金寨臺低頻電磁擾動觀測的降雨影響與校正

陶方宇 陸棟梁 應允翔 孫亮亮

摘 要：本文描述了金寨地震臺DPDC-2低頻電磁擾動儀和GS-2000電磁擾動儀的觀測原理及其運行環(huán)境，利用金寨地震臺最近兩年的數字觀測資料，分析該臺電磁波變化與降雨的關系，認為兩者之間存在著一定的相關關系，降雨是造成電磁波突變的主要原因，并嘗試通過數學方法剔除資料中的降雨影響。

關鍵詞：低頻電磁擾動儀 電磁波 降雨量 相關關系

中圖分類號：P426 文獻標識碼：A 文章編號：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

電磁波前兆觀測是利用固定觀測點上的特定裝置系統，定時觀測地球介質的電磁波，研究其隨時間的變化和這種變化的空間分布規(guī)律，以尋求與地震孕育過程之間的內在聯系。電磁擾動傳感器是利用電學中“磁感應”原理設計而成的[1]。利用這種傳感器觀測地震前兆，對推動地震預報具有重要意義。但是，由于觀測技術系統及環(huán)境變化等原因，在觀測資料中常常會出現與地震孕育及地殼區(qū)域應力狀態(tài)無關的變化。降雨就是其中比較顯著的影響因素，很多研究都表明降雨與電磁波的季節(jié)性變化之間存在較好的相關關系[2]。

金寨臺電磁波觀測自2014年觀測至今，積累了兩年時間的資料，2006年金寨氣象三要素實現數字化觀測，降雨量也實現時值記錄，這些都為研究電磁波與降雨關系提供了理想的觀測條件。金寨地震臺周圍中強地震活動較弱，臺站200km范圍內最大地震為2014年霍山地區(qū)4.2級地震。

本文根據近兩年的數字化資料初步分析兩者之間的關系，研究降雨對金寨臺電磁波數據產生變化的原因，并嘗試通過數學方法剔除資料中的降雨影響。

1 臺址條件

金寨地震臺位于安徽省金寨縣梅山鎮(zhèn)，地處大別山梅山-龍河口斷裂帶，距離梅山水庫2km，距霍山縣佛子嶺水庫40km，海拔50m。臺基屬變質巖，巖體完整性好。金寨地震臺始建于1971年，是安徽省地震工作隊最早一批臺站之一。北西西向展布的梅山—龍河口斷裂從其西南部的梅山水庫穿過。臺站前后各有一條北西西向的斷裂穿過。在地處構造莫霍面的斜坡地帶，本地區(qū)地形地貌表現出獨特的現代地質構造差異特征。鑒于金寨地震臺所處位置的特殊性，選擇該臺站作為電磁波觀測較為理想，2014年4月和8月在安徽省地震局的幫助指導下在金寨地震臺大院內新增DPDC-2低頻電磁擾動觀測系統和GS-2000-DC電磁擾動儀，對于臺站地震監(jiān)測能力有了較大的提高。鉆井孔臺址在金寨地震臺內（井深35m）。地層主要是灰褐色雜土，粘性且含少量淤泥，結構較酥散，土層厚5～6m表現可塑狀態(tài)，通過對巖石芯的分析結果，此鉆井適合安裝低頻電磁擾動儀。

2 儀器原理與概況

2.1 儀器基本原理

假使地下震源體為一長方體，在孕震期間，震源體兩個側面在承受地應力不斷增加的同時，其側面的電荷也將隨之不斷增加。在結晶學與礦物學中，礦物的壓電性公式為：

P=d×σ

式中，P為單位面積上的電荷數；d為壓電系數；σ為應力。

DPDC-2電磁擾動儀包括四個部分：主板（含AD）、網絡接口、電源模塊、傳感器。其中，LES低頻電磁傳感器，由三組磁敏感元件及轉換器組成，磁敏感元件可對南北、東西、垂直三個磁場分量進行觀測。由轉換對其放大、濾波、變換后，輸出信號給數字主機。

DPDC-2就是基于上述原理，觀測的物理量是空間低頻電磁場的磁場分量，觀測頻率為0.1～10Hz，計算公式根據電磁感應定律有：

Vi=n·dΦ/dt

其中，Vi為線圈感應電壓；n為線圈匝數；Φ為磁通量。

2.2 儀器概況

2014年4月和8月安裝DPDC-2型低頻電磁擾動儀和GS-2000-DC地磁擾動儀，分別安裝在同一口觀測井距離井口35m和11m。DPDC-2型低頻電磁擾動儀探測器為圓筒狀，外殼由不銹鋼制成，探測器直徑120mm，高為1300mm。探測器全部置于井口面以下35m處，井深50m。

GS-2000-DC電磁擾動儀主要由磁擾動傳感器、電磁擾動監(jiān)測儀、數據采集儀、前兆儀器專用充電機等設備構成，該儀器把深井傳感器上感應到的Z分量電磁擾動信號進行放大處理、轉換為電信號用于記錄地震孕育、能量聚集、釋放過程、震源產生的電磁輻射的異常變化等情況，進行臨震預報[3]，電磁擾動儀還具有對低頻弱磁場的放大作用。

