山西電磁波臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用研究

靳玉貞，張瑞芳，劉曉萍，孟彩菊，楊世英，何 佳，王新勝

(1.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030025；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省晉中市祁縣地震局，山西 祁縣 030900；4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

在地震孕育和發(fā)生過程中，往往會(huì)產(chǎn)生低頻電磁輻射。地震前電磁輻射現(xiàn)象越來越受到地震學(xué)家的關(guān)注，監(jiān)測(cè)震前電磁信號(hào)異常，已成為一種重要的地震預(yù)測(cè)方法。近年來，我國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、震例研究、模擬實(shí)驗(yàn)及理論探討等方面都取得了可喜的進(jìn)展[1-2]。電磁波觀測(cè)與研究是電磁學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分，也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的有著良好發(fā)展前景的地震短臨預(yù)報(bào)方法之一。

通過收集、整理山西省電磁波臺(tái)網(wǎng)的基礎(chǔ)資料和觀測(cè)數(shù)據(jù)，剖析震例，分析山西中強(qiáng)地震前電磁波異常波形、脈沖頻次、異常持續(xù)時(shí)間等特征，從震例的電磁波異常信息中識(shí)別震前短臨異常信息，為今后山西中強(qiáng)地震前短臨異常判斷提供一定參考。

1 電磁波臺(tái)網(wǎng)概況

山西電磁波臺(tái)網(wǎng)于2007年建立，儀器為山西省地震局晉震科技有限公司自行研制的DJY-06C電磁脈沖記錄儀，頻率范圍為0.02 Hz～4 KHz，臺(tái)點(diǎn)主要沿山西地震帶架設(shè)在地市地震部門，觀測(cè)環(huán)境良好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。接收臺(tái)點(diǎn)有21個(gè)，已運(yùn)行十多年，積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。研究選取2009年1月1日至2017年11月30日，山西電磁波觀測(cè)網(wǎng)正在運(yùn)行且有數(shù)據(jù)產(chǎn)出，并用于日常會(huì)商中的12家觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行震前短臨異常研究，各觀測(cè)站(點(diǎn))分布如第9頁圖1所示。

圖1 山西電磁波臺(tái)網(wǎng)測(cè)點(diǎn)及研究選取地震震中分布圖Fig.1 Survey points of Shanxi electromagnetic wave network and distribution map of earthquake epicenter selected in the study

2 震前電磁波異常變化分析

2009年1月1日至2017年11月30日，山西省共發(fā)生ML4.5以上地震8次，最大為2010年1月24日河津ML5.2地震。對(duì)電磁波臺(tái)網(wǎng)300 km范圍內(nèi)ML5.0～6.0地震和200 km范圍內(nèi)ML4.0～5.0地震進(jìn)行震前電磁波短臨異常追蹤，以每日脈沖頻次日均值作對(duì)數(shù)分析，在排除干擾和外空電磁變化信息后，當(dāng)超過背景值即認(rèn)定這些擾動(dòng)信號(hào)是地震電磁波異常信號(hào),主要震例如第9頁表1所示。

表1 地震基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of earthquake

2.1 原平地震

2009年3月28日原平發(fā)生ML4.8地震，位于忻定盆地，測(cè)區(qū)100 km內(nèi)無電磁波測(cè)點(diǎn)，應(yīng)用電磁波臺(tái)網(wǎng)太原盆地測(cè)區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)尋找震前異常。太原測(cè)區(qū)有16個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中10個(gè)臺(tái)點(diǎn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，震前有4個(gè)測(cè)點(diǎn)接收記錄到電磁波異常。震前電磁波異常首先從離震中最近的靈丘測(cè)點(diǎn)開始，3月27日震前一天突跳，28日發(fā)震；晉機(jī)測(cè)點(diǎn)異常開始時(shí)間為3月23日低值，24日異常加速達(dá)到極值，25至27日突變減弱，28日發(fā)震，異常持續(xù)5 d；祁縣測(cè)點(diǎn)3月17日開始出現(xiàn)異常到23日結(jié)束，異常持續(xù)7 d，異常呈現(xiàn)低值-高值-低值-發(fā)震的特點(diǎn)；交口測(cè)點(diǎn)異常出現(xiàn)在3月20日，結(jié)束于28日，異常持續(xù)8 d，異常顯示低值-高值-發(fā)震的特點(diǎn)(見第9頁圖2)。同樣。2016年4月7日原平再次發(fā)生ML4.6地震，晉機(jī)、萬柏林、晉源、太原基準(zhǔn)臺(tái)4個(gè)測(cè)點(diǎn)均接收到明顯的電磁異常信號(hào)，波形基本呈低值-高值-低值-發(fā)震的動(dòng)態(tài)變化過程(見第9頁圖3)。

