河北红山基准地震台ELF电磁观测资料能力研究

河北红山基准地震台ELF电磁观测资料映震

能力分析

贾　华1，王利兵2，高登平2，陈凯男2，畅国平2

(1.河北省地震局邯郸中心地震台，河北　邯郸　056000；2.河北省地震局红山基准地震台，河北　邢台　054000)

摘要： 为探究ELF电磁观测中出现的电磁扰动与地震间存在的关系，文章选取河北省地震局红山基准地震台2011年至2012年ELF电磁观测资料进行分析。发现电磁观测中存在有与地震相关的异常电磁扰动，并将异常信号幅度与地震震级和震中距的关系作进一步的分析。

关键词： 功率谱；电磁扰动；ELF观测

在中国，从20世纪90年代末开始，开展了基于大功率人工源超低频/极低频技术的方法研究，也开展了该方法在地震监测领域的应用研究。与天然场源的电磁波信号相比，人工可控源的大功率超低频/极低频电磁波技术具有信号强度大、受电离层的干扰小、传播稳定可靠、覆盖范围广、可连续定点观测等优点，并可在数据记录及后续处理过程中，对信号采用相关的分析技术，大大提高了测量数据的精度，即使在具有较强干扰背景的地区，仍能得到很高信噪比的观测资料。计算获得的地下介质电性结构具有很高的精度和稳定性，特别适合于地震预测等需要精确观测数据的研究[1]。

“十五”期间，全国安装12套超低频电磁观测仪器(ELF)，总体运行良好。2007年5月，由中国地震局地质研究所在红山基准地震台(以下简称红山台)安装架设ELF电磁观测仪器(俄罗斯生产的ACF—4M型)，每天连续观测11小时，所选频率范围是：D1:0.1～80 Hz，D2:0.1～800 Hz，D3:0.1～1 600 Hz。

1.1　ELF观测设置

红山台ELF仪器观测的是四分量的电磁场信号：二分量水平电场(正东西Ex和正南北Ey)，二分量的磁场(正东西Hx和正南北Hy)，电场传感器(电极)和磁场传感器埋入地下，连接线采用埋地(50 cm深度)敷设，前置放大器增益为1(所有通道均相同)，采用与正南北、正东西45°交角布设仪器，进行四道电磁场监测，观测相互垂直的水平磁场和电场，频率范围为0.1～1 600 Hz，布设参数如表1所示。

表1　红山台ELF仪器布设参数

Table 1　Layout parameters of ELF instruments

at Hongshan Station

ELF—4M仪器具有计算机网络设置的功能，使用专用软件设置仪器的各项参数和自动记录的开机时间及记录长度。记录数据传输到计算机后，使用软件进行处理，对时间序列进行FFT(快速傅式变换)和仪器标定后，得到电场、磁场的自功率谱、互功率谱及视电阻率和阻抗相位曲线。

1.2　ELF功率频谱

ELF仪器的测量方法实际上是大地电磁测深法。利用电磁场电磁感应的趋肤效应，即高频电磁场穿透浅、低频电磁场穿透深的特点，通过观测不同频段电磁场的频率，来达到测深目的，将地面上测得的电场、磁场分量，计算出视电阻率和阻抗相位的变化[2]。

对于一个确定性信号或随机信号，都可以采用谱分析的方法得到信号的谱特征。由于相关函数和功率谱是一对傅里叶变换(FFT)，因而可以先在时间域上求自相关或互相关函数，然后进行傅里叶变换，得到其频率域的自功率谱或互功率谱，从谱中可以得到带内的关于信号的各种特征。

SE(f)=∫RE(τ)e-j2πfτdτ，

(1)

式中：RE(τ)是时间域的信号；SE(f)是频率域功率谱。

对于每天观测的电磁场信号，均采用以上方法进行计算，得到ELF观测数据随频率的功率谱变化。

在大地电磁测深法中，视电阻率作为一个反映地下介质电性变化的地电参数，建立了表面阻抗与地下介质电阻率之间的关系。一般来说，视电阻率不是某层介质的真正电阻率，而是层状介质电性参数分布的综合反映，与地电断面参数及观测电磁场信号的周期有关。一定频段的大地电磁场有一定的穿透深度和影响范围，而视电阻率表示这一范围内地电断面的平均效应。显然，高频电磁场分量分布范围小，平均效应涉及的范围也小，而低频电磁场分量的分布范围大，平均效应涉及的范围也大，即穿透深度也大[3]。