兩套電磁波儀器自安裝以來，經過一個半月的調試及運行觀測，基本趨于平穩(wěn)，資料連續(xù)可靠。

3 觀測資料分析

3.1 電磁波變化同降雨量的關系

DPDC-2型低頻電磁擾動儀和GS-2000-DC地磁擾動儀，分別在2014年4月和8月安裝在同一口觀測井距離井口35m和11m處。DPDC-2型低頻電磁擾動儀在2014年4月安裝以后數據產出一直較為異常，在經過廠家2014年9月更換探頭后數據恢復正常。GS-2000-DC地磁擾動儀于2014年8月安裝后由于暫時無法錄入數據庫，只是將數據每日下載后保存，直到2015年2月才將數據加入到數據庫中。所以在進行數據對比的過程中我們選取了2015年2月以后的連續(xù)數據進行分析。

（1）自觀測以來，金寨兩套儀器變化的總體形態(tài)基本平穩(wěn)，GS-2000型三通道數據受降雨的影響較為顯著，且具有很強的同步性。一段時間內，本地出現較大降雨或持續(xù)降雨，之后一段時間三通道數據則會快速上升；反之若降雨或降雨量較少，數據會大幅或多次下降。DPDC-2型變化一直比較穩(wěn)定，且該型號儀器在2015年6月降雨量高峰期間，數據丟失。

（2）分析出現以上第一種情況的原因為金寨臺電磁波井縱向深度有35m，當降雨之后雨水從洞口縫隙進入井里，而電磁波井在打井之后，里面天然有水，DPDC-2型裝置于井下35m處，位于井里水面下，而GS-2000型位于11m處，在水面之上，因此DPDC-2型較GS-2000型相對穩(wěn)定，受降水的影響要小于GS-2000型。因此當出現較大降水或持續(xù)降水，GS-2000數據則會快速上升，一段時間內測區(qū)內無降水或降水量較少，數據會大幅或多次下降（見圖1）；DPDC-2型數據受降水的影響就沒有GS-2000明顯，反而在降水時會出現與GS-2000數據反向的小幅度變化（見圖2）。

3.2 不同降雨方式對電磁波變化的影響

根據金寨臺觀測資料，金寨臺受降雨影響，主要有以下兩種類型：

（1）緩降型。起始降雨量較小，整個過程雨量比較均勻，雖然降雨的持續(xù)時間較長（2天以上），但對電磁波的影響是一個緩慢的過程（見圖3ace）。

（2）突降型。起始的降雨量較大（≥10mm），這時大量的雨水會使表層變?yōu)榈碗娮杞橘|，改變地下電磁場的分布，并且降雨和電磁波的突降是同步的（見圖3bdf）。由于這種降雨的特點是雨量集中，持續(xù)時間一般不超過2天，對電磁波的影響比較顯著，但影響時間較短。

當電磁波觀測值在無震時的應力作用下，其形態(tài)的特征與地下水位和降水的形態(tài)（極大值或極小值、上升或下降時間等）相似[4]，且有一定的重復性。

3.3 降雨對電磁波數據影響的消除

既然金寨臺電磁波的變化與降雨存在較好的相關關系，如果采用較短時期的資料，可以認為降雨和電磁波變化之間是一個線性相關的關系，可通過“相關分析校正”[5]（錢家棟等，1985），消除降雨對電磁波變化的影響，結果見圖4。我們看到，校正后的電阻率變化中已經基本上看不到降雨帶來的影響。

4 結論

通過以上的分析，我們有以下認識。

（1）金寨地震臺電磁波觀測數據與年降雨量有一定的相關關系，其中GS-2000-DC型與降雨的相關性要高于DPDC-2型。

（2）不同的降雨方式對金寨電磁波數據的影響是不同的。大量集中降雨對電磁波數據的影響就會表現得比較明顯。

（3）據金寨臺目前觀測井情況分析，如能加大探測深度或將電磁波儀器移到山洞內井下，降雨對電磁波測量的影響會有所降低。

參考文獻

[1] 中國地震局編.地震及前兆數字觀測技術規(guī)范（試行）·電磁觀測[M].北京：地震出版社，2001.

[2] 錢復業(yè)，趙玉林，許同春.地電阻率季節(jié)干擾變化分析[J].地震學報，1987，9（3）：289-302.

[3] 劉琨，李鳳如，郭殿友.寶應模擬電磁擾動前兆異常特征出版源[J].地震地磁觀測與研究，2014，30（3）：134-139.

[4] 劉允秀，陳華靜，程瑞年.地電阻率與地下水位大氣關系研究[J].中國地震，1999，15（2）：184-189.

[5] 錢家棟.地電阻率法在地震預報中的應用[M].北京：地震出版社，1985.