圖2 2009年3月28日原平ML4.8地震前電磁波日均值變化曲線Fig.2 Change curve of daily mean value of electromagnetic wave before ML4.8 earthquake in Yuanping on March 28, 2009

圖3 2016年4月7日原平ML4.6地震前電磁波日均值變化曲線Fig.3 Change curve of daily mean value of electromagnetic wave before ML4.6 earthquake in Yuanping on April 7, 2016

2.2 2010年6月5日陽曲ML5.0地震

2010年6月5日陽曲發(fā)生ML5.0地震，位于太原盆地，是太原電磁波臺(tái)網(wǎng)布點(diǎn)最密集的測(cè)區(qū)，有16個(gè)測(cè)點(diǎn)。電磁波測(cè)點(diǎn)距震區(qū)100 km左右，震前有12個(gè)臺(tái)點(diǎn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，8個(gè)測(cè)點(diǎn)接收記錄到電磁波異常。太鋼、西山、太原、陽泉臺(tái)從5月28日開始出現(xiàn)異常，6月2日至4日異常加速變化,5日發(fā)生陽曲ML5.0地震；晉機(jī)、晉源、孝義3個(gè)測(cè)點(diǎn)在5月26日出現(xiàn)異常，從波形變化可看出，各臺(tái)的異常波形與震中距無明顯的線性關(guān)系，網(wǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)對(duì)同一地震出現(xiàn)的異常信號(hào)不同步，但每個(gè)臺(tái)的波形基本遵循低值-高值-低值-發(fā)震的過程(見第10頁圖4)。

圖4 2010年6月5日陽曲ML5.0地震前電磁波日均值變化曲線Fig.4 Change curve of daily mean value of electromagnetic wave before ML5.0 Earthquake in Yangqu on June 5, 2010

2.3 2016年12月18日清徐ML4.6地震

2016年12月18日清徐發(fā)生ML4.6地震，位于太原盆地，也是太原電磁波臺(tái)網(wǎng)布點(diǎn)最密集的測(cè)區(qū)，有16個(gè)測(cè)點(diǎn)。電磁波測(cè)點(diǎn)距震區(qū)100 km左右，震前有9個(gè)臺(tái)點(diǎn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可能因震級(jí)偏小，只有4個(gè)測(cè)點(diǎn)接收記錄到電磁波異常，異常首先從離震中最近的太原測(cè)點(diǎn)開始，從12月8日出現(xiàn)低值，13日異常加速達(dá)到極高值，16、17日逐漸減弱，12月18日發(fā)震，異常持續(xù)5 d。異常顯示低值-高值-低值-發(fā)震的特點(diǎn)；平遙測(cè)點(diǎn)于12月8日開始出現(xiàn)異常，18日異常加速達(dá)到極值時(shí)發(fā)震，異常持續(xù)4 d，顯示低值-高值發(fā)震的特點(diǎn)；晉源和交口測(cè)點(diǎn)均在震后一天(19日)出現(xiàn)突跳(見圖5)。

圖5 2016年12月18日清徐ML4.6地震前電磁波日均值變化曲線Fig.5 Change curve of daily mean value of electromagnetic wave before ML4.6 earthquake in Qingxu on December 18, 2016

2.4 2010年1月24日河津ML5.2地震

2010年1月24日河津發(fā)生ML5.2地震，位于運(yùn)城盆地，是臺(tái)網(wǎng)建立以來記錄到的最大地震。所屬的南部測(cè)區(qū)有5個(gè)測(cè)點(diǎn)，震前只有2個(gè)臺(tái)點(diǎn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，僅浮山測(cè)點(diǎn)在臨震前幾天出現(xiàn)電磁波異常，沁水測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)異常(見圖6)。

