多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA在張家口地區(qū)的應(yīng)用

宋曉煜 ，李智豪*，劉仲韜，郭鳳霞，郝麗

(1.張家口地震監(jiān)測中心站，河北 張家口 075400；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引 言

中國屬于地震頻發(fā)國家，全國多個(gè)城市位于高烈度區(qū)，破壞性地震的發(fā)生將會(huì)給這些城市造成巨大損失[1]。地震監(jiān)測是探測地震發(fā)生前、發(fā)生時(shí)以及發(fā)生后地球發(fā)出的一些信號(hào)，通過對(duì)地震發(fā)生時(shí)地震波的監(jiān)測，能夠快速準(zhǔn)確地獲得地震的發(fā)生時(shí)刻、位置及破壞程度等重要信息，是防震減災(zāi)及應(yīng)急救援工作的基礎(chǔ)依據(jù)。而監(jiān)測地震發(fā)生前信號(hào)(即前兆信號(hào))的異常變化[2-5]，以及研究這些異常變化與地震的關(guān)系，可用于預(yù)測地震。

1948年10月中亞阿什哈巴德發(fā)生7.5級(jí)地震，當(dāng)時(shí)的水文地質(zhì)工程師意外發(fā)現(xiàn)震前水氡濃度異常增高，震后恢復(fù)，這一事件引起了前蘇聯(lián)地震學(xué)家的注意，認(rèn)為地震是有前兆的。隨后，各國陸續(xù)開展了地震預(yù)測方法的研究[6]。1975年2月4日的遼寧海城7.3級(jí)地震發(fā)生之前，震中附近多地探測到了地傾斜、地下流體及大地電流等前兆信號(hào)異常[7]，這是世界上第一次成功預(yù)測7.0級(jí)以上地震的案例，政府在震前向社會(huì)發(fā)布了地震信息、疏散了人口，極大地減少了傷亡，然而，之后全球范圍內(nèi)的大地震預(yù)測中，勝少敗多，地震預(yù)測依然是全球性的科學(xué)難題[6]，目前仍然沒有探索出一種可靠的地震預(yù)報(bào)方法，地震預(yù)報(bào)任重而道遠(yuǎn)。

邱澤華認(rèn)為地震前兆研究受到個(gè)案觀測嚴(yán)重不足的限制，提出應(yīng)適當(dāng)加大區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)密度[8]。隨后，王新安等提出來一種能夠支持大區(qū)域、高密度布設(shè)的多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)—AETA(acoustic & electro-magnetic testing all in one system)，且若干點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)在一定程度上反映了映震效果[9]。呂亞軒等通過對(duì)九寨溝Ms7.0級(jí)地震前后AETA系統(tǒng)觀測的電磁場變化特征分析，提出一種新的臨震特征，即電磁信號(hào)的條帶異常[10]。然而，利用AETA系統(tǒng)預(yù)測地震是否受地質(zhì)構(gòu)造的影響，集中于四川地區(qū)的研究結(jié)論是否適用于其他地區(qū)，均不得而知，故對(duì)多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)AETA在張家口地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，以期解決上述疑問。

1 多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)

多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)是由北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一套多分量集成地震前兆觀測儀器，如圖1所示，該系統(tǒng)由地聲傳感探頭、電磁傳感探頭、地面處理終端，及云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)組成。地聲傳感探頭和電磁傳感探頭埋設(shè)于地下2米或山洞，終端放置在室內(nèi)，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。該系統(tǒng)主要專注于地聲及電磁擾動(dòng)兩個(gè)分量的監(jiān)測。具體監(jiān)測指標(biāo)如下：

(1)地聲監(jiān)測：監(jiān)測頻段0.1 Hz～50 kHz，從次聲波、聲波到部分超聲波波段。

(2)電磁監(jiān)測：監(jiān)測0.1 Hz～10 kHz，0.1 nT～1 000 nT較寬范圍的甚低頻、超低頻電磁波段。

數(shù)據(jù)產(chǎn)出為以下兩方面：

(1)均值：窗口時(shí)間內(nèi)信號(hào)幅值的平均值，單位為 V (電壓值)，用于標(biāo)示窗口時(shí)間內(nèi)的信號(hào)能量。

(2)振鈴計(jì)數(shù)：窗口時(shí)間內(nèi)正向穿越門檻閾值的點(diǎn)數(shù)，是信號(hào)變化頻次的統(tǒng)計(jì)，用于檢測是否存在異常的頻次事件。

通過對(duì)臨震、震時(shí)、震后過程的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，并實(shí)時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)往監(jiān)測中心，用于地震預(yù)測分析。

