安徽阜陽4.3級(jí)地震前電磁擾動(dòng)異常分析

李軍輝，何 康，鄭海剛，王 俊，王雪瑩

(安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

周龍壽等用超限率方法驗(yàn)證了地震“前驅(qū)波”(陳化然，2008)，邱澤華等進(jìn)一步用超限率方法分析了2008年汶川地震前鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的異常特征(李軍輝，2012)，并指出這種異常并非前驅(qū)波，而有可能是地震前的異常，洪德全等利用超限率分析了安慶4.8級(jí)地震前安徽涇縣等多個(gè)臺(tái)站的形變觀測數(shù)據(jù)(李美，2008)，分析認(rèn)為體應(yīng)變數(shù)據(jù)在震前20天左右出現(xiàn)明顯的異常變化。2015年3月14日，安徽阜陽發(fā)生4.3級(jí)地震，震源深度3 km左右，地震造成2人死亡，13人受傷，房屋倒塌155間，嚴(yán)重受損4 152間，一般受損6 972間。本文采用超限率方法提取地震(震中位于淮南臺(tái)西西北方向，震中距99 km)前后淮南臺(tái)2013～2015年的電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)變化形態(tài)的脈沖異常，分析淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)變化與地震的相關(guān)性。

1 資料和超限率方法簡介

淮南、淮北2個(gè)電磁擾動(dòng)觀測臺(tái)使用的儀器為鄭州晶微電子科技有限公司研制的GS-2000型電磁擾動(dòng)儀。該儀器的工作原理為：通過深井電磁傳感器對(duì)超低頻電磁信號(hào)進(jìn)行采集，后放大，通過智能數(shù)據(jù)采集器把電磁擾動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為3個(gè)不同頻段的電信號(hào)。第一通道電信號(hào)記錄為低頻巖石擠壓脈沖(0.001～1 Hz)；第二通道電信號(hào)為記錄中頻巖石破碎脈沖(1～10 Hz)；第三通道電信號(hào)為記錄環(huán)境電磁干擾信號(hào)(10～20 Hz)。傳感器垂直安放在在數(shù)十米的觀測井下,采樣率為1次/分，線性頻段為0.01～20 Hz(周龍壽，2008)。

超限率法先通過高頻濾波，提取數(shù)據(jù)的高頻變化成分，形成一個(gè)變化數(shù)據(jù)系列，再將這個(gè)系列經(jīng)過濾波處理后的時(shí)間列記為Xi(i=1,…,N),N為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)(陳化然，2008)。該序列的標(biāo)準(zhǔn)方差為：

(1)

(2)

為超限強(qiáng)度，這兩個(gè)超限率都是時(shí)間的函數(shù)。用超限率方法處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是濾波的處理，本文利用一階差分進(jìn)行濾波，以4倍方差作為異?？刂凭€。

2 數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)及影響因素分析

淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)3個(gè)通道2013年1月～2015年12月觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，基本無缺數(shù)，2013年電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)3個(gè)頻段均變化平穩(wěn)，3個(gè)通道的數(shù)據(jù)系列單點(diǎn)脈沖具有同步性，無明顯密集脈沖變化。與其它時(shí)段變化相比，電磁擾動(dòng)3個(gè)頻段數(shù)據(jù)系列在2015年1～2月出現(xiàn)明顯密集型脈沖變化形態(tài)，在地震發(fā)生前一個(gè)月就出現(xiàn)明顯的脈沖增強(qiáng)變化，3月14日阜陽4.3級(jí)地震后，數(shù)據(jù)系列中的脈沖形態(tài)消失?；幢迸_(tái)電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性也較好，2015年8月6日～9月14日出現(xiàn)缺數(shù)，阜陽4.3級(jí)地震前后，3個(gè)頻段電磁擾動(dòng)未發(fā)現(xiàn)明顯的異常變化(參見圖1)。

圖1 淮南、淮北臺(tái)電磁擾動(dòng)2013～2015年數(shù)據(jù)變化

關(guān)于地磁觀測數(shù)據(jù)變化的研究表明，地磁前兆觀測資料的數(shù)據(jù)系列中，周期性及年變化等主要受到氣溫、氣壓、降雨等自然因素變化的影響，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也顯示淮南電磁擾動(dòng)3個(gè)頻段的變化與環(huán)境溫度呈現(xiàn)相關(guān)性(張建國，2013)，為了分析溫度變化對(duì)電磁擾動(dòng)的影響，選取了淮南臺(tái)2015年1～12月電磁擾動(dòng)3個(gè)頻段的變化與室內(nèi)觀測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：室內(nèi)觀測溫度的數(shù)據(jù)臺(tái)階型變化主要是由于室內(nèi)開空調(diào)導(dǎo)致的，電磁擾動(dòng)第一通道(0.01～1 Hz)的數(shù)據(jù)臺(tái)階型變化與溫度在2015年8月、9月、11月和12月的臺(tái)階變化具有時(shí)間上的一致性(參見圖2)，因此，儀器觀測環(huán)境的溫度驟變會(huì)影響電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)的基值。