2.5 2016年3月12日鹽湖ML4.9地震

2016年3月12日鹽湖發(fā)生ML4.9地震，位于運(yùn)城盆地，測(cè)區(qū)100 km內(nèi)無電磁波測(cè)點(diǎn)，選用電磁波臺(tái)網(wǎng)南部測(cè)區(qū)的5個(gè)測(cè)點(diǎn)尋找震前異常，震前有3個(gè)臺(tái)點(diǎn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且都接收記錄到電磁波異常，異常首先從離震中最近的浮山測(cè)點(diǎn)開始，3月4日低值，8日異常加速達(dá)到極值，9日至11日突變減弱，12日發(fā)震，異常持續(xù)4 d；沁水測(cè)點(diǎn)3月1日開始出現(xiàn)異常到8日結(jié)束，異常持續(xù)8 d；陵川測(cè)點(diǎn)異常出現(xiàn)在3月4日，結(jié)束于6日，異常持續(xù)3 d，異常都顯示為低值-高值-低值-發(fā)震的特點(diǎn)，只是異常幅度都小，或許是震級(jí)偏低、發(fā)震區(qū)電磁波測(cè)點(diǎn)距震中較遠(yuǎn)所致(見第11頁圖7)。

圖7 2016年3月12日鹽湖ML4.9地震前電磁波日均值變化曲線Fig.7 Change curve of daily mean value of electromagnetic wave before ML4.9 earthquake in Salt Lake on March 12, 2016

2.6 電磁波異常特征

地震前后電磁波出現(xiàn)異常變化的現(xiàn)象國(guó)內(nèi)外已有大量記載，而且許多震例表明，震前電磁波異常信息的時(shí)間長(zhǎng)短、信息強(qiáng)弱與地震大小、震中距有關(guān)。從上述2009年1月1日-2017年11月30日，山西省發(fā)生的ML4.5以上8次地震獲得的震前12個(gè)正常運(yùn)行電磁波測(cè)點(diǎn)短臨異常資料，進(jìn)一步證實(shí)了地震前存在電磁波異?，F(xiàn)象。由表2可看出，(1) 由于電磁波測(cè)點(diǎn)分布的不均勻性，比如大同盆地只有靈丘臺(tái)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，大同盆地的中強(qiáng)地震前異常信息較少，導(dǎo)致地震前異常信息不均勻，為地震短臨預(yù)報(bào)帶來較大的困難。(2) 地面觀測(cè)臺(tái)之間對(duì)于同一地震的電磁波信息反應(yīng)存在較大差異，震區(qū)測(cè)點(diǎn)有的有異常、有的無異常，還有的異常不顯著。震級(jí)越大異常點(diǎn)越多，當(dāng)然跟測(cè)點(diǎn)密度也有關(guān)。另外，電磁波EW和NS兩道接收的電磁波信息強(qiáng)度不一樣，一般EW道幅度及異常反應(yīng)明顯優(yōu)于NS道。(3) 電磁波震前異常主要集中在地震前1～10 d左右。電磁波觀測(cè)到的短臨異常與其他省局觀測(cè)結(jié)果一致，均為臨震異常。(4) 有異常的臺(tái)站其表現(xiàn)特征也不盡相同。發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻次日均值突然上升或緩慢升高到高值時(shí)，顯示異常即將結(jié)束，地震大都發(fā)生在最大峰值之后的信息減弱時(shí)段內(nèi)[3]，一般在震前7 d左右出現(xiàn)上升，也有在1 d前出現(xiàn)異常信號(hào)。各測(cè)點(diǎn)異常特征主要表現(xiàn)為低值-高值-低值-發(fā)震，個(gè)別還有低值-高值-發(fā)震、震后1 d突跳(見表2)。

表2 山西省2009-2017年ML4.5以上地震前各子臺(tái)電磁波異常特征表Table 2 Characteristics of electromagnetic wave anomalies at each sub-station before the 2009-2017 ML≥4.5 earthquake in Shanxi Province

3 結(jié)語

電磁波觀測(cè)是地震短臨預(yù)報(bào)的一個(gè)重要手段，為了有效地獲取地震前短臨異常，需要在斷層附近科學(xué)地布置測(cè)點(diǎn)，且測(cè)點(diǎn)具有一定的密度，布設(shè)盡量均勻。由于地下地殼構(gòu)造的復(fù)雜性，介質(zhì)電性的非均勻性，信號(hào)傳播的多途徑，使得地面上觀測(cè)臺(tái)的異常信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間不同步及異常信號(hào)幅度的分布非線性[4]。對(duì)于地震電磁波信息的捕捉和識(shí)別仍然是預(yù)報(bào)人員面臨的重大問題，需要在地震電磁波觀測(cè)技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)和提高，建立天地一體的地震電磁波觀測(cè)和研究體系，同時(shí)也需要更廣泛和深入地研究電磁波輻射異常與地震之間的物理聯(lián)系，在地震電磁現(xiàn)象、機(jī)制上尋求新的認(rèn)識(shí)，在理論上取得更大突破[5]。