2008年中國大陸6.0級(jí)以上地震前后電磁脈沖異常現(xiàn)象

高曙德 趙國澤 湯 吉 蘇永剛 詹 艷 王立鳳

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2008年中國大陸6.0級(jí)以上地震前后電磁脈沖異?，F(xiàn)象

高曙德1)趙國澤2)*湯 吉2)蘇永剛1)詹 艷2)王立鳳2)

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

分析了2008年中國大陸新疆烏魯木齊和云南通海2個(gè)地震臺(tái)站觀測(cè)的電磁場(chǎng)資料，研究了這些資料顯示的異?，F(xiàn)象和2008年發(fā)生在中國大陸的汶川地震等5次6級(jí)以上地震之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為利用電磁法進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)研究提供了新的震例。分析結(jié)果顯示，頻率范圍為800～0.1Hz的電磁場(chǎng)的自功率譜密度(PSD)隨時(shí)間的變化與地震事件之間存在如下關(guān)系： 1)電磁場(chǎng)的自功率譜密度在地震之前出現(xiàn)了明顯的脈沖異常，如汶川MS8.0地震前磁場(chǎng)的脈沖異常值比背景場(chǎng)大約2個(gè)量級(jí)； 2)異常幅度隨著離開震中距離的增大而減??； 3)磁場(chǎng)自功率譜密度異常的幅度，與臺(tái)站相對(duì)于震中的方位以及電磁場(chǎng)的頻率有關(guān)； 4)脈動(dòng)異常具有時(shí)間上的集叢現(xiàn)象。

電磁異常脈沖 地震監(jiān)測(cè) 電磁場(chǎng)頻譜 脈沖集叢

0 引言

地震災(zāi)害是各種自然災(zāi)害中造成人員傷亡最多的，約占所有自然災(zāi)害傷亡人數(shù)的54%。雖然地震預(yù)測(cè)是當(dāng)今世界最嚴(yán)峻的科學(xué)難題之一，但是人們?nèi)匀煌度肓司薮蟮木?duì)其進(jìn)行研究(陳颙等，2003； 陳運(yùn)泰，2009)。 其中，震前電磁異常效應(yīng)已經(jīng)得到了大量觀測(cè)的證實(shí)(Johnstonetal.，1999)，地震預(yù)測(cè)的電磁研究成果引起了人們的高度重視。為此，法國于2004年發(fā)射了DEMETER衛(wèi)星，目的就是觀測(cè)與地震活動(dòng)相關(guān)的電磁場(chǎng)和帶電粒子異常變化(曾中超等，2009; 張學(xué)民等，2009a，b； 朱濤等，2011; Parrot，2012; Davidetal.，2013)，并提出了地震前的預(yù)警信號(hào)主要來自電磁信號(hào)的看法(Bleieretal.，2005)。

