日的脉冲为连续密集脉冲，脉冲为非台阶变化，与李美的统计结果一致[6]；2月15日变化平稳，无明显的脉冲变化。因此，认为该台电磁扰动0.01～1Hz震前的脉冲变化可能与地震的孕育具有相关性。