阻抗相位代表了与之相关的电场水平分量和与之相垂直的磁场水平分量之间的相位差，是频率的函数，同样也是反映介质电性特征的一个重要物理量。

2.1　ELF异常对应的地震

在红山台2011年至2012年ELF观测期间，ELF异常共对应中强地震异常7次(见表2)，还存在有地震而无异常对应的情况，可能是由于震级较小或者震中距较大的原因。

表2　2011年至2012年红山台ELF观测对应的中强地震

Table 2　Moderately strong earthquakes corresponding to ELF

observation at Hongshan Station from 2011 to 2012

2.2　电磁场功率频谱的变化分析

将2011年1月1日至2012年4月30日红山地震台ELF观测各频段的电场(E)和磁场(H)进行数据分析，选用每天连续记录4 h的D1频段数据，采用快速FFT，将连续的时间序列数据变换为频谱序列，经傅里叶变换处理后，可得到电磁场各分量的自、互功率谱密度序列。

使用相应的频率抽取软件，对观测资料处理后的频谱进行频率抽取，生成相应频率的数据文件，绘制出随时间变化的电磁场变化曲线S(E)和S(H)(见图1)。通过曲线可知观测台站在各种频率上的电磁场背景变化，从而基于背景的变化和地磁活动，判断其观测的电磁场是否存在异常变化[4]。(www.xing528.com)

图1　红山台ELF电磁场D1频段1 Hz的功率谱曲线
Fig.1　Power spectrum in D1 band of 1Hz of ELF 
electromagnetic field at Hongshan Station

在没有太阳活动和磁暴的情况下，天然电磁场的变化在一定范围内如果存在异常，则可能与人为干扰或地球构造运动事件相关。对于测点附近的人为干扰，可通过其他观测手段或实地调查来判定[5]。

由于电场信号具有更强的局部效应，受台站地下结构的影响较大，同时，台站周围的人为干扰对大地电场也有影响，使得ELF磁场信号往往较电场信号具有更好的信噪比。所以，对于某些地震，磁场信号可以记录到而电场信号却不能，因而对于电场功率谱信号也存在一些有震无异常的情况(见第44页图2)。

以上两图中，选用D1频段的1 Hz和32 Hz的数据作为分析对象，从每天经过处理的功率谱密度中抽取1 Hz和32 Hz的数据文件，得到其在时间序列上的功率谱变化。用1 Hz和32 Hz频率的电场、磁场自功率谱绘图，得到该频率随时间变化的曲线，发现在多次地震临震前存在明显的电磁能量增强的特点。

2011年2月15日台湾5.1级地震前，1 Hz南北磁场和东西磁场都比正常值高出两个数量级，32 Hz磁场和电场功率谱的变化打破正常形态，长时间、大幅度下降。2012年3月4日新疆6.0级地震前，1 Hz和32 Hz功率谱都出现较大异常，磁场与电场均比正常值高出3～6个数量级。分析以上地震前的地磁Kp指数表明，在观测到异常的时段并没有出现较强的地磁活动，属于磁静日。这说明红山台ELF观测到的电磁场异常变化不是来自外空间电磁活动，可能是由于地球内部变化引起的。

图2　红山台ELF电磁场D1频段32 Hz功率谱曲线
Fig.2　Power spectrum in D1 band of 32Hz of ELF 
electromagnetic field at Hongshan Station