在地震前的電磁異常現(xiàn)象中，有的是來自電阻率的觀測(cè)(Reddyetal.，1976; 湯吉等，1998; Rikitake，2001; Uyedaetal.，2002，2009； Sharmaetal.，2005; Huang，2008a，2008b，2011b; 錢復(fù)業(yè)等，2009; 趙玉林等，2010; 錢家棟等，2013; 陳雪梅等，2013)，有的是來自電場(chǎng)和(或)磁場(chǎng)的觀測(cè)( Nikiforovaetal.，1989; Morgunovetal.，1990; 郝建國等，1995; 毛桐恩等，1999; Ataxiasetal.，2001； Uyedaetal.，2002; 郝錦綺等，2003; 趙國澤等，2003，2007; Bleieretal.，2005; 田山等，2009; Parrot，2012; Zhangetal.，2013; David，etal.，2013; Xuetal.，2013; 戴勇等，2016)，有的是來自地面觀測(cè)，有的是來自衛(wèi)星觀測(cè)，有的是在地震前1個(gè)月或幾個(gè)月出現(xiàn)，有的是地震后幾天或幾個(gè)小時(shí)出現(xiàn)( 趙玉林等，2010； 范盈盈等，2010； 朱濤等，2011； Oriharaetal.，2012)。由于實(shí)際的地震孕育過程的高度復(fù)雜性以及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻性，一些地球電磁學(xué)觀測(cè)結(jié)果迄今尚未得到合理的解釋。因此，地震電磁信號(hào) “源”的物理機(jī)制以及信號(hào)傳播的研究成為地震電磁學(xué)研究的2大難題和熱點(diǎn)。國內(nèi)外許多學(xué)者聯(lián)系地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻性、 震源特性、 產(chǎn)生的物理機(jī)制、 傳播方式、 信號(hào)的選擇性，以及從背景噪音中提取弱信號(hào)的方法等作了大量實(shí)驗(yàn)、 理論和震例研究，得到的發(fā)生源方面的主要觀點(diǎn)有： Varotsos等(1986，1991)提出的震源區(qū)應(yīng)力變化引起機(jī)制，Warwick等(1982)與Davis等(1980)提出的壓電和壓磁效應(yīng)，郭自強(qiáng)等(1994)提出的破裂發(fā)射效應(yīng)，以及地下水流動(dòng)引起的效應(yīng)(Draganovetal.，1991)和過濾電位機(jī)制(Lockneretal.，1983)。 Pulinets(2004)綜合了多位科學(xué)家的資料和觀點(diǎn)認(rèn)為，地震孕育的第1階段表現(xiàn)為微破裂增多，從孕震帶向外輻射氡及其他氣體，在近地空間形成密集分布的離子群； 第2階段孕震帶向外大量釋放氣體(主要是CO2)，這些氣體主要產(chǎn)生2個(gè)作用，其一是氣體運(yùn)移激發(fā)大氣層中的聲重波，其二是強(qiáng)烈的氣體運(yùn)動(dòng)破壞中子群導(dǎo)致大氣層離子快速增加，離子產(chǎn)生的過程同時(shí)導(dǎo)致垂直電場(chǎng)形成； 第3階段異常電場(chǎng)穿透電離層E層，引起電離層擾動(dòng)，在電離層產(chǎn)生極低頻段的電磁輻射，并同步激發(fā)電離層電子密度的大范圍變化。Huang(2011a)研究了地震與直流-超低頻電磁現(xiàn)象的關(guān)系，提出了基于補(bǔ)償電壓的模型，用彈性位錯(cuò)理論解釋了斷層在破裂過程中產(chǎn)生地電信號(hào)和評(píng)估了壓電效應(yīng)； 在一定的條件下，發(fā)現(xiàn)1個(gè)由優(yōu)先定向的壓電晶粒產(chǎn)生弱的可觀測(cè)到的信號(hào)。郝錦綺等(2003)的研究表明，震磁效應(yīng)的可觀測(cè)性和地震的破裂機(jī)制有著緊密的關(guān)系，在主破裂階段，積累電荷的急速運(yùn)動(dòng)形成瞬間電流，激發(fā)了脈沖式的磁場(chǎng)異常。自1966年中國河北省邢臺(tái)地震以來，中國開始把電磁法作為重要的方法用于地震監(jiān)測(cè)，但是其中多數(shù)方法是基于恒定場(chǎng)性質(zhì)傳統(tǒng)的電阻率法和磁法，頻率較低，一般<1Hz。電阻率法反映的深度較淺，磁法利用的頻率單一(錢復(fù)業(yè)等，2009； 錢家棟等，2013)； 20世紀(jì)70、 80年代，開始把大地電磁等交變電磁場(chǎng)法用于地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，取得了有價(jià)值的試驗(yàn)成果(張?jiān)屏盏龋?994； 湯吉等，1998)。 20世紀(jì)90年代開始利用人工源交變電磁場(chǎng)法進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在地震前一兩天人工源極低頻/超低頻(ELF/SLF)頻率范圍的電磁場(chǎng)開始出現(xiàn)異常(趙國澤等，2003，2007，2012； 湯吉等，2008)，同時(shí)利用該頻率范圍的天然電磁場(chǎng)觀測(cè)，也觀測(cè)到了與地震活動(dòng)有關(guān)的電磁場(chǎng)異常(高曙德等，2010，2013； 孫維懷等2012； 韓冰等，2015)。

盡管人們已經(jīng)觀測(cè)到了大量與地震有關(guān)的電磁異常現(xiàn)象，但是關(guān)于異常和地震時(shí)間關(guān)系的規(guī)律尚沒有成熟的認(rèn)識(shí)，需要不斷積累觀測(cè)資料和開展研究。由于甘肅隴南漢王臺(tái)的資料已有論文發(fā)表(高曙德等，2010)，本文基于中國大陸2個(gè)交變電磁場(chǎng)(頻率范圍為800～0.1Hz)觀測(cè)臺(tái)站新疆烏魯木齊臺(tái)和云南通海臺(tái)(圖1)的資料，對(duì)2008年發(fā)生在中國大陸的5次6級(jí)以上地震前出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，尋找可能與地震活動(dòng)有關(guān)的電磁場(chǎng)異?，F(xiàn)象。

圖1 電磁觀測(cè)臺(tái)站和地震事件的分布位置Fig. 1 Distribution of seismic electromagnetic observation stations and location of seismic events.臺(tái)站： URQ 新疆烏魯木齊臺(tái)，HW 甘肅隴南漢王臺(tái)，TH 云南通海臺(tái)； 地震： GZ 2008-01-09西藏改則M6.9地震，YT 2008-03-21新疆于田M7.3地震，WC 2008-05-12四川汶川M8.0地震，REZ 2008-08-25西藏日額則M6.8地震，PZH 2008-08-30四川攀枝花M6.1地震； 汶川地震的余震： QC1 2008-05-25青川M6.4地震，QC2 2008-06-05青川M5.0 地震，QC3 2008-05-31青川M4.8地震，NQ 2008-05-27寧強(qiáng)M5.7地震

1 資料觀測(cè)和處理

1.1 觀測(cè)