圖1 多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)觀測原理

目前在張家口地區(qū)安裝有11套多分量儀器測點(diǎn)，其分布見圖2。

圖2 張家口地區(qū)測點(diǎn)分布

2 多分量震前異常

本文統(tǒng)計(jì)了近3年來張家口地區(qū)3級(jí)以上地震(表1)震前的多分量異常情況。其中，2019年9月28日蔚縣3.1級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有6個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測到了震前異常，分別是臥佛寺、張家口、赤城、海流圖、張北、康保。2019年12月3日懷安縣3.4級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有6個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了震前異常，分別是陽原、蔚縣、尚義、赤城、張北、康保。2021年2月22日張北縣3.0級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有6個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了震前異常，分別是海流圖、張家口、赤城、懷安、后郝窯、蔚縣。2021年6月12日張北縣3.2級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有5個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了震前異常，分別是尚義、張家口、康保、后郝窯、蔚縣。2021年6月22日張北縣3.9級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有5個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了震前異常，分別是尚義、張家口、康保、后郝窯、蔚縣。

表1 張家口近3年3級(jí)以上地震概況

(a)低頻地聲均值震前異常典型曲線； (b) 低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)震前異常典型曲線；(c) 低頻電磁均值震前異常典型曲線；(d)低頻電磁振鈴計(jì)數(shù)震前異常典型曲線 圖3 震前異常典型曲線

選取具有代表性的震前異常進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低頻地聲均值的震前異常表現(xiàn)為單個(gè)突跳(圖3a)，低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)的震前異常表現(xiàn)為接連突跳或曲線先緩慢上升后波動(dòng)性變化(圖3b)，低頻電磁均值的震前異常均表現(xiàn)為方波形態(tài)(圖3c)，低頻電磁振鈴計(jì)數(shù)的震前異常表現(xiàn)為連續(xù)幾天出現(xiàn)單個(gè)突跳或接連突跳(圖3d)。

3 分析與討論

多分量儀器數(shù)據(jù)產(chǎn)出多，四種數(shù)據(jù)產(chǎn)出共可分為6種異常情況。但通過對(duì)近三年多分量儀器的觀測數(shù)據(jù)分析可知，低頻地聲均值單個(gè)突跳、低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)接連突跳、低頻電磁振鈴計(jì)數(shù)單個(gè)突跳及接連突跳與發(fā)生地震的異常對(duì)應(yīng)率較低，而低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)曲線先緩慢上升后波動(dòng)性變化及低頻電磁均值方波形態(tài)與發(fā)生地震的異常對(duì)應(yīng)率很高。低頻地聲均值單個(gè)突跳、低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)接連突跳、低頻電磁振鈴計(jì)數(shù)單個(gè)突跳及接連突跳這4種異常形式出現(xiàn)頻率高，每月都會(huì)有某些測點(diǎn)的某項(xiàng)數(shù)據(jù)產(chǎn)出出現(xiàn)上述異常，故推測上述4種異常形式可能是地下一些偏常態(tài)化的地聲、地磁信號(hào)影響產(chǎn)生的，而非震前信號(hào)。低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)曲線先緩慢上升后波動(dòng)性變化及低頻電磁均值方波形態(tài)的異常形式出現(xiàn)頻率較低，絕大多數(shù)是出現(xiàn)在地震發(fā)生前，故推測這兩種異常形式才是真正記錄到的地震前兆信號(hào)。

基于上述分析，2019年9月28日蔚縣3.1級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中僅1個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測到了有效震前異常，即海流圖；2019年12月3日懷安縣3.4級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有2個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了有效震前異常，分別是尚義和赤城；2021年2月22日張北縣3.0級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中無觀測點(diǎn)監(jiān)測到有效震前異常；2021年6月12日張北縣3.2級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中無觀測點(diǎn)監(jiān)測到有效震前異常；2021年6月22日張北縣3.9級(jí)地震前，11個(gè)觀測點(diǎn)中有3個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測到了有效震前異常，分別是張家口、康保和后郝窯。異常測點(diǎn)數(shù)量與震級(jí)有一定的關(guān)系，與震中距目前未發(fā)現(xiàn)明顯關(guān)系。

綜上所述，認(rèn)為多分量儀器有一定的地震預(yù)報(bào)效果，主要參考低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)曲線先緩慢上升后波動(dòng)性變化及低頻電磁均值方波形態(tài)變化的異常信號(hào)。

4 結(jié) 語

通過對(duì)近三年張家口地區(qū)3級(jí)以上地震震前的多分量異常情況進(jìn)行份析，發(fā)現(xiàn)多個(gè)臺(tái)站記錄到異常信息，可能是相應(yīng)地震的前兆異常。結(jié)合近三年各測點(diǎn)多分量儀器觀測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)低頻地聲均值單個(gè)突跳、低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)接連突跳、低頻電磁振鈴計(jì)數(shù)單個(gè)突跳及接連突跳這4種異常形式并非震前異常信號(hào)，而低頻地聲振鈴計(jì)數(shù)曲線先緩慢上升后波動(dòng)性變化及低頻電磁均值方波形態(tài)的異常形式屬于震前異常信號(hào)，可用于地震預(yù)報(bào)。