圖2 淮南臺(tái)2015年電磁擾動(dòng)三個(gè)通道數(shù)據(jù)與室溫對(duì)比

2.2 超限率計(jì)算結(jié)果

中國232個(gè)地震前電磁擾動(dòng)異常變化的震例統(tǒng)計(jì)表明，電磁擾動(dòng)異常主要表現(xiàn)為連續(xù)密集脈沖形態(tài)。一般來說，地震較大時(shí)電磁擾動(dòng)異常時(shí)間也較長，其異常信號(hào)比較連續(xù)和密集(張建國，2013)。研究表明，電磁擾動(dòng)第一通道的脈沖變化與地震的關(guān)系較為密切(李軍輝，2012)，因此，本文采用超限率方法來分析淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)第一通道超低頻(0.01～1 Hz)脈沖變化特征。淮南電磁擾動(dòng)超低頻脈沖的超限頻次、超限幅度的結(jié)果顯示，2013～2014年電磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)系列中脈沖頻次及幅度變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的連續(xù)性脈沖高值變化；2015年1～2月年電磁擾動(dòng)脈沖超限頻次和超限強(qiáng)度開始出現(xiàn)同步增強(qiáng)的變化，異常持續(xù)時(shí)間10 d，脈沖的日超限頻次最高達(dá)到27次，日超限幅度最大為453 mV，2月10號(hào)后電磁擾動(dòng)脈沖超限頻次和強(qiáng)度均正常變化(參見圖3)，3月14日發(fā)生阜陽4.3級(jí)地震。與地磁K指數(shù)的對(duì)比的結(jié)果顯示，K指數(shù)的變化與脈沖的超限頻次及超限幅度無明顯的一致性和相關(guān)性，2015年1～2月電磁擾動(dòng)脈沖頻次和幅度出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)變化，而地磁K指數(shù)無明顯的同步變化(參見圖3)，說明異常信號(hào)與空間電流體系的變化不相關(guān)，因此，認(rèn)為前兆信息異?？赡軄碜缘卣鹪姓饏^(qū)物理場。

圖3 淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)0.01～1 Hz超限幅度、超限頻次與地磁K指數(shù)對(duì)比

為分析該脈沖變化與地震的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)了淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間分布特征(參見圖4)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,2015年2月1-10日異常時(shí)段，電磁擾動(dòng)脈沖主要集中在08∶00～21∶00時(shí)間段內(nèi)，脈沖最多為39次，子夜時(shí)段(00∶00～04∶00)無明顯的脈沖變化；2月11-20日的正常時(shí)段電磁擾動(dòng)脈沖也主要集中在08∶00～21∶00之間，最大5次，異常時(shí)段的脈沖變化是正常變化時(shí)段的7倍多。通過淮南臺(tái)2月5日與2月15日電磁擾動(dòng)日變的對(duì)比(參見圖5)，2月5日的脈沖為連續(xù)密集脈沖，脈沖為非臺(tái)階變化，與李美的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致(李美，2008)，2月15日變化平穩(wěn)，無明顯的脈沖變化。因此，認(rèn)為淮南臺(tái)觀測到的電磁擾動(dòng)(0.01～1 Hz)震前的脈沖變化可能與地震的孕育相關(guān)。

圖4 2015年2月1日～20日電磁擾動(dòng)脈沖的時(shí)間分布

圖5 淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)不同觀測時(shí)段對(duì)比

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)在阜陽4.3級(jí)地震前變化的分析，得到如下結(jié)論:(1)淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)2013～2015年原始分鐘值數(shù)據(jù)變化形態(tài)顯示，在2013～2014年間的電磁擾動(dòng)各頻段觀測數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，無明顯的脈沖異常；2015年1月31日～2月9日，電磁擾動(dòng)超低頻段(0.01～1 Hz)觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的脈沖增強(qiáng)，淮北臺(tái)電磁擾動(dòng)觀測數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，阜陽地震前后未發(fā)現(xiàn)明顯的異常變化。(2)利用超限率方法計(jì)算的淮南臺(tái)2013～2015年電磁擾動(dòng)觀測數(shù)據(jù)每日脈沖超限頻次和超限幅度的變化形態(tài)顯示電磁擾動(dòng)脈沖的超限頻次和超限幅度在震前43 d(1月31日)開始出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)，最大超限頻次27次，累積超限幅度最大為453 mV，異常持續(xù)10 d。(3)淮南臺(tái)異常時(shí)段(2月1日～10日)電磁擾動(dòng)觀測數(shù)據(jù)中脈沖超限頻次和超限幅度的時(shí)間分布主要在時(shí)間段7∶00～21∶00，脈沖形態(tài)為連續(xù)密集，為非臺(tái)階變化，因此認(rèn)為淮南臺(tái)電磁擾動(dòng)脈沖增強(qiáng)的變化與2015年3月14日阜陽M4.3級(jí)地震具有明顯的相關(guān)性，有前兆意義。