觀測(cè)臺(tái)站所用的儀器為從俄羅斯引進(jìn)的ACF-4M型儀器，觀測(cè)4個(gè)相互正交的水平電、 磁場(chǎng)分量，即SN向磁場(chǎng)(H1)、 EW向磁場(chǎng)(H2)、 EW向電場(chǎng)(E1)和SN向電場(chǎng)(E2)。分3個(gè)頻帶進(jìn)行觀測(cè)，其中D1頻段頻率范圍為40～0.1Hz，采樣率為160Hz； D2頻段為400～1Hz，采樣率為1,600Hz； D3頻段為800～10Hz，采樣率為3,200Hz； 云南通海磁探頭敷設(shè)在150cm(長)×70cm(寬)×70cm(深)的坑中，在坑底用粗沙石打10cm厚的底，并用白水泥澆注了1個(gè)固定的底座，電極埋設(shè)在距地表1m紅黏土覆蓋的地層處，土層常年濕潤、 電導(dǎo)性能比較理想； 新疆烏魯木齊臺(tái)磁棒和電極也是用同樣的方式敷設(shè)。通過分析發(fā)現(xiàn)，一般在每天凌晨0:00—6:00(第1時(shí)段)人文干擾等最小，上午6:30—12:30(第2時(shí)段)次之，其他時(shí)段干擾相對(duì)較大。因此，我們選擇這2個(gè)時(shí)段的資料進(jìn)行分析。在這2個(gè)觀測(cè)時(shí)段，分別按著D3、 D2和D1次序先后進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)持續(xù)時(shí)間分別是： D3頻段20min，D2頻段1.0h，D1頻段4h。

1.2 功率譜計(jì)算

通過對(duì)觀測(cè)的時(shí)間序列資料R(E，H)(t)(下標(biāo)E、 H分別表示電場(chǎng)或磁場(chǎng))進(jìn)行譜分析，得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)功率譜密度，以磁場(chǎng)為例計(jì)算公式如下(劉國棟等，1993； 奧本海姆等，2001)。磁場(chǎng)的頻譜為

(1)

將該式變形為

(2)

式中，f為頻率，SH為頻譜幅度，φ為相位。

相應(yīng)地，自功率譜和互功率譜的關(guān)系為

(3)

依據(jù)(2-3)式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換(N=4,096)進(jìn)行處理，得到電、 磁場(chǎng)觀測(cè)資料的自功率譜密度S(H1H1)或S(H2H2)、 互功率譜密度如S(H1H2)等數(shù)據(jù)。在觀測(cè)期間，電場(chǎng)分量信號(hào)受臺(tái)站附近的人文干擾影響較大，數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，所以本文主要對(duì)觀測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析。

Schumann(1952)指出舒曼諧振是由閃電激發(fā)的電離層與地面之間的全球電磁震蕩，在地球與電離層空腔中傳播，由于共振作用，其電磁波能量明顯高于其他頻率的電磁波能量，諧振頻率主要由地球的尺寸決定，其諧振基波波長等于地球周長。 近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生前會(huì)使這些固有參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)，日本學(xué)者Hayakawa等(2005)利用1999年初布置在日本中津川(Nakatsugawa)的ULF/ELF 電磁監(jiān)測(cè)儀器，觀測(cè)到發(fā)生在1999年9月21日的臺(tái)灣集集地震前和同年嘉義地震前的舒曼諧振電磁異常，主要是第4階諧振頻率信號(hào)振幅發(fā)生突跳和明顯頻移(約2Hz)； Hayakawa(2008)利用布置在日本茂尻(Moshiri)的電磁儀器觀測(cè)到發(fā)生在2006年12月26日的臺(tái)灣7.3級(jí)地震，在震前3d第3、 4階諧振頻率振幅增強(qiáng)的現(xiàn)象； 黃清華(2005)以1995年1月17日在日本神戶發(fā)生的7.2級(jí)地震為例，通過對(duì)該地震的模擬及相應(yīng)的控制實(shí)驗(yàn)研究得到，與地震孕育過程有關(guān)的地球電磁信號(hào)源自震源或孕震區(qū)，該信號(hào)既可能直接在地殼傳播，也可能通過陸地進(jìn)入到大氣中后在大氣層中傳播，“源”的頻率則直接影響到電磁信號(hào)的分布，低頻時(shí)信號(hào)隨距離的增大而衰減，高頻時(shí)信號(hào)則呈現(xiàn)出環(huán)狀的傳播圖像。因此利用舒曼諧振異常來進(jìn)行地震短臨監(jiān)測(cè)可能是一種行之有效的手段，本文就是借助這個(gè)觀點(diǎn)和方法，利用現(xiàn)有的資料進(jìn)行相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)在震前電磁場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)頻率的(舒曼諧振)功率譜值變化成叢集增大，且隨著臺(tái)站與震中之間距離的增大而衰減，并與觀測(cè)臺(tái)站的方位有關(guān)。