对观测到的7次地震事件与ELF 资料的对应变化分析得出，ELF观测的电磁场计算电场的自功率谱S(E)、磁场功率谱S(H)对于震中距在2 000 km以上，震级Ms>5.5的新疆地震，震前全部参量有异常，异常出现的时间为震前48 h。S(E)异常幅度达到正常时段平均值的5～6个数量级，S(H)异常幅度达到3～4个数量级。对于震中距在0～400 km，震级Ms>4.0的山西、河南地震，震前全部参量有异常，异常出现的时间为震前24 h，S(E)异常幅度达到0.5～0.7个数量级，S(H)异常幅度达到0.5～0.8个数量级(见表3)。

ELF功率谱各参量的变化幅度不仅与信号的频率、布极方位有关，还与震级大小、震中距等有关。新疆6.0级地震及余震前后，各参量出现明显跳动。其中，高频(32 Hz)比低频(1 Hz)变化幅度强，说明接收的电磁场信号强弱具有频率可选性。山西4.2级与河南4.3级地震前，1 Hz、32 Hz磁场信号H2(EW向)比H1(SN向)变化强，电场信号E2(EW向)比E1(SN向)变化强，说明电磁场强弱具有方向性。

表3　红山台ELF资料功率谱异常幅度与对应地震

Table 3　Abnormal amplitude of power spectrum of ELF data at Hongshan Station and the corresponding earthquakes

对以上地震的视电阻率变化特征进行分析，由于存在50 Hz工频干扰，使整个曲线全部压缩，不易看出震前、震时、震后的视电阻率变化，需要经过数字信号处理，才可得到明显的变化结果，不在此详述。

对ELF观测资料的分析表明，震前的电磁效应明显。电磁异常不仅在强震震源区可以记录到，在远场的记录中也有反映。红山台记录的是天然电磁场，所以会存在一些人为的电磁干扰或雷电产生的电磁场，因而电、磁场自功率谱曲线中出现的许多突跳并没有对应地震发生，属于正常现象。当在不同频率的电磁场随时间变化曲线出现异常后，确认资料处理是否准确无误，周围环境是否存在人为的电磁干扰，再与同时段台站的其他观测手段、其他观测台站的记录进行比较，确认异常类型，从而达到利用ELF电磁观测资料进行地震短临预报的目的。

ELF电磁观测数据有效的处理方法和地震短临信息提取技术，对研究地震前兆异常与中强地震的关系，对未来地震监测、地震短临预测方法的拓展具有积极意义。

参考文献：

[1]　王兰炜，赵家骝，张世中.LF/ELF电磁接收机研究及观测实验[J].地震地质，2010，32(3)：482-491.

[2]　高曙德，杜学彬，郝臻.低频电磁波在汶川强余震时的同震效应[J].地震地磁观测与研究，2009，30(6)：1-7.

[3]　赵国泽，王立凤，汤吉.地震监测人工源极低频电磁技术(CSELF)新试验[J].地球物理学报，2010，53(3)：479-486.

[4]　赵国泽，汤吉，邓前辉.人工源超低频电磁波技术及在首都圈地区的测量研究[J].地学前缘，2003，10(8)：248-257.

[5]　吴小平，柳建新，雒志峰.一种多尺度电磁测深方法[J].地球物理学进展，2010，25(5)：1 670-1 675.

JIA Hua1, WANG Li-bing2, GAO Deng-ping2, CHEN Kai-nan2, CHANG Guo-ping2

(1.Handan Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Handan, Hebei 056000, China;2.Hongshan Reference Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai, Hebei 054000, China)

Abstract: ELF electromagnetic data at Hongshan Reference Seismological Station from 2011 to 2012 are chose to research the relationship between electromagnetic disturbance in ELF electromagnetic observation and earthquake. It is found that there are abnormal electromagnetic disturbance associated with the earthquake in electromagnetic observation. And the relationship between abnormal signal amplitude and the earthquake magnitude and epicentral distance is analyzed.

Key words: Power spectrum; Electromagnetic disturbance; ELF observation

中图分类号：P315.72

文献标志码：A

作者简介：第一贾　华(1983—　)，女，河北省邯郸人。2009年毕业于河北工业大学，硕士研究生，工程师。

基金项目：河北省地震局地震科技星火项目(DZ20140707009)。

收稿日期：2015-03-10

文章编号：1000-6265(2016)01-0042-04