圖2 為新疆烏魯木齊臺(tái)觀測(cè)的2個(gè)磁場(chǎng)分量(H1，H2)的自功率譜曲線，二者具有很好的對(duì)應(yīng)性，在7.8～100Hz頻段H1(SN向)分量的幅度大致與H2(EW向)分量的幅度接近，7.8Hz以前頻段H1(SN向)分量的幅度大于H2(EW向)分量的幅度，在100Hz頻段后H1(SN向)分量的幅度小于H2(EW向)分量的幅度，并在7.8Hz、 14Hz、 20Hz、 25.7Hz、 32Hz、 39Hz等頻率或附近分別出現(xiàn)的磁場(chǎng)自功率譜極大值與舒曼諧振現(xiàn)象的頻率一致(Schumann，1952)。同時(shí)在50Hz、 150Hz、 250Hz、 350Hz等頻率出現(xiàn)的脈沖，也反映了工頻信號(hào)的實(shí)際情況，說明臺(tái)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)具有較高的可信度。在臺(tái)站還進(jìn)行了多次重復(fù)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同的日期資料一致性較好。

圖2 2008年3月3日新疆烏魯木齊臺(tái)1～400Hz頻段磁場(chǎng)H1和H2分量自功率譜曲線Fig. 2 The auto-power spectrum curve of the magnetic field(H1，H2) in bands 1～400Hz at URQ station on March 3，2008.

2 汶川地震前后的電磁場(chǎng)異常

2008年5月12在青藏高原東邊緣的龍門山斷裂帶中部發(fā)生了M8.0汶川地震(WC)，之后在不到1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，地震余震沿著龍門山斷裂帶向NE發(fā)展，其中≥5級(jí)的地震34次。下面對(duì)主震和較大余震前后的電磁現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1 電磁場(chǎng)背景變化的確定原則

地球電磁場(chǎng)是1個(gè)大系統(tǒng)，其構(gòu)成物理要素有: 引力常數(shù)減小條件下核素放射性衰變所產(chǎn)生的地電荷、 地球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、 地磁場(chǎng)、 太陽黑子活動(dòng)、 磁暴、 大氣電場(chǎng)和雷電、 工業(yè)和日常生活中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)等，所以地震臺(tái)站觀測(cè)到的電磁場(chǎng)信息是十分復(fù)雜和豐富的。云南通海和烏魯木齊臺(tái)的ELF電磁觀測(cè)(MT)是定點(diǎn)觀測(cè)，在無大的環(huán)境、 地質(zhì)、 地震事件、 工業(yè)干擾等因素的影響下，觀測(cè)點(diǎn)附近的電磁信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，根據(jù)范曄等(2013)統(tǒng)計(jì)電磁場(chǎng)同一地點(diǎn)觀測(cè)到的舒曼諧振各階本征頻率對(duì)應(yīng)的譜密度呈現(xiàn)年周期變化，是一種漸變的趨勢(shì)，變化范圍較穩(wěn)定； 本文確定背景值的依據(jù)是考察不同臺(tái)站在一定的時(shí)段，觀測(cè)區(qū)域500km內(nèi)無中強(qiáng)地震事件和明顯的干擾事件等，測(cè)值波動(dòng)較小(不超過2倍均方差)作為分析的相對(duì)背景值。

圖3 新疆烏魯木齊臺(tái)2008年1月 1日至9月1日頻率1Hz(a)、 39Hz(b) SN向磁場(chǎng)(H1)自功率譜密度曲線Fig. 3 The auto-power spectral density curves of magnetic fields with different frequencies at Urumqi station， Xinjiang during January 1，2008 to September 1，2008. (a)the north-south 1Hz magnetic field H1，(b)the north-south 39Hz magnetic field H1. 小方框(a′)對(duì)應(yīng)5月4日至5月27日的放大部分； 地震事件符號(hào)同圖1

2.2 新疆烏魯木齊臺(tái)觀測(cè)資料

距離汶川8.0級(jí)地震約1,980km的新疆烏魯木齊臺(tái)(圖1)，在觀測(cè)期間，不同頻率的電磁場(chǎng)分量自功率譜密度在汶川地震(2008年5月12日)前的5月1日至震后的5月31日，出現(xiàn)了同步的電磁場(chǎng)脈沖異常，而且不同日期、 不同頻率之間有較好的對(duì)應(yīng)性。圖3(a，b)分別表示2008年1月1日至2008年9月1日期間1Hz、 39Hz SN向磁場(chǎng)分量(H1)的自功率譜密度變化曲線； EW分量(H2)從2008年3月底受到環(huán)境干擾，所以無法確定變化的具體信息(圖5)，討論從簡(jiǎn)。由表1、 圖3a的放大圖(a′)可見，

表1 烏魯木齊臺(tái)1Hz磁場(chǎng)(H1)分量6次異常的信息

Table1 The six anomalies of magnetic field component (1Hz NS) at Urumqi station

序號(hào)日期(5月)變化天數(shù)/d變化量151約2個(gè)量級(jí)28—114>2個(gè)量級(jí)31311～2個(gè)量級(jí)41611～2個(gè)量級(jí)519—213>2個(gè)量級(jí)6251約2個(gè)量級(jí)

5月1日至5月31日，頻率為1Hz的自功率譜出現(xiàn)了6次脈沖異常，對(duì)于頻率為1Hz的自功率譜，5月12日汶川8.0級(jí)地震(WC)發(fā)生在第1、 2次脈沖異常后，在地震當(dāng)天沒有出現(xiàn)明顯的異常。第5、 6次異常脈沖的異常持續(xù)時(shí)間達(dá)7d(5月19—25日)，其間在距主震震中約260km處發(fā)生了汶川地震的最大余震青川地震(5月25日6.4級(jí))(QC1)(圖1)。并顯示較低頻的1Hz的異常幅度大于較高頻的39Hz的異常幅度。表1 表示頻率為1Hz的6次異常的出現(xiàn)時(shí)間(Date)、 持續(xù)時(shí)間(days)和SN向磁場(chǎng)分量(H1)相對(duì)于背景場(chǎng)增大的幅度(anomaly amplitude)。

圖4 新疆烏魯木齊臺(tái)2008年1月1日至9月30日頻率為7.8Hz(a)、 14Hz(b)、 20Hz(c)和25.7Hz(d) SN向磁場(chǎng)分量(H1)的自功率密度譜曲線Fig. 4 The auto-power spectra density curves of different frequency magnetic fields at Urumqi station，Xinjiang during January 1，2008 to September 30，2008.(a)the north-south 7.8Hz magnetic field H1，(b)the north-south 14Hz magnetic field H1，(c)the north-south 20Hz magnetic field H1，and(d)the north-south 25.7Hz magnetic field H1. 地震事件符號(hào)同圖1

圖5 新疆烏魯木齊臺(tái)2008年1月1日至9月30日頻率為7.8Hz(a)、 14Hz(b)、 20Hz(c)和25.7Hz(d)EW向磁場(chǎng)分量(H2)的自功率密度譜曲線Fig. 5 The auto-power spectral density curve of different frequency magnetic fields at Urumqi station，Xinjiang during January 1，2008 to September 30，2008.(a)the east-west 7.8Hz magnetic field H2，(b)the east-west 14Hz magnetic field H2，(c)the east-west 20Hz magnetic field H2，(d)the east-west 25.7Hz magnetic field H2. 地震事件符號(hào)同圖1

圖6 新疆烏魯木齊臺(tái)2008年1月 1日至10月25日頻率為82Hz(a)和128Hz(b) SN向磁場(chǎng)分量(H1)的自功率密度譜曲線Fig. 6 The auto-power spectral density curve of different frequency magnetic fields at Urumqi station，Xinjiang during January 1，2008 to October 25，2008.(a)the north-south 82Hz magnetic field H1，(b)the north-south 128Hz magnetic field H1. 地震事件符號(hào)同圖1

在其他頻率(7.8Hz、 14Hz、 20Hz、 25.7Hz)圖4 也觀測(cè)到類似的異常現(xiàn)象，并且與1Hz的異常在時(shí)間上具有同步性。例如，2008年1月1日至9月1日頻率為1Hz(圖3a)和7.8Hz、 14Hz、 20Hz、 25.7Hz(圖4)、 39Hz(圖3b)的SN向磁場(chǎng)分量(H1)自功率譜曲線顯示，在5月1日至5月31日，都出現(xiàn)了與1Hz的異常對(duì)應(yīng)的6次異常，各頻率自功率譜的背景值低頻(如1Hz)比其他頻段的大，異常幅度亦有同步的變化。圖5 是7.8Hz、 14Hz、 20Hz、 25.7Hz頻率EW向磁場(chǎng)分量(H2)自功率譜曲線，從1月至3月有1個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的背景值，其值比同頻率SN向的背景值??； 在2月10日和18日出現(xiàn)了2次功率譜超過2個(gè)量級(jí)的變化，2月20日印度尼西亞蘇門答臘MS7.7地震，而SN向磁場(chǎng)無此變化； 從4月開始EW向由于環(huán)境干擾測(cè)值不穩(wěn)定，在以后的分析中未做討論。

Hayakawa等(2005，2008)和曹丙霞等(2009)指出同一地點(diǎn)觀測(cè)到的舒曼諧振各階本征頻率對(duì)應(yīng)的譜密度呈現(xiàn)年周期變化，變化范圍較穩(wěn)定； 也具有穩(wěn)定的特征頻率，偏移量在0.5Hz以內(nèi); 不同地點(diǎn)觀測(cè)到的舒曼諧振頻率的頻譜密度會(huì)隨著觀測(cè)點(diǎn)到閃電源之間的距離和閃電活動(dòng)的強(qiáng)度而變。同理地震孕育過程中或發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波以不同的頻率和方式(地層波、 地面波、 天波(波導(dǎo)的形式))向四周傳播，對(duì)于近區(qū)主要是地層波占主導(dǎo)地位； 而對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)，低頻電磁信號(hào)主要是以波導(dǎo)的形式傳播，能量損失較??； 高頻信息較快地衰減，能量損失較大； 對(duì)D2頻段的82Hz和128Hz(圖6)分析表明，5月1日至5月31日背景場(chǎng)有整體增大的趨勢(shì)，這可能是由于臺(tái)站距離地震區(qū)太遠(yuǎn)，各次脈沖異常之間可能發(fā)生相互交疊，難以清楚地分離，造成整體背景場(chǎng)增大。82Hz的SN向分量(H1)的異常脈沖幅度與128Hz的H1分量在汶川8.0級(jí)地震前后的異常幅度接近，但與1Hz和7.8Hz的異常脈沖幅度相比偏小，而背景值仍是低頻段大于高頻段。這似乎說明，磁場(chǎng)的背景值和異常幅度在較低頻率時(shí)大于較高頻率的背景值和異常幅度，這與正常時(shí)段觀測(cè)的電磁場(chǎng)不同頻率的自功率譜相一致(圖2)。另外，5月19日至25日的2次異常持續(xù)時(shí)間長達(dá)7d，可能與這期間發(fā)生了較強(qiáng)的汶川地震的青川余震(5月25日6.4級(jí))有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

在觀測(cè)期間，盡管臺(tái)站及其周圍有一定的電磁干擾，但是沒有發(fā)現(xiàn)上述異常現(xiàn)象與電磁干擾有明顯的對(duì)應(yīng)性，EW向4月以后的變化是明確的環(huán)境干擾。而舒曼諧振曲線(圖2)等顯示的合理性和規(guī)律性也證明了觀測(cè)資料是可信的。另外，地磁活動(dòng)指數(shù)Kp和磁暴活動(dòng)指數(shù)Dst都顯示，在出現(xiàn)上述異常期間，沒有出現(xiàn)較強(qiáng)的地磁活動(dòng)(曾中超等，2009; 朱濤等，2011)，即異常不是由于地磁活動(dòng)引起的。因此，推測(cè)上述異常最有可能是來自于地球內(nèi)部，與地震活動(dòng)有關(guān)。

3 2008年其他>6.0級(jí)地震前后的電磁異常

2008年中國大陸發(fā)生的≥6.0級(jí)的地震還有(圖1)： 1月9日西藏改則6.9級(jí)地震(GZ)、 3月21日新疆于田7.3級(jí)地震(YT)、 8月25日西藏日喀則仲巴6.8級(jí)地震(REZ)、 8月30日四川攀枝花6.1級(jí)地震(PZH)。表2 給出了這些地震與烏魯木齊臺(tái)和云南通海臺(tái)的距離和相對(duì)方位。由于儀器原因，云南通海臺(tái)在汶川地震時(shí)沒有工作，文中將5月1日至9月30日的記錄作圖說明，并相關(guān)分析。

表2 大于6級(jí)地震的異常變幅與臺(tái)站的距離和相對(duì)方位的統(tǒng)計(jì)

Table2 Distance and azimuth of earthquakes(>6.0)relative to stations and anomaly notice

地震烏魯木齊臺(tái)云南通海臺(tái)1月9日西藏改則6．9地震(GZ)1260km，SSW，有異常1960km，NW，無明顯異常3月21日新疆于田7．3級(jí)地震(YT)1030km，SW，在82Hz與128Hz有異常2400km，NW，無異常5月12日汶川7．9級(jí)地震(WC)1980km，SE，有明顯異常760km，N，未工作8月25日西藏日喀則6．8級(jí)地震(REZ)1470km，SSW，有明顯異常2040km，NW，有異常8月30日四川攀枝花6．1級(jí)地震(PZH)2360km，SE，無異常240km，N，有異常

2008年1月9日西藏改則發(fā)生了M6.9地震(GZ)，1月16日發(fā)生了M6.0余震(圖1)。在地震NE方向約1,260km的新疆烏魯木齊地震臺(tái)，1月13日H1分量39Hz和128Hz的自功率譜出現(xiàn)<1個(gè)量級(jí)的增大異常(圖3b，6b)，1Hz的出現(xiàn)較大幅度的負(fù)異常(圖3a)。

2008年3月21日新疆于田7.3級(jí)地震(YT)前，地震震中NE方向的烏魯木齊臺(tái)(震中距約1,030km)，82Hz和128Hz的H1分量的自功率譜，在地震前5d內(nèi)先后出現(xiàn)了2次(第1次3月17日，第2次3月19日)幅度增大的脈沖異常，在3月17日的異常較大，達(dá)到約3個(gè)量級(jí)(圖6)。而1～39Hz(圖3，4)的H1分量無明顯的脈沖異常出現(xiàn)。

2008年8月25日西藏日喀則仲巴發(fā)生M6.8地震(REZ)，地震前7d，地震北方的烏魯木齊臺(tái)(震中距約1,470km)的H1分量的1Hz、 7.8Hz……128Hz的自功率譜曲線(圖3，4，6)都顯示有幅度增大的脈沖異常，幅度約1～2個(gè)量級(jí)。地震SE方向的云南通海臺(tái)(震中距2,040km)的H1和H2分量在1～128Hz頻段的自功率譜8月25日出現(xiàn)了1～2個(gè)量級(jí)的異常(圖7)。

2008年8月30日四川攀枝花6.1級(jí)地震(PZH)前，地震震中南方的云南通海臺(tái)(震中距240km)的1Hz、 7.8Hz、 82Hz、 128Hz頻率的自功率譜變化如圖7。 8月28日H1和H22個(gè)分量82～128Hz頻段的自功率譜曲線顯示的增大脈沖異常幅度為1～2個(gè)量級(jí)，82Hz的最大，達(dá)到2～3個(gè)量級(jí)。新疆烏魯木齊臺(tái)沒有出現(xiàn)明顯的脈沖異常。

圖7 云南通海臺(tái)2008年5月1日至9月30日1Hz、 7.8Hz、 82Hz、 128Hz磁場(chǎng)功率譜曲線Fig. 7 The power spectrum curves of different frequency magnetic fields at Tonghai station，Yunnan during May 1，2008 to September 30，2008.(a)the north-south 1Hz magnetic field H1，(b)the north-south 7.8Hz magnetic field H1，(c)the north-south 82Hz magnetic field H1，(d)the north-south 128Hz magnetic field H1. 地震事件符號(hào)同圖1

上述結(jié)果似乎表明，與地震有關(guān)的脈沖異常幅度的大小，除了與觀測(cè)頻率、 觀測(cè)分量有關(guān)外，還可能與臺(tái)站和地震震中之間的距離、 相對(duì)方位和(或)區(qū)域構(gòu)造有關(guān)。例如，改則地震(GZ)、 日額則地震(REZ)、 于田地震(YT)等，盡管它們與烏魯木齊震中距相當(dāng)，都為1,000～2,000多km，但異?，F(xiàn)象卻不同(表2)，這可能與地震相對(duì)于臺(tái)站的方位有關(guān)。又如烏魯木齊臺(tái)與于田地震、 日額則地震位于相近的經(jīng)度線上(大致沿SN向)，都出現(xiàn)了不同幅度的異常。

4 討論

4.1 異常脈沖叢集(Cluster)

異常脈沖叢集是指，在1個(gè)地震事件之前和(或)地震期間，在較短的時(shí)間內(nèi)(如數(shù)天)先后出現(xiàn)一系列較大幅度的異常現(xiàn)象。例如，5月12日汶川地震(WC)前，新疆烏魯木齊臺(tái)從5月1日至12日磁場(chǎng)分量自功率譜異常脈沖出現(xiàn)叢集現(xiàn)象，5月5日開始，經(jīng)過3d間隙期，5月9日至5月11日連續(xù)3d都出現(xiàn)異常(圖3，4)。5月25日青川6.4級(jí)地震(QC1)前，19—25日7d出現(xiàn)異常，在之前的14日和16日也出現(xiàn)了異常。對(duì)于不同的地震，脈沖叢集及其之中每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間的長度可能不同，也可能有的臺(tái)站的異常在其他臺(tái)站沒有出現(xiàn)。

4.2 關(guān)于異常的空間分布

上述分析說明，與地震有關(guān)的異常脈沖在離開地震震中>1,000km的臺(tái)站可以觀測(cè)到，并且異常脈沖的幅度可能與臺(tái)站相對(duì)于地震震中的距離和方位有關(guān)。張建國等(2013)對(duì)2008年四川汶川MS8.0地震前后地面觀測(cè)的3個(gè)電磁波臺(tái)站四川金河(距震中30km)、 四川劍閣(距震中200km)及鄭州二砂(距震中1,000km)的ULF觀測(cè)資料(1MHz～1Hz頻段)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在汶川地震前電磁波異常信號(hào)低頻部分出現(xiàn)的時(shí)間較早； 距震中較近的臺(tái)站，異常信息在高頻部分相對(duì)明顯； 距震中稍遠(yuǎn)的臺(tái)站，異常信息在低頻部分相對(duì)明顯。汶川8.0 級(jí)地震前，經(jīng)過震中上空的DEMETER衛(wèi)星記錄的2～6kHz頻段的電場(chǎng)頻譜出現(xiàn)了增大的異常現(xiàn)象，異常幅度達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)(張學(xué)民等，2009a，b)。在距地震35km的四川成都地震臺(tái)地面觀測(cè)的地電場(chǎng)譜值增大了4個(gè)數(shù)量級(jí)(范盈盈等，2010)。這一現(xiàn)象在其他地震前和巖石加載破裂實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到了(郭自強(qiáng)，1994; Hattorietal.，2004; Hayakawaetal.，2008; 高曙德等，2013; Davidetal.，2013)。

另外，DEMETER衛(wèi)星的專門研究組通過對(duì)全部6年半觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn)(Davidetal.，2013)，該期間全球所有5級(jí)以上地震前4h內(nèi)電磁場(chǎng)異常現(xiàn)象出現(xiàn)的概率很高，最高的概率出現(xiàn)在震中距440km內(nèi)，并指出交變電磁場(chǎng)的異常變化是這些研究中最重要的手段。這也說明，與地震有關(guān)的電磁場(chǎng)異常可以出現(xiàn)在幾百到1,000km距離范圍內(nèi)。

關(guān)于電磁場(chǎng)功率譜異常產(chǎn)生的原因，已經(jīng)有一些研究，較普遍的認(rèn)識(shí)是，地震前構(gòu)造應(yīng)力的變化可引起壓電、 壓磁、 摩擦生電或(和)動(dòng)電作用等，于是產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象并在臺(tái)站觀測(cè)記錄到電磁場(chǎng)異常。電磁場(chǎng)雖然不是應(yīng)力-應(yīng)變的直接測(cè)量手段，但其對(duì)微弱的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)卻有極好的敏感性，本文記錄到一定距離的強(qiáng)震孕育引起的電磁場(chǎng)異常，強(qiáng)震前在微裂隙的發(fā)展過程中產(chǎn)生 “機(jī)-電轉(zhuǎn)換效應(yīng)或電磁輻射”引起了電磁場(chǎng)的強(qiáng)能量低頻短周期擾動(dòng)。電磁諧波異常不僅在強(qiáng)震震源區(qū)(近場(chǎng))記錄到，在遠(yuǎn)場(chǎng)電磁場(chǎng)記錄中也有反映，而地震前電磁擾動(dòng)信息的時(shí)間較短，信息量的強(qiáng)弱與地震大小、 方向，震中距及臺(tái)站的地質(zhì)條件有關(guān)，擾動(dòng)信息具有陣發(fā)性、 方向性的特點(diǎn)； Huang(2002; 2011a，b)對(duì)地震電磁異常空間分布選擇性實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬計(jì)算得到，地表介質(zhì)電性非均勻性以及地下特定導(dǎo)電通道等可以較好地解釋地震電信號(hào)選擇性現(xiàn)象，其貢獻(xiàn)的大小與模型具體的電性結(jié)構(gòu)和對(duì)比度等參數(shù)有關(guān)，電磁波頻率高于波導(dǎo)截止頻率的地震電磁信號(hào)能夠以較小的衰減進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，并呈現(xiàn)選擇性分布。而對(duì)于近場(chǎng)、 遠(yuǎn)場(chǎng)的地質(zhì)活動(dòng)引起的電磁場(chǎng)變化可以根據(jù)觀測(cè)區(qū)域靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，觀測(cè)電磁場(chǎng)的背景噪聲與地質(zhì)事件等記錄相互印證并加以甄別； 環(huán)境噪聲是影響電磁信號(hào)最大的因素，尤其是電場(chǎng)信號(hào)，受區(qū)域環(huán)境的影響更大，所以觀測(cè)人員記錄詳實(shí)的觀測(cè)日志，是資料分析的參考依據(jù)?？傊?，地震的孕育和發(fā)生是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，當(dāng)前對(duì)這些地震電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解依然十分有限，希望進(jìn)行總結(jié)對(duì)地震預(yù)測(cè)提供一些有益的探討。

致謝 在成稿之前得到了北京大學(xué)黃清華教授、 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳小平教授的指導(dǎo)和探討； 新疆烏魯木齊地震臺(tái)、 云南通海地震臺(tái)提供了電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，地震參數(shù)由中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心提供； 審稿專家提出了十分寶貴的修改意見和建議： 在此一并表示感謝!

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ELECTROMAGNETIC ANOMALOUS PULSES BEFORE AND AFTER EARTHQUAKES(M>6.0) IN CHINA CONTINENT IN 2008

GAO Shu-de1)ZHAO Guo-ze2)TANG Ji2)SU Yong-gang1)ZHAN Yan2)WANG Li-feng2)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

In this paper，we provided the electromagnetic anomaly phenomena prior to five earthquakes with magnitudeMW>6.0 occurring in China continent in 2008. The electromagnetic data in frequency bands 800～0.1Hz are recorded at two stations located in Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region(URQ)and Tonghai，Yunnan Province(TH). The time series of four horizontal components of the electromagnetic field at the stations are converted to the spectra using Fast Fourier Transform. The relationship between the electromagnetic anomalous phenomena and the earthquake events is studied through analyzing the temporal variation of electromagnetic spectra and comparing them with earthquake events. This study provides the new examples for electromagnetic anomaly phenomena before the earthquakes. The following features can be found. ①The obvious anomalous power spectrum density(PSD)of electromagnetic fields in frequency band of 128～0.5Hz appeared before earthquakes. The anomalous PSD is related to the earthquake magnitude and the epicenter distance. The anomaly size of magnetic PSD is about 1-3 orders of magnitude bigger than the background field before WenchuanMS8.0 earthquake. ② The changes of parameters are also related with frequency of the signal; The ELF signal strength observed at seismic stations is significantly related with distance between the stations or the measured magnetic and electrical field components and the source of earthquake. We also found that the field strength attenuated faster in area closer to the source than in far area. It is clear that the magnetic signals have higher signal noise ratio than the electric data. ③ The amplitudes are also related with the azimuth of the earthquake to station and with the frequency of the data. ④ The anomalous pulses showed cluster phenomenon in time.

anomalous electromagnetic pulse，earthquake monitoring，electromagnetic spectrum，pulse cluster

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.015

2015-11-18收稿，2016-04-06改回。

國家自然科學(xué)基金(41174059，41074047，41374077)資助。
*通訊作者： 趙國澤，男，研究員，E-mail: zhaogz@ies.ac.cn。

P315.72

A

0253-4967(2016)04-0987-18

高曙德，男，副研究員，主要從事地震監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)等研究，E-mail： gsd_gsd